和利时MACS系统在26800m3/h空分装置的应用

随着国内经济的高速发展，为冶金、石化、化工和航天等工业领域配套的大中型空分设备得到了迅速的发展和广泛的应用。作为我国重大装备工业的空分设备制造业，不但规模得到空前发展，同时空分技术也得到了迅速的发展和应用，如采用新型的内压缩流程技术、先进的高级控制技术、更完善的安全运行和操作技术等。

概述

开封黄河空分集团为山东江鑫钢铁集团设计建造的26800m³/h液氧内压缩流程空分装置的自动控制系统，采用和利时HOLLiAS  MACS分布式控制系统，监视空分设备各个系统的运行状态，完成数据采集、过程控制、逻辑控制和联锁控制等功能。该系统是一个完善、经济、可靠的控制系统：

1)      基于PFOFIBUS现场总线技术设计；

2)      分布式数据库，属于C/S的体系结构；

3)      集成的OPC技术，支持超过100家的通讯协议；

4)      采用成熟的先进控制算法，对控制系统实现计算机监控；

5)      集成了DMS系统 、RealMIS系统、 ERP系统、SCM和 CRM系统等，可在智能现场仪表设备、控制系统、企业资源管理系统之间进行无缝信息流传送，轻易实现工厂智能化、管控一体化，为工厂自动控制和企业管理提供全面的解决方案。

工艺介绍

空气中的主要成分是氧和氮，它们分别以分子状态存在。分子是最小颗粒，数目非常多，并且不停地在作无规则运动，因此，空气中的氧、氮等分子是均匀地相互搀混在一起的，要将它们分离开是较困难的。目前在工业上广泛采用深度冷冻方法分离空气来制取氧和氮。

先将空气通过压缩、膨胀降温，直至空气液化（－173℃），再利用氧、氮的气化温度不同（在大气压下，氧的沸点为－183℃，氮的沸点为－196℃），沸点低的氮相对于氧要容易气化这个特性，在精馏塔内让温度较高的蒸汽与温度较低的液体不断相互接触，液体中的氮较多地蒸发，气体中的氧较多的冷凝，使上升蒸汽中的含氮量不断提高，下流液体中的含氧量不断增大，以此实现将空气分离。

空分工艺流程大体可分为空气压缩系统、空气净化系统、换热系统、制冷系统、精馏系统、氧气压缩输送系统，加温解冻贮存系统。

一般的空分装置生产的氧、氮产品来自上塔的低压氧、氮气体，经换热器复热后出空分冷箱，绝对压力约为0.12MPa，然后再由氧气压缩机将它压缩到所需的压力（3.1MPa）供给用户。液氧内压缩流程是从冷凝蒸发器抽出液氧产品，经液氧泵压缩到所需的压力（约3.1MPa），再经换热器复热、气化后供给用户。即它是在冷箱内压缩到所需压力的，与外压缩流程相比，存在以下优点：

1)      不需要氧气压缩机，由于将液体压缩到相同的压力所消耗的功率比压缩同样的气体要小得多，并且液氧泵体积小，结构简单，费用要比氧气压缩机便宜得多；

2)      液氧压缩比气态压缩较为安全；

3)      由于不断有大量液体从主冷设备中排出，碳氢化合物不易在主冷设备中浓缩，有利于设备安全运转；

4)      变频液体泵的应用，使产品氧气、氮气流量调节非常灵活，产品纯度的稳定性较好。

系统配置

整个DCS系统共配置3台操作员站（其中一台可兼作工程师站），各个站之间采用冗余的100M以太网连接。具有数据采集、控制运算、控制输出、设备和状态监视、报警监视、实时数据处理和显示、历史数据管理、日志记录、事故顺序识别、事故追忆、图形显示、控制调节、报表打印、高级计算，以及所有这些信息的组态、调试、打印、诊断、系统下装、在线增量下装等功能。

l  工程师站（兼操作员站）功能

工程师站主要完成设备、数据库、图形、控制算法、报表和系统参数的离线组态及管理、系统初始化下装和在线下装等功能。此外，工程师站也可切换到在线的模式，运行操作员软件，实现操作员站功能。

l  操作员站功能

操作员站主要执行操作员的命令，包括接收来自操作员的键盘，鼠标或触摸屏信息，进行各种监视信息的显示和查询，如工艺流程图显示、报警监视、日志查询、各种表格和列表的显示和打印，或者输入操作员的命令和参数，修改系统的运行参数，实现对系统的人工干预，如在线参数修改、控制调节等。

操作员站还可兼作打印服务器,配置打印机,实现在线自动打印和请求打印功能.

l  现场控制站功能

现场控制站通过现场总线与I/O模块连接，完成数据采集、工程单位变换、控制运算、控制输出、通过系统网络将数据和诊断结果传送到系统数据库等功能。

网络结构图如下：

I/O配置清单如下：

控制方案

空分装置从总体上分析，控制回路数较多，但从目前在现场使用的控制方案看，使用方案却相对简单，这并不是因为空分工艺简单，大部分可以通过简单回路实现，而是因为被控参数太多，且这些参数间的关联太强，无法建立精确的数学模型，而现代控制理论基本上都是针对一定的数学模型在进行控制，因此空分装置要想通过一般控制规律实现全自动控制或优化控制是有难度的。

l  常规控制

空分装置常规回路部分由于工艺的特点，很多控制回路都为常规单PID控制，部分回路采用手操器控制，这些回路包括：空压机入口导叶控制、空压机防喘振阀控制、增压机入口调节阀调节、增压机防喘振控制、空冷塔液位调节、水冷塔液位调节、液空回上塔调节、液氩回流调节以及主冷液面调节等。

l  联锁控制

空分装置从工艺过程特点看，属于高压低温物料处理过程，工艺设备中，大型动力设备较多。为了安全起见，这些设备的启停及运行中如有异常，均要求控制系统能做出相应反应，从而保证工艺设备的安全，这些联锁包括：

1）  空压机轴承振动大，联锁停车；

2）  空压机轴承位移大，联锁停车；

3）  空压机轴承温度高，联锁停车；

4）  空压机轴承润滑油低三取二，联锁停车；

5）  增压机轴承振动大，联锁停增压机；

6）  增压机轴承位移大，联锁停增压机；

7）  增压机轴承温度高，联锁停增压机；

8）  增压机轴承润滑油低三取二，联锁停增压机；

9）  膨胀机轴承温度高，联锁停膨胀机；

10） 膨胀机转速高，联锁停膨胀机；

11） 膨胀机轴承润滑油压力低，联锁停膨胀机；

12） 空气出空冷塔压力低，停预冷水泵；

13） 空冷塔液位低，停预冷水泵；

14） 分子筛吸附器阻力大，停预冷水泵

15） 粗氩塔液面低，停粗氩泵；

l  顺序控制

分子筛吸附器的整个再生和工作过程，必须严格按照规定的控制程序和时间、压力、压差等条件以及前一步动作完成之后有关阀门的开关状态来进行。一般分子筛吸附器的再生过程为：

分子筛吸附器的切换程序要能具备下述功能：在手动时能完成设定运行的时间，能直接操作现场的电磁阀，能设定相关参数；自动时，要能按设定的时序完成切换动作，当DCS系统对外动作电磁阀经数秒后，若收不到现场正确的电磁阀反馈，系统将对外发一警告信息，提示本次切换有误，请求操作人员干预。切换整个程序原理框图如下。

小结

该系统2008年8月份开始调试，2008年9月底考核验收通过。自动控制系统运行稳定，控制功能和控制精度符合生产工艺要求。