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    引言

    空氣分離裝置是生產氧氣，氮氣等氣體的工業裝置。一套空分裝置，除了先進的工藝流程，設備，安裝水平，一套可靠先進的過程控制系統也是必不缺的，這也是保證整個裝置安全，穩定，高效地生產高質量氣體產品的一個重要因素。

    EXPERION PKS是霍尼韋爾公司在TPS,PLANTSCAPE等原有控制系統發展起來的新的全能綜合型開放控制系統，它不僅有DCS的復雜模擬計算能力，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用。

    1 空分的生產工藝和控制要求

    空分一般來說是用低溫深冷技術，即將空氣降低到足夠低的溫度，利用氧氣，氮氣等氣體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空氣壓縮機壓縮到一定的壓力。

    空壓機的控制要求是通過調節防空保持出口壓力穩定，防止喘振，監測相關的壓力溫度，必要時進行安全連鎖停機,這要求控制快速穩定，有些廠家要求控制回路周期小于100MS。

    有時候空壓機自帶獨立控制器，這時候需要控制系統和其通訊，讀取它的數據。

    1.2經空壓機壓縮后的空氣通過預冷系統,把空氣冷卻到工藝需要的溫度。

    這部分控制點在于保持空冷塔水冷塔的液位穩定。由于空冷塔水冷塔水冷有一定的容積，控制環節有一定滯后。這部分還需要一些安全聯鎖邏輯。

    1.3預冷后的氣體要通過純化系統除去水和二氧化碳等雜質。

    主要的控制點在于十幾個閥門的順序動作，其中包括切斷閥和調節閥，調節閥根據時序切換到不同的動作：PID或是曲線。這樣以確保氣體留量的穩定，對下一級干擾最小。

    1.4純化后的空氣通過膨脹機制冷，使空氣冷卻到零下100多度，有的接近-200℃ ,通過氧氣、氮氣、氬氣冷凝溫度不同的原理，在分餾塔內分餾出氧氣、氮氣、氬氣。

    此過程監控溫度點眾多，要求溫度測量量程寬（能到-200℃），準確，穩定。
    膨脹機是空分的冷源，有很多安全聯鎖邏輯，有防喘振控制。

    1.5最后生產的氣體分別通過氧壓機、氮壓機、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。

    氧氣機特別是透平氧壓機控制要求非常嚴格，要求多重安全保護邏輯，具有嚴格的啟動，運行，停止，故障處理程序，對控制系統的順序控制功能要求很高。

    1.6空分工程中非常注重系統的在線組態、修改和下裝功能及系統的現場開工調試功能，這些功能保證了裝置可靠運行和縮短調試時間，加快調試進度。另外, 系統的自診斷功能也非常重要。

    1.7空分是標準的過程生產裝置，具有啟動，運行周期長的特點，監控點眾多，從操作角度來說，DCS系統的操作畫面、顯示功能、開車指導、歷史趨勢調用分析功能、工藝事故判斷、系統故障顯示功能對于操作人員快速全面的掌握控制整個裝置也很重要。

    2 控制方案在EXPERION PKS系統 上的實現

    2.1 Experion PKS系統介紹 

               

                                 Experion PKS系統結構圖

    Experion PKS是霍尼韋爾推出的最新控制系統，Experion PKS使用的技術也可以與霍尼韋爾原有的系統進行集成，如TPS和PlantScape系統等。

    基于Windows 2000的服務器, 利用高速動態緩存區采集實時數據, 提供報警、顯示操作、歷史數據采集、報表報告等服務功能；HMIWeb技術基于工業標準的html文件格式和Web瀏覽器的訪問界面；緊湊型的混合控制器；面向對象的組態工具；ControlNet,容錯以太網絡；基金會現場總線技術；專利的Profit Loop技術，這些構成了Experion PKS過程控制系統的體系結構。

    (1)主要的硬件部分 

    A 混合控制器C200：因為針對模擬和數字兩種應用兼顧設計的，所以稱為混合控制器。控制器冗余配置時，采用兩個完全相同控制器，從而可以實現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，誰先運行誰為主。當控制器故障發生時自動進行切換，切換時間對應用來說是可以忽略不計的。
每一個控制器通過I/O機箱可以掛接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處理器卡件均可實現冗余。

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

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

    容錯以太網意味著網絡是冗余配置，但是采用單一網絡結構，所以切換速度快可達1秒。它可提供比普通以太網更多的通訊路徑。

    (2) 軟件部分

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

                                   

    B 用于過程實時數據采集,操作，記錄，打印，事故報警等功能的服務器軟件，它基于Windows 2000設計，系統的所有組件集成為一體。當用戶創建的控制策略下裝時，相應的數據同時自動下裝到控制處理器和服務器數據庫中。在服務器數據庫中自動建立每個組態生成的模塊（CM，SCM，IOM等）所對應的點。控制器和PKS服務器使用統一的位號點名稱。Experion PKS過程系統的服務器可以冗余配置，以提供更高等級的可靠性。

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

    系統還提供了大量的標準顯示畫面：菜單/導航,報警匯總,事件匯總,趨勢,操作組,點細目,系統狀態,組態,回路調節,彈出控制面板,診斷和維護,匯總等。

    2.2 某15000M3/H的大型空分PKS控制系統配置

    2.2.1 I/O的點數統計

    根據系統監控要求，確定系統需要檢測和控制的點的數量（I/O點），列出清單說明測點類型。
    此外，空壓機，增壓機自帶控制器，需要RS485/MODBUS 通訊采集120個參數。

               

                                             系統I/O點統計

    2.2.2軟件硬件配置

    根據I/O點數及廠家的監控要求，考慮備用余量，配置了一對冗余控制器，2個PM I/O機箱。

    因PKS服務器數據庫點是集成點，一個CM內可能包含幾個控制I/O點，所以服務器點數選400點，系統配備了1個服務器（它也可兼操作站），3個操作站。

    此外，還配備了一臺針式打印機，用來打印報表，事件報警，一臺噴墨彩色打印機用來打印畫面，程序。

    控制器卡件配置如下：

               

    下圖為配置圖: 

               

    2.3 系統組態 安裝調試

    2.3.1控制策略組態(控制器內程序)

    根據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點通道，從機箱-卡件-通道，以便隨時查到相關信息；進入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 ，聯機調試。

    幾個特點:
    各種控制點的控制周期選擇。DCS和PLC的的一個區別是DCS控制點的運算周期是可以預先確定的，而PLC一般沒法預先確定。我們常用周期是：模擬采集CM 為1秒，數字采集CM為0.1秒，模擬調節回路CM為0.5秒，數字控制CM為0.1秒，順序控制SCM為1秒。確定每個CM的周期可以清楚的知道每個控制策略的反應時間，既不浪費系統資源，又保證了系統的處理速度。每個CM還有一個相位的問題，共有40個相位可選，這可以確保在任何時間的CPU負載均衡。另外，每個CM內的功能塊有自己的運算次序，為保證最佳控制效果，需要仔細安排這些功能塊的運算次序。

    2 特殊的控制回路處理。PKS提供一個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 PID，好處是減少閥門磨損和延長閥門壽命，由于只有一個調節參數，降低控制人員的操作難度。 我們在水冷塔控制回路中應用了它，效果良好。

    分子篩中的切換閥控制。這種閥門帶有兩個閥門反饋信號，表示全開、全關，一個輸出控制信號，根據反饋，閥門可能有四種狀態：全開，全關，運行中，故障，當閥門開的輸出信號發出后，經過時間T1，開反饋信號沒來，或者 當閥門關的輸出信號發出后，經過時間T2，關反饋信號沒來 需要報警；自動方式時由分子篩順控程序驅動，發生報警時，停止順控程序,在PKS系統中，有一個DEVCTL（設備控制）功能塊，專門針對此類應用，相當方便。如圖，只需將具體參數輸入即可。

                            

    4 分子篩中的切換閥時序控制。系統控制14個調節閥和切換閥，根據時間進行閥門的依此切換，程序一共有20個時間段，時間可以根據需求修改，啟動時可以從任意時間開始，冷吹，均壓等時間，流調節閥應先按調整好的曲線動作，然后再切換到PID進行回路調節，以確保流量壓力的穩定，整個過程全由系統控制，控制復雜。

    SCM是針對此類模擬數字混合順控應用設計，它的規則是：1從初始步開始 2程序由步進入條件，執行步交替向下走，執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程序最后狀態是 完成 5有異常處理能力，規定的異常條件發生時，程序轉去執行另一個順序序列。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安全聯鎖類的編制。由于是圖形化的組態環境，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，圖示了膨脹機聯鎖功能CM。由于控制器內存中，每個CM是單獨的單元，可以單獨下裝，在編制調試時，完全不影響別的控制點，可以邊運行，邊調試，使得工程時間大大縮短。

                           

    2.3.1監控組態（人機界面）

    先用HMIWEB DisplayBuilder程序繪制流程畫面 ， 然后進入Station，進行操作組，歷史趨勢顯示組，歷史事件歸檔，報表，安全等的設置。

    幾個特點:
    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，界面統一采用1024×768的分辨率。下圖展示了預冷畫面。

                   

    2 系統提供了大量的標準顯示畫面，除了需要繪制用戶流程畫面外，像報警，歷史數據等其他功能顯示界面，無需再進行圖形繪制，系統是標準化的，只需將參數填入即可。 這對于界面統一，系統穩定運行，減少組態工作量，加快工程速度很有意義。

    2.3.3安裝

    本系統采用了PM I/O，共有三臺控制柜，分別是控制器柜，FTA柜，繼電器柜，控制器，卡件，機柜，FTA，連接電纜，全是標準部件，除了繼電器柜，基本上無需柜內再進行二次配線，降低了連線錯誤的概率，極大的方便了安裝調試 。
下圖為機柜：

                          

    結束語

    EXPERION PKS系統目前已在多套大中型空分裝置上成功運用，其工作穩定，組態方便，功能強大，經過工程和長時間運行的考驗，確保了空分裝置的安全穩定運行。