1、控制系统介绍

1.1  DCS控制系统的介绍

计算机分散控制系统（DCS）是目前最先进的过程控制手段之一，使用DCS实现对整个空分装置的自动监视和控制，对提高装置的允许水平，保证装置长期安全运行非常重要。

集散控制系统是由仪表控制系统逐步发展起来并日益完善的控制系统。在工艺生产过程中广泛应用，它将计算机技术、控制技术、通讯技术及图像显示技术有机的结合起来。一方面系统具有顺序逻辑连锁控制、PID调节、数据采集和处理等功能；另一方面又克服了计算机集中控制系统中如安全性差、扩展性差和安装困难等诸多不足，采用了“数据集中、控制分散”的原则，从而使整个系统的可靠性大大提高。过程监控计算机在整个计算机综合制造系统中处于基础自动化设备和上面的工厂管理及区域管理计算机之间，起着承上启下的关键作用。它的可靠运行才能保证监控机的工艺过程监视、生产优化控制、生产计划下达、生产实际数据的采集和处理、生产作业管理等功能得以实现。综上所述，在大型制氧机控制系统中采用集散控制系统是非常恰当和必要的。

1.2  控制系统的选型

浙大中控公司JX-300X的基本组成包括工程师站（ES）、操作站（OS）、控制站（CS）和通讯网络。JX-300X控制站以多个先进的微控制器为核心，提高了系统的实时性和控制品质，系统能完成各种先进的控制算法：过程管理级采用高性能CPU的主机和WINDOWS NT的多任务操作系统，以适合集散控制系统良好的操作环境和管理任务的多样化；过程控制网络采用双重化以太网技术，使过程控制级能高速安全的协调工作，做到真正的分散和集中。在通讯网络上挂接通信接口单元（CIU）可实现JX-300X与PLC等数字设备的连接；通过多功能计算站（MFS）和相应的应用软件AdvanTrol-PIMS可实现与企业管理计算机网的信息交换，实现企业网络（ Intranet ）环境下的实时数据采集、实时流程查看、实时趋势浏览、报警记录与查看、开关量变位记录与查看、报表数据存贮、历史趋势存贮与查看、生产过程报表生成与输出等功能，从而实现整个企业生产过程的管理、控制全集成综合自动化。JX-300X覆盖了大型集散系统的安全性、冗余功能、网络扩展功能、集成的用户界面及信息存取功能，除了具有模拟量信号输入输出、数字量信号输入输出、回路控制等常规DCS的功能，还具有高速数字量处理、高速顺序事件记录（SOE）、可编程逻辑控制等特殊功能；它不仅提供了功能块图（FBD）、梯形图（LD）等直观的图形组态工具，又为用户提供开发复杂高级控制算法（如模糊控制）的类似。C语言编程环境SCX。系统规模变换灵活，可以实现从一个单元的过程控制，到全厂范围的自动化集成。通过以上分析说明，JX-300X系统在技术上是完全能实现20000m3/h制氧机自动化控制设计。

1．3  控制系统的构成

本系统选用浙大中控公司JX-300X系统，DCS组态软件采用JX-300X组态软件，监控软件采用JX-300X监控。整个控制系统由1个工程师站、2个操作员站、控制站、过程控制网络等组成。工程师站是为了专业工程技术人员设计的，内装有相应的组态平台和系统维护工具。操作站是由工业PC机、CRT、键盘、鼠标、打印机等组成得人机系统，是操作人员完成过程监控管理任务的环境。控制站是系统中直接与现场打交道的I/O处理单元，完成信息控制命令等传输，双重化冗余设计，使得信息传输安全高速。

根据集散系统“集中数据，分散控制”的原则，定义1#控制站主要用于空压机，空气预冷系统、分子筛、膨胀机、分馏塔；2#控制站主要用于氧压机，公用工程、球罐、水处理等的控制。

特别需要说明的是：氮压机除了启动和停止外，其他的数据都是由氮压机自带的PLC与控制站通讯的，JX-300X系统是通过SP244卡来与其的PLC通讯的。SP244是JX-300X系统的网关卡，其功能在于将第三方设备（PLC或仪表等），按其通讯协议，连进DCS系统，使用户可以在AdvanTrol中监控这些设备。结构示意图如下：

2、空气预冷系统的自动控制

空气预冷系统是空分的一个重要的组成部分,它串接于空压机系统和分子筛吸附器系统之间,用来降低进分子筛吸附器的空气的温度及含水量,合理地使用空气预冷系统,有利于空分设备长期安全地运转,特别是高温季节优为重要．

外界供水经水泵增压后进入空冷塔的中部与空压机送入空气冷却塔下部的含湿空气作直接逆流接触，当空冷塔水位大于1800mm（DCS计算值或液位计联锁值），和空气出空冷塔压力小于0.4MPa时停WP1101至WP1104水泵，且全开空压机放空阀;当常温水泵WP1101或WP1102启动、停车后，常温泵供水阀随即开、关；水冷塔内的液位高低也直接影响空分的正常运行，当液位小于500mm（DCS计算值或液位计联锁值）停低温水泵WP1103或WP1104；在停冷冻机时，冷冻机紧急排水阀随即．

3、分子筛吸附器系统的自动控制

分子筛吸附器是一只工作另一只再生交替工作，工作时间4小时，再生时间4小时，分子筛控制程序共分为十一步；根据生产实际工艺情况，在分子筛控制中增加了“MSKONG”（手、自动切换键），“STEP”（当前步骤），“PAUSETIEM”（暂停时间），“ALARM”（阀门报警），“START”（复位键），“TRANSIT” （禁止转换），“ENABLE”（操作使能），“FORCE”（强制步进），“HEATQC”（电加热器切除键），信号切除的功能只在极个别阀门反馈信号永久性损坏时使用，在这种情况下一般只需将相应损坏了反馈信号的切除键置于“切除”即可，这样程序将不再考虑该反馈，在需用该反馈的时候将通过给予适量的时间让阀门开关到位，所以，这样一来安全性无从谈起，因此，要切除信号时一定要十分谨慎，一般情况都不需切除信号，临时需程序步进的时候可以用“FORCE”键步进；总之，原则上在正常生产的时候一般需将“MSKONG”置于“自动”，“TRANSIT”置于“允许倒换”：“ENABLE”

置于“步使能”“HEATQC”置于“OFF”建议在非正常情况下的需将“MSKONG”置于“手动”，“TEATQC”置于“停止加热”。

分子筛吸附器系统联锁控制：

（！）MS前后压差，大于0.015MPA时，开空压机两个放空阀，同时关闭空气进冷箱阀V111-V115。

（2）三个电加器可自动/手动启停，自动时可任意投入一抬或两三抬，根据加热器出口温度是否大于200度，自动启停，当污氮进分子筛流量低于18000M3/h停所有加热器。

（3）当分子筛出口压力小于0.01MPA时方可进行加热。

（4）当分子筛前后差压小于0.01MPA，允许加热。

4 空压机系统自动控制

 该空压机采用陕西鼓风机有限公司提供的型号为RIK90，启动前由中控室发出允许启动信号，由现场启动，诺停机，则在现场和中控室（含操作台紧急停车）都能实现。

4.1 防喘振控制

为了使空压机长期安全稳定运行，通过DCS合理的控制，导叶及防喘振的操作方式，进口导叶根据排气压力实现自动调节，防喘振调节根据空压机实际防喘振进行曲线进行调节，另外，空压机防喘控制另增加两根线，喘振报警线放风线喘振报警线低于喘振线4%放风线低于喘振线的3%，当实际排气压力高于放风线的1.02%时通过既变积分时间来实现两个防喘阀的快开慢关，开 阀时先开2#阀再开1#阀，关阀时先关1#阀再关2#阀。

4.2 启动控制

  当各项启动条件全部满足后，按下“允许机组启动”按钮发送允许启动信号至电气盘逆阀首先得电，操作人员确认主机启动完成，若无异常则可以进行导叶释放，进口导叶快速释放到最小运行角25%，当导叶角度大于最小运行角度的25%时，静叶释放成功，反之，则静叶释放过长，静叶关回到15%，待操作人员确认进口导叶阀正常后，进行存储器复位后，再进行静叶释放。若静叶释放成后，可按下“自动操作”按钮，解除防喘振阀和导叶阀联锁，操作人员可时防喘振进行操作，机组开始向空气予冷系统送气，当防喘振阀手动操作结束时（全关闭）此时机组启动完成，若排气压力小于放风值，防喘振的手动调节，若排气压力大于放风值时，防喘阀调节手动动切换为自动调节。

4.3卸载运行控制

当空压机出现下面几种情况时,进入”卸载运行”状态.

A、排气压力突破喘振曲线.

B、喉差小于空压机最小值,(持续时间3秒以上或不满3秒,20秒内发生两次)

卸载运行时机组放空阀全开,进口导叶阀锁在最小运行角25%,停止工艺系统送风但不停机,当确认满足重新的工艺系统送风条件时,先按”存储器复位按钮，再按“自动操作”按钮，重新向空气系统送气。

5、膨胀机系统自动控制

该系统主要控制为膨胀流量调节、膨胀机安全保护、增压机防喘振调节、增压机出口压力自动调节。

增压机出口压力调节是通过调节增压机出口回流阀调节其回流量来控制的，它有两种调节方式：一种是接受机旁信号控制，DCS必须为手动方式；另一种是接受DCS控制信号，机旁必须投入自动。

膨胀流量的调节是依靠喷嘴转动而改变通道截面积来实现的，它也有两种方式：一种是接受机旁信号控制，DCS必须为手动方式；另一种是接受DCS控制信号，机旁必须投入自动。另外在膨胀机进口处设置一紧急切断阀（HS401A、B——C），其目的是在膨胀机处于危险状态时，能在短时间（0.1秒内）切断气源而使其快速停车，起到安全保护作用。

6、氧压机系统自动控制

氧压机启动控制分两种控制方式：一种是机旁操作；另一种是自动操作；氧压机在机旁盘操作时，应首先将选择开关“SA2”置于“手动”位置，各有关阀门则籍助主令开关手动控制其打开和关闭，然后用控制按钮启动和停车。若氧压机启动在DCS操作站操作，此时机旁盘上操作方式选择开关应置于“自动”位置，只要用“准备启动”、“启动”、“准备停车”、“停车”就可按规定的程序实现自动操作。

氧压机吸入压力靠PIC3302回路控制，其输出来控制入口导叶开度（启动时为最小角15%），从而改变氧压机的流量以保持吸入压力恒定；若系统供给氧压机的气量不足且吸入压力低于规定值时，则由PIC3304回路自动打开高压旁通阀V3303，依靠回流量来维持吸入压力恒定。

氧压机的防喘振调节在氧压机控制中所起的作用尤为重要，一旦防喘振系统出现故障，会给氧压机带来致命的打击，在防喘振自动时，PIC3309控制回路（排气压力控制）和PIC3303控制回路（吸入压力控制）经过高值选择输出控制高压旁通阀V3303，但两者设定值是不一样的，先开回流、后放空，确保排气压力不超过规定值，并且不影响其调节系统。在防喘振手动时，操作人员可通过V3303阀根据吸入或排气压力随意操作。

氧压机吸入氮气压力调节由PIC3313控制回路输出控制V3317来调节；轴封氮气差压及压力由PDC3303和PIC3304控制回路控制V3312和V3313调节；吸入氧气、轴封氮气、轴封氧气与混合气体之间的差压分别由V3309、V3312、V3308来调节。在氧压机运转中为了安全保障，系统控制中设计了自动喷氮控制，只要氧压机的二、四、六、八级排气温度大于或等于190℃时，紧急喷氮阀V3315、V3316阀会自动    全开，氧压机喷入氮气并自动停车。

7、总结

   DCS控制系统应用在新钢制氧厂的20000m3/h的空分装置中，2005年5月投产以来，至今稳定可靠地运行，全面实现了数据采集、模拟量控制和开关量逻辑控制及联锁保护等功能，实现空气分离生产的自动化，并真正做到了控制集中、危险分散。该套空分装置配置合理，运行平稳，设备变负荷生产能力强，负荷可在80%~110%之间任意调节；膨胀机制冷效率高；其技术水平达到了国内同级空分设备的先进水平。