首页 >> 行业知识 >> 制氮机(制氮设备)的自动化控制系统

 摘要: 介绍了天钢两套28000m3 / h 空分设备自动化控制系统的网络结构和工作流程, 简介了
循环水等系统的自动控制, 着重介绍了压缩机组和膨胀机系统的具体控制方案及取得的效果。
关键词: 大型空分设备; 自动化控制; DCS; 压缩机; 膨胀机
天津钢铁有限公司两套28000m3 / h 空分设备,
由中国空分设备公司总承包, 杭氧制造。此项目已
于2005 年9 月投产, 各项运行指标正常。
两套28000m3 / h 空分设备的自动化控制采用了
横河西仪公司的CS3000 系统。自动化设计及控制
范围广泛, 包括循环水系统、仪表空压机系统、原
料空气过滤系统、空压机系统、空气预冷系统、冷
冻机组、分子筛纯化系统、增压机系统、膨胀机系
统、精馏塔系统、氮压机系统、贮槽及加压汽化系
统、调压站系统及液体产品加压汽化充瓶系统。整
个空分设备全部由DCS 系统控制, 完全实现了中
央控制室的集中控制, 尤其是在几台进口压缩机组
的控制方面, 达到了良好的效果。所有的高压电机
(10000 VAC) 都实现了中央控制室启动。CS3000
系统能完全满足控制系统的设计要求, DCS 系统运
行稳定、可靠。
1  DCS 系统配置及网络结构
DCS 系统结构如图1 所示。
111  DCS 系统配置
工程师站( CS30002EWS ) 1 台; 操作站
(CS30002HIS) 9 台, 操作员键盘(AIP82722) 9 个;
控制总线接口卡(VF701) 10 个; 双重化过程控制
站(AFS40D2H4223/ 72D82/ CH) 2 台, 双重化过程
控制站(AFF50D2H41201) 1 台; 交换机2 台; 各
种I/ O 卡件及端子板; 软件包。
112  DCS 系统网络结构
CS3000 系统具有三级分层网络结构, 分别使
用不同的网络, 有效地提高了通信的效率, 降低了
通信负荷。网络系统可提供标准GSM 时钟系统,
保证网络总线上的各站时钟同步。CS3000 系统构
成中主要是操作站HIS、工程师站EWS 和控制站
FCS。
(1) 操作站HIS: 用于运行操作监视和历史数
据记录, 进行报表显示以及向上位计算机提供数据
服务等。操作站采用Windows XP 作为操作系统的
通用PC 机。
(2) 工程师站EWS: 用于设计组态和仿真调
试。工程师站采用Windows Server 2003 作为操作系
统的通用PC 机。
(3) 控制站FCS: 用于过程I/ O 信号处理, 完
成模拟量采集, 实现连续控制、顺序控制和批量控
制, 完成实时控制的功能。
系统网络包括Ethernet 、V —NET 和RIO 总线。
Ethernet 是操作站、工程师站以及上位计算机之间
信息数据的传输通道, 符合IEEE 80213 标准, 是
系统的开放网络, 通信速率为10Mb/ s。V —NET 用
于进行操作监视及信息交换的双重化实时控制网
络, 通讯方式采用Token —Passing 即令牌总线, 符
合IEEE 80214 标准, 通信速率10Mb/ s , 通信最大
距离20km。RIO 总线是控制站CPU 同远程I/ O 节
点之间进行数据传输的双重化实时通信总线, 通信
速率为2Mb/ s , 总线的长度可以通过适配器和光纤
进行延伸。
图1  DCS 系统示意图
2  循环水系统控制
两套28000m3 / h 空分设备共用1 套循环水系
统。此系统由3 台水泵组成, 水泵由10kV 高压电
机驱动。正常操作方式为两用一备, 即正常情况下
(两套空分设备同时运行) 两台水泵运行, 为两套
空分设备提供循环冷却水; 当循环水总管压力低于
013MPa 时, 由DCS 系统自动启动备用水泵, 以保
证循环水系统稳定供水。在单套空分设备运行、循
环水用量少时, 也可以一用一备, 即正常时一台运
行, 另外两台中的一台处于备用。
在听取了用户的具体要求, 并明白他们的操作
习惯后, 组态完成了水泵房的控制程序, 并通过实
际测试, 达到了预期的备用控制要求。
(1) 循环水系统启动时, 任何一台水泵都能在
控制室手动启动(就地旋钮在“自动”位置) 。
(2) 手动启动1 台水泵后, 压力如果正常, 则
不能再手动启动第二台水泵(由逻辑控制) , 以防
止超压。只有在启动1 台水泵后, 如果压力还低,
才能手动启动第二台水泵。
(3) 备用水泵能自动启动(就地旋钮在“自
动”位置, DCS 系统中的控制方式在“集中自
动”) 。电气必须要热备, 以便备用水泵能随时启
动。操作员要注意监视备用水泵的“电气允许启
动”状态。
(4) 在备用方式的选择方面更灵活, 可以一用
一备或两用一备, 界面简单友好, 更容易操作。
另外, 应用户的要求, 增加了水泵电机的电流
指示, 以便操作员对水泵负载的直接监控。
3  压缩机组及膨胀机系统控制
压缩机组的自动控制在整个仪控设计方面有着
极其重要的地位, 因为所有的机组都取消了就地
PLC控制器, 这就要求将PLC 的控制功能移植到
DCS 系统控制中。机组PLC 控制器中的程序是经过
机器厂家反复试车与修改的成果, 供货方不会把程
序给笔者作为参考, 只是提出其控制要求, 要求在
DCS 系统组态中加以实现; 并且每个机组的控制要
求各不相同, 有的机组控制要求近乎苛刻。控制编
程过程需要详尽的思考, 不允许出现丝毫偏差。
由DCS 系统实现压缩机组的全部控制功能,
一方面, 节省了用户大量的PLC 购置费用; 另一
方面, 压缩机组的控制不再是“黑匣子”, 使用户
能清楚地了解机器的控制原理, 并且能在中控室方
便地监视及控制机组。
在瑞士MAN- TURBO 公司空压机的调试过程
中, 外方的调试人员在做完机组喘振试验后, 拒绝
再次开车。理由是DCS 系统的防喘振调节器扫描
速度及压力变送器反应太慢, 不能满足其最小时间
100ms 的要求。但笔者凭着用DCS 系统控制压缩机
的丰富经验, 认为控制不会有问题。与外方人员进
行了深入的技术交流, 最后在调整了相应的PID 参
数后, 空压机实现了平稳的自动启动及安全的防喘
振控制, 实现了机组的安全控制与节能的双赢。
增压机是德国ATLAS 公司两段式的压缩机,
在控制方面要求极为严格。在充分研究了其控制要
求并考虑到具体空分工艺的需要后, 在DCS 组态
中将其控制要求全部实现。和空压机一样, 都实现
了全自动控制。操作员在操作时就是对几个按钮的
操作, 极大地降低了操作强度, 从而降低了出现误
操作的可能。尤其是在各段入口导叶和回流阀的自
动控制投入方面, 经过深入的考虑和反复的虚拟测
试, 程序设计达到了良好的效果, 增压机实现了平
稳的自动启动及安全的防喘振控制。
氮压机是意大利英格索兰公司的5 级压缩机,
因为以前的氮压机控制都是就地PLC 控制, 改为
DCS 系统控制后, 其控制要求不明确, DCS 组态工
作遇到了很大的困难。最后经现场调试人员配合,
也取得了很好的控制效果。
通过对压缩机组控制系统的设计和调试, 得到
了一些经验: ①在防喘振控制中, 要使用快速变送
器, 而不是一般的变送器; ②尽量让压缩机组带自
己的喘振探测器, 如果没有, 在配置DCS 时必须
要考虑到对喘振系统的快速扫描。
311  空压机的自动控制
空压机可在就地电控柜或中控室启动。如果在
中控室启动, 须先将就地的启动转换旋钮旋至“自
动”, 在收到电控的允许仪控启动空压机信号后,
由操作员在空压机启动流程图中用“启动空压机”
按钮来启动空压机。当电机允许加载信号到来时,
空压机的入口导叶将由启车位置“0”跳变到最小
开度“10 %”。如果在20s 内, 入口导叶开度反馈
还小于8 % , 说明入口导叶没打开至轻载开度, 空
压机将联锁停车。在导叶跳变到10 % , 并且由爬
坡器将导叶开度继续开大的同时, 放空电磁阀得
电, 由下坡器将放空阀从100 %开始关闭。当排气
压力达到设定值时, 恒压控制器投入自动调节, 入
口导叶首先处于自动控制状态; 当入口差压值小于
防喘振控制线时, 防喘振控制器自动投入串级, 放
空阀处于自动控制状态, 空压机自动加载完毕。当
机组在小负荷运行一段时间后, 预热过程完毕, 操
作员可以修改空压机排气压力设定值, 使空压机运
行在额定压力。至此, 空压机启动完毕, 操作员可
以开送气阀V1100 向空气预冷系统送气。需要注意
的是, 送气阀必须缓开, 关闭时必须缓关。当空压
机的控制投入自动后, 严禁操作员将入口导叶的恒
压控制器及防喘振控制器投入手动调节。
另外, 还设置了防超压控制器, 其调节输出和
防喘振控制器的输出做叠加运算, 作用于放空阀,
实现安全控制。还设置了电机过流保护, 其调节输
出和恒压控制器的输出做减法运算, 在恒压控制的
基础上, 减少导叶开度, 降低压缩机负载。若机组
运行过程中流量小于保护流量值, 放空阀在防喘振
调节器作用下快速开启, 增大流量, 使压缩机离开
喘振工况。
遇到下面几种情况之一, 空压机将马上轻载
①排气压力超高; ②空压机流量小于喘振流量, 机
组喘振; ③操作员通过紧急按钮强制空压机轻载;
④空气预冷系统发生故障。
空压机轻载动作: 入口导叶限位至10 % , 放
空阀全开。
在故障消除后, 操作员可通过空压机气路图上
的“恢复加载”按钮来自动恢复加载空压机, 过程
与启动时相同。
在辅机控制中, 要特别注意辅油泵的自动启动
控制, 在天钢试车过程中, 曾出现了空压机停车后
辅油泵不启动的危险情况。后经查明: 现场电控柜
上的转换开关在“就地”位置。必须注意: 在正常
开车时, 此转换开关必须位于“自动”位置。在以
后的设计中, 应该把此转换开关的位置信息反馈到
DCS 系统, 以便统一监测。
另外, 在油箱加热器逻辑中, 只有当油路系统
处于循环状态下, 才能启动电加热器, 否则润滑油
会由于局部过热而变质。因此在控制逻辑中, 加入
了润滑油总管压力控制信号。如果润滑油总管没有
压力, 则不允许启动加热器, 无论加热器的控制是
在“就地”还是“自动”位置。
312  增压机的自动控制
增压机的启动方式和空压机相同。电机允许加
载信号到来时, 增压机的入口导叶将由启车位置
“0”开到最小开度“25 %”(在25s 内) 。
增压机的加载要分段分步进行, 首先要加载Ⅰ
段, 在Ⅰ段排气压力达到设计值后, 才能加载Ⅱ
段。当操作员通过操作按钮发出Ⅰ段加载指令后,
由下坡器将回流阀从100 %开始关闭。当排气压力
达到设定值时, Ⅰ段回流阀压力控制器投入自动调
节, 回流阀将处于自动控制状态。这时操作员可以
开启送气阀V401 , 向膨胀机缓慢送气, 需要注意
的是, V401 必须缓开, 关闭时必须缓关。
需要加载Ⅱ段时, 由操作员发出加载指令, 下
坡器将Ⅱ段回流阀从100 %开始关闭。当排气压力
上升到设定值518MPa 时, 控制器投入自动调节,
回流阀将处于自动控制状态。这时操作员可以向板
翅式换热器缓慢送气, 需要注意的是, 送气阀必须
缓开, 关闭时必须缓关。
压缩机加载完毕后, 随着空分系统用气量的增
加, 两段回流阀将在压力控制器的作用下逐渐自动
关闭。当Ⅰ段回流阀开度小于1 %时, Ⅰ段回流阀
控制器的设定值自动增加011MPa , 作为超压控制
器使用。当Ⅱ段回流阀开度小于1 %时, Ⅱ段回流
阀控制器的设定值自动增加0108MPa , 作为超压控
制器使用。与此同时, 程序自动将入口导叶的恒压
控制器PIC1636 (设定值211MPa) 、PIC1637 (设定
值519MPa) 投入自动调节, 通过继续调节各段入
口导叶来增加压缩机的负载。在自动方式下, 两段
入口导叶恒压调节器的最小输出为25 % , 防止发
生喘振。
如果工艺用气量减少, 直接反应就是压力升
高, 这时入口导叶将自动关小以稳定压力。如果工
况变化大, 压力继续升高, 超过回流阀超压调节器
设定值时, 回流阀也将由全关自动开启。如果回流
阀开度大于5 % , 入口导叶将自动置于“手动”位
置, 以防止由于入口导叶和回流阀的同时调节而造
成的调节不稳; 同时, 回流阀调节器的设定值将恢
复至Ⅰ段211MPa 、Ⅱ段519MPa , 以控制排气压力
在正常工况。这时操作员可以手动关小导叶, 以节
省能源。
增压机的两段防喘振控制是定流量控制, 即:
无论导叶在多少开度, 如果流量小于设定值(通过
喘振测试得出) , 就会作用于回流阀加法器, 加大
回流阀开度, 增大流量, 以防发生喘振。
另外, 还设置了Ⅰ段的入口压力补偿控制器
PIC1631 , 如果吸入压力低于设定值0145MPa , 该控
制器会作用于Ⅰ段回流阀加法器, Ⅰ段回流阀将被
加大开启。设置了Ⅱ段的入口压力补偿控制器
PIC1657 , 如果Ⅱ段吸入压力低于设定值210MPa ,
该控制器就会作用于Ⅱ段回流阀加法器, Ⅱ段回流
阀将被加大开度。设置了电机过流保护, 如果电机
A、B、C 相电流的高选值高于设定值, 电机过流
保护器将会作用于Ⅰ段入口导叶减法器, Ⅰ段入口
导叶将关小, 以降低压缩机负载。
遇到下面几种情况之一, 增压机Ⅱ段将轻载:
①增压机Ⅰ段喘振; ②增压机Ⅰ段排气压力超高;
③增压机Ⅱ段喘振; ④增压机Ⅱ段排气压力超高;
⑤操作员通过流程图上的强制轻载Ⅱ段按钮轻载。
增压机Ⅱ段轻载动作: 入口导叶限位至25 % ,
回流阀全开。
遇到下面几种情况之一, 增压机Ⅰ段将轻载:
①增压机Ⅰ段喘振; ②增压机Ⅰ段排气压力超高;
③操作员通过按钮操作屏上的HS1603 按钮轻载。
增压机Ⅰ段轻载动作: 入口导叶限位至25 % ,
回流阀全开, 即: Ⅰ段轻载, Ⅱ段同时轻载; Ⅱ段
轻载, Ⅰ段不需轻载。
在故障消除后, 操作员可通过增压机气路图上
的“恢复加载”按钮按顺序来自动恢复加载增压机
的Ⅰ段和Ⅱ段, 过程与启动时相同。
313  关于就地喘振探测PLC
为了更好地保护机器, 采用了增压机组自带的
就地喘振探测PLC , 共两个PLC , 分别负责Ⅰ段和
Ⅱ段的喘振探测保护。PLC 包括以下卡件: 电源模
块、CPU 处理器模块、组态通讯接口卡、模拟量输
入卡、数字量输入卡和数字量输出卡。两个PLC
分别安装在增压机的两个就地接线箱上。
当压缩机允许加载后, 由DCS 系统发出指令,
激活两个PLC 投入工作。如果在一定时间内(可
组态) 检测到N 次(可组态) 超过设定值(可组
态) 的压力波动, 即判断为“机组喘振”, PLC 的
数字量输出卡相应通道输出报警, 由DCS 实现联
锁, 紧急打开回流阀, 同时入口导叶限位, 实现机
组的保护。喘振保护后, 如果要重新加载, 需要在
“增压机启动”流程图上用PLC 的复位按钮来进行
故障复位。
如果在一定时间内(可组态) , PLC 检测到M
次(可组态) 喘振, 即判断为喘振保护失效, PLC
的数字量输出卡相应通道输出联锁, 紧急停电机。
根据ATLAS 提供的喘振探测原理图, 在DCS
中实现了其喘振探测功能, 并在试车过程中得到了
验证, 对压缩机的控制技术又是一次大的进步。
在其控制原理中, 由于需要保存当前扫描周期
以前3 个周期的压力数据, 以实现对压力喘动斜率
的计算, 这就需要用到堆栈数据结构。但DCS 常
规控制块中没有提供堆栈的数据结构, 最后通过对
BDSET21L 类型点的循环赋值实现, 简单方便。
314  膨胀机控制
在开车调试期间, 对膨胀机的机旁接线箱做了
较大的改动。重新调整了箱体正面的指示灯, 保留
两个指示灯: “允许启动”和“正在运行”。当DCS
判断膨胀机准备就绪后, “允许启动”指示灯亮,
这时可以在DCS 或就地柜启动膨胀机。当膨胀机
的紧急切断阀打开时,“正在运行”指示灯亮。
膨胀机的增压端也实现了自动加载功能, 当膨
胀机启动完毕需要加载时, 操作员点击流程图上的
“自动加载”按钮, 下坡器将回流阀从100 %开始
关闭, 当排气压力达到设定值时, 恒压控制器由程
序投入自动调节。
如果膨胀机超速, 则由SICAS430 进行自动调
节, 与防喘振调节器FIC408 的输出做加法运算后,
开大回流阀, 控制转速。
增压端的防喘振调节器FIC408 的设定值是通
过喘振测试得出的。调节器的PV 值是经过运算得
出的值, 而非压力值或差压值。它的计算方法为:
FIC4081 PV = 增压端排气压力- 增压端进气压力
增压端入口缩节差压
如果PV < S P (通过喘振测试得出的喘振点参
数) , 表示增压端接近喘振, 调节器作用于回流阀
加法器, 开大回流阀, 起到防喘振的作用。如果工
况变化剧烈, PV 小于喘振保护点, 则会全开回流
阀, 保护机器。
在润滑油压力正常、密封气压力正常的条件
下, 通过“膨胀机除霜”按钮, 可以打开膨胀机的
紧急切断阀, 开始除霜。如果在除霜过程中, 出现
以下故障, 将自动联锁保护, 关闭紧急切断阀: 润
滑油压力比正常低; 密封气压力低; 转速超过
500rPmin ; 切断阀得电2s 后阀没有动作。
如果要停止除霜过程, 必须将“除霜停止”按
钮置于“停止”位置。需要注意: 在除霜过程中,
就地紧急停车按钮和中控室紧停按钮不起作用, 它
们只是用于在正常运行过程中的紧急停车。
315  氮压机自动控制
氮压机的启动方式和空压机相同。电机允许加
载信号到来时, 氮压机的入口蝶阀将由启车位置
“8 %”跳变到最小开度“15 %”。爬坡器将入口蝶
阀开度继续开大的同时, 由下坡器将放空阀从
100 %开始关闭。当排气压力达到设定值时, 入口
蝶阀恒压控制器投入自动调节, 入口蝶阀将处于自
动控制状态; 当排气压力小于防喘振控制线时, 放
空阀控制器投入自动调节, 放空阀将处于自动控制
状态。然后操作员可以修改压力设定值, 使氮压机
运行在额定压力。至此, 氮压机启动完毕, 操作员
可以开送气阀向氮气管网送气。需要注意的是, 送
气阀必须缓开, 关闭时必须缓关。当氮压机的控制
投入自动后, 严禁操作员将入口导叶的恒压控制器
及放空阀控制器投入手动调节。
另外, 还设置了电流防喘振控制器, 如果氮压
机A、B、C 相电流的高选值小于设定值, 调节器
输出将作用于放空阀加法器, 放空阀将开启。还设
置了电机过流保护, 如果电机电流高于设定值, 调
节器输出作用于减法器, 入口蝶阀将关小, 降低压
缩机负载。如果氮压机流量大于设定值20000m3 / h ,
调节器输出作用于减法器, 将关小入口蝶阀, 以防
影响精馏塔运行工况。
遇到下面几种情况之一, 氮压机将轻载: ①排
气压力超高; ②氮压机喘振; ③操作员通过
HS1503 强制氮压机轻载。
氮压机轻载动作: 入口蝶阀限位至15 %; 放
空阀全开。
在故障消除后, 操作员可通过氮压机气路图上
的“恢复加载”按钮来自动恢复加载氮压机, 过程
与启动时相同。
天钢的氮压机控制遇到的难题及解决办法:
(1) 炼钢工艺用氮气量波动太大: 氮气量会在
1min 内从0 变化到20000m3 / h 或者从20000m3 / h 变
化到0。由于氮气球罐太小, 只有400m3 , 就造成
了氮压机工况的大幅波动, 入口蝶阀和放空阀频繁
动作, 氮压机容易失调。最后通过反复调节PID 参
数才将工况稳定下来, 氮压机的控制适应了用气量
的波动。
(2) 入口蝶阀的控制: 蝶阀的开度变化对氮压
机的运行影响极大, 所以对蝶阀的开度做了限制,
最大开到55 % , 最小关到30 %。
(3) 工程设计方面的缺憾: 流量孔板没有安装
在氮压机的出口, 而是安装在送气管道上, 不能作
为机组的防喘振使用, 所以用电流防喘振。
(4) 电流防喘振的不足: 由于电机电流是由电
控的CT 转换而来, 存在误差及较大的滞后, 对要
求敏感的压缩机防喘振控制不适合。
4  其他系统自动控制
(1) 空气预冷系统: 空冷塔底部的阀门V1166
是由电磁阀控制的开关阀, 按杭氧要求, 其作用是
当空冷塔液位超高时, 由控制逻辑紧急打开, 以防
分子筛进水。由于杭氧设计时取消了手动疏水阀,
在试车过程中, 操作员要求此阀门既由逻辑控制,
又可以手动控制其开关, 以用于停车后对空冷塔的
疏水。修改控制逻辑后, 满足工艺需要。
(2) 设计了仪表空压机的自动启动。当空分设
备停车, 仪表气总管压力低于设定值时, DCS 自动
启动仪表气空压机, 以保证贮槽及调压站系统的仪
表气供应。
(3) 修改循环液氩泵后的回流阀控制为液位控
制, 取代压力控制。
(4) 考虑到安全问题, 液体贮槽系统的充瓶
泵、充槽车泵由中控室启动改为就地启动。