DCS控制系統(tǒng)在21000 m3／h制氧機(jī)組中的應(yīng)用

孫宏偉，周雙喜，朱芬梅

（酒鋼（集團(tuán)）宏興鋼鐵股份有限公司，甘肅嘉峪關(guān)735100）

DCS控制系統(tǒng)在21000 m3／h制氧機(jī)組中的應(yīng)用

孫宏偉，周雙喜，朱芬梅

（酒鋼（集團(tuán)）宏興鋼鐵股份有限公司，甘肅嘉峪關(guān)735100）

酒鋼新21000 m3/h制氧工程DCS控制系統(tǒng)采用霍尼韋爾Experion PKS系統(tǒng)，在實(shí)際使用中該系統(tǒng)具有良好的生產(chǎn)控制效果、具有成熟穩(wěn)定的特點(diǎn)。介紹了該系統(tǒng)硬件與軟件配置功能及在酒鋼新制氧機(jī)組中的一些應(yīng)用特點(diǎn)。

DCS；制氧；應(yīng)用

1 引言

酒鋼新21000 m3/h制氧控制系統(tǒng)選型前從穩(wěn)定可靠運(yùn)行、操作維護(hù)方便的設(shè)計(jì)原則出發(fā)，經(jīng)過前期技術(shù)交流及論證分析，從3伊21000 m3/h制氧系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用效果出發(fā)，該工程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)最終選用了美國霍尼韋爾公司的Experion PKS R311產(chǎn)品。系統(tǒng)的控制器、服務(wù)器、操作站以及控制網(wǎng)絡(luò)都實(shí)現(xiàn)了硬冗余，整個系統(tǒng)由2對控制器(1套空分系統(tǒng)和1套公輔系統(tǒng))、4臺服務(wù)器、4臺操作站、4臺交換機(jī)組成，完成了整個制氧生產(chǎn)工藝流程的數(shù)據(jù)采集、過程控制、邏輯控制及聯(lián)鎖等功能，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)全過程的監(jiān)視控制。

2 PKS控制系統(tǒng)配置

PKS控制系統(tǒng)主要包括三大部分：操作界面部分、現(xiàn)場控制站部分和系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)部分?，F(xiàn)對這套控制系統(tǒng)進(jìn)行如下詳細(xì)描述：

2.1 操作界面部分

根據(jù)控制要求，空分與公輔各設(shè)置1對高性能數(shù)據(jù)服務(wù)器兼工程師站，由冗錯以太網(wǎng)FTE通過FTE交換機(jī)與冗余控制器通訊；中控室共設(shè)置4臺PKS操作員站，由冗余以太網(wǎng)接入FTE交換機(jī)與服務(wù)器進(jìn)行實(shí)時通訊。服務(wù)器同時具備操作員站/工程師站的屬性。

2.1.1 硬件描述

(1)配置2對數(shù)據(jù)服務(wù)器（工程師站），用于過程數(shù)據(jù)管理及工程師對控制策略的組態(tài)編程及系統(tǒng)維護(hù)。

(2)配置4臺操作員站，用于操作員對空分工藝設(shè)備和流程的監(jiān)視與控制。服務(wù)器和操作員站均掛在容錯以太網(wǎng)FTE上，真正做到監(jiān)控系統(tǒng)的冗余容錯，確保系統(tǒng)的安全可靠。

(3)服務(wù)器設(shè)置CISCO2960的冗余交換機(jī)(SWITCH)各兩對，分別實(shí)現(xiàn)服務(wù)器和控制器之間的4路容錯FTE節(jié)點(diǎn)連接。

2.1.2 軟件描述

(1)PKS服務(wù)器提供基本軟件包括Control Builder控制組態(tài)軟件：主要實(shí)現(xiàn)控制器、I/O模板、FTA模板各通道以及控制的方式方法進(jìn)行組態(tài)；Station上位監(jiān)控組態(tài)軟件：該軟件用來定義操作員站的登錄屬性、登錄權(quán)限以及登錄文件、監(jiān)控畫面的存放位置和監(jiān)控畫面文件的引用順序等；Display原Builder畫面編輯組態(tài)軟件：該軟件是操作員站監(jiān)控畫面及人機(jī)接口HMI的開發(fā)組態(tài)工具，安裝在服務(wù)器端。根據(jù)現(xiàn)場工藝的控制要求，組態(tài)開發(fā)相應(yīng)的監(jiān)控畫面，以WEB頁面的文件方式進(jìn)行存儲，可從服務(wù)器或操作員站本地進(jìn)行頁面調(diào)用，實(shí)現(xiàn)工藝流程畫面的監(jiān)控功能。

(2)PKS空分服務(wù)器提供700點(diǎn)數(shù)據(jù)庫授權(quán)軟件；公輔提供300點(diǎn)數(shù)據(jù)庫授權(quán)軟件。

(3)PKS服務(wù)器提供OPC DATA服務(wù)器軟件及Microsoft Excel軟件報表功能。

2.2 現(xiàn)場控制站部分

2.2.1 現(xiàn)場控制器的性能指標(biāo)

C200控制器冗余配置；主控制器CPU為工業(yè)級專用芯片PowerPC 603E 100MHz主頻；具有錯誤檢測和糾錯功能的8M RAM+4M Flash ROM；內(nèi)置鋰電池和后備電池模塊用于CPU斷電保護(hù)；可根據(jù)具體控制對象鎖定相應(yīng)的處理周期為50 ms、100 ms、200 ms、500 ms、1 s、2 s；強(qiáng)大的控制能力，確保控制平穩(wěn)可靠；CM/SCM/IOM模塊總數(shù)為1000個；IOM為64/50msCEE；40功能塊/CM；80 Step/transi原tion對/SCM；系統(tǒng)平均無故障時間(h)逸10萬h；系統(tǒng)可用率(%)為100%。

2.2.2 現(xiàn)場控制器的功能

能實(shí)現(xiàn)單個或多個程序的在線下裝和刷新、在線調(diào)試、在線修改的功能；具有離線組態(tài)和仿真調(diào)試的功能；具有系統(tǒng)自診斷功能和遠(yuǎn)程診斷功能；采集和處理在生產(chǎn)過程中，過程回路控制，馬達(dá)順控的參數(shù)等；豐富的功能塊以完成計(jì)算和特殊功能；從操作站接收不同的命令完成相應(yīng)的功能；當(dāng)需更換或維修時,系統(tǒng)所有I/O卡件均可帶電插拔。

2.2.3 現(xiàn)場控制站的I/O特性

I/O卡件的FTA帶熔斷絲或限流電阻的保護(hù)功能。

2.2.4 現(xiàn)場控制站的實(shí)時性

具備實(shí)時數(shù)據(jù)掃描周期大于50 ms；每個控制模塊可分別根據(jù)需要單獨(dú)選定下列時間50 ms、100 ms、200 ms、500 ms、1000 ms、2000 ms；實(shí)時畫面響應(yīng)時間小于1 s。

2.2.5 現(xiàn)場控制站的可靠性

采用100 MHz的高性能工業(yè)級芯片，及8 M內(nèi)存；冗余CPU負(fù)荷率在40%左右；系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)為確定性通訊的令牌網(wǎng)；I/O卡件均可以帶電插拔，方便快速更換；系統(tǒng)可用率為100%。

2.3 PKS系統(tǒng)的通訊網(wǎng)絡(luò)

本方案的控制網(wǎng)絡(luò)采用四重容錯（FTE）以太網(wǎng)，容錯以太網(wǎng)作為一般采用兩個獨(dú)立以太網(wǎng)的傳統(tǒng)以太網(wǎng)冗余方案的另一種選擇，Experion PKS可以使用FTE進(jìn)行部署。FTE解決方案采用單個通過冗余媒介傳輸?shù)倪壿嬀W(wǎng)絡(luò)，而且不需要服務(wù)器或站點(diǎn)重建網(wǎng)絡(luò)連接。通過在節(jié)點(diǎn)之間提供更多的通道，F(xiàn)TE可以容錯更多的故障，包括所有的單個故障和許多種多重故障。此外，F(xiàn)TE對高級應(yīng)用程序是透明的，這得益于FTE提供網(wǎng)絡(luò)的高可用性，而且不需要任何附加的軟件配置。普通的以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)（非FTE）也可以與FTE網(wǎng)絡(luò)連接，從而可受益于這種比傳統(tǒng)以太網(wǎng)冗余方案可用性更高的通信環(huán)境。I/O擴(kuò)展層網(wǎng)絡(luò)(控制器至I/O擴(kuò)展或子站網(wǎng)絡(luò))不再采用CNI方案，由冗余控制器機(jī)架上的冗余PMIO通訊模塊，通過冗余電纜，直接掛接到IO文件箱的總線接口；實(shí)現(xiàn)高可靠性的網(wǎng)卡冗余、電纜冗余。FTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 FTE網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

3 PKS系統(tǒng)在新制氧中的應(yīng)用效果

酒鋼新21000 m3/h制氧PKS控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)整個空分工藝中有關(guān)空壓機(jī)入口導(dǎo)葉與防喘振的自動協(xié)調(diào)控制；分子篩再生的四個過程（卸壓、加熱、吹冷、充壓）進(jìn)行順序控制；氧氮壓機(jī)啟動條件的判斷、正常啟動以及事故聯(lián)鎖停車等的控制。下面再簡單介紹一些應(yīng)用中所取得的其它功能效果：

3.1 溫度斷線延時保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)

PKS系統(tǒng)當(dāng)檢測到模擬量測點(diǎn)出現(xiàn)超量程及壞值的情況下均按最后一次采集的正常值處理，不影響機(jī)組正常運(yùn)行，畫面用NAN顯示，提醒崗位及相關(guān)人員及時檢查處理。溫度測點(diǎn)同樣在出現(xiàn)徹底的斷線后均顯示NAN，此顯示值不參與聯(lián)鎖停機(jī)，表示該系統(tǒng)能達(dá)到斷線保護(hù)的功能，但在溫度測點(diǎn)出現(xiàn)虛接及干擾的情況下會采集到一個聯(lián)鎖停車值，瞬間又恢復(fù)正常，通過研究此種情況屬于控制系統(tǒng)正常采集的結(jié)果，但不利于現(xiàn)場生產(chǎn)的需要。通過現(xiàn)場模擬試驗(yàn)，分析對比，只能通過做時間延時進(jìn)行信號過濾，既在很短的時間內(nèi)出現(xiàn)信號的波動并不能輸出聯(lián)鎖信號，從而達(dá)到保護(hù)設(shè)備的目的，目前已分別對新21000制氧的空壓機(jī)、氧壓機(jī)、氮壓機(jī)各機(jī)組分步進(jìn)行了實(shí)施并取得了良好效果。

3.2 實(shí)現(xiàn)報警誤確認(rèn)后的持續(xù)報警功能

PKS系統(tǒng)在正常情況下當(dāng)確認(rèn)報警后不再重復(fù)報警，但有時崗位人員在沒有檢查報警的情況下容易誤確認(rèn)，從而造成故障不能及時被發(fā)現(xiàn)處理，繼而影響生產(chǎn)，為了降低此類事故的發(fā)生，提高崗位人員的工作效率，保證設(shè)備的正常運(yùn)行，從技術(shù)入手，在控制系統(tǒng)下位程序中對重要的閥門及設(shè)備增加一個報警標(biāo)志FLAGA塊，再單獨(dú)創(chuàng)建一個CM控制功能塊，將相關(guān)閥門及設(shè)備的故障報警標(biāo)志用“OR”的關(guān)系進(jìn)行組態(tài)，程序判斷只要有故障發(fā)生就會觸發(fā)報警，再在上位畫面中用VB腳本編寫一個報警顯示框，當(dāng)閥門及設(shè)備正常時顯示框顏色為綠色常亮，提示“設(shè)備正?！?，當(dāng)閥門及設(shè)備故障時顯示框顏色為紅色閃爍，同時提示“設(shè)備異常”。此時即使崗位人員誤確認(rèn)報警，在閥門及設(shè)備故障沒有得到處理恢復(fù)正常時，報警框會一直紅色閃爍提示報警，從而使崗位人員及時的發(fā)現(xiàn)故障報警并處理。

3.3 實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)出口壓力的自動補(bǔ)償功能

酒鋼新建21000制氧機(jī)組自投產(chǎn)以來，發(fā)現(xiàn)分子篩程序運(yùn)行至充壓階段，出現(xiàn)空壓機(jī)氣量及出口壓力下降的現(xiàn)象，如對這一部分空氣損失量不能及時調(diào)整補(bǔ)充，就會使進(jìn)入精餾塔的空氣量減少，進(jìn)而對精餾塔的精餾工況產(chǎn)生影響。之前通過崗位人員手動進(jìn)行控制，發(fā)現(xiàn)一旦有操作不慎極易引起壓力波動。經(jīng)過研究后決定利用PKS強(qiáng)大的控制功能實(shí)現(xiàn)自動控制。將空壓機(jī)出口壓力調(diào)節(jié)器按設(shè)計(jì)好的時序和策略進(jìn)行自動補(bǔ)償，每分鐘提高0.01 MPa，程序經(jīng)歷5 min，共提高0.05 MPa；之后空壓機(jī)出口壓力開始降低，每分鐘降低0.01 MPa，進(jìn)行5 min，直到充壓結(jié)束后又恢復(fù)原先的出口壓力值，實(shí)現(xiàn)壓力自動補(bǔ)償，從而為下一次循環(huán)做好準(zhǔn)備，確?？諝饷看卧诜肿雍Y充壓階段時進(jìn)入精餾塔的壓力穩(wěn)定正常。

4 結(jié)束語

酒鋼新21000 m3/h制氧機(jī)組PKS集散控制系統(tǒng)于2011年11月全部投入運(yùn)行，設(shè)備運(yùn)行至今，從穩(wěn)定性來看：系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，從未發(fā)生過故障；從系統(tǒng)功能來看：系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了整個工藝流程的自動檢測、控制及管理監(jiān)視，其控制功能完全滿足了制氧工藝需求；從效益方面來看：系統(tǒng)減輕了生產(chǎn)操作的難度與強(qiáng)度，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

收修改稿日期：2013-07-10

Application of DCS Control System in 21000 m3/h Oxygen Generation Unit

SUN Hongwei,ZHOU Shuangxi,ZHU Fenmei
(Hongxing Iron and Steel Co.,Ltd.of Jiugang Group,Jiayuguan,Gansu 735100,China)

The DCS control system in the new 21000 m3/h oxygen generation project of Jiuquan Steel adopted Honeywell Experion PKS system,which exhibited good production con原trol effect and stable characteristics in practice.The configuration and function of hardware and software and application features of the system in the new oxygen generators of Jiuquan Steel were introduced.

DCS;oxygen generation;application

TP27

B

1006-6764（2014）01-0064-03

孫宏偉（1982原），男，自動化工程師。一直從事工業(yè)自動化和信息化的應(yīng)用開發(fā)工作。