王海濤 方家堃

(杭州杭氧股份有限公司設(shè)計院，杭州 310014)

伊朗SAFA公司30 000Nm3/h空分設(shè)備采用常溫分子篩吸附凈化空氣、增壓透平膨脹機(jī)制冷。針對空分工藝復(fù)雜、控制邏輯多、模擬量控制回路多及主要設(shè)備分散等特點，選用DCS過程控制系統(tǒng)對空分系統(tǒng)中測點和調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測和有效控制，使空分裝置操作方便、控制容易，能夠長期安全穩(wěn)定地運行。

DCS系統(tǒng)選用SIMATIC PCS7系統(tǒng)，它是西門子公司開發(fā)的面向所有控制應(yīng)用場合的基于現(xiàn)場總線的模塊化先進(jìn)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理、通信、組態(tài)和編程軟件，具有全集成自動化的特點[1]。全集成自動化解決方案對自動化應(yīng)用提供統(tǒng)一技術(shù)環(huán)境，基于這種環(huán)境，大大簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減少大量接口部件，在同一平臺下完成上位機(jī)與控制器之間的邏輯控制，對所有應(yīng)用進(jìn)行組態(tài)和編程[2]。

1 DCS控制系統(tǒng)構(gòu)成①

伊朗項目空分系統(tǒng)包括空壓機(jī)、增壓機(jī)、空冷系統(tǒng)、純化系統(tǒng)、膨脹機(jī)系統(tǒng)、精餾系統(tǒng)和公用工程系統(tǒng)?？諌簷C(jī)和增壓機(jī)組由PLC控制，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，通過PROFIBUS協(xié)議與DCS實現(xiàn)通信，在DCS上位機(jī)監(jiān)測壓縮機(jī)組的運行數(shù)據(jù)。

圖1 PCS7系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

空冷系統(tǒng)、膨脹機(jī)系統(tǒng)及精餾系統(tǒng)等的監(jiān)測、控制、報警和聯(lián)鎖功能在DCS里實現(xiàn)?？刂葡到y(tǒng)主要包括控制站、工程師站、操作員站、通信網(wǎng)絡(luò)及軟件等。

系統(tǒng)包括以下設(shè)備和軟件：

a. 一個工程師站ES，同時可兼作OS站,工程師站通過100MHz工業(yè)以太網(wǎng)連接客戶機(jī)和服務(wù)器，完成控制畫面和控制策略的組態(tài)，并且用于工程師調(diào)試和維護(hù)；

b. 兩個操作員站OS，用于操作員操作DCS系統(tǒng)，進(jìn)行正常的生產(chǎn)操作；

c. 一對冗余控制器417-4H CPU、冗余IO卡件、冗余工業(yè)以太網(wǎng)、冗余電源和冗余的PROFIBUS DP通信網(wǎng)絡(luò)，AS站與IO站采用PROFIBUS DP網(wǎng)進(jìn)行通信，控制器與ES/OS站通過以太網(wǎng)ETHERNET(100Mb/s)實現(xiàn)通信，網(wǎng)絡(luò)設(shè)計為冗余的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)X204-2組成環(huán)形工業(yè)以太網(wǎng)；

d. PCS7 V6.0軟件包和WinCC HMI軟件，用于組態(tài)硬件設(shè)備、控制程序(CFC和SFC功能塊)和HMI操作畫面。

1.1 硬件配置

控制器為一對AS417-4H CPU，工作時一個為主控制器，另一個為“熱備用”模式，當(dāng)主控制器出現(xiàn)故障或者突然死機(jī)時，能實現(xiàn)無擾動自動切換，熱備控制器自動轉(zhuǎn)換為主控制器，具備事件同步功能，系統(tǒng)不會停機(jī)。主控制器通過冗余PROFIBUS DP現(xiàn)場總線對IO站控制，PROFIBUS DP具有高速、低成本的特點，用于設(shè)備級控制系統(tǒng)與分散式IO通信，實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸，提高了系統(tǒng)通信的可靠性?，F(xiàn)場控制站ET200M分布式IO通過冗余現(xiàn)場總線連接主控制器，主控制器通過通信獲得現(xiàn)場模擬量和數(shù)字量信號，同時將主控制器的命令發(fā)送給現(xiàn)場。每個ET200M上插有兩塊IM153-2通信接口模塊，兩塊IM153-2通信模塊互為冗余，可無擾動切換，并具有在線熱插拔功能，當(dāng)其中一個IM153-2接口模塊出現(xiàn)故障，或者在線插拔維修，不會影響系統(tǒng)工作?？辗猪椖恐兄匾膱缶c和聯(lián)鎖點采用冗余IO卡，當(dāng)一塊卡出現(xiàn)故障，系統(tǒng)自動從另一塊冗余卡讀取該測點信息，保證工藝不因此硬件故障而發(fā)生跳車事故。一臺工程師站和兩臺操作員站選用DELL工控機(jī)。實際IO點數(shù)統(tǒng)計配置見表1。

表1 IO點數(shù)統(tǒng)計配置

硬件組態(tài)如圖2所示。

圖2 硬件組態(tài)

1.2 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

WinCC數(shù)據(jù)服務(wù)器用于整個生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)歸檔和保存工作，操作員站主要用于對工藝過程的監(jiān)視和操作，上位機(jī)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)通過100M工業(yè)以太網(wǎng)通信，工程師站連接到工業(yè)以太網(wǎng)，完成硬件組態(tài)[3]。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組態(tài)如圖3所示，圖中MAC是空壓機(jī)，BAC是增壓機(jī)。

圖3 網(wǎng)絡(luò)組態(tài)

1.3 軟件組態(tài)

PCS7終端step7組態(tài)工具集功能十分強(qiáng)大，其CFC和SFC形象化的程序視圖形式使得編程更加簡便，這些方法可以混合使用，交叉引用，系統(tǒng)提供了近500個CFC標(biāo)準(zhǔn)功能塊庫，提高了系統(tǒng)組態(tài)效率。

CFC是連續(xù)功能圖，它采用了IEC-1131的標(biāo)準(zhǔn)，用CFC進(jìn)行組態(tài)時是以功能塊為基礎(chǔ)的，系統(tǒng)配置了很多預(yù)編程的功能塊。這些功能塊以庫的形式體現(xiàn)。每個功能塊都有一個參數(shù)表，每個CFC由6頁組成。功能塊之間的連接可以在不同的CFC頁面之間進(jìn)行，用以完成很復(fù)雜的大型控制任務(wù)。CFC主要用于連續(xù)過程的自動化控制任務(wù)的組態(tài)。通過強(qiáng)大的自動布線和集成報文組態(tài)，預(yù)定義的塊可以在CFC中定位、進(jìn)行參數(shù)化設(shè)置和互聯(lián)。在生成一個新的CFC時根據(jù)圖名自動生成一個順序組，CFC圖中的塊自動添加到該順序組，在編譯時可對順序進(jìn)行優(yōu)化，根據(jù)算法確定最佳的塊掃描順序。

SFC是順序功能圖，可用于圖形化組態(tài)批量生產(chǎn)的順序控制，SFC可直接在CFC中定位和連接CFC塊，CFC塊連接到SFC的step(步)或者transmitter(條件)塊中，并通過順序、并行分支、交替分支和回路結(jié)構(gòu)實現(xiàn)順序控制的功能。

1.4 系統(tǒng)的監(jiān)控部分組態(tài)

系統(tǒng)的監(jiān)控部分組態(tài)由WinCC來實現(xiàn)。根據(jù)工藝P&ID流程圖組態(tài)滿足工藝操作要求的畫面，畫面上工藝測點參數(shù)自動實時更新顯示，調(diào)節(jié)模塊和手操器模塊能夠?qū)﹂y門和設(shè)備進(jìn)行精確操作。DCS對一些重要的工藝測點要實時監(jiān)控和報警，當(dāng)系統(tǒng)有聲光報警信息出現(xiàn)時，操作員能夠及時查詢報警信息，并據(jù)此對空分工藝進(jìn)行操作調(diào)整，使空分在安全的狀態(tài)下運行。操作員對已經(jīng)歸檔的工藝測點均可以查看該變量的歷史變化趨勢，對查詢空分故障原因和對空分設(shè)備安全操作有重要意義。另外，在操作過程變量時，如改變一個閉環(huán)控制器的模式，系統(tǒng)會自動生成操作員的操作并報警提示。WinCC提供了一套集成的報表系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫里所有的過程點都可以以報表格式在屏幕上預(yù)覽或者輸出到打印機(jī)打印，運行此方式可以生成交接班記錄、日報及月報等生產(chǎn)報表。

2 系統(tǒng)復(fù)雜控制回路設(shè)計

空分內(nèi)壓縮流程比較復(fù)雜的控制回路就是液氧泵控制回路。系統(tǒng)中有兩個液氧泵，以液氧泵OP601A全速運行為例，另一個液氧泵OP601B惰轉(zhuǎn)冷備，對應(yīng)回流閥PV603B全開，當(dāng)出現(xiàn)以下狀

況時，DCS系統(tǒng)要及時采取有效的控制措施，實現(xiàn)兩個泵的自動切換，以保證空分主塔工況穩(wěn)定：

a. OP601A泵故障跳車，OP601A泵回流閥PV603A迅速全開。OP601B泵自動提升頻率至OP601A泵全速運行時的頻率，同時回流閥PV603B慢慢沿斜坡關(guān)至OP601A泵全速運行時回流閥PV603A的開度；

b. OP601A泵出口壓力低于聯(lián)鎖值時，OP601B泵逐漸自動提升頻率至OP601A泵全速運行時的頻率，同時回流閥PV603B慢慢沿斜坡關(guān)至OP601A泵全速運行時回流閥的開度，當(dāng)液氧泵OP601B出口壓力達(dá)到要求壓力時，OP601A泵自動停止，發(fā)出報警信息，回流閥PV603A全開。

液氧泵控制回路組態(tài)如圖4所示。

圖4 液氧泵控制回路組態(tài)

3 結(jié)束語

西門子PCS7系統(tǒng)在伊朗30 000Nm3/h空分項目中發(fā)揮了配置靈活、控制可靠、編程直觀和調(diào)試維護(hù)方便等優(yōu)勢，提升了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性，也提高了空分設(shè)備的安全可靠性。自PCS7系統(tǒng)投運以來DCS系統(tǒng)無故障，無系統(tǒng)誤動作，很好地滿足了工藝控制的要求。