摘 要：以杭州某氣體工程公司10 000 Nm3/h空分項(xiàng)目為背景，簡要介紹了其工藝流程及產(chǎn)量指標(biāo)，并在分析ControlNet總線技術(shù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,重點(diǎn)介紹了空分控制系統(tǒng)的系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)。整套系統(tǒng)具有很高的可靠性，且應(yīng)用靈活。
關(guān)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(jìn)程的不斷發(fā)展，冶金、化工、造船、機(jī)械等傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域規(guī)模的日益龐大及對(duì)氧、氮、氬等氣體的需求日益增加，空分技術(shù)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(jìn)的空分裝置，除了要有先進(jìn)的工藝流程、先進(jìn)的設(shè)備制造工藝、先進(jìn)的裝置安裝水平及嚴(yán)格的質(zhì)量管理外，一套可靠先進(jìn)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(xiàng)目為背景，在分析ControlNet總線技術(shù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,重點(diǎn)探討了基于ControlNet總線技術(shù)的空分控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。
1 空分工藝流程及產(chǎn)量指標(biāo)
1.1工藝流程
該10 000 Nm3/h空分項(xiàng)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(diǎn)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(jī)械雜質(zhì)，經(jīng)原料空氣壓縮機(jī)加壓到0.56 MPa (A)，在空氣冷卻器和冷凍機(jī)內(nèi)冷卻后，進(jìn)入吸附器，吸附掉水分、CO2、碳?xì)浠衔?CmHn)等雜質(zhì)。潔凈的氣體經(jīng)循環(huán)壓縮機(jī)后，進(jìn)入分餾塔的下塔底部進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)粗氬Ⅰ、Ⅱ塔進(jìn)行氧、氬分離；粗氬在精氬塔內(nèi)進(jìn)行氮、氬分離，得到精氬[1-2]。
1.2 產(chǎn)量指標(biāo)
10 000 Nm3/h空分項(xiàng)目采用KDONAr-4600Y/930Y/145Y型空分裝置來制氧氣、氮?dú)夂蜌鍤?，其期望達(dá)到的產(chǎn)量指標(biāo)如表1所示。
2 ControlNet總線
ControlNet網(wǎng)絡(luò)是由美國羅克韋爾自動(dòng)化公司于1995年推出的一種新的面向控制層的實(shí)時(shí)性現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)。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(fù)責(zé)向全世界推廣ControlNet網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。
2.1 ControlNet技術(shù)特點(diǎn)
ControlNet的技術(shù)特點(diǎn)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(duì)時(shí)間有嚴(yán)格苛求的信息，另一種是對(duì)時(shí)間無苛求的信息如程序上/下載等；
(2) 采取新的通信技術(shù)模式，以生產(chǎn)者/消費(fèi)者通信模式取代了傳統(tǒng)的源/目的通信模式。支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，而且允許同一時(shí)間向多個(gè)設(shè)備通信；
(3) 可使用同軸電纜，長度可達(dá)6 km，可尋址節(jié)點(diǎn)最多達(dá)99個(gè)，兩節(jié)點(diǎn)間最長距離達(dá)1 km；
(4) 安裝簡單，擴(kuò)展方便[3]。
2.2 ControlNet網(wǎng)絡(luò)的通信模式
ControlNet是基于開放網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的一種新發(fā)明的解決方案——生產(chǎn)者/消費(fèi)者模式。該模式允許網(wǎng)絡(luò)上的所有節(jié)點(diǎn)同時(shí)存取同一個(gè)源數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)一旦產(chǎn)生，便與客戶的數(shù)量無關(guān)，從而使網(wǎng)絡(luò)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(gè)節(jié)點(diǎn)客戶可以在同一時(shí)間接收到生產(chǎn)者所發(fā)送的數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)之間接收信息精確同步，網(wǎng)絡(luò)上可以連接更多的設(shè)備而無需增加網(wǎng)絡(luò)的通信量。ControlNet網(wǎng)絡(luò)支持主從通信、多主通信、對(duì)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(yīng)用更靈活。對(duì)等通信或多主通信的采用，可以提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性，改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)的性能。
生產(chǎn)者/消費(fèi)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(luò)所有節(jié)點(diǎn)同步化，網(wǎng)絡(luò)效率高；后者采用應(yīng)答式，如果要向多個(gè)設(shè)備傳送信息，則需要對(duì)這些設(shè)備分別進(jìn)行“呼”、“應(yīng)”通信，即使是同一個(gè)信息， 也需要制造多個(gè)信息包，這樣，增加了網(wǎng)絡(luò)的通信量，網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)速度受限制，容易發(fā)生信息瓶頸問題，難以滿足更復(fù)雜的、高速的、對(duì)時(shí)間苛求的實(shí)時(shí)控制要求。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)管理與連接設(shè)備（節(jié)點(diǎn)）通信的基本技術(shù)，需要一種稱為清除名單方法（Clean-Slate approach）。生產(chǎn)者/消費(fèi)者模式與傳統(tǒng)的“源/目的”多設(shè)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(shè)計(jì)
根據(jù)工藝要求，10 000 Nm3/h空分裝置自動(dòng)控制系統(tǒng)的主要任務(wù)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(shè)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(jī)防喘振控制、壓縮機(jī)軸振動(dòng)、軸位移、油壓、油位等監(jiān)視、報(bào)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(jī)、透平膨脹機(jī)、泵的啟動(dòng)、停止及切換操作;（4）溫度、壓力及流量等參數(shù)的自動(dòng)調(diào)節(jié);（5）產(chǎn)品氧氣、氮?dú)狻鍤饧兌瓤刂萍疤細(xì)浠衔锏入s質(zhì)含量分析;（6）安全聯(lián)鎖控制[5]。
3.1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)必須根據(jù)工藝流程和控制對(duì)象而定，應(yīng)充分考慮被控對(duì)象的工藝要求、設(shè)備狀況、控制功能以及系統(tǒng)I/O點(diǎn)數(shù)等，并據(jù)此設(shè)計(jì)先進(jìn)的控制系統(tǒng)。
(1)輸入輸出信號(hào)的類型和點(diǎn)數(shù)
模擬量輸入：154點(diǎn)，包括溫度、壓力、流量、差壓、液位、純度、功率、轉(zhuǎn)速信號(hào)等；
模擬量輸出：48點(diǎn)，控制各調(diào)節(jié)閥開度；
開關(guān)量輸入：74點(diǎn)，包括各大型設(shè)備運(yùn)行/停止信號(hào)、現(xiàn)場設(shè)備故障報(bào)警信號(hào)、現(xiàn)場參數(shù)報(bào)警信號(hào)、現(xiàn)場閥門開/關(guān)狀態(tài)信號(hào)等；
開關(guān)量輸出：48點(diǎn)，包括對(duì)各閥門和一些現(xiàn)場設(shè)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(jī)，可編程控制器為下位機(jī)，利用ControlNet網(wǎng)絡(luò)進(jìn)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(shè)備構(gòu)成了雙冗余控制站和遠(yuǎn)程I/O 站。上位機(jī)通過交換機(jī)與PLC處理器通信，遠(yuǎn)程框架通過冗余的ControlNet連接到控制器框架，同時(shí)遠(yuǎn)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(duì)PLC控制部分需要長期無故障運(yùn)行的要求。上位機(jī)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(jī)界面，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示、數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集處理、故障報(bào)警、實(shí)時(shí)及歷史報(bào)表的打印等功能。
(3)系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)
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(luò)冗余。
?、?控制站冗余
2個(gè)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(shí)現(xiàn)的。當(dāng)主控制器失效時(shí)，從控制器在100 ms內(nèi)接替主控制器，主從控制器的同步對(duì)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(yuǎn)程框架采用了冗余電源配置，每個(gè)I/O遠(yuǎn)程機(jī)架都配置了互為冗余的2個(gè)1756-PAR2電源模板，它們同時(shí)給相應(yīng)機(jī)架供電，當(dāng)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(jī)架供電不間斷。
③ 網(wǎng)絡(luò)冗余
系統(tǒng)采用冗余的ControlNet網(wǎng)絡(luò)，1756-CNBR是ControlNet通信模塊，它有2個(gè)冗余的網(wǎng)絡(luò)通道，使控制信息實(shí)現(xiàn)冗余，通過BNC連接器與ControlNet總線相連。當(dāng)一路網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障時(shí)，另一路能繼續(xù)工作，不會(huì)影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行[6]。
3.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
空分系統(tǒng)中，PLC軟件的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)十分復(fù)雜的工作，它要求設(shè)計(jì)人員既要有程序設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，又要有自動(dòng)控制的知識(shí)，還要有一定的現(xiàn)場實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。軟件設(shè)計(jì)部分包括組態(tài)編程軟件和監(jiān)控軟件。
3.2.1軟件平臺(tái)
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(jī)界面設(shè)計(jì)、信息層及底層設(shè)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(duì)可編程控制器進(jìn)行編程。
3.2.2 操作員站操作畫面設(shè)計(jì)
操作員站操作畫面設(shè)計(jì)包括:(1)畫面顯示，顯示系統(tǒng)主菜單、工藝流程參數(shù)和運(yùn)行工況、運(yùn)行方式、閥門狀態(tài)、設(shè)備狀況、故障狀態(tài)、實(shí)時(shí)和歷史趨勢等;(2)系統(tǒng)運(yùn)行操作，分子篩純化器吸附/再生周期的自動(dòng)切換或單步執(zhí)行,大型單體設(shè)備(如空壓機(jī)、透平膨脹機(jī)、水泵等) 的啟/?？刂?(3)報(bào)警功能，顯示故障區(qū)域流程圖,設(shè)備故障時(shí)其圖形變色或閃爍,并發(fā)出聲音報(bào)警。
3.2.3 過程站軟件設(shè)計(jì)
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(jī)防喘振控制是主要部分,下面主要對(duì)這2個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)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(dāng)一只吸附器運(yùn)行在吸附工作狀態(tài)時(shí)，另一只則運(yùn)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(dāng)空氣通過分子篩時(shí)，空氣中的水分、CO2和碳?xì)浠衔锉环肿雍Y吸附，使空氣得到凈化。經(jīng)過一段時(shí)間的吸附，分子篩需要進(jìn)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(shè)備的重要設(shè)備之一，確保分子篩吸附器安全可靠運(yùn)行是很重要的，為此必須按照再生過程進(jìn)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(gè)再生過程必須嚴(yán)格按照規(guī)定的控制程序和時(shí)間、壓力、壓差等條件，在前一步動(dòng)作完成之后，根據(jù)有關(guān)閥門的開關(guān)狀態(tài)來進(jìn)行。
?、诜肿雍Y吸附器自動(dòng)控制程序
2只分子篩吸附器相互交替工作，如圖3所示，當(dāng)MS1201處于吸附工作狀態(tài)時(shí)，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(dòng)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(shí)間長短，控制系統(tǒng)每一步的時(shí)間長短由機(jī)內(nèi)計(jì)時(shí)器控制（如卸壓、加熱、吹冷、充壓）。
(2)壓縮機(jī)防喘振控制
喘振是壓縮機(jī)性能反常的一種不穩(wěn)定的狀態(tài)。防喘振控制是壓縮機(jī)整個(gè)控制系統(tǒng)中最為重要的核心部分，必須實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)控制[8]。
①防喘振的原理
流量與壓力不匹配，壓力過高而對(duì)應(yīng)流量過小就會(huì)引起設(shè)備喘振。在10 000 Nm3/h空分裝置中，當(dāng)流經(jīng)增壓壓縮機(jī)的流量小于一個(gè)最小值時(shí)：基于某一壓比，會(huì)造成部分或全部氣體回流，機(jī)器軸承所承受的應(yīng)力會(huì)變大，溫度升高，這種現(xiàn)象稱為“喘振”，喘振會(huì)對(duì)設(shè)備造成損壞，甚至造成重大事故。對(duì)應(yīng)壓縮機(jī)設(shè)備有著相應(yīng)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(shè)備動(dòng)態(tài)運(yùn)行中通過控制使設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)避開喘振曲線。喘振曲線如圖5所示。
②防喘振控制的實(shí)現(xiàn)
為保障生產(chǎn)的安全進(jìn)行，防止設(shè)備損壞，增壓壓縮系統(tǒng)設(shè)有防喘振保護(hù)，通過調(diào)節(jié)入口導(dǎo)葉和旁通閥開度來調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的進(jìn)口流量和壓比。
由圖5可知，當(dāng)增壓端的流量進(jìn)入到喘振區(qū)時(shí)，壓縮機(jī)自動(dòng)進(jìn)入防喘振保護(hù)控制，此時(shí)旁通閥調(diào)節(jié)器自動(dòng)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(dá)到喘振流量而損壞設(shè)備，繪制了一條和喘振曲線相平行的防喘振控制線，當(dāng)流量達(dá)到控制線時(shí)，調(diào)節(jié)器自動(dòng)調(diào)節(jié)旁通閥的開度，降低設(shè)備發(fā)生喘振的幾率。
入口導(dǎo)葉和旁通閥的控制均采用手/自動(dòng)調(diào)節(jié)方式和就地/遠(yuǎn)程控制方式，通過串級(jí)回路實(shí)現(xiàn)手/自動(dòng)調(diào)節(jié)，并進(jìn)行了閥位跟蹤，為系統(tǒng)的運(yùn)行提供可靠的保證。
空分系統(tǒng)是一個(gè)對(duì)安全性、可靠性要求很高的系統(tǒng)，針對(duì)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(luò)、現(xiàn)場控制單元與上位機(jī)構(gòu)成一個(gè)結(jié)構(gòu)簡單、應(yīng)用靈活的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，可根據(jù)實(shí)際要求進(jìn)行擴(kuò)充[9-11]。ControlNet作為一種新型的面向控制層的實(shí)時(shí)性現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò),由于它具有如前所述的獨(dú)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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