萊鋼12000m3/h空分裝置全套引進德國林德公司的技術(shù)設(shè)備，采用空氣低溫精餾法生產(chǎn)高純度的氧氣、氮氣和氬氣。其簡要生產(chǎn)工藝過程如下：原料空氣經(jīng)壓縮、預(yù)冷，并在分子篩站除去水分和CO2，進入冷箱后分成兩股，一股經(jīng)主換熱器逆流冷卻進入高壓塔，另一股經(jīng)膨脹降溫進入低壓塔。空氣經(jīng)高壓塔、低壓塔兩級精餾，在低壓塔頂部分離出氣氮、液氮，在其底部分離出液氧。在低壓塔中部抽出富氬的氬餾分(約含90%O2、10%Ar和0.05%N2)，送往初級粗氬塔中除去氧分，從初級粗氬塔頂部引出氣態(tài)氬(純度約99.8%)送到次級粗氬塔底部，進一步除去氧分。最后，含氧量小于0.0001%的氬送往純氬塔除去氮和碳氫化合物，生產(chǎn)出純氬。

1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該空分裝置采用了加拿大Elsag公司的INFI-90控制系統(tǒng)，其中INFI-90DCS作為過程控制系統(tǒng)，完成數(shù)據(jù)采集、回路調(diào)節(jié)及邏輯順序控制;DECAlpha200計算機用于自動變負荷控制(ALC)。為了保證大型設(shè)備安全、可靠地運行，在現(xiàn)場選用了5臺PLC，分別完成空壓機、氮壓機、氧壓機和兩臺膨脹透平機的局部控制。主控室中配有1臺工程師工作站、1臺操作員監(jiān)控站、1臺自動變負荷過程站和3臺打印機，用于生產(chǎn)過程監(jiān)控，軟件組態(tài)及圖形、報警打印。控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

該系統(tǒng)配置的最大特點是具有冗余功能，包括：

INFI-NET環(huán)的雙環(huán)熱態(tài)冗余。

兩塊網(wǎng)絡(luò)接口模件硬線配置成互為冗余，保證上環(huán)網(wǎng)的數(shù)據(jù)不中斷。

4個多功能處理器分別用硬線配置成兩對互為冗余模塊，保證系統(tǒng)程序執(zhí)行不中斷。

工程師工作站與操作員監(jiān)控站通過以太網(wǎng)配置成冗余，共享兩臺打印機。

2 控制功能

2.1 DCS過程控制

ElsagDCS主要完成產(chǎn)品加工區(qū)、存儲區(qū)的數(shù)據(jù)采集和回路控制?？刂苹芈分饕锌諌簷C吸入空氣的流量控制;空冷塔、水冷塔的液位控制;兩分子篩的運行步驟及切換控制;冷箱內(nèi)各精餾塔及管道內(nèi)的壓力、流量、溫度控制;存儲罐內(nèi)的液位及壓力控制等等。

為使整個生產(chǎn)過程運行穩(wěn)定，各回路間都設(shè)有級聯(lián)控制。該空分裝置主要是制取氧氣，氧氣流量調(diào)節(jié)回路如圖2所示。

圖2 氧氣流量調(diào)節(jié)回路組態(tài)示意圖

由于氧氣流量調(diào)節(jié)會影響到氬餾分、氧氣壓力、氧氣溫度的變化，聯(lián)鎖停車信號會使回路處于安全設(shè)定值狀態(tài)，因此設(shè)計過程中需考慮到這些因素的存在，使之處于級聯(lián)狀態(tài)，保證了氧氣流量的安全調(diào)節(jié)。

PID回路調(diào)節(jié)是由PID功能塊和控制站功能塊組成，它有3種工作方式。

(1) 手動方式操作員在監(jiān)控畫面上直接修改閥門開度的輸出值，達到手動控制現(xiàn)場設(shè)備的目的。

(2) 自動方式操作員通過監(jiān)控畫面修改控制站功能塊的設(shè)定值1，由PID回路根據(jù)此設(shè)定值與測量值的偏差自動調(diào)節(jié)閥門的開度。

(3) 級聯(lián)方式與自動方式基本相同，但控制站功能塊的設(shè)定值2是由內(nèi)部程序修改，在監(jiān)控畫面上不能修改此設(shè)定值。

2.2 ALC

ALC是指通過DECAlpha200計算機中已組態(tài)好的實時數(shù)據(jù)庫(DHI)與DCS系統(tǒng)進行通信，以控制現(xiàn)場25個主要控制回路，改變空分裝置的運行負荷，即改變空氣的吸入量和能耗，并自動地按照一定算法改變后續(xù)工序的相應(yīng)重要生產(chǎn)參數(shù)，實現(xiàn)氧氣產(chǎn)量隨需求量的變化而變化的自動調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍為設(shè)計產(chǎn)量的70%～100%。這樣就可降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟效益。

2.2.1 ALC系統(tǒng)主要功能

(1) 操作員接口

用于氣氧產(chǎn)品目標(biāo)產(chǎn)量的設(shè)定和自動變負荷全過程的監(jiān)視。為保證生產(chǎn)安全，該氣氧產(chǎn)品目標(biāo)產(chǎn)量設(shè)定點有上、下限值。

(2) 計算塊和設(shè)定點斜坡函數(shù)

用于ALC所控制的25個控制回路的各個目標(biāo)設(shè)定點及其他重要工藝參數(shù)的計算。

(3) 數(shù)據(jù)傳送

用于DEC Alpha200計算機計算出的各控制回路設(shè)定點的值到相應(yīng)控制回路的動態(tài)傳送，其數(shù)據(jù)每5s刷新一次。ALC系統(tǒng)啟動前，受ALC控制的所有控制回路必須設(shè)定在適當(dāng)?shù)牟僮鳡顟B(tài)(即自動/串級)。一旦出現(xiàn)錯誤的信號，ALC便自動停止數(shù)據(jù)的傳送，保持當(dāng)前狀態(tài)，同時發(fā)出聲、光報警信號。

(4) 歷史趨勢圖顯示

用于顯示自動變負荷控制過程中主要控制回路的參數(shù)曲線，以便于操作人員監(jiān)視生產(chǎn)狀況。

(5) 安全運行

自動變負荷可以隨時啟動或停止，當(dāng)25個控制回路中有1個出現(xiàn)錯誤時，變負荷將自動停止，各回路保持在當(dāng)前狀態(tài)。

2.2.2 控制原理

對于每個控制回路來說，不同的氧產(chǎn)量值，對應(yīng)著不同最佳設(shè)定值。在ALC系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)置了一套自己的專家控制系統(tǒng)，它是由上千組不同氧產(chǎn)量值對應(yīng)不同控制回路的最佳經(jīng)驗設(shè)定值組成。每次變負荷之前，系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前各控制回路的工藝值、當(dāng)前氧產(chǎn)量值、輸入的氧產(chǎn)量變量值、設(shè)計氧產(chǎn)量的最大最小值，計算出各控制回路的最終目標(biāo)設(shè)定值和當(dāng)前狀態(tài)(OK或ERRO);并且在從當(dāng)前氧產(chǎn)量向目標(biāo)氧產(chǎn)量的變化過程中，按照每次改變量不能超過上次氧產(chǎn)量值的5%的原則，每5s改變一次氧產(chǎn)量值，即每5s計算并發(fā)送一次各控制回路的設(shè)定值，并計算出完成本次變負荷所需要的時間，再由氧產(chǎn)量和完成變負荷的時間構(gòu)成一個一次函數(shù)，這就是斜坡方程。該斜坡方程控制曲線如圖3所示。ALC系統(tǒng)每次運行都是按照這一計算好的斜坡方程軌跡運行，直到運行時間結(jié)束。ALC系統(tǒng)控制運行流程圖如圖4所示。

圖3 斜坡方程控制曲線示意圖

圖4 ALC系統(tǒng)運行流程圖

2.3 PLC局部控制

PLC局部控制由4臺SIEMENS S5-115U 945和1臺三菱MELSEC A1S PLC組成，用來完成主廠房內(nèi)空壓機等大型主體設(shè)備的啟動、停止、運行的邏輯控制，回路控制及運行狀態(tài)監(jiān)視。

3 通信方式

3.1 DCS系統(tǒng)通信方式

該集散控制系統(tǒng)采用了INFI-NET環(huán)、控制總線(Controlway)和輸入/輸出擴展總線3層通信結(jié)構(gòu)。

　　(1) INFI-NET環(huán)是一個無主站、封閉環(huán)路、緩沖器插入型的環(huán)行通信網(wǎng)絡(luò)，由一對冗余的同軸電纜和相應(yīng)的通信端子單元構(gòu)成，最多支持250個節(jié)點，通信速率為10Mb/s。

　　(2) 控制總線是一個1Mb/s的串行通信鏈，最多支持32個多功能處理器，允許過程數(shù)據(jù)、文件數(shù)據(jù)和計算機數(shù)據(jù)的交換，也能處理組態(tài)下裝和參數(shù)整定，并可通過網(wǎng)絡(luò)處理模件從INFI-NET環(huán)接收或發(fā)送例外報告。

　　(3) 輸入/輸出擴展總線處理數(shù)字量I/O模件和模擬量I/O模件與多功能處理器之間的數(shù)據(jù)通信。它是一個高速并行通信通道，其總線寬為8個數(shù)據(jù)位，傳輸速率為0.5Mb/s。

3.2 ALC系統(tǒng)與DCS間的通信

ALC系統(tǒng)通過計算機的網(wǎng)絡(luò)接口模塊與INFI-NET環(huán)相連，它與DCS間的通信要經(jīng)過DCS驅(qū)動器，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成兩個系統(tǒng)都能接受的協(xié)議形式。通信示意圖如圖5所示。

圖5 ALC與DCS通信

4 結(jié)束語

該集散控制系統(tǒng)于1996年11月開始調(diào)試，1997年9月20日通過考核驗收，自動控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定，控制功能和控制精度符合生產(chǎn)工藝的要求。當(dāng)氧產(chǎn)量從70%上升到100%時，ALC所需時間約為40min;氧產(chǎn)量從100%下降到70%時，ALC所需時間約為60min，耗電量是100%工況時的77.7%，大大降低了生產(chǎn)能耗，提高了經(jīng)濟效益。該系統(tǒng)基本達到無人控制，產(chǎn)品各項指標(biāo)均達到合同要求，且重要的工藝參數(shù)可通過以太網(wǎng)傳送到廠級管理計算機，對于冶煉用氣的合理調(diào)度具有重要意義。