摘 要：以杭州某氣體工程公司10 000 Nm3/h空分項目為背景，簡要介紹了其工藝流程及產量指標，并在分析ControlNet總線技術特點的基礎上,重點介紹了空分控制系統的系統硬件和軟件設計。整套系統具有很高的可靠性，且應用靈活。
關鍵詞：ControlNet；空分；防喘振控制；分子篩順序控制
隨著世界工業化進程的不斷發展，冶金、化工、造船、機械等傳統工業領域規模的日益龐大及對氧、氮、氬等氣體的需求日益增加，空分技術也在不斷地發展，現在已步入大型全低壓流程的階段，能耗不斷降低。然而一套先進的空分裝置，除了要有先進的工藝流程、先進的設備制造工藝、先進的裝置安裝水平及嚴格的質量管理外，一套可靠先進的過程控制是必不可少的。本文以杭州某氣體工程公司10 000 Nm3/h空分項目為背景，在分析ControlNet總線技術特點的基礎上,重點探討了基于ControlNet總線技術的空分控制系統的設計與實現。
1 空分工藝流程及產量指標
1.1工藝流程
該10 000 Nm3/h空分項目采用低溫精餾法，即先將空氣通過壓縮、膨脹降溫直至空氣液化，再利用氧、氮沸點不同的特性將空氣分離。其工藝流程采用內壓縮流程，過程為：原料氣經空氣過濾器去除灰塵和機械雜質，經原料空氣壓縮機加壓到0.56 MPa (A)，在空氣冷卻器和冷凍機內冷卻后，進入吸附器，吸附掉水分、CO2、碳氫化合物(CmHn)等雜質。潔凈的氣體經循環壓縮機后，進入分餾塔的下塔底部進行精餾。在下塔底部得到富氧，上部得到氣氮，在主冷凝蒸發器與液氧進行換熱，氣氮被冷凝，而液氧蒸發。在過冷器中過冷后經節流閥節流，進入低壓塔參與精餾分離。在低壓塔的塔頂可得純液氮和氣氮產品，塔底可得純液氧，液氧在主冷凝蒸發器內蒸發，得到氣氧產品；從低壓塔中部抽出一股氬餾分，進粗氬Ⅰ、Ⅱ塔進行氧、氬分離；粗氬在精氬塔內進行氮、氬分離，得到精氬[1-2]。
1.2 產量指標
10 000 Nm3/h空分項目采用KDONAr-4600Y/930Y/145Y型空分裝置來制氧氣、氮氣和氬氣，其期望達到的產量指標如表1所示。
2 ControlNet總線
ControlNet網絡是由美國羅克韋爾自動化公司于1995年推出的一種新的面向控制層的實時性現場總線網絡。1997年7月由羅克韋爾等22家企業發起成立了ControlNet國際化組織，該組織主要負責向全世界推廣ControlNet網絡技術。
2.1 ControlNet技術特點
ControlNet的技術特點可總結如下：
(1) 在單根電纜線上支持2種信息傳輸，一種是對時間有嚴格苛求的信息，另一種是對時間無苛求的信息如程序上/下載等；
(2) 采取新的通信技術模式，以生產者/消費者通信模式取代了傳統的源/目的通信模式。支持點對點通信，而且允許同一時間向多個設備通信；
(3) 可使用同軸電纜，長度可達6 km，可尋址節點最多達99個，兩節點間最長距離達1 km；
(4) 安裝簡單，擴展方便[3]。
2.2 ControlNet網絡的通信模式
ControlNet是基于開放網絡技術的一種新發明的解決方案——生產者/消費者模式。該模式允許網絡上的所有節點同時存取同一個源數據，數據一旦產生，便與客戶的數量無關，從而使網絡系統通信效率更高。生產者客戶模式還采用多信道廣播式信息發送方式，各個節點客戶可以在同一時間接收到生產者所發送的數據，節點之間接收信息精確同步，網絡上可以連接更多的設備而無需增加網絡的通信量。ControlNet網絡支持主從通信、多主通信、對等通信或這些通信的任意混合形式，通信形式可以組態選擇，應用更靈活。對等通信或多主通信的采用，可以提高網絡的可靠性，改進網絡的性能。
生產者/消費者模式與傳統的“源/目的”通信模式相比，前者采用多信道廣播式，網絡所有節點同步化，網絡效率高；后者采用應答式，如果要向多個設備傳送信息，則需要對這些設備分別進行“呼”、“應”通信，即使是同一個信息， 也需要制造多個信息包，這樣，增加了網絡的通信量，網絡響應速度受限制，容易發生信息瓶頸問題，難以滿足更復雜的、高速的、對時間苛求的實時控制要求。對于網絡管理與連接設備（節點）通信的基本技術，需要一種稱為清除名單方法（Clean-Slate approach）。生產者/消費者模式與傳統的“源/目的”多設備通信模式的數據包結構簡圖如圖1所示[4]。
3 系統設計
根據工藝要求，10 000 Nm3/h空分裝置自動控制系統的主要任務是監視和控制空分過程中各環節的溫度、壓力、液位、流量等參數，完成各大型設備的啟/停聯鎖，以保證產品的產量和質量，其主要控制功能包括:（1）壓縮機防喘振控制、壓縮機軸振動、軸位移、油壓、油位等監視、報警和聯鎖控制;（2）分子篩吸附器切換系統的順序邏輯控制;（3）壓縮機、透平膨脹機、泵的啟動、停止及切換操作;（4）溫度、壓力及流量等參數的自動調節;（5）產品氧氣、氮氣、氬氣純度控制及碳氫化合物等雜質含量分析;（6）安全聯鎖控制[5]。
3.1系統硬件設計
系統硬件設計必須根據工藝流程和控制對象而定，應充分考慮被控對象的工藝要求、設備狀況、控制功能以及系統I/O點數等，并據此設計先進的控制系統。
(1)輸入輸出信號的類型和點數
模擬量輸入：154點，包括溫度、壓力、流量、差壓、液位、純度、功率、轉速信號等；
模擬量輸出：48點，控制各調節閥開度；
開關量輸入：74點，包括各大型設備運行/停止信號、現場設備故障報警信號、現場參數報警信號、現場閥門開/關狀態信號等；
開關量輸出：48點，包括對各閥門和一些現場設備的控制。
(2)系統結構組成
本空分系統采用以操作員工作站為上位機，可編程控制器為下位機，利用ControlNet網絡進行數據交換的控制方案。PLC采用美國ROCKWELL 公司的ControlLogix系列產品，主要配置有: 1756- L61、1757- SRM、1756- PAR2、1756 - CNBR、1756-ENBT、1756 - N2、1756-PSCA2、1756 - IF16、1756 – IB32、1756- OB32、1756- IR6I、1756- IT6I、1756- OF8 及第三方通信模塊1756-Modbus等。這些設備構成了雙冗余控制站和遠程I/O 站。上位機通過交換機與PLC處理器通信，遠程框架通過冗余的ControlNet連接到控制器框架，同時遠程框架采用了冗余電源配置。整套系統具有很高的可靠性，滿足了空分系統對PLC控制部分需要長期無故障運行的要求。上位機工作于Windows環境下，使用RSView SE工業控制組態軟件開發人機界面，實現了實時動態顯示、數據的自動采集處理、故障報警、實時及歷史報表的打印等功能。
(3)系統的冗余設計
為了提高系統的可靠性，系統采用了控制站冗余、電源冗余和網絡冗余。
① 控制站冗余
2個互為冗余的控制站配置必須完全相同，冗余功能是依靠雙槽冗余模塊1757-SRM實現的。當主控制器失效時，從控制器在100 ms內接替主控制器，主從控制器的同步對用戶來說是完全透明的，冗余模塊之間通過1757-SRC1連接起來。
② 電源冗余
遠程框架采用了冗余電源配置，每個I/O遠程機架都配置了互為冗余的2個1756-PAR2電源模板，它們同時給相應機架供電，當任意一塊電源模板發生故障，另一塊仍保持供電，因此可以確保I/O機架供電不間斷。
③ 網絡冗余
系統采用冗余的ControlNet網絡，1756-CNBR是ControlNet通信模塊，它有2個冗余的網絡通道，使控制信息實現冗余，通過BNC連接器與ControlNet總線相連。當一路網絡發生故障時，另一路能繼續工作，不會影響系統的正常運行[6]。
3.2系統軟件設計
空分系統中，PLC軟件的設計是一項十分復雜的工作，它要求設計人員既要有程序設計的基礎，又要有自動控制的知識，還要有一定的現場實踐經驗。軟件設計部分包括組態編程軟件和監控軟件。
3.2.1軟件平臺
本文使用的羅克韋爾軟件主要包括:(1)上位監控組態軟件RSView SE，用于人機界面設計、信息層及底層設備間的數據交互;(2)通信組態軟件RSLinx，用于配置通信適配器;(3)邏輯編程軟件RSLogix 5000，對可編程控制器進行編程。
3.2.2 操作員站操作畫面設計
操作員站操作畫面設計包括:(1)畫面顯示，顯示系統主菜單、工藝流程參數和運行工況、運行方式、閥門狀態、設備狀況、故障狀態、實時和歷史趨勢等;(2)系統運行操作，分子篩純化器吸附/再生周期的自動切換或單步執行,大型單體設備(如空壓機、透平膨脹機、水泵等) 的啟/停控制;(3)報警功能，顯示故障區域流程圖,設備故障時其圖形變色或閃爍,并發出聲音報警。
3.2.3 過程站軟件設計
10 000 Nm3/h空分控制系統軟件編程的重要內容就是編制過程站的控制程序。其中分子篩順序邏輯控制和透平膨脹機防喘振控制是主要部分,下面主要對這2個環節進行闡述。
(1)分子篩順序邏輯控制
分子篩吸附器是2只臥裝的圓柱形容器，每只容器中均充有分子篩吸附劑。2只分子篩吸附器MS1201、MS1202交替工作，即當一只吸附器運行在吸附工作狀態時，另一只則運行在再生狀態。處在吸附工作狀態的吸附器，通過已冷卻的原料空氣，當空氣通過分子篩時，空氣中的水分、CO2和碳氫化合物被分子篩吸附，使空氣得到凈化。經過一段時間的吸附，分子篩需要進行再生，使分子篩吸附劑析出水分及CO2等，經過再生的吸附器又可以投入吸附工作，2只吸附器交替工作[7]。
①分子篩吸附器再生過程
分子篩吸附器是空分設備的重要設備之一，確保分子篩吸附器安全可靠運行是很重要的，為此必須按照再生過程進行再生工作，一般分子篩吸附器的再生過程如圖2所示。整個再生過程必須嚴格按照規定的控制程序和時間、壓力、壓差等條件，在前一步動作完成之后，根據有關閥門的開關狀態來進行。
②分子篩吸附器自動控制程序
2只分子篩吸附器相互交替工作，如圖3所示，當MS1201處于吸附工作狀態時，另一只吸附器MS1202則處于再生狀態。各閥門的程序切換由PLC 系統中的程序控制。
分子篩吸附器自動控制程序圖是按照工藝要求編制的，如圖4所示。圖中粗黑線的長短不代表時間長短，控制系統每一步的時間長短由機內計時器控制（如卸壓、加熱、吹冷、充壓）。
(2)壓縮機防喘振控制
喘振是壓縮機性能反常的一種不穩定的狀態。防喘振控制是壓縮機整個控制系統中最為重要的核心部分，必須實現全自動控制[8]。
①防喘振的原理
流量與壓力不匹配，壓力過高而對應流量過小就會引起設備喘振。在10 000 Nm3/h空分裝置中，當流經增壓壓縮機的流量小于一個最小值時：基于某一壓比，會造成部分或全部氣體回流，機器軸承所承受的應力會變大，溫度升高，這種現象稱為“喘振”，喘振會對設備造成損壞，甚至造成重大事故。對應壓縮機設備有著相應的正常工作參數和極限工作參數，根據這些可以繪制喘振曲線，防喘振原理就是在設備動態運行中通過控制使設備運行狀態避開喘振曲線。喘振曲線如圖5所示。
②防喘振控制的實現
為保障生產的安全進行，防止設備損壞，增壓壓縮系統設有防喘振保護，通過調節入口導葉和旁通閥開度來調節壓縮機的進口流量和壓比。
由圖5可知，當增壓端的流量進入到喘振區時，壓縮機自動進入防喘振保護控制，此時旁通閥調節器自動調節旁通閥的開度，使其完全打開。為了防止增壓端的流量突然達到喘振流量而損壞設備，繪制了一條和喘振曲線相平行的防喘振控制線，當流量達到控制線時，調節器自動調節旁通閥的開度，降低設備發生喘振的幾率。
入口導葉和旁通閥的控制均采用手/自動調節方式和就地/遠程控制方式，通過串級回路實現手/自動調節，并進行了閥位跟蹤，為系統的運行提供可靠的保證。
空分系統是一個對安全性、可靠性要求很高的系統，針對這些性能要求，本文利用ControlNet 總線構成系統的硬件結構，通過ControlNet 總線網絡、現場控制單元與上位機構成一個結構簡單、應用靈活的工業控制網絡，可根據實際要求進行擴充[9-11]。ControlNet作為一種新型的面向控制層的實時性現場總線網絡,由于它具有如前所述的獨特優勢，相信這種總線在近期將成為市場上的主流總線之一。
參考文獻
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