引言

    空氣分離裝置是生產(chǎn)氧氣，氮氣等氣體的工業(yè)裝置。一套空分裝置，除了先進(jìn)的工藝流程，設備，安裝水平，一套可靠先進(jìn)的過(guò)程控制系統也是必不缺的，這也是保證整個(gè)裝置安全，穩定，高效地生產(chǎn)高質(zhì)量氣體產(chǎn)品的一個(gè)重要因素。

    EXPERION PKS是霍尼韋爾公司在TPS,PLANTSCAPE等原有控制系統發(fā)展起來(lái)的新的全能綜合型開(kāi)放控制系統，它不僅有DCS的復雜模擬計算能力，也具備PLC的高速邏輯和順控功能，已在多套空分裝置成功應用。

    1 空分的生產(chǎn)工藝和控制要求

    空分一般來(lái)說(shuō)是用低溫深冷技術(shù)，即將空氣降低到足夠低的溫度，利用氧氣，氮氣等氣體的液化溫度不同而將它們分離開(kāi)來(lái)。

               

                                           空分裝置流程

    1.1 空氣分離的第一步就是將空氣經(jīng)空氣壓縮機壓縮到一定的壓力。

    空壓機的控制要求是通過(guò)調節防空保持出口壓力穩定，防止喘振，監測相關(guān)的壓力溫度，必要時(shí)進(jìn)行安全連鎖停機,這要求控制快速穩定，有些廠(chǎng)家要求控制回路周期小于100MS。

    有時(shí)候空壓機自帶獨立控制器，這時(shí)候需要控制系統和其通訊，讀取它的數據。

    1.2經(jīng)空壓機壓縮后的空氣通過(guò)預冷系統,把空氣冷卻到工藝需要的溫度。

    這部分控制點(diǎn)在于保持空冷塔水冷塔的液位穩定。由于空冷塔水冷塔水冷有一定的容積，控制環(huán)節有一定滯后。這部分還需要一些安全聯(lián)鎖邏輯。

    1.3預冷后的氣體要通過(guò)純化系統除去水和二氧化碳等雜質(zhì)。

    主要的控制點(diǎn)在于十幾個(gè)閥門(mén)的順序動(dòng)作，其中包括切斷閥和調節閥，調節閥根據時(shí)序切換到不同的動(dòng)作：PID或是曲線(xiàn)。這樣以確保氣體留量的穩定，對下一級干擾最小。

    1.4純化后的空氣通過(guò)膨脹機制冷，使空氣冷卻到零下100多度，有的接近-200℃ ,通過(guò)氧氣、氮氣、氬氣冷凝溫度不同的原理，在分餾塔內分餾出氧氣、氮氣、氬氣。

    此過(guò)程監控溫度點(diǎn)眾多，要求溫度測量量程寬（能到-200℃），準確，穩定。
    膨脹機是空分的冷源，有很多安全聯(lián)鎖邏輯，有防喘振控制。

    1.5最后生產(chǎn)的氣體分別通過(guò)氧壓機、氮壓機、液氬泵把以上氣體分別加壓到用戶(hù)需要的壓力，送到最終用戶(hù)。

    氧氣機特別是透平氧壓機控制要求非常嚴格，要求多重安全保護邏輯，具有嚴格的啟動(dòng)，運行，停止，故障處理程序，對控制系統的順序控制功能要求很高。

    1.6空分工程中非常注重系統的在線(xiàn)組態(tài)、修改和下裝功能及系統的現場(chǎng)開(kāi)工調試功能，這些功能保證了裝置可靠運行和縮短調試時(shí)間，加快調試進(jìn)度。另外, 系統的自診斷功能也非常重要。

    1.7空分是標準的過(guò)程生產(chǎn)裝置，具有啟動(dòng)，運行周期長(cháng)的特點(diǎn)，監控點(diǎn)眾多，從操作角度來(lái)說(shuō)，DCS系統的操作畫(huà)面、顯示功能、開(kāi)車(chē)指導、歷史趨勢調用分析功能、工藝事故判斷、系統故障顯示功能對于操作人員快速全面的掌握控制整個(gè)裝置也很重要。

    2 控制方案在EXPERION PKS系統 上的實(shí)現

    2.1 Experion PKS系統介紹 

               

                                 Experion PKS系統結構圖

    Experion PKS是霍尼韋爾推出的最新控制系統，Experion PKS使用的技術(shù)也可以與霍尼韋爾原有的系統進(jìn)行集成，如TPS和PlantScape系統等。

    基于Windows 2000的服務(wù)器, 利用高速動(dòng)態(tài)緩存區采集實(shí)時(shí)數據, 提供報警、顯示操作、歷史數據采集、報表報告等服務(wù)功能；HMIWeb技術(shù)基于工業(yè)標準的html文件格式和Web瀏覽器的訪(fǎng)問(wèn)界面；緊湊型的混合控制器；面向對象的組態(tài)工具；ControlNet,容錯以太網(wǎng)絡(luò )；基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)；專(zhuān)利的Profit Loop技術(shù)，這些構成了Experion PKS過(guò)程控制系統的體系結構。

    (1)主要的硬件部分 

    A 混合控制器C200：因為針對模擬和數字兩種應用兼顧設計的，所以稱(chēng)為混合控制器?？刂破魅哂嗯渲脮r(shí)，采用兩個(gè)完全相同控制器，從而可以實(shí)現真正意義上的全冗余，基本控制器和冗余控制器之間的同步對用戶(hù)是完全透明的,兩控制器完全相同，物理上沒(méi)有主副之分，誰(shuí)先運行誰(shuí)為主。當控制器故障發(fā)生時(shí)自動(dòng)進(jìn)行切換，切換時(shí)間對應用來(lái)說(shuō)是可以忽略不計的。
每一個(gè)控制器通過(guò)I/O機箱可以?huà)旖?4塊I/O模件，通過(guò)I/O鏈接接口模件（IOLM）將PMIO接入控制器，I/O鏈接接口模件（IOLM）、通訊、IO處理器卡件均可實(shí)現冗余。

    B PMI/O （過(guò)程管理站輸入/輸出系統）： PMI/O采用TPS 系統的過(guò)程管理站的I/O產(chǎn)品，具有如下特點(diǎn)：診斷能力，故障介入測試，與現場(chǎng)一體化的供電，冗余I/O，在線(xiàn)維護，冗余的XPM電源系統。

    C 通訊網(wǎng)絡(luò ):服務(wù)器通過(guò)Controlnet或者是專(zhuān)利技術(shù)的容錯以太網(wǎng)和控制器通訊。服務(wù)器和操作員站之間通過(guò)（容錯）以太網(wǎng)通訊。ControlNet是一種令牌總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，可冗余，通訊速度5Mbits/sec。

    容錯以太網(wǎng)意味著(zhù)網(wǎng)絡(luò )是冗余配置，但是采用單一網(wǎng)絡(luò )結構，所以切換速度快可達1秒。它可提供比普通以太網(wǎng)更多的通訊路徑。

    (2) 軟件部分

    A 編制控制程序的軟件為Control Builder,其組態(tài)全部采用圖形化的工具，系統的控制程序是以CM（控制模塊）為基本單位，可以單獨從控制器中上裝、下裝，右圖就是一個(gè)標準的控制回路CM。 每個(gè)CM有自己的控制周期，這個(gè)周期必須為CEE(控制執行環(huán)境)周期的倍數，CEE周期有5ms,50ms兩種，，我們在工程中就用50ms的CEE.

                                   

    B 用于過(guò)程實(shí)時(shí)數據采集,操作，記錄，打印，事故報警等功能的服務(wù)器軟件，它基于Windows 2000設計，系統的所有組件集成為一體。當用戶(hù)創(chuàng )建的控制策略下裝時(shí)，相應的數據同時(shí)自動(dòng)下裝到控制處理器和服務(wù)器數據庫中。在服務(wù)器數據庫中自動(dòng)建立每個(gè)組態(tài)生成的模塊（CM，SCM，IOM等）所對應的點(diǎn)?？刂破骱蚉KS服務(wù)器使用統一的位號點(diǎn)名稱(chēng)。Experion PKS過(guò)程系統的服務(wù)器可以冗余配置，以提供更高等級的可靠性。

    C 流程繪制軟件HMI Display Builder ，人機界面Station 。PKS的人機界面(HMI) 采用HMIWeb技術(shù)。HMIWeb使用HTML作為用戶(hù)顯示畫(huà)面格式，可通過(guò)操作員站（Station）環(huán)境或IE瀏覽器來(lái)顯示和操控過(guò)程顯示畫(huà)面。

    系統還提供了大量的標準顯示畫(huà)面：菜單/導航,報警匯總,事件匯總,趨勢,操作組,點(diǎn)細目,系統狀態(tài),組態(tài),回路調節,彈出控制面板,診斷和維護,匯總等。

    2.2 某15000M3/H的大型空分PKS控制系統配置

    2.2.1 I/O的點(diǎn)數統計

    根據系統監控要求，確定系統需要檢測和控制的點(diǎn)的數量（I/O點(diǎn)），列出清單說(shuō)明測點(diǎn)類(lèi)型。
    此外，空壓機，增壓機自帶控制器，需要RS485/MODBUS 通訊采集120個(gè)參數。

               

                                             系統I/O點(diǎn)統計

    2.2.2軟件硬件配置

    根據I/O點(diǎn)數及廠(chǎng)家的監控要求，考慮備用余量，配置了一對冗余控制器，2個(gè)PM I/O機箱。

    因PKS服務(wù)器數據庫點(diǎn)是集成點(diǎn)，一個(gè)CM內可能包含幾個(gè)控制I/O點(diǎn)，所以服務(wù)器點(diǎn)數選400點(diǎn)，系統配備了1個(gè)服務(wù)器（它也可兼操作站），3個(gè)操作站。

    此外，還配備了一臺針式打印機，用來(lái)打印報表，事件報警，一臺噴墨彩色打印機用來(lái)打印畫(huà)面，程序。

    控制器卡件配置如下：

               

    下圖為配置圖: 

               

    2.3 系統組態(tài) 安裝調試

    2.3.1控制策略組態(tài)(控制器內程序)

    根據前面給出的硬件配置，確定所有的I/O卡件位置，分配好所有的I/O點(diǎn)通道，從機箱-卡件-通道，以便隨時(shí)查到相關(guān)信息；進(jìn)入Control Builder程序，建立新的控制器，I/O卡件 ，然后將所有卡件分配到控制器中；根據需要，新建各種CM ，然后將I/O通道塊分配定位到I/O卡上；下裝控制器，I/O卡，CM ，聯(lián)機調試。

    幾個(gè)特點(diǎn):
    各種控制點(diǎn)的控制周期選擇。DCS和PLC的的一個(gè)區別是DCS控制點(diǎn)的運算周期是可以預先確定的，而PLC一般沒(méi)法預先確定。我們常用周期是：模擬采集CM 為1秒，數字采集CM為0.1秒，模擬調節回路CM為0.5秒，數字控制CM為0.1秒，順序控制SCM為1秒。確定每個(gè)CM的周期可以清楚的知道每個(gè)控制策略的反應時(shí)間，既不浪費系統資源，又保證了系統的處理速度。每個(gè)CM還有一個(gè)相位的問(wèn)題，共有40個(gè)相位可選，這可以確保在任何時(shí)間的CPU負載均衡。另外，每個(gè)CM內的功能塊有自己的運算次序，為保證最佳控制效果，需要仔細安排這些功能塊的運算次序。

    2 特殊的控制回路處理。PKS提供一個(gè)Honeywell專(zhuān)利的Profit Loop控制算法，它是單輸入, 單輸出的，可取代控制中的每一個(gè) PID，好處是減少閥門(mén)磨損和延長(cháng)閥門(mén)壽命，由于只有一個(gè)調節參數，降低控制人員的操作難度。 我們在水冷塔控制回路中應用了它，效果良好。

    分子篩中的切換閥控制。這種閥門(mén)帶有兩個(gè)閥門(mén)反饋信號，表示全開(kāi)、全關(guān)，一個(gè)輸出控制信號，根據反饋，閥門(mén)可能有四種狀態(tài)：全開(kāi)，全關(guān)，運行中，故障，當閥門(mén)開(kāi)的輸出信號發(fā)出后，經(jīng)過(guò)時(shí)間T1，開(kāi)反饋信號沒(méi)來(lái)，或者 當閥門(mén)關(guān)的輸出信號發(fā)出后，經(jīng)過(guò)時(shí)間T2，關(guān)反饋信號沒(méi)來(lái) 需要報警；自動(dòng)方式時(shí)由分子篩順控程序驅動(dòng)，發(fā)生報警時(shí)，停止順控程序,在PKS系統中，有一個(gè)DEVCTL（設備控制）功能塊，專(zhuān)門(mén)針對此類(lèi)應用，相當方便。如圖，只需將具體參數輸入即可。

                            

    4 分子篩中的切換閥時(shí)序控制。系統控制14個(gè)調節閥和切換閥，根據時(shí)間進(jìn)行閥門(mén)的依此切換，程序一共有20個(gè)時(shí)間段，時(shí)間可以根據需求修改，啟動(dòng)時(shí)可以從任意時(shí)間開(kāi)始，冷吹，均壓等時(shí)間，流調節閥應先按調整好的曲線(xiàn)動(dòng)作，然后再切換到PID進(jìn)行回路調節，以確保流量壓力的穩定，整個(gè)過(guò)程全由系統控制，控制復雜。

    SCM是針對此類(lèi)模擬數字混合順控應用設計，它的規則是：1從初始步開(kāi)始 2程序由步進(jìn)入條件，執行步交替向下走，執行的指令采用公式形式，可以給變量賦值，改變功能塊操作方式等 3 可以有分支 4程序最后狀態(tài)是 完成 5有異常處理能力，規定的異常條件發(fā)生時(shí)，程序轉去執行另一個(gè)順序序列。幾乎可以按照工藝要求提出的順序流程完全照搬到SCM中。

    5安全聯(lián)鎖類(lèi)的編制。由于是圖形化的組態(tài)環(huán)境，可以較容易的把工藝提出的邏輯功能圖搬到控制模塊CM中，圖示了膨脹機聯(lián)鎖功能CM。由于控制器內存中，每個(gè)CM是單獨的單元，可以單獨下裝，在編制調試時(shí)，完全不影響別的控制點(diǎn)，可以邊運行，邊調試，使得工程時(shí)間大大縮短。

                           

    2.3.1監控組態(tài)（人機界面）

    先用HMIWEB DisplayBuilder程序繪制流程畫(huà)面 ， 然后進(jìn)入Station，進(jìn)行操作組，歷史趨勢顯示組，歷史事件歸檔，報表，安全等的設置。

    幾個(gè)特點(diǎn):
    1 流程畫(huà)面采用HTML格式，支持VB腳本，ACTIVE X組件,支持彈出式畫(huà)面，界面統一采用1024×768的分辨率。下圖展示了預冷畫(huà)面。

                   

    2 系統提供了大量的標準顯示畫(huà)面，除了需要繪制用戶(hù)流程畫(huà)面外，像報警，歷史數據等其他功能顯示界面，無(wú)需再進(jìn)行圖形繪制，系統是標準化的，只需將參數填入即可。 這對于界面統一，系統穩定運行，減少組態(tài)工作量，加快工程速度很有意義。

    2.3.3安裝

    本系統采用了PM I/O，共有三臺控制柜，分別是控制器柜，FTA柜，繼電器柜，控制器，卡件，機柜，FTA，連接電纜，全是標準部件，除了繼電器柜，基本上無(wú)需柜內再進(jìn)行二次配線(xiàn)，降低了連線(xiàn)錯誤的概率，極大的方便了安裝調試 。
下圖為機柜：

                          

    結束語(yǔ)

    EXPERION PKS系統目前已在多套大中型空分裝置上成功運用，其工作穩定，組態(tài)方便，功能強大，經(jīng)過(guò)工程和長(cháng)時(shí)間運行的考驗，確保了空分裝置的安全穩定運行。