【论文摘要】文章介绍了莱钢10#制氧机组控制系统的配置与控制功能。设计中采用的现场总线、DCS、PLC技术相结合的控制方案非常先进，对于自动化控制的设计和应用有着很大参考价值。
1 概述
莱芜钢铁集团有限公司于2003年12月投产的10#制氧机是一套22000m3/h内压缩流程制氧机组。该机组主体设备为杭州空分设备厂提供。采用分子筛吸附净化、增压透平膨胀机、规整填料塔、氧气内压缩等先进工艺流程。整套机组包括：空气预冷系统、分子筛纯化系统、增压透平膨胀机系统、分馏塔系统、氮气压缩系统、液体贮存系统等。莱芜钢铁集团有限公司自动化部经过论证后采用现场总线、DCS、PLC等先进技术相结合的控制方法，实现了该机组自动控制、数据通讯及上位机管理。
2 控制系统硬件配置及技术特点2.1 控制系统硬件配置
AC800F DCS是ABB公司推出的一种全能综合型控制系统，集DCS和PLC优点于一体，支持多种国际现场总线标准，既可连接常规I/O，又可连接Remote I/O及Profibus、FF、CAN、Modbus等现场总线设备。系统分为两级：操作管理级（OS、ES、网关GS）和过程控制级（过程站PS、现场控制器AC800F）。
莱钢10#制氧机DCS选用的是AC800F和Profibus现场总线，并带有2个操作员站OS、1个工程师工作站ES，具有电源、操作站、控制器冗余功能。通过标准TCP/IP协议以太网，实现整个流程中空气压缩、空气预冷、空气纯化、增压压缩、膨胀透平、氧氮精馏、氩精馏、氮气压缩等子系统的自动控制、数据通讯及上位机管理，可完整地监控整个系统的生产情况。硬件配置示意图如下图1：
图1 硬件配置示意图 其中ES和OS选用了目前流行的P4微机。1台EPSON LQ-1600K针式打印机实时打印报警和操作；1台彩色激光打印机打印报表、程序和画面等。
现场总线控制器AC800F由基本单元、电源和以太网卡、现场总线接口卡组成，其中：底板为基本单元PM802F，按照用户组态的控制应用程序进行运算和控制；另有7个槽，其中P1槽插电源模块SA801F，为卡件提供5VDC/5A工作电源和3.3VDC/5A辅助电源；E1和E2槽插冗余以太网卡EI803F，F1~F4槽插现场总线接口卡，本系统选用的是Profibus现场总线接口卡FI830F。
用2个现场总线控制器AC800F可实现控制器冗余，主从AC800F之间可无扰动整体切换。每个AC800F上都有两个以太网卡EI803F，提供10BaseT接口，第一个用于连接系统网络（DigiNetS），2个现场总线控制器AC800F的第二个网卡之间彼此互连，形成专门的冗余通讯链接（DigiNetR），以确保主从AC800F之间的信息同步。一旦主AC800F故障，从AC800F能迅速无扰动的接替工作。
组态结果和实时过程数据存储在RAM中，以太网卡和电源卡上装有RAM后备电池，可在掉电时保持组态内容和数据。
AC800F控制器通过Profibus现场总线接口卡FI830F与S800 I/O相连，实时采集现场信号并将控制运算结果送到相应的信号输出模件。
根据系统实际需要，共配置有3个S800 I/O站。每个S800 I/O站有12个槽（0~11），其中第0个槽插CI830模件，用于与Profibus-DP主站连接，并设定Profibus-DP从站地址；第1~11个槽可混插各种类型的I/O模件。
空气压缩机采用SIEMENS S7-400 PLC控制，氮气压缩机采用AB SLC5 PLC控制，通过标准TCP/IP协议以太网实现与主DCS系统的数据通讯。
2.2系统配置采用的新技术和特点
2.2.1 可变周期任务运行
ABB AC800F控制器采用RISC处理器芯片，程序采用“任务运行”方式，每个任务都可设定运行周期和优先级。所以该控制器既可满足复杂调节回路控制要求，又可满足快速电气开关量控制，从而一个控制器可以覆盖工厂所有环节的控制要求且系统编程语言符合IEC61131-3标准。
2.2.2 开放的TCP/IP协议以太网技术
ABB AC800F控制器系统通信模件为标准TCP/IP协议以太网模件，使系统无须增加设备就可与工厂局域网连接；由于系统支持各种OPC数据交换标准，使系统与各种第三方数据库或软件的数据交换更加容易。
2.2.3 整体冗余切换技术
用2个现场总线控制器AC800F可实现控制器1：1冗余，每个AC800F上都有两个以太网卡EI803F，提供10BaseT接口，第一个用于连接系统网络 （DigiNetS），2个现场总线控制器AC800F的第二个网卡之间彼此互连，形成专门的冗余通讯链接（DigiNetR），以确保主从AC800F之间的信息同步。一旦主AC800F故障，从AC800F能迅速无扰动的接替工作，实现无扰动整体切换。
2.2.4 PROFIBUS-DP现场总线技术
PROFIBUS-DP用于现场层的高速数据传送。主站周期地读取从站的输入信息并周期地向从站发送输出信息。总线循环时间必须要比主站（PLC）程序循环时间短。除周期性用户数据传输外，PROFIBUS-DP还提供智能化现场设备所需的非周期性通信以进行组态、诊断和报警处理。
3 实现的主要控制功能和技术特色 本控制系统可实现整个空分流程中空气压缩、空气预冷、空气纯化、增压压缩、膨胀透平、氧氮精馏、氩精馏、氮气压缩等子系统的自动控制，远程手动操作及上位机管理，可完整地监控整个空分系统的生产情况。
3.1 在手动方式下，可通过计算机键盘和鼠标对所有受控阀门、水泵、液体产品泵进行控制，也可对分子筛净化器进行单步操作。
3.2 在自动方式下，主DCS主要实现了下列功能：
（1）2台分子筛净化器吸附/再生周期的自动切换；
（2）空冷塔液位、水冷塔液位、下塔液空液位、主冷凝器液氧液位、氧气换热器液氧液位、粗氩塔液氩液位、粗氩塔冷凝器液空液位、纯氩塔上部液氮液位、纯氩塔下部液氩液位等十几个液位控制回路的自动调节；
（3）污氮进纯化系统流量、增压机进口流量、污氮出冷箱压力、下塔压力、液氧泵出口压力、产品氧气去用户和放空流量、产品氮气放空流量、液氩泵出口压力、纯氩塔上部压力等十几个流量、压力回路的自动控制；
（4）自洁式过滤器阻力自动控制，分子筛加热炉温度自动控制；
（5）空冷塔阻力和出口压力、膨胀机和增压机密封气压力报警联锁控制、油泵启/停联锁控制等。
3.3 空气压缩机PLC控制
采用SIEMENS S7-400 PLC，人机界面采用eView触摸屏。控制器与人机界面之间使用串行通讯，即CPU414-2模板所带的MPI接口通过SIEMENS PC适配器转换成RS232口与人机界面的RS232串口相连；通过以太网模块与ABB AC800F DCS实现数据通讯,实现了空气压缩机温度、压力、流量、位移、振动等各种工艺参数的集中监视、记录、归档并报警；压缩机启动和紧急停车等顺序联锁控制以及重要的“三线联防”防喘振控制。
喘振通常表现为快速的流量和压力振荡，使压缩机的流量和压力极其不稳定。由于一般情况下，同时伴随有反向的轴向推力和反向流动，从而造成间隙改变，使压缩机的效率降低，寿命缩短，造成严重危害。莱钢10#制氧机空压机的特性曲线和喘振曲线见下图2。
(1) 快开慢关功能：任何一台机组在发生喘振时，都希望防喘振控制器能快速响应，快速打开防喘振阀门，以防止危险发生；但在关闭阀门的过程中，也希望能慢慢地关闭，以防止发生喘振震荡。快开慢关功能在接到喘振信号后，它能够快速、及时的打开防喘振阀门，在关闭阀门时，控制信号也将以指数函数慢慢关闭阀门。
(2) 手动/自动切换及保护功能：该系统具有手动/自动的无扰动切换功能。另外，在手动方式下，操作员难免会发生误操作，该系统特有的手/自动保护功能便能克服这一缺点，它可以自动检测操作员送来的信号，若信号错误，它便不接收而仍设为默认值，以保证机组的安全运行。
(3) 在喘振控制线A附近进行闭环控制：在软件中建立防喘振控制A线，它在喘振线的C右侧，当压缩机运行在防喘振控制线A右侧时，输出为20 mA，防喘振阀完全关闭；当压缩机操作点即将到达防喘振控制线A时，防喘振算法设计为打开防喘振阀，当操作点缓慢移动时，防喘振控制将以PID回路控制防喘振阀，使操作点保持在控制点处。
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(4) 到喘振控制快开线B进行开路控制：在软件中建立了喘振控制快开线B。它在喘振控制线A的左侧，喘振线C的右侧，这对于较大的扰动是有效的，如果防喘振控制无法将操作点保持在控制点处，操作点仍向左移动，一旦到达快开线B，防喘振控制将由控制器输出一阶跃信号，将防喘阀开至预定开度，如果操作点停止移动，控制器信号将以指数函数慢慢增大（慢慢关闭阀门），直到进入PID控制。
3.4 氮气压缩机PLC控制
采用美国AB SLC5 PLC，主要完成压缩机温度、压力、流量、位移、振动等各种工艺参数的监视、报警；压缩机启动和紧急停车等顺序联锁控制，以及入口导叶和防喘阀的自动调节。
3.5 分子筛的顺序、逻辑控制
根据分子筛的工艺要求、Freelance2000控制系统控制功能特点和用户的需要，主要完成下列控制功能：分子筛阀门的顺序、逻辑控制；各阀门的位置反馈和监控；电加热器温度联锁控制；运行时间修改；异常报警打印等，使控制更加完善，操作更加简单方便。
3.5.1 顺序、逻辑控制
根据吸附剂吸附和再生的技术要求，确定分子筛吸附、再生（包括均压、泄压、加温、冷吹）等各阶段的时间。用梯形图的方式编辑控制程序，控制各阶段阀门的开关状态。
3.5.2 位置反馈和监控
为保证生产安全进行，各阀门增加了位置反馈信号。它由现场电接近开关提供，并在监控画面中显示各阀门状态。为便于区分两分子筛运行和再生状态，将两分子筛及管道画面作成动态显示，同时将四组电加热器的情况也作成动态显示，方便了操作。
3.5.3 电加热器温度控制
电加热器由两组可控硅组成，分别为主加热器、辅加热器。电加热器内部有一保护开关，出口处有两个温度测点，分别测加热器出口处再生气体温度，加热器的投运主要受这两点温度和分子筛运行阶段控制。
3.5.4 压力联锁控制
由于吸附和再生的两分子筛内部压力相差很大，直接切换会破坏其内部各层吸附剂结构，因此切换前需要先均压，切换后对要再生的分子筛进行泄压，这部分控制设计为压力联锁控制。均压时压力要高于设定值,均压才能确认，否则程序将停止运行，同时产生异常报警；泄压时压力低于设定值，泄压确认，否则程序也将停止运行，同时产生异常报警，压力确认后才能运行下一段程序。
3.5.5 来电确认制
采用延时继电器实现控制器对自身电源的监测，并联锁分子筛切换程序的启/停保持。所采用延时继电器工作特性如图2所示：
图3 延时继电器工作特性
图3中，t为继电器的延时时间。只要延时时间足够长，当电源开始正常时，控制器在小于t的时间内启动完毕，此时控制器检测延时继电器的触点为断开状态，在软件中用该信号置位一个保持继电器C，使分子筛程序停止运行。只有操作工在画面上操作一个复位按钮AN且延时继电器触点闭合时，该继电器被复位，程序重新运行。梯形图如图4所示。
图4 分子筛程序运行/停止梯形图
另外增加了分子筛运行状态控制电加热器能否投运的程序，该梯形图在此不做赘述。
这样当系统突然失电时，控制器也失电，此时控制器检测不到失电信号；但是当电源恢复正常后，控制器恢复正常在t时间内启动完毕，能检测到失电信号，当操作工手动操作监控画面上的“来电确认”按钮进行复位后，程序才能在停止的地方继续运行。
在实际工作中，我们经过多次试验，设定继电器的延时时间为90秒时，就可保证程序的安全停止。
3.6上位机监控功能
（1）画面显示：显示系统主菜单、工艺流程参数和运行工况、运行方式、设备状况、故障状态、实时和历史趋势等。
（2）系统运行操作：分子筛净化器吸附/再生周期的自动切换或单步执行，大型单体设备（如空压机、氮压机、膨胀机、水泵等）的启/停控制。
（3）报表管理：显示和追加系统记录报告，实时打印系统事件报告， 定时打印系统运行班报、日报、月报等报表。
（4）报警功能：显示故障区域流程图，故障设备图形变色或闪烁，屏幕上方用汉字显示故障发生时间及性质，打印机自动打印故障内容及发生时间。
4. 结语
现场总线、 DCS、SIEMENS和AB PLC等先进控制技术的综合采用，以及“可变周期任务运行”、 “三线联防”防喘振、先进控制功能的实现，使得该机组自建成投产以来，工作稳定，安全性和可靠性高,故障停机率低,机组产品质量和产量稳定，保证了生产的顺利进行，创造了可观的经济效益。
参考文献：
1、可编程控制器网络通信及应用, 清华大学出版社,2000.3
2、刘恩沧 计算机控制系统分析与设计 [M] 武汉;华中理工大学出版社，1997。
