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(chǎn)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(tǒng)的系統(tǒng)硬件和軟件設計。整套系統(tǒng)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(yè)化進程的不斷發(fā)展，冶金、化工、造船、機械等傳統(tǒng)工業(yè)領域規(guī)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(fā)展，現(xiàn)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(zhì)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(tǒng)的設計與實現(xiàn)。
1 空分工藝流程及產(chǎn)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(nèi)壓縮流程，過程為：原料氣經(jīng)空氣過濾器去除灰塵和機械雜質(zhì)，經(jīng)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(nèi)冷卻后，進入吸附器，吸附掉水分、CO2、碳氫化合物(CmHn)等雜質(zhì)。潔凈的氣體經(jīng)循環(huán)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(fā)器與液氧進行換熱，氣氮被冷凝，而液氧蒸發(fā)。在過冷器中過冷后經(jīng)節(jié)流閥節(jié)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(chǎn)品，塔底可得純液氧，液氧在主冷凝蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)，得到氣氧產(chǎn)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(nèi)進行氮、氬分離，得到精氬[1-2]。
1.2 產(chǎn)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(chǎn)量指標如表1所示。
2 ControlNet總線
ControlNet網(wǎng)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(xiàn)場總線網(wǎng)絡。1997年7月由羅克韋爾等22家企業(yè)發(fā)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(wǎng)絡技術。
2.1 ControlNet技術特點
ControlNet的技術特點可總結(jié)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(chǎn)者/消費者通信模式取代了傳統(tǒng)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(jié)點最多達99個，兩節(jié)點間最長距離達1 km；
(4) 安裝簡單，擴展方便[3]。
2.2 ControlNet網(wǎng)絡的通信模式
ControlNet是基于開放網(wǎng)絡技術的一種新發(fā)明的解決方案——生產(chǎn)者/消費者模式。該模式允許網(wǎng)絡上的所有節(jié)點同時存取同一個源數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)一旦產(chǎn)生，便與客戶的數(shù)量無關，從而使網(wǎng)絡系統(tǒng)通信效率更高。生產(chǎn)者客戶模式還采用多信道廣播式信息發(fā)送方式，各個節(jié)點客戶可以在同一時間接收到生產(chǎn)者所發(fā)送的數(shù)據(jù)，節(jié)點之間接收信息精確同步，網(wǎng)絡上可以連接更多的設備而無需增加網(wǎng)絡的通信量。ControlNet網(wǎng)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(tài)選擇，應用更靈活。對等通信或多主通信的采用，可以提高網(wǎng)絡的可靠性，改進網(wǎng)絡的性能。
生產(chǎn)者/消費者模式與傳統(tǒng)的“源/目的”通信模式相比，前者采用多信道廣播式，網(wǎng)絡所有節(jié)點同步化，網(wǎng)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(wǎng)絡的通信量，網(wǎng)絡響應速度受限制，容易發(fā)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(wǎng)絡管理與連接設備（節(jié)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(chǎn)者/消費者模式與傳統(tǒng)的“源/目的”多設備通信模式的數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示[4]。
3 系統(tǒng)設計
根據(jù)工藝要求，10 000 Nm3/h空分裝置自動控制系統(tǒng)的主要任務是監(jiān)視和控制空分過程中各環(huán)節(jié)的溫度、壓力、液位、流量等參數(shù)，完成各大型設備的啟/停聯(lián)鎖，以保證產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)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(jiān)視、報警和聯(lián)鎖控制;（2）分子篩吸附器切換系統(tǒng)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(shù)的自動調(diào)節(jié);（5）產(chǎn)品氧氣、氮氣、氬氣純度控制及碳氫化合物等雜質(zhì)含量分析;（6）安全聯(lián)鎖控制[5]。
3.1系統(tǒng)硬件設計
系統(tǒng)硬件設計必須根據(jù)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(tǒng)I/O點數(shù)等，并據(jù)此設計先進的控制系統(tǒng)。
(1)輸入輸出信號的類型和點數(shù)
模擬量輸入：154點，包括溫度、壓力、流量、差壓、液位、純度、功率、轉(zhuǎn)速信號等；
模擬量輸出：48點，控制各調(diào)節(jié)閥開度；
開關量輸入：74點，包括各大型設備運行/停止信號、現(xiàn)場設備故障報警信號、現(xiàn)場參數(shù)報警信號、現(xiàn)場閥門開/關狀態(tài)信號等；
開關量輸出：48點，包括對各閥門和一些現(xiàn)場設備的控制。
(2)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成
本空分系統(tǒng)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(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)交換的控制方案。PLC采用美國ROCKWELL 公司的ControlLogix系列產(chǎn)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(gòu)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(tǒng)具有很高的可靠性，滿足了空分系統(tǒng)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(huán)境下，使用RSView SE工業(yè)控制組態(tài)軟件開發(fā)人機界面，實現(xiàn)了實時動態(tài)顯示、數(shù)據(jù)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(tǒng)的冗余設計
為了提高系統(tǒng)的可靠性，系統(tǒng)采用了控制站冗余、電源冗余和網(wǎng)絡冗余。
?、?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(xiàn)的。當主控制器失效時，從控制器在100 ms內(nèi)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。
?、?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(fā)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。
?、?網(wǎng)絡冗余
系統(tǒng)采用冗余的ControlNet網(wǎng)絡，1756-CNBR是ControlNet通信模塊，它有2個冗余的網(wǎng)絡通道，使控制信息實現(xiàn)冗余，通過BNC連接器與ControlNet總線相連。當一路網(wǎng)絡發(fā)生故障時，另一路能繼續(xù)工作，不會影響系統(tǒng)的正常運行[6]。
3.2系統(tǒng)軟件設計
空分系統(tǒng)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(xiàn)場實踐經(jīng)驗。軟件設計部分包括組態(tài)編程軟件和監(jiān)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(jiān)控組態(tài)軟件RSView SE，用于人機界面設計、信息層及底層設備間的數(shù)據(jù)交互;(2)通信組態(tài)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(tǒng)主菜單、工藝流程參數(shù)和運行工況、運行方式、閥門狀態(tài)、設備狀況、故障狀態(tài)、實時和歷史趨勢等;(2)系統(tǒng)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(zhí)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(qū)域流程圖,設備故障時其圖形變色或閃爍,并發(fā)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(tǒng)軟件編程的重要內(nèi)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(huán)節(jié)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(tài)時，另一只則運行在再生狀態(tài)。處在吸附工作狀態(tài)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(jīng)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(jīng)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]。
?、俜肿雍Y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(guī)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(jù)有關閥門的開關狀態(tài)來進行。
?、诜肿雍Y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(tài)時，另一只吸附器MS1202則處于再生狀態(tài)。各閥門的程序切換由PLC 系統(tǒng)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(tǒng)每一步的時間長短由機內(nèi)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(wěn)定的狀態(tài)。防喘振控制是壓縮機整個控制系統(tǒng)中最為重要的核心部分，必須實現(xiàn)全自動控制[8]。
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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(jīng)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(xiàn)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(shù)和極限工作參數(shù)，根據(jù)這些可以繪制喘振曲線，防喘振原理就是在設備動態(tài)運行中通過控制使設備運行狀態(tài)避開喘振曲線。喘振曲線如圖5所示。
?、诜来窨刂频膶崿F(xiàn)
為保障生產(chǎn)的安全進行，防止設備損壞，增壓壓縮系統(tǒng)設有防喘振保護，通過調(diào)節(jié)入口導葉和旁通閥開度來調(diào)節(jié)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(qū)時，壓縮機自動進入防喘振保護控制，此時旁通閥調(diào)節(jié)器自動調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)器自動調(diào)節(jié)旁通閥的開度，降低設備發(fā)生喘振的幾率。
入口導葉和旁通閥的控制均采用手/自動調(diào)節(jié)方式和就地/遠程控制方式，通過串級回路實現(xiàn)手/自動調(diào)節(jié)，并進行了閥位跟蹤，為系統(tǒng)的運行提供可靠的保證。
空分系統(tǒng)是一個對安全性、可靠性要求很高的系統(tǒng)，針對這些性能要求，本文利用ControlNet 總線構(gòu)成系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，通過ControlNet 總線網(wǎng)絡、現(xiàn)場控制單元與上位機構(gòu)成一個結(jié)構(gòu)簡單、應用靈活的工業(yè)控制網(wǎng)絡，可根據(jù)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(xiàn)場總線網(wǎng)絡,由于它具有如前所述的獨特優(yōu)勢，相信這種總線在近期將成為市場上的主流總線之一。
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