过程控制在空分装置中的应用

 

　　莱钢12000m3/h空分装置全套引进德国林德公司的技术设备，采用空气低温精馏法生产高纯度的氧气、氮气和氩气。其简要生产工艺过程如下：原料空气经压缩、预冷，并在分子筛站除去水分和CO2，进入冷箱后分成两股，一股经主换热器逆流冷却进入高压塔，另一股经膨胀降温进入低压塔。空气经高压塔、低压塔两级精馏，在低压塔顶部分离出气氮、液氮，在其底部分离出液氧。在低压塔中部抽出富氩的氩馏分(约含90%O2、10%Ar和0.05%N2)，送往初级粗氩塔中除去氧分，从初级粗氩塔顶部引出气态氩(纯度约99.8%)送到次级粗氩塔底部，进一步除去氧分。最后，含氧量小于0.0001%的氩送往纯氩塔除去氮和碳氢化合物，生产出纯氩。

　　1 控制系统结构

　　该空分装置采用了加拿大Elsag公司的INFI-90控制系统，其中INFI-90DCS作为过程控制系统，完成数据采集、回路调节及逻辑顺序控制;DECAlpha200计算机用于自动变负荷控制(ALC)。为了保证大型设备安全、可靠地运行，在现场选用了5台PLC，分别完成空压机、氮压机、氧压机和两台膨胀透平机的局部控制。主控室中配有1台工程师工作站、1台操作员监控站、1台自动变负荷过程站和3台打印机，用于生产过程监控，软件组态及图形、报警打印。控制系统网络结构如图1所示。

　　

 

　　图1 控制系统网络结构示意图

　　该系统配置的最大特点是具有冗余功能，包括：

　　INFI-NET环的双环热态冗余。

　　两块网络接口模件硬线配置成互为冗余，保证上环网的数据不中断。

　　4个多功能处理器分别用硬线配置成两对互为冗余模块，保证系统程序执行不中断。

　　工程师工作站与操作员监控站通过以太网配置成冗余，共享两台打印机。

　　2 控制功能

　　2.1 DCS过程控制

　　ElsagDCS主要完成产品加工区、存储区的数据采集和回路控制。控制回路主要有空压机吸入空气的流量控制;空冷塔、水冷塔的液位控制;两分子筛的运行步骤及切换控制;冷箱内各精馏塔及管道内的压力、流量、温度控制;存储罐内的液位及压力控制等等。

　　为使整个生产过程运行稳定，各回路间都设有级联控制。该空分装置主要是制取氧气，氧气流量调节回路如图2所示。

　　

 

　　图2 氧气流量调节回路组态示意图

　　由于氧气流量调节会影响到氩馏分、氧气压力、氧气温度的变化，联锁停车信号会使回路处于安全设定值状态，因此设计过程中需考虑到这些因素的存在，使之处于级联状态，保证了氧气流量的安全调节。

　　莱钢12000m3/h空分装置全套引进德国林德公司的技术设备，采用空气低温精馏法生产高纯度的氧气、氮气和氩气。其简要生产工艺过程如下：原料空气经压缩、预冷，并在分子筛站除去水分和CO2，进入冷箱后分成两股，一股经主换热器逆流冷却进入高压塔，另一股经膨胀降温进入低压塔。空气经高压塔、低压塔两级精馏，在低压塔顶部分离出气氮、液氮，在其底部分离出液氧。在低压塔中部抽出富氩的氩馏分(约含90%O2、10%Ar和0.05%N2)，送往初级粗氩塔中除去氧分，从初级粗氩塔顶部引出气态氩(纯度约99.8%)送到次级粗氩塔底部，进一步除去氧分。最后，含氧量小于0.0001%的氩送往纯氩塔除去氮和碳氢化合物，生产出纯氩。

　　1 控制系统结构

　　该空分装置采用了加拿大Elsag公司的INFI-90控制系统，其中INFI-90DCS作为过程控制系统，完成数据采集、回路调节及逻辑顺序控制;DECAlpha200计算机用于自动变负荷控制(ALC)。为了保证大型设备安全、可靠地运行，在现场选用了5台PLC，分别完成空压机、氮压机、氧压机和两台膨胀透平机的局部控制。主控室中配有1台工程师工作站、1台操作员监控站、1台自动变负荷过程站和3台打印机，用于生产过程监控，软件组态及图形、报警打印。控制系统网络结构如图1所示。

　　

 

　　图1 控制系统网络结构示意图

　　该系统配置的最大特点是具有冗余功能，包括：

　　INFI-NET环的双环热态冗余。

　　两块网络接口模件硬线配置成互为冗余，保证上环网的数据不中断。

　　4个多功能处理器分别用硬线配置成两对互为冗余模块，保证系统程序执行不中断。

　　工程师工作站与操作员监控站通过以太网配置成冗余，共享两台打印机。

　　2 控制功能

　　2.1 DCS过程控制

　　ElsagDCS主要完成产品加工区、存储区的数据采集和回路控制。控制回路主要有空压机吸入空气的流量控制;空冷塔、水冷塔的液位控制;两分子筛的运行步骤及切换控制;冷箱内各精馏塔及管道内的压力、流量、温度控制;存储罐内的液位及压力控制等等。

　　为使整个生产过程运行稳定，各回路间都设有级联控制。该空分装置主要是制取氧气，氧气流量调节回路如图2所示。

　　

 

　　图2 氧气流量调节回路组态示意图

　　由于氧气流量调节会影响到氩馏分、氧气压力、氧气温度的变化，联锁停车信号会使回路处于安全设定值状态，因此设计过程中需考虑到这些因素的存在，使之处于级联状态，保证了氧气流量的安全调节。

　　PID回路调节是由PID功能块和控制站功能块组成，它有3种工作方式。

　　(1) 手动方式操作员在监控画面上直接修改阀门开度的输出值，达到手动控制现场设备的目的。

　　(2) 自动方式操作员通过监控画面修改控制站功能块的设定值1，由PID回路根据此设定值与测量值的偏差自动调节阀门的开度。

　　(3) 级联方式与自动方式基本相同，但控制站功能块的设定值2是由内部程序修改，在监控画面上不能修改此设定值。

　　2.2 ALC

　　ALC是指通过DECAlpha200计算机中已组态好的实时数据库(DHI)与DCS系统进行通信，以控制现场25个主要控制回路，改变空分装置的运行负荷，即改变空气的吸入量和能耗，并自动地按照一定算法改变后续工序的相应重要生产参数，实现氧气产量随需求量的变化而变化的自动调节，调节范围为设计产量的70%～100%。这样就可降低生产成本，提高经济效益。

　　2.2.1 ALC系统主要功能

　　(1) 操作员接口

　　用于气氧产品目标产量的设定和自动变负荷全过程的监视。为保证生产安全，该气氧产品目标产量设定点有上、下限值。

　　(2) 计算块和设定点斜坡函数

　　用于ALC所控制的25个控制回路的各个目标设定点及其他重要工艺参数的计算。

　　(3) 数据传送

　　用于DEC Alpha200计算机计算出的各控制回路设定点的值到相应控制回路的动态传送，其数据每5s刷新一次。ALC系统启动前，受ALC控制的所有控制回路必须设定在适当的操作状态(即自动/串级)。一旦出现错误的信号，ALC便自动停止数据的传送，保持当前状态，同时发出声、光报警信号。

　　(4) 历史趋势图显示

　　用于显示自动变负荷控制过程中主要控制回路的参数曲线，以便于操作人员监视生产状况。

　　(5) 安全运行

　　自动变负荷可以随时启动或停止，当25个控制回路中有1个出现错误时，变负荷将自动停止，各回路保持在当前状态。

　　2.2.2 控制原理

　　对于每个控制回路来说，不同的氧产量值，对应着不同最佳设定值。在ALC系统内部设置了一套自己的专家控制系统，它是由上千组不同氧产量值对应不同控制回路的最佳经验设定值组成。每次变负荷之前，系统根据当前各控制回路的工艺值、当前氧产量值、输入的氧产量变量值、设计氧产量的最大最小值，计算出各控制回路的最终目标设定值和当前状态(OK或ERRO);并且在从当前氧产量向目标氧产量的变化过程中，按照每次改变量不能超过上次氧产量值的5%的原则，每5s改变一次氧产量值，即每5s计算并发送一次各控制回路的设定值，并计算出完成本次变负荷所需要的时间，再由氧产量和完成变负荷的时间构成一个一次函数，这就是斜坡方程。该斜坡方程控制曲线如图3所示。ALC系统每次运行都是按照这一计算好的斜坡方程轨迹运行，直到运行时间结束。ALC系统控制运行流程图如图4所示。

　　

 

　　图3 斜坡方程控制曲线示意图

　　

 

　　图4 ALC系统运行流程图

　　2.3 PLC局部控制

　　PLC局部控制由4台SIEMENS S5-115U 945和1台三菱MELSEC A1S PLC组成，用来完成主厂房内空压机等大型主体设备的启动、停止、运行的逻辑控制，回路控制及运行状态监视。

　　3 通信方式

　　3.1 DCS系统通信方式

　　该集散控制系统采用了INFI-NET环、控制总线(Controlway)和输入/输出扩展总线3层通信结构。

　　(1) INFI-NET环是一个无主站、封闭环路、缓冲器插入型的环行通信网络，由一对冗余的同轴电缆和相应的通信端子单元构成，最多支持250个节点，通信速率为10Mb/s。

　　(2) 控制总线是一个1Mb/s的串行通信链，最多支持32个多功能处理器，允许过程数据、文件数据和计算机数据的交换，也能处理组态下装和参数整定，并可通过网络处理模件从INFI-NET环接收或发送例外报告。

　　(3) 输入/输出扩展总线处理数字量I/O模件和模拟量I/O模件与多功能处理器之间的数据通信。它是一个高速并行通信通道，其总线宽为8个数据位，传输速率为0.5Mb/s。

　　3.2 ALC系统与DCS间的通信

　　ALC系统通过计算机的网络接口模块与INFI-NET环相连，它与DCS间的通信要经过DCS驱动器，将数据转换成两个系统都能接受的协议形式。通信示意图如图5所示。

　　

 

　　图5 ALC与DCS通信

　　4 结束语

　　该集散控制系统于1996年11月开始调试，1997年9月20日通过考核验收，自动控制系统运行稳定，控制功能和控制精度符合生产工艺的要求。当氧产量从70%上升到100%时，ALC所需时间约为40min;氧产量从100%下降到70%时，ALC所需时间约为60min，耗电量是100%工况时的77.7%，大大降低了生产能耗，提高了经济效益。该系统基本达到无人控制，产品各项指标均达到合同要求，且重要的工艺参数可通过以太网传送到厂级管理计算机，对于冶炼用气的合理调度具有重要意义。