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    引言

    空氣分離裝置是生產(chǎn)氧氣，氮?dú)獾葰怏w的工業(yè)裝置。一套空分裝置，除了先進(jìn)的工藝流程，設(shè)備，安裝水平，一套可靠先進(jìn)的過程控制系統(tǒng)也是必不缺的，這也是保證整個(gè)裝置安全，穩(wěn)定，高效地生產(chǎn)高質(zhì)量氣體產(chǎn)品的一個(gè)重要因素。

    EXPERION PKS是霍尼韋爾公司在TPS,PLANTSCAPE等原有控制系統(tǒng)發(fā)展起來的新的全能綜合型開放控制系統(tǒng)，它不僅有DCS的復(fù)雜模擬計(jì)算能力，也具備PLC的高速邏輯和順控功能，已在多套空分裝置成功應(yīng)用。

    1 空分的生產(chǎn)工藝和控制要求

    空分一般來說是用低溫深冷技術(shù)，即將空氣降低到足夠低的溫度，利用氧氣，氮?dú)獾葰怏w的液化溫度不同而將它們分離開來。

               

                                           空分裝置流程

    1.1 空氣分離的第一步就是將空氣經(jīng)空氣壓縮機(jī)壓縮到一定的壓力。

    空壓機(jī)的控制要求是通過調(diào)節(jié)防空保持出口壓力穩(wěn)定，防止喘振，監(jiān)測相關(guān)的壓力溫度，必要時(shí)進(jìn)行安全連鎖停機(jī),這要求控制快速穩(wěn)定，有些廠家要求控制回路周期小于100MS。

    有時(shí)候空壓機(jī)自帶獨(dú)立控制器，這時(shí)候需要控制系統(tǒng)和其通訊，讀取它的數(shù)據(jù)。

    1.2經(jīng)空壓機(jī)壓縮后的空氣通過預(yù)冷系統(tǒng),把空氣冷卻到工藝需要的溫度。

    這部分控制點(diǎn)在于保持空冷塔水冷塔的液位穩(wěn)定。由于空冷塔水冷塔水冷有一定的容積，控制環(huán)節(jié)有一定滯后。這部分還需要一些安全聯(lián)鎖邏輯。

    1.3預(yù)冷后的氣體要通過純化系統(tǒng)除去水和二氧化碳等雜質(zhì)。

    主要的控制點(diǎn)在于十幾個(gè)閥門的順序動(dòng)作，其中包括切斷閥和調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)閥根據(jù)時(shí)序切換到不同的動(dòng)作：PID或是曲線。這樣以確保氣體留量的穩(wěn)定，對(duì)下一級(jí)干擾最小。

    1.4純化后的空氣通過膨脹機(jī)制冷，使空氣冷卻到零下100多度，有的接近-200℃ ,通過氧氣、氮?dú)狻鍤饫淠郎囟炔煌脑恚诜逐s塔內(nèi)分餾出氧氣、氮?dú)狻鍤狻?br />
    此過程監(jiān)控溫度點(diǎn)眾多，要求溫度測量量程寬（能到-200℃），準(zhǔn)確，穩(wěn)定。
    膨脹機(jī)是空分的冷源，有很多安全聯(lián)鎖邏輯，有防喘振控制。

    1.5最后生產(chǎn)的氣體分別通過氧壓機(jī)、氮壓機(jī)、液氬泵把以上氣體分別加壓到用戶需要的壓力，送到最終用戶。

    氧氣機(jī)特別是透平氧壓機(jī)控制要求非常嚴(yán)格，要求多重安全保護(hù)邏輯，具有嚴(yán)格的啟動(dòng)，運(yùn)行，停止，故障處理程序，對(duì)控制系統(tǒng)的順序控制功能要求很高。

    1.6空分工程中非常注重系統(tǒng)的在線組態(tài)、修改和下裝功能及系統(tǒng)的現(xiàn)場開工調(diào)試功能，這些功能保證了裝置可靠運(yùn)行和縮短調(diào)試時(shí)間，加快調(diào)試進(jìn)度。另外, 系統(tǒng)的自診斷功能也非常重要。

    1.7空分是標(biāo)準(zhǔn)的過程生產(chǎn)裝置，具有啟動(dòng)，運(yùn)行周期長的特點(diǎn)，監(jiān)控點(diǎn)眾多，從操作角度來說，DCS系統(tǒng)的操作畫面、顯示功能、開車指導(dǎo)、歷史趨勢調(diào)用分析功能、工藝事故判斷、系統(tǒng)故障顯示功能對(duì)于操作人員快速全面的掌握控制整個(gè)裝置也很重要。

    2 控制方案在EXPERION PKS系統(tǒng) 上的實(shí)現(xiàn)

    2.1 Experion PKS系統(tǒng)介紹 

               

                                 Experion PKS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

    Experion PKS是霍尼韋爾推出的最新控制系統(tǒng)，Experion PKS使用的技術(shù)也可以與霍尼韋爾原有的系統(tǒng)進(jìn)行集成，如TPS和PlantScape系統(tǒng)等。

    基于Windows 2000的服務(wù)器, 利用高速動(dòng)態(tài)緩存區(qū)采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù), 提供報(bào)警、顯示操作、歷史數(shù)據(jù)采集、報(bào)表報(bào)告等服務(wù)功能；HMIWeb技術(shù)基于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的html文件格式和Web瀏覽器的訪問界面；緊湊型的混合控制器；面向?qū)ο蟮慕M態(tài)工具；ControlNet,容錯(cuò)以太網(wǎng)絡(luò)；基金會(huì)現(xiàn)場總線技術(shù)；專利的Profit Loop技術(shù)，這些構(gòu)成了Experion PKS過程控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。

    (1)主要的硬件部分 

    A 混合控制器C200：因?yàn)獒槍?duì)模擬和數(shù)字兩種應(yīng)用兼顧設(shè)計(jì)的，所以稱為混合控制器。控制器冗余配置時(shí)，采用兩個(gè)完全相同控制器，從而可以實(shí)現(xiàn)真正意義上的全冗余，基本控制器和冗余控制器之間的同步對(duì)用戶是完全透明的,兩控制器完全相同，物理上沒有主副之分，誰先運(yùn)行誰為主。當(dāng)控制器故障發(fā)生時(shí)自動(dòng)進(jìn)行切換，切換時(shí)間對(duì)應(yīng)用來說是可以忽略不計(jì)的。
每一個(gè)控制器通過I/O機(jī)箱可以掛接64塊I/O模件，通過I/O鏈接接口模件（IOLM）將PMIO接入控制器，I/O鏈接接口模件（IOLM）、通訊、IO處理器卡件均可實(shí)現(xiàn)冗余。

    B PMI/O （過程管理站輸入/輸出系統(tǒng)）： PMI/O采用TPS 系統(tǒng)的過程管理站的I/O產(chǎn)品，具有如下特點(diǎn)：診斷能力，故障介入測試，與現(xiàn)場一體化的供電，冗余I/O，在線維護(hù)，冗余的XPM電源系統(tǒng)。

    C 通訊網(wǎng)絡(luò):服務(wù)器通過Controlnet或者是專利技術(shù)的容錯(cuò)以太網(wǎng)和控制器通訊。服務(wù)器和操作員站之間通過（容錯(cuò)）以太網(wǎng)通訊。ControlNet是一種令牌總線網(wǎng)絡(luò)，可冗余，通訊速度5Mbits/sec。

    容錯(cuò)以太網(wǎng)意味著網(wǎng)絡(luò)是冗余配置，但是采用單一網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，所以切換速度快可達(dá)1秒。它可提供比普通以太網(wǎng)更多的通訊路徑。

    (2) 軟件部分

    A 編制控制程序的軟件為Control Builder,其組態(tài)全部采用圖形化的工具，系統(tǒng)的控制程序是以CM（控制模塊）為基本單位，可以單獨(dú)從控制器中上裝、下裝，右圖就是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的控制回路CM。 每個(gè)CM有自己的控制周期，這個(gè)周期必須為CEE(控制執(zhí)行環(huán)境)周期的倍數(shù)，CEE周期有5ms,50ms兩種，，我們在工程中就用50ms的CEE.

                                   

    B 用于過程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集,操作，記錄，打印，事故報(bào)警等功能的服務(wù)器軟件，它基于Windows 2000設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的所有組件集成為一體。當(dāng)用戶創(chuàng)建的控制策略下裝時(shí)，相應(yīng)的數(shù)據(jù)同時(shí)自動(dòng)下裝到控制處理器和服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中。在服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中自動(dòng)建立每個(gè)組態(tài)生成的模塊（CM，SCM，IOM等）所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)。控制器和PKS服務(wù)器使用統(tǒng)一的位號(hào)點(diǎn)名稱。Experion PKS過程系統(tǒng)的服務(wù)器可以冗余配置，以提供更高等級(jí)的可靠性。

    C 流程繪制軟件HMI Display Builder ，人機(jī)界面Station 。PKS的人機(jī)界面(HMI) 采用HMIWeb技術(shù)。HMIWeb使用HTML作為用戶顯示畫面格式，可通過操作員站（Station）環(huán)境或IE瀏覽器來顯示和操控過程顯示畫面。

    系統(tǒng)還提供了大量的標(biāo)準(zhǔn)顯示畫面：菜單/導(dǎo)航,報(bào)警匯總,事件匯總,趨勢,操作組,點(diǎn)細(xì)目,系統(tǒng)狀態(tài),組態(tài),回路調(diào)節(jié),彈出控制面板,診斷和維護(hù),匯總等。

    2.2 某15000M3/H的大型空分PKS控制系統(tǒng)配置

    2.2.1 I/O的點(diǎn)數(shù)統(tǒng)計(jì)

    根據(jù)系統(tǒng)監(jiān)控要求，確定系統(tǒng)需要檢測和控制的點(diǎn)的數(shù)量（I/O點(diǎn)），列出清單說明測點(diǎn)類型。
    此外，空壓機(jī)，增壓機(jī)自帶控制器，需要RS485/MODBUS 通訊采集120個(gè)參數(shù)。

               

                                             系統(tǒng)I/O點(diǎn)統(tǒng)計(jì)

    2.2.2軟件硬件配置

    根據(jù)I/O點(diǎn)數(shù)及廠家的監(jiān)控要求，考慮備用余量，配置了一對(duì)冗余控制器，2個(gè)PM I/O機(jī)箱。

    因PKS服務(wù)器數(shù)據(jù)庫點(diǎn)是集成點(diǎn)，一個(gè)CM內(nèi)可能包含幾個(gè)控制I/O點(diǎn)，所以服務(wù)器點(diǎn)數(shù)選400點(diǎn)，系統(tǒng)配備了1個(gè)服務(wù)器（它也可兼操作站），3個(gè)操作站。

    此外，還配備了一臺(tái)針式打印機(jī)，用來打印報(bào)表，事件報(bào)警，一臺(tái)噴墨彩色打印機(jī)用來打印畫面，程序。

    控制器卡件配置如下：

               

    下圖為配置圖: 

               

    2.3 系統(tǒng)組態(tài) 安裝調(diào)試

    2.3.1控制策略組態(tài)(控制器內(nèi)程序)

    根據(jù)前面給出的硬件配置，確定所有的I/O卡件位置，分配好所有的I/O點(diǎn)通道，從機(jī)箱-卡件-通道，以便隨時(shí)查到相關(guān)信息；進(jìn)入Control Builder程序，建立新的控制器，I/O卡件 ，然后將所有卡件分配到控制器中；根據(jù)需要，新建各種CM ，然后將I/O通道塊分配定位到I/O卡上；下裝控制器，I/O卡，CM ，聯(lián)機(jī)調(diào)試。

    幾個(gè)特點(diǎn):
    各種控制點(diǎn)的控制周期選擇。DCS和PLC的的一個(gè)區(qū)別是DCS控制點(diǎn)的運(yùn)算周期是可以預(yù)先確定的，而PLC一般沒法預(yù)先確定。我們常用周期是：模擬采集CM 為1秒，數(shù)字采集CM為0.1秒，模擬調(diào)節(jié)回路CM為0.5秒，數(shù)字控制CM為0.1秒，順序控制SCM為1秒。確定每個(gè)CM的周期可以清楚的知道每個(gè)控制策略的反應(yīng)時(shí)間，既不浪費(fèi)系統(tǒng)資源，又保證了系統(tǒng)的處理速度。每個(gè)CM還有一個(gè)相位的問題，共有40個(gè)相位可選，這可以確保在任何時(shí)間的CPU負(fù)載均衡。另外，每個(gè)CM內(nèi)的功能塊有自己的運(yùn)算次序，為保證最佳控制效果，需要仔細(xì)安排這些功能塊的運(yùn)算次序。

    2 特殊的控制回路處理。PKS提供一個(gè)Honeywell專利的Profit Loop控制算法，它是單輸入, 單輸出的，可取代控制中的每一個(gè) PID，好處是減少閥門磨損和延長閥門壽命，由于只有一個(gè)調(diào)節(jié)參數(shù)，降低控制人員的操作難度。 我們在水冷塔控制回路中應(yīng)用了它，效果良好。

    分子篩中的切換閥控制。這種閥門帶有兩個(gè)閥門反饋信號(hào)，表示全開、全關(guān)，一個(gè)輸出控制信號(hào)，根據(jù)反饋，閥門可能有四種狀態(tài)：全開，全關(guān)，運(yùn)行中，故障，當(dāng)閥門開的輸出信號(hào)發(fā)出后，經(jīng)過時(shí)間T1，開反饋信號(hào)沒來，或者 當(dāng)閥門關(guān)的輸出信號(hào)發(fā)出后，經(jīng)過時(shí)間T2，關(guān)反饋信號(hào)沒來 需要報(bào)警；自動(dòng)方式時(shí)由分子篩順控程序驅(qū)動(dòng)，發(fā)生報(bào)警時(shí)，停止順控程序,在PKS系統(tǒng)中，有一個(gè)DEVCTL（設(shè)備控制）功能塊，專門針對(duì)此類應(yīng)用，相當(dāng)方便。如圖，只需將具體參數(shù)輸入即可。

                            

    4 分子篩中的切換閥時(shí)序控制。系統(tǒng)控制14個(gè)調(diào)節(jié)閥和切換閥，根據(jù)時(shí)間進(jìn)行閥門的依此切換，程序一共有20個(gè)時(shí)間段，時(shí)間可以根據(jù)需求修改，啟動(dòng)時(shí)可以從任意時(shí)間開始，冷吹，均壓等時(shí)間，流調(diào)節(jié)閥應(yīng)先按調(diào)整好的曲線動(dòng)作，然后再切換到PID進(jìn)行回路調(diào)節(jié)，以確保流量壓力的穩(wěn)定，整個(gè)過程全由系統(tǒng)控制，控制復(fù)雜。

    SCM是針對(duì)此類模擬數(shù)字混合順控應(yīng)用設(shè)計(jì)，它的規(guī)則是：1從初始步開始 2程序由步進(jìn)入條件，執(zhí)行步交替向下走，執(zhí)行的指令采用公式形式，可以給變量賦值，改變功能塊操作方式等 3 可以有分支 4程序最后狀態(tài)是 完成 5有異常處理能力，規(guī)定的異常條件發(fā)生時(shí)，程序轉(zhuǎn)去執(zhí)行另一個(gè)順序序列。幾乎可以按照工藝要求提出的順序流程完全照搬到SCM中。

    5安全聯(lián)鎖類的編制。由于是圖形化的組態(tài)環(huán)境，可以較容易的把工藝提出的邏輯功能圖搬到控制模塊CM中，圖示了膨脹機(jī)聯(lián)鎖功能CM。由于控制器內(nèi)存中，每個(gè)CM是單獨(dú)的單元，可以單獨(dú)下裝，在編制調(diào)試時(shí)，完全不影響別的控制點(diǎn)，可以邊運(yùn)行，邊調(diào)試，使得工程時(shí)間大大縮短。

                           

    2.3.1監(jiān)控組態(tài)（人機(jī)界面）

    先用HMIWEB DisplayBuilder程序繪制流程畫面 ， 然后進(jìn)入Station，進(jìn)行操作組，歷史趨勢顯示組，歷史事件歸檔，報(bào)表，安全等的設(shè)置。

    幾個(gè)特點(diǎn):
    1 流程畫面采用HTML格式，支持VB腳本，ACTIVE X組件,支持彈出式畫面，界面統(tǒng)一采用1024×768的分辨率。下圖展示了預(yù)冷畫面。

                   

    2 系統(tǒng)提供了大量的標(biāo)準(zhǔn)顯示畫面，除了需要繪制用戶流程畫面外，像報(bào)警，歷史數(shù)據(jù)等其他功能顯示界面，無需再進(jìn)行圖形繪制，系統(tǒng)是標(biāo)準(zhǔn)化的，只需將參數(shù)填入即可。 這對(duì)于界面統(tǒng)一，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，減少組態(tài)工作量，加快工程速度很有意義。

    2.3.3安裝

    本系統(tǒng)采用了PM I/O，共有三臺(tái)控制柜，分別是控制器柜，F(xiàn)TA柜，繼電器柜，控制器，卡件，機(jī)柜，F(xiàn)TA，連接電纜，全是標(biāo)準(zhǔn)部件，除了繼電器柜，基本上無需柜內(nèi)再進(jìn)行二次配線，降低了連線錯(cuò)誤的概率，極大的方便了安裝調(diào)試 。
下圖為機(jī)柜：

                          

    結(jié)束語

    EXPERION PKS系統(tǒng)目前已在多套大中型空分裝置上成功運(yùn)用，其工作穩(wěn)定，組態(tài)方便，功能強(qiáng)大，經(jīng)過工程和長時(shí)間運(yùn)行的考驗(yàn)，確保了空分裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行。