摘 要：以杭州某氣體工程公司10 000 Nm3/h空分項(xiàng)目為背景,，簡(jiǎn)要介紹了其工藝流程及產(chǎn)量指標(biāo)，并在分析ControlNet總線技術(shù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,重點(diǎn)介紹了空分控制系統(tǒng)的系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì),。整套系統(tǒng)具有很高的可靠性,，且應(yīng)用靈活。
關(guān)鍵詞：ControlNet,；空分,；防喘振控制；分子篩順序控制
隨著世界工業(yè)化進(jìn)程的不斷發(fā)展,，冶金,、化工、造船,、機(jī)械等傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域規(guī)模的日益龐大及對(duì)氧,、氮、氬等氣體的需求日益增加,，空分技術(shù)也在不斷地發(fā)展,，現(xiàn)在已步入大型全低壓流程的階段，能耗不斷降低,。然而一套先進(jìn)的空分裝置,，除了要有先進(jìn)的工藝流程、先進(jìn)的設(shè)備制造工藝,、先進(jìn)的裝置安裝水平及嚴(yán)格的質(zhì)量管理外,，一套可靠先進(jìn)的過(guò)程控制是必不可少的。本文以杭州某氣體工程公司10 000 Nm3/h空分項(xiàng)目為背景,，在分析ControlNet總線技術(shù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,重點(diǎn)探討了基于ControlNet總線技術(shù)的空分控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),。
1 空分工藝流程及產(chǎn)量指標(biāo)
1.1工藝流程
該10 000 Nm3/h空分項(xiàng)目采用低溫精餾法，即先將空氣通過(guò)壓縮,、膨脹降溫直至空氣液化,，再利用氧、氮沸點(diǎn)不同的特性將空氣分離,。其工藝流程采用內(nèi)壓縮流程,，過(guò)程為：原料氣經(jīng)空氣過(guò)濾器去除灰塵和機(jī)械雜質(zhì)，經(jīng)原料空氣壓縮機(jī)加壓到0.56 MPa (A),，在空氣冷卻器和冷凍機(jī)內(nèi)冷卻后,，進(jìn)入吸附器，吸附掉水分,、CO2,、碳?xì)浠衔?CmHn)等雜質(zhì)。潔凈的氣體經(jīng)循環(huán)壓縮機(jī)后,，進(jìn)入分餾塔的下塔底部進(jìn)行精餾,。在下塔底部得到富氧,，上部得到氣氮,，在主冷凝蒸發(fā)器與液氧進(jìn)行換熱,，氣氮被冷凝，而液氧蒸發(fā),。在過(guò)冷器中過(guò)冷后經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流,，進(jìn)入低壓塔參與精餾分離。在低壓塔的塔頂可得純液氮和氣氮產(chǎn)品,，塔底可得純液氧,，液氧在主冷凝蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)，得到氣氧產(chǎn)品,；從低壓塔中部抽出一股氬餾分,，進(jìn)粗氬Ⅰ、Ⅱ塔進(jìn)行氧,、氬分離,；粗氬在精氬塔內(nèi)進(jìn)行氮、氬分離,，得到精氬[1-2],。
1.2 產(chǎn)量指標(biāo)
10 000 Nm3/h空分項(xiàng)目采用KDONAr-4600Y/930Y/145Y型空分裝置來(lái)制氧氣、氮?dú)夂蜌鍤?，其期望達(dá)到的產(chǎn)量指標(biāo)如表1所示,。
2 ControlNet總線
ControlNet網(wǎng)絡(luò)是由美國(guó)羅克韋爾自動(dòng)化公司于1995年推出的一種新的面向控制層的實(shí)時(shí)性現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)。1997年7月由羅克韋爾等22家企業(yè)發(fā)起成立了ControlNet國(guó)際化組織,，該組織主要負(fù)責(zé)向全世界推廣ControlNet網(wǎng)絡(luò)技術(shù),。
2.1 ControlNet技術(shù)特點(diǎn)
ControlNet的技術(shù)特點(diǎn)可總結(jié)如下：
(1) 在單根電纜線上支持2種信息傳輸，一種是對(duì)時(shí)間有嚴(yán)格苛求的信息,，另一種是對(duì)時(shí)間無(wú)苛求的信息如程序上/下載等,；
(2) 采取新的通信技術(shù)模式，以生產(chǎn)者/消費(fèi)者通信模式取代了傳統(tǒng)的源/目的通信模式,。支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信,，而且允許同一時(shí)間向多個(gè)設(shè)備通信；
(3) 可使用同軸電纜,，長(zhǎng)度可達(dá)6 km,，可尋址節(jié)點(diǎn)最多達(dá)99個(gè)，兩節(jié)點(diǎn)間最長(zhǎng)距離達(dá)1 km,；
(4) 安裝簡(jiǎn)單,，擴(kuò)展方便[3]。
2.2 ControlNet網(wǎng)絡(luò)的通信模式
ControlNet是基于開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的一種新發(fā)明的解決方案——生產(chǎn)者/消費(fèi)者模式,。該模式允許網(wǎng)絡(luò)上的所有節(jié)點(diǎn)同時(shí)存取同一個(gè)源數(shù)據(jù),，數(shù)據(jù)一旦產(chǎn)生,，便與客戶(hù)的數(shù)量無(wú)關(guān)，從而使網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通信效率更高,。生產(chǎn)者客戶(hù)模式還采用多信道廣播式信息發(fā)送方式,，各個(gè)節(jié)點(diǎn)客戶(hù)可以在同一時(shí)間接收到生產(chǎn)者所發(fā)送的數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)之間接收信息精確同步,，網(wǎng)絡(luò)上可以連接更多的設(shè)備而無(wú)需增加網(wǎng)絡(luò)的通信量,。ControlNet網(wǎng)絡(luò)支持主從通信、多主通信,、對(duì)等通信或這些通信的任意混合形式,，通信形式可以組態(tài)選擇，應(yīng)用更靈活,。對(duì)等通信或多主通信的采用,，可以提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性，改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)的性能,。
生產(chǎn)者/消費(fèi)者模式與傳統(tǒng)的“源/目的”通信模式相比,，前者采用多信道廣播式，網(wǎng)絡(luò)所有節(jié)點(diǎn)同步化,，網(wǎng)絡(luò)效率高,；后者采用應(yīng)答式，如果要向多個(gè)設(shè)備傳送信息,，則需要對(duì)這些設(shè)備分別進(jìn)行“呼”,、“應(yīng)”通信，即使是同一個(gè)信息,， 也需要制造多個(gè)信息包,，這樣，增加了網(wǎng)絡(luò)的通信量,，網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)速度受限制,，容易發(fā)生信息瓶頸問(wèn)題，難以滿(mǎn)足更復(fù)雜的,、高速的,、對(duì)時(shí)間苛求的實(shí)時(shí)控制要求。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)管理與連接設(shè)備（節(jié)點(diǎn)）通信的基本技術(shù),，需要一種稱(chēng)為清除名單方法（Clean-Slate approach）,。生產(chǎn)者/消費(fèi)者模式與傳統(tǒng)的“源/目的”多設(shè)備通信模式的數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示[4]。
3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
根據(jù)工藝要求,，10 000 Nm3/h空分裝置自動(dòng)控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是監(jiān)視和控制空分過(guò)程中各環(huán)節(jié)的溫度,、壓力、液位、流量等參數(shù),，完成各大型設(shè)備的啟/停聯(lián)鎖,，以保證產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量，其主要控制功能包括:（1）壓縮機(jī)防喘振控制,、壓縮機(jī)軸振動(dòng),、軸位移、油壓,、油位等監(jiān)視,、報(bào)警和聯(lián)鎖控制;（2）分子篩吸附器切換系統(tǒng)的順序邏輯控制;（3）壓縮機(jī),、透平膨脹機(jī),、泵的啟動(dòng)、停止及切換操作;（4）溫度,、壓力及流量等參數(shù)的自動(dòng)調(diào)節(jié);（5）產(chǎn)品氧氣,、氮?dú)狻鍤饧兌瓤刂萍疤細(xì)浠衔锏入s質(zhì)含量分析;（6）安全聯(lián)鎖控制[5],。
3.1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)必須根據(jù)工藝流程和控制對(duì)象而定,，應(yīng)充分考慮被控對(duì)象的工藝要求、設(shè)備狀況,、控制功能以及系統(tǒng)I/O點(diǎn)數(shù)等,，并據(jù)此設(shè)計(jì)先進(jìn)的控制系統(tǒng)。
(1)輸入輸出信號(hào)的類(lèi)型和點(diǎn)數(shù)
模擬量輸入：154點(diǎn),，包括溫度,、壓力、流量,、差壓,、液位、純度,、功率,、轉(zhuǎn)速信號(hào)等；
模擬量輸出：48點(diǎn),，控制各調(diào)節(jié)閥開(kāi)度,；
開(kāi)關(guān)量輸入：74點(diǎn)，包括各大型設(shè)備運(yùn)行/停止信號(hào),、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備故障報(bào)警信號(hào),、現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)報(bào)警信號(hào)、現(xiàn)場(chǎng)閥門(mén)開(kāi)/關(guān)狀態(tài)信號(hào)等,；
開(kāi)關(guān)量輸出：48點(diǎn),，包括對(duì)各閥門(mén)和一些現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制。
(2)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成
本空分系統(tǒng)采用以操作員工作站為上位機(jī)，可編程控制器為下位機(jī),，利用ControlNet網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的控制方案,。PLC采用美國(guó)ROCKWELL 公司的ControlLogix系列產(chǎn)品，主要配置有: 1756- L61,、1757- SRM,、1756- PAR2、1756 - CNBR,、1756-ENBT,、1756 - N2、1756-PSCA2,、1756 - IF16,、1756 – IB32、1756- OB32,、1756- IR6I,、1756- IT6I、1756- OF8 及第三方通信模塊1756-Modbus等,。這些設(shè)備構(gòu)成了雙冗余控制站和遠(yuǎn)程I/O 站,。上位機(jī)通過(guò)交換機(jī)與PLC處理器通信，遠(yuǎn)程框架通過(guò)冗余的ControlNet連接到控制器框架,，同時(shí)遠(yuǎn)程框架采用了冗余電源配置,。整套系統(tǒng)具有很高的可靠性，滿(mǎn)足了空分系統(tǒng)對(duì)PLC控制部分需要長(zhǎng)期無(wú)故障運(yùn)行的要求,。上位機(jī)工作于Windows環(huán)境下,，使用RSView SE工業(yè)控制組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示,、數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集處理,、故障報(bào)警、實(shí)時(shí)及歷史報(bào)表的打印等功能,。
(3)系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)
為了提高系統(tǒng)的可靠性,，系統(tǒng)采用了控制站冗余、電源冗余和網(wǎng)絡(luò)冗余,。
?、?控制站冗余
2個(gè)互為冗余的控制站配置必須完全相同，冗余功能是依靠雙槽冗余模塊1757-SRM實(shí)現(xiàn)的,。當(dāng)主控制器失效時(shí),，從控制器在100 ms內(nèi)接替主控制器，主從控制器的同步對(duì)用戶(hù)來(lái)說(shuō)是完全透明的,，冗余模塊之間通過(guò)1757-SRC1連接起來(lái),。
② 電源冗余
遠(yuǎn)程框架采用了冗余電源配置，每個(gè)I/O遠(yuǎn)程機(jī)架都配置了互為冗余的2個(gè)1756-PAR2電源模板,，它們同時(shí)給相應(yīng)機(jī)架供電,，當(dāng)任意一塊電源模板發(fā)生故障，另一塊仍保持供電,，因此可以確保I/O機(jī)架供電不間斷,。
③ 網(wǎng)絡(luò)冗余
系統(tǒng)采用冗余的ControlNet網(wǎng)絡(luò),，1756-CNBR是ControlNet通信模塊,，它有2個(gè)冗余的網(wǎng)絡(luò)通道，使控制信息實(shí)現(xiàn)冗余,，通過(guò)BNC連接器與ControlNet總線相連,。當(dāng)一路網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障時(shí)，另一路能繼續(xù)工作,，不會(huì)影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行[6],。
3.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
空分系統(tǒng)中,，PLC軟件的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)十分復(fù)雜的工作,，它要求設(shè)計(jì)人員既要有程序設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，又要有自動(dòng)控制的知識(shí),，還要有一定的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),。軟件設(shè)計(jì)部分包括組態(tài)編程軟件和監(jiān)控軟件。
3.2.1軟件平臺(tái)
本文使用的羅克韋爾軟件主要包括:(1)上位監(jiān)控組態(tài)軟件RSView SE,，用于人機(jī)界面設(shè)計(jì),、信息層及底層設(shè)備間的數(shù)據(jù)交互;(2)通信組態(tài)軟件RSLinx，用于配置通信適配器;(3)邏輯編程軟件RSLogix 5000,，對(duì)可編程控制器進(jìn)行編程,。
3.2.2 操作員站操作畫(huà)面設(shè)計(jì)
操作員站操作畫(huà)面設(shè)計(jì)包括:(1)畫(huà)面顯示，顯示系統(tǒng)主菜單,、工藝流程參數(shù)和運(yùn)行工況,、運(yùn)行方式、閥門(mén)狀態(tài),、設(shè)備狀況,、故障狀態(tài)、實(shí)時(shí)和歷史趨勢(shì)等;(2)系統(tǒng)運(yùn)行操作,，分子篩純化器吸附/再生周期的自動(dòng)切換或單步執(zhí)行,大型單體設(shè)備(如空壓機(jī),、透平膨脹機(jī)、水泵等) 的啟/?？刂?(3)報(bào)警功能,，顯示故障區(qū)域流程圖,設(shè)備故障時(shí)其圖形變色或閃爍,并發(fā)出聲音報(bào)警。
3.2.3 過(guò)程站軟件設(shè)計(jì)
10 000 Nm3/h空分控制系統(tǒng)軟件編程的重要內(nèi)容就是編制過(guò)程站的控制程序。其中分子篩順序邏輯控制和透平膨脹機(jī)防喘振控制是主要部分,下面主要對(duì)這2個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行闡述,。
(1)分子篩順序邏輯控制
分子篩吸附器是2只臥裝的圓柱形容器,，每只容器中均充有分子篩吸附劑。2只分子篩吸附器MS1201,、MS1202交替工作,，即當(dāng)一只吸附器運(yùn)行在吸附工作狀態(tài)時(shí)，另一只則運(yùn)行在再生狀態(tài),。處在吸附工作狀態(tài)的吸附器,，通過(guò)已冷卻的原料空氣，當(dāng)空氣通過(guò)分子篩時(shí),，空氣中的水分,、CO2和碳?xì)浠衔锉环肿雍Y吸附，使空氣得到凈化,。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的吸附,，分子篩需要進(jìn)行再生，使分子篩吸附劑析出水分及CO2等,，經(jīng)過(guò)再生的吸附器又可以投入吸附工作,，2只吸附器交替工作[7]。
?、俜肿雍Y吸附器再生過(guò)程
分子篩吸附器是空分設(shè)備的重要設(shè)備之一,，確保分子篩吸附器安全可靠運(yùn)行是很重要的，為此必須按照再生過(guò)程進(jìn)行再生工作,，一般分子篩吸附器的再生過(guò)程如圖2所示,。整個(gè)再生過(guò)程必須嚴(yán)格按照規(guī)定的控制程序和時(shí)間、壓力,、壓差等條件,，在前一步動(dòng)作完成之后，根據(jù)有關(guān)閥門(mén)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)來(lái)進(jìn)行,。
?、诜肿雍Y吸附器自動(dòng)控制程序
2只分子篩吸附器相互交替工作，如圖3所示,，當(dāng)MS1201處于吸附工作狀態(tài)時(shí),，另一只吸附器MS1202則處于再生狀態(tài)。各閥門(mén)的程序切換由PLC 系統(tǒng)中的程序控制,。
分子篩吸附器自動(dòng)控制程序圖是按照工藝要求編制的,，如圖4所示。圖中粗黑線的長(zhǎng)短不代表時(shí)間長(zhǎng)短,，控制系統(tǒng)每一步的時(shí)間長(zhǎng)短由機(jī)內(nèi)計(jì)時(shí)器控制（如卸壓,、加熱,、吹冷、充壓）,。
(2)壓縮機(jī)防喘振控制
喘振是壓縮機(jī)性能反常的一種不穩(wěn)定的狀態(tài),。防喘振控制是壓縮機(jī)整個(gè)控制系統(tǒng)中最為重要的核心部分，必須實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)控制[8],。
?、俜来竦脑?br />
流量與壓力不匹配，壓力過(guò)高而對(duì)應(yīng)流量過(guò)小就會(huì)引起設(shè)備喘振,。在10 000 Nm3/h空分裝置中,，當(dāng)流經(jīng)增壓壓縮機(jī)的流量小于一個(gè)最小值時(shí)：基于某一壓比，會(huì)造成部分或全部氣體回流,，機(jī)器軸承所承受的應(yīng)力會(huì)變大,，溫度升高，這種現(xiàn)象稱(chēng)為“喘振”,，喘振會(huì)對(duì)設(shè)備造成損壞,，甚至造成重大事故。對(duì)應(yīng)壓縮機(jī)設(shè)備有著相應(yīng)的正常工作參數(shù)和極限工作參數(shù),，根據(jù)這些可以繪制喘振曲線,，防喘振原理就是在設(shè)備動(dòng)態(tài)運(yùn)行中通過(guò)控制使設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)避開(kāi)喘振曲線。喘振曲線如圖5所示,。
?、诜来窨刂频膶?shí)現(xiàn)
為保障生產(chǎn)的安全進(jìn)行，防止設(shè)備損壞,，增壓壓縮系統(tǒng)設(shè)有防喘振保護(hù)，通過(guò)調(diào)節(jié)入口導(dǎo)葉和旁通閥開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的進(jìn)口流量和壓比,。
由圖5可知,，當(dāng)增壓端的流量進(jìn)入到喘振區(qū)時(shí)，壓縮機(jī)自動(dòng)進(jìn)入防喘振保護(hù)控制,，此時(shí)旁通閥調(diào)節(jié)器自動(dòng)調(diào)節(jié)旁通閥的開(kāi)度,，使其完全打開(kāi)。為了防止增壓端的流量突然達(dá)到喘振流量而損壞設(shè)備,，繪制了一條和喘振曲線相平行的防喘振控制線,，當(dāng)流量達(dá)到控制線時(shí)，調(diào)節(jié)器自動(dòng)調(diào)節(jié)旁通閥的開(kāi)度,，降低設(shè)備發(fā)生喘振的幾率,。
入口導(dǎo)葉和旁通閥的控制均采用手/自動(dòng)調(diào)節(jié)方式和就地/遠(yuǎn)程控制方式，通過(guò)串級(jí)回路實(shí)現(xiàn)手/自動(dòng)調(diào)節(jié),，并進(jìn)行了閥位跟蹤,，為系統(tǒng)的運(yùn)行提供可靠的保證,。
空分系統(tǒng)是一個(gè)對(duì)安全性、可靠性要求很高的系統(tǒng),，針對(duì)這些性能要求,，本文利用ControlNet 總線構(gòu)成系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，通過(guò)ControlNet 總線網(wǎng)絡(luò),、現(xiàn)場(chǎng)控制單元與上位機(jī)構(gòu)成一個(gè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,、應(yīng)用靈活的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，可根據(jù)實(shí)際要求進(jìn)行擴(kuò)充[9-11],。ControlNet作為一種新型的面向控制層的實(shí)時(shí)性現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò),由于它具有如前所述的獨(dú)特優(yōu)勢(shì),，相信這種總線在近期將成為市場(chǎng)上的主流總線之一。
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