DCS在制氧行业的应用.doc

DCS在制氧行业的应用1 工艺简介及控制要求1.1 工艺简介6000制氧机组工艺较复杂，主要流程（见图1）：空气压缩机把空气压缩到0.56Mpa,流量为40000NM3/H，压缩后的空气通过预冷系统,把空气冷却到12度左右,再通过纯化系统除去水和二氧化碳等杂质,然后通过膨胀机制冷，使空气冷却到零下100多度，通过氧气、氮气、氩气冷凝温度不同的原理，在分馏塔内分馏出氧气、氮气、氩气，最后分别通过氧压机、氮压机、液氩泵把以上气体分别加压到用户需要的压力。1.2 控制要求控制系统对过程参数进行显示、报警、趋势记录、操作记录、报表自动打印、联锁停机、自动控制等。因为以后可能增加透平氧压机，控制系统要求扩容性好，扩容时对生产影响小。整个系统需要的检测点温度为130点左右、压力差压110点左右，调节阀50点左右，其它模拟量20点，各种设备运行信号、联锁、控制、切换阀及调节阀阀位等开关量120点左右，闭环控制回路有30多路。空压机控制需求为启动前工艺条件满足后才发出允许启动信号，空压机才能启动，运行时工艺参数到故障停机值自动停机，油压低于设定值自动启动辅油泵。预冷系统要求严格控制液位，如工艺条件不满足，联锁预冷系统所有水泵，不能启动水泵或自动停水泵。纯化系统控制要求较高，两个分子筛轮流使用，两小时后自动切换（通过气动切换阀和气动调节阀、16只），根据实际情况操作工可以通过操作站沿长或缩短切换时间，污氮流量自动控制，给定值根据不同时间自动给定。膨胀系统高速旋转设备，需要联锁允许启动、联锁自动停机。分馏塔系统有十几个液位、流量要求自动控制。3台氧压机和4台氮压机要求温度、油压、水压自动联锁停机，油泵自动启动等。2 硬件配置 6000NM3/H制氧机组偏化工类，因此模拟量较多，控制回路较多，总共320点左右，因此采用原则上采用DCS（集散控制系统），其次采用PLC（可编程控制器），由于原来的变送器、调节阀、热电阻等要利用，再加上就地到主控室不太远（不超过150米），因此外围仪表采用模拟仪表，不采用总线型仪表，综合性价比高等各种因数，采用浙大中控的DCS（JX-300X）。JX-300X基本组成包括工程师站（EX）、操作站（OS）、控制站（CS）和通信网络Scnet ，Scnet 遵循开放的TCP/IP协议工业以态网，通信速率为10Mbps，操作站间为100Mbps。如以后扩容可以增加控制站和操作站，调试完后再把网络联上，对生产几乎没有影响。对于6000机组我们采用如下方案（如图2），一个工程师站，一个操作站，两个控制站，两台交换机。以上设备通信网络采用星型结构，并且1：1热冗余，每台控制站的主控卡、数据转换卡及通讯采用1：1热冗余。根据工艺特点把系统分为压缩控制站、空分控制站，便于以后维护。空压机、氧压机、氮压机所有点位进压缩控制站，空冷塔、分子筛、膨胀机、分馏系统等进空分控制站。2.1 工程师（操作）站a 操作站（OS），从控制站接收数据并加工，历史数据归档，产生各类报表，定时自动打印。作用为操作工进行监视及操作。网络为热冗余备分。计算机配置：CPU为Pentium 1.7G，内存为128MB的DDRAM，硬盘为40GB，21吋显示器，64MB显卡，双网卡。b工程师站（ES）用于系统组态，设计控制程序，并下装组态程序到控制站和传送监控程序到操作站。并且具有操作站所有功能。计算机配置：CPU为Pentium 1.7G，内存为128MB的DDRAM，硬盘为40GB，21显示器，64MB显卡，双网卡。2.2 控制站所有控制由控制站完成，每个控制站有一块主控卡（可冗余），每块主控卡可带8个机笼，机笼核心部件是数据转换卡，每个机笼可插16块I/O卡。a 主控卡（SP243X）主控卡是控制站的软硬件核心，负责协调控制站内的所有软硬件关系和各项控制任务，如完成控制站I/O信号处理、控制计算、与上下网络通信控制处理、冗余诊断等。热冗余配置，它采用双微处理器协同处理控制的任务，具有10Mb以太网的1：1热冗余Scnet 接口，可以和操作站及其它控制站进行通信。1Mb SBUS的I/O总线通信接口，实现旧地和远程I/O功能。b 数据转换卡（SP233）是系统I/O机笼的核心单元，主控卡连接I/O卡件地中间环节，它一方面驱动SBUS总线，另一方面管理本机笼I/O卡件。cI/O卡件完成对各种现场数据采集和输出控制信号控制现场设备，通过SBUS总线和主控卡进行数据交换。d智能设备通信和新氮压机的PLC进行通信采用通信接口卡（SP244），根据PLC的通信协议编制通信程序，通信接口卡挂在Scnet 过程控制网上与操作站、控制站进行数据交换。e系统配置主控卡（SP243X）4块，数据转换卡（SP233）20块，电流输入卡25块，电流输出卡12块，热电阻卡76块，开关量输出卡12块，开关量输入卡15块。2.3 系统软件a 操作系统采用网络操作系统WINDOWS NT4.0，中文版本。b 组态软件采用JX-300X组态软件Sckey。c 监控软件采用JX-300X监控软件。 3 主要控制方案3.1 空压机空气经过空压机4级压缩后，出口压力必须控制稳定，出口有一放空调节阀，通过调节放空阀开度，以控制空压机出口压力稳定，采用单回路闭环控制系统。为防止联锁停车时空分气体返吹造成空压机反转，必须在联锁停车时使空压机放空阀全开，为了防止低压电掉电及仪表空气失气，空压机放空阀不能动作，从而导致空压机出口压力增加，空压机发生踹振，放空调节阀采用气关式，失气时阀门全开，电磁阀采用两位三通，并使失电时放空调节阀门全开，从而避免压力升高，发生踹振。空压机开机时进口导叶在启始位置、排油烟机运行、放空阀全开、油压、水压、空压机（电机）各轴承温度满足条件，控制站才发出允许空压机启动信号，空压机才能启动。运行时，油压、水压、空压机（电机）各轴承温度超过联锁停机值时空压机自动联锁停机。当油压低余第一下限时，控制站发出控制信号自动启动备用油泵，以保证油压稳定。所有控制由DCS完成。3.2 预冷系统预冷系统目的把空气冷却到工艺需要的12，空气从空冷塔下部进入，向上走从顶部出，冷却水通过冰机冷却，由水泵加压从空冷塔上部进，喷淋而下，冷却由下而上的空气，最后冷却水通过调节阀出，为防止空冷塔底部无液空气顺冷却水出和冷却水液位过高造成事故，要求严格控制空冷塔底部冷却水液位。液位控制由单回路闭环控制，为防止液位控制失效，空冷塔冷却水液位过高，冷却水进入空压机和分子筛造成重大事故，必须联锁停水泵。采取了如下措施：a.空冷塔液位高于设定值联锁停水泵。为防止了空冷塔液位变送器引压管上管进水造成液位检测失误，水位无法控制，空冷塔液位变送器改为阀兰式远传变松器。b.由于空冷塔液位过高会使空冷塔阻力增加，因此增加阻力高于设定值联锁停水泵。c.空冷塔液位过高会使空冷塔出口压力降低，因此空冷塔出口压力低于设定值联锁停水泵。通过以上措施大大增加了安全系数。3.3 纯化系统纯化系统主要功能为除去空气中的水、二氧化碳等杂质，主要设备有两个分子筛和一个电加热器，一个分子筛工作时吸附空气中的水、二氧化碳等，另一个分子筛用加热器加了热的污氮反吹除去吸附在分子筛的水、二氧化碳等，完后用常温污氮冷却分子筛，两小时后分子筛自动切换，原工作的分子筛切换为自清除，自清除的分子筛切换为工作状态。共有12个调节阀和切换阀，全由DCS自动控制，同时DCS控制加热器，根据不同时段加热或不加热。根据工艺要求，分为4个大的时间段，18个小的时间段，每个时间段操作工可以根据运行情况延长或缩短运行时间。启动时可以从任意时间段启动，并可从上次停车时的时间段启动。在冷吹，均压等阶段，要对压力，流量阀位自动调节。因为控制复杂，采用SCX（类C语言）语言编写。根据运行不同时间段，程序必须联锁住分子筛的加热器，不用加热的时间段，断开加热器，操作工也不能开启加热器。这里重点就污氮流量控制加以说明，工艺流程及控制（如图3），污氮从空分上塔来，在自清除时污氮从FCV1201A走，冷吹时污氮从FCV1201B走，切换时和其它时间段从FCV1201C放空，为了切换时不影响上塔，要求污氮流量各个时间段稳定，因此采用3个单回路闭环调节，当向自清除切换时，FCV1201C对应的回路采用自动调节流量，FCV1201B全关，程序自动逐渐打开FCV1201A，当FCV1201C对应的回路输出阀位信号为零时，程序自动把FCV1201C切为手动，完全关闭，同时把FCV1201A对应的回路投入自动调节，程序自动植入设定值，以达到流量恒定，不影响空分上塔。自清除向冷吹切换等程序类似，不在繁诉。3.4 分馏系统分馏系统功能是分离出各种气体，它在分馏塔内，温度非常低（零下100多度），需要控制主要是压力、流量、低温液体液位等，压力、流量、液位检测特别重要，不同气体液化温度不同，防止取压管非水平段出现液化和汽化，造成测量不准，塔内可能汽化或液化的地方要水平敷引压管。共13个量要求自动调节，全采用单回路闭环控制，PID参数根据经验设定，运行时根据控制情况调整。3.5 膨胀系统 膨胀系统功能是产生冷量，空气冲击膨胀机叶轮，使膨胀机旋转带动增压机旋转，对外做功，空气温度下降，产生冷量。需要控制的有增压机流过的空