DCS控制系統在21000 m3／h制氧機組中的應用

孫宏偉，周雙喜，朱芬梅

（酒鋼（集團）宏興鋼鐵股份有限公司，甘肅嘉峪關735100）

DCS控制系統在21000 m3／h制氧機組中的應用

孫宏偉，周雙喜，朱芬梅

（酒鋼（集團）宏興鋼鐵股份有限公司，甘肅嘉峪關735100）

酒鋼新21000 m3/h制氧工程DCS控制系統采用霍尼韋爾Experion PKS系統，在實際使用中該系統具有良好的生產控制效果、具有成熟穩定的特點。介紹了該系統硬件與軟件配置功能及在酒鋼新制氧機組中的一些應用特點。

DCS；制氧；應用

1 引言

酒鋼新21000 m3/h制氧控制系統選型前從穩定可靠運行、操作維護方便的設計原則出發，經過前期技術交流及論證分析，從3伊21000 m3/h制氧系統中的實際應用效果出發，該工程計算機控制系統最終選用了美國霍尼韋爾公司的Experion PKS R311產品。系統的控制器、服務器、操作站以及控制網絡都實現了硬冗余，整個系統由2對控制器(1套空分系統和1套公輔系統)、4臺服務器、4臺操作站、4臺交換機組成，完成了整個制氧生產工藝流程的數據采集、過程控制、邏輯控制及聯鎖等功能，實現生產全過程的監視控制。

2 PKS控制系統配置

PKS控制系統主要包括三大部分：操作界面部分、現場控制站部分和系統通訊網絡部分。現對這套控制系統進行如下詳細描述：

2.1 操作界面部分

根據控制要求，空分與公輔各設置1對高性能數據服務器兼工程師站，由冗錯以太網FTE通過FTE交換機與冗余控制器通訊；中控室共設置4臺PKS操作員站，由冗余以太網接入FTE交換機與服務器進行實時通訊。服務器同時具備操作員站/工程師站的屬性。

2.1.1 硬件描述

(1)配置2對數據服務器（工程師站），用于過程數據管理及工程師對控制策略的組態編程及系統維護。

(2)配置4臺操作員站，用于操作員對空分工藝設備和流程的監視與控制。服務器和操作員站均掛在容錯以太網FTE上，真正做到監控系統的冗余容錯，確保系統的安全可靠。

(3)服務器設置CISCO2960的冗余交換機(SWITCH)各兩對，分別實現服務器和控制器之間的4路容錯FTE節點連接。

2.1.2 軟件描述

(1)PKS服務器提供基本軟件包括Control Builder控制組態軟件：主要實現控制器、I/O模板、FTA模板各通道以及控制的方式方法進行組態；Station上位監控組態軟件：該軟件用來定義操作員站的登錄屬性、登錄權限以及登錄文件、監控畫面的存放位置和監控畫面文件的引用順序等；Display原Builder畫面編輯組態軟件：該軟件是操作員站監控畫面及人機接口HMI的開發組態工具，安裝在服務器端。根據現場工藝的控制要求，組態開發相應的監控畫面，以WEB頁面的文件方式進行存儲，可從服務器或操作員站本地進行頁面調用，實現工藝流程畫面的監控功能。

(2)PKS空分服務器提供700點數據庫授權軟件；公輔提供300點數據庫授權軟件。

(3)PKS服務器提供OPC DATA服務器軟件及Microsoft Excel軟件報表功能。

2.2 現場控制站部分

2.2.1 現場控制器的性能指標

C200控制器冗余配置；主控制器CPU為工業級專用芯片PowerPC 603E 100MHz主頻；具有錯誤檢測和糾錯功能的8M RAM+4M Flash ROM；內置鋰電池和后備電池模塊用于CPU斷電保護；可根據具體控制對象鎖定相應的處理周期為50 ms、100 ms、200 ms、500 ms、1 s、2 s；強大的控制能力，確保控制平穩可靠；CM/SCM/IOM模塊總數為1000個；IOM為64/50msCEE；40功能塊/CM；80 Step/transi原tion對/SCM；系統平均無故障時間(h)逸10萬h；系統可用率(%)為100%。

2.2.2 現場控制器的功能

能實現單個或多個程序的在線下裝和刷新、在線調試、在線修改的功能；具有離線組態和仿真調試的功能；具有系統自診斷功能和遠程診斷功能；采集和處理在生產過程中，過程回路控制，馬達順控的參數等；豐富的功能塊以完成計算和特殊功能；從操作站接收不同的命令完成相應的功能；當需更換或維修時,系統所有I/O卡件均可帶電插拔。

2.2.3 現場控制站的I/O特性

I/O卡件的FTA帶熔斷絲或限流電阻的保護功能。

2.2.4 現場控制站的實時性

具備實時數據掃描周期大于50 ms；每個控制模塊可分別根據需要單獨選定下列時間50 ms、100 ms、200 ms、500 ms、1000 ms、2000 ms；實時畫面響應時間小于1 s。

2.2.5 現場控制站的可靠性

采用100 MHz的高性能工業級芯片，及8 M內存；冗余CPU負荷率在40%左右；系統網絡為確定性通訊的令牌網；I/O卡件均可以帶電插拔，方便快速更換；系統可用率為100%。

2.3 PKS系統的通訊網絡

本方案的控制網絡采用四重容錯（FTE）以太網，容錯以太網作為一般采用兩個獨立以太網的傳統以太網冗余方案的另一種選擇，Experion PKS可以使用FTE進行部署。FTE解決方案采用單個通過冗余媒介傳輸的邏輯網絡，而且不需要服務器或站點重建網絡連接。通過在節點之間提供更多的通道，FTE可以容錯更多的故障，包括所有的單個故障和許多種多重故障。此外，FTE對高級應用程序是透明的，這得益于FTE提供網絡的高可用性，而且不需要任何附加的軟件配置。普通的以太網節點（非FTE）也可以與FTE網絡連接，從而可受益于這種比傳統以太網冗余方案可用性更高的通信環境。I/O擴展層網絡(控制器至I/O擴展或子站網絡)不再采用CNI方案，由冗余控制器機架上的冗余PMIO通訊模塊，通過冗余電纜，直接掛接到IO文件箱的總線接口；實現高可靠性的網卡冗余、電纜冗余。FTE網絡架構如圖1所示。

圖1 FTE網絡結構圖

3 PKS系統在新制氧中的應用效果

酒鋼新21000 m3/h制氧PKS控制系統可實現整個空分工藝中有關空壓機入口導葉與防喘振的自動協調控制；分子篩再生的四個過程（卸壓、加熱、吹冷、充壓）進行順序控制；氧氮壓機啟動條件的判斷、正常啟動以及事故聯鎖停車等的控制。下面再簡單介紹一些應用中所取得的其它功能效果：

3.1 溫度斷線延時保護功能的實現

PKS系統當檢測到模擬量測點出現超量程及壞值的情況下均按最后一次采集的正常值處理，不影響機組正常運行，畫面用NAN顯示，提醒崗位及相關人員及時檢查處理。溫度測點同樣在出現徹底的斷線后均顯示NAN，此顯示值不參與聯鎖停機，表示該系統能達到斷線保護的功能，但在溫度測點出現虛接及干擾的情況下會采集到一個聯鎖停車值，瞬間又恢復正常，通過研究此種情況屬于控制系統正常采集的結果，但不利于現場生產的需要。通過現場模擬試驗，分析對比，只能通過做時間延時進行信號過濾，既在很短的時間內出現信號的波動并不能輸出聯鎖信號，從而達到保護設備的目的，目前已分別對新21000制氧的空壓機、氧壓機、氮壓機各機組分步進行了實施并取得了良好效果。

3.2 實現報警誤確認后的持續報警功能

PKS系統在正常情況下當確認報警后不再重復報警，但有時崗位人員在沒有檢查報警的情況下容易誤確認，從而造成故障不能及時被發現處理，繼而影響生產，為了降低此類事故的發生，提高崗位人員的工作效率，保證設備的正常運行，從技術入手，在控制系統下位程序中對重要的閥門及設備增加一個報警標志FLAGA塊，再單獨創建一個CM控制功能塊，將相關閥門及設備的故障報警標志用“OR”的關系進行組態，程序判斷只要有故障發生就會觸發報警，再在上位畫面中用VB腳本編寫一個報警顯示框，當閥門及設備正常時顯示框顏色為綠色常亮，提示“設備正常”，當閥門及設備故障時顯示框顏色為紅色閃爍，同時提示“設備異常”。此時即使崗位人員誤確認報警，在閥門及設備故障沒有得到處理恢復正常時，報警框會一直紅色閃爍提示報警，從而使崗位人員及時的發現故障報警并處理。

3.3 實現空壓機出口壓力的自動補償功能

酒鋼新建21000制氧機組自投產以來，發現分子篩程序運行至充壓階段，出現空壓機氣量及出口壓力下降的現象，如對這一部分空氣損失量不能及時調整補充，就會使進入精餾塔的空氣量減少，進而對精餾塔的精餾工況產生影響。之前通過崗位人員手動進行控制，發現一旦有操作不慎極易引起壓力波動。經過研究后決定利用PKS強大的控制功能實現自動控制。將空壓機出口壓力調節器按設計好的時序和策略進行自動補償，每分鐘提高0.01 MPa，程序經歷5 min，共提高0.05 MPa；之后空壓機出口壓力開始降低，每分鐘降低0.01 MPa，進行5 min，直到充壓結束后又恢復原先的出口壓力值，實現壓力自動補償，從而為下一次循環做好準備，確保空氣每次在分子篩充壓階段時進入精餾塔的壓力穩定正常。

4 結束語

酒鋼新21000 m3/h制氧機組PKS集散控制系統于2011年11月全部投入運行，設備運行至今，從穩定性來看：系統穩定可靠，從未發生過故障；從系統功能來看：系統實現了整個工藝流程的自動檢測、控制及管理監視，其控制功能完全滿足了制氧工藝需求；從效益方面來看：系統減輕了生產操作的難度與強度，取得了顯著的經濟效益。

收修改稿日期：2013-07-10

Application of DCS Control System in 21000 m3/h Oxygen Generation Unit

SUN Hongwei,ZHOU Shuangxi,ZHU Fenmei
(Hongxing Iron and Steel Co.,Ltd.of Jiugang Group,Jiayuguan,Gansu 735100,China)

The DCS control system in the new 21000 m3/h oxygen generation project of Jiuquan Steel adopted Honeywell Experion PKS system,which exhibited good production con原trol effect and stable characteristics in practice.The configuration and function of hardware and software and application features of the system in the new oxygen generators of Jiuquan Steel were introduced.

DCS;oxygen generation;application

TP27

B

1006-6764（2014）01-0064-03

孫宏偉（1982原），男，自動化工程師。一直從事工業自動化和信息化的應用開發工作。