0 前 言

    空分設(shè)備廣泛應(yīng)用于冶金、化工、石化等領(lǐng)域，其長期、穩(wěn)定、可靠運行的重要性不言而喻，對承擔(dān)其控制功能的集散控制系統(tǒng)(DCS)配置的要求相應(yīng)也很高。寶鋼分公司集中了亞洲最大的空分群，在現(xiàn)場實踐中，積累了較多空分設(shè)計、生產(chǎn)、維護(hù)的經(jīng)驗，并將其應(yīng)用于國產(chǎn)第一臺6萬m3／h空分(下文簡稱為該空分)的自主集成實踐，取得了成功。

1 空分控制系統(tǒng)選型

    控制系統(tǒng)是空分運行的大腦，如果選型不當(dāng)，不僅會導(dǎo)致空分產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量不能達(dá)標(biāo)，還會給設(shè)備的正常運行帶來安全隱患，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。目前世界上成熟的DCS系統(tǒng)很多，原則上，任何DCS系統(tǒng)都可以選用，但每個工業(yè)領(lǐng)域都有自己特殊的要求或特點，每個區(qū)域也有自己的使用習(xí)慣，每一種DCS系統(tǒng)也有自己的某一特定優(yōu)勢和設(shè)計思路，不是任何DCS系統(tǒng)都能很好地滿足或適應(yīng)空分行業(yè)的要求。

    在控制系統(tǒng)的選型工作中，對相關(guān)系統(tǒng)的預(yù)先了解是非常重要的。隨著各DCS廠家競爭越來越激烈，有必要對各系統(tǒng)價格、性能、服務(wù)等各個環(huán)節(jié)有充分的認(rèn)識，這樣才能在設(shè)備交流和談判中掌握主動，進(jìn)而做出正確的決策。

    1.1 可靠性

    空分設(shè)備包括的機(jī)組、設(shè)備較多，過程較復(fù)雜；大型空分設(shè)備絕大多數(shù)應(yīng)用于大型冶金和化工、城市煤氣化等領(lǐng)域，若系統(tǒng)出現(xiàn)故障影響生產(chǎn)，會造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。因此，可靠性是放在第一位的因素。而系統(tǒng)的可靠性是在系統(tǒng)的設(shè)計階段就產(chǎn)生的，在生產(chǎn)制造階段得到保證，在使用階段得到實現(xiàn)和確認(rèn)。重點應(yīng)注意以下幾個方面：

    1.1.1 系統(tǒng)不易發(fā)生故障原則

    系統(tǒng)應(yīng)有較高的固有可靠性，制造商有嚴(yán)格的可靠性設(shè)計和可靠性生產(chǎn)保證措施。對用戶的安裝運行環(huán)境則要求較寬(如接地要求、環(huán)境溫濕度等)。

    1.1.2 系統(tǒng)運行受影響最小原則

    DCS是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，包括的設(shè)備也較多，不可避免地會出現(xiàn)故障，要求部分部件出現(xiàn)故障后不影響系統(tǒng)的控制運行，或影響盡可能小。這就要求系統(tǒng)在設(shè)計時必須結(jié)構(gòu)合理，故障隔離技術(shù)較好，故障不易擴(kuò)散。此外，系統(tǒng)應(yīng)有較充分的冗余措施，如控制器、通訊卡、電源要求冗余，多個操作站之間性能最好相同，均能同時兼有組態(tài)和操作功能的配置。

    1.1.3 迅速排除故障原則

    系統(tǒng)故障應(yīng)在盡可能短的時間內(nèi)得到排除，因此要求系統(tǒng)有較強(qiáng)的自診斷功能，有準(zhǔn)確的故障指示，支持方便的組件更換功能，應(yīng)有模板帶電插拔更換功能。在調(diào)試中或系統(tǒng)投運后，總會有I／O點和功能的調(diào)整修改，因此如果具有較強(qiáng)的在線下載功能，將會為設(shè)備維護(hù)帶來很大方便。

    1.1.4 系統(tǒng)的可維護(hù)性

    系統(tǒng)的可維護(hù)性是指可修復(fù)系統(tǒng)排除故障的難易程度，應(yīng)重點注意以下幾點：

    (1)系統(tǒng)的固有維護(hù)性。即系統(tǒng)硬件和軟件本身排除故障的難易程度，如系統(tǒng)是否有完善的自診斷功能及準(zhǔn)確的故障指示功能，模板更換是否容易，在線修改下載功能是否強(qiáng)等。

    (2)維修的經(jīng)濟(jì)性。是衡量購買備品、備件價格的指標(biāo)。在許多情況下，有些制造商提供系統(tǒng)時價格較低，但在訂購備品、備件及提供服務(wù)時，價格很高，而且越是后來越高，給用戶帶來了很多麻煩。

    (3)維修資源的獲取方便程度。包括系統(tǒng)的備品、備件是否容易獲得，以及售后的技術(shù)支持是否容易獲得等。

    (4)制造商所提供的系統(tǒng)是否將要停產(chǎn)或淘汰，停產(chǎn)淘汰之后備品、備件能提供多長時間。

    (5)DCS系統(tǒng)更新?lián)Q代的連續(xù)性。應(yīng)考察每個制造商的技術(shù)發(fā)展情況及更新?lián)Q代的做法。有些系統(tǒng)一直保留著連續(xù)性或可升級性，例如FOXBORO的I／A’s系統(tǒng)從投入市場開始，其基本結(jié)構(gòu)始終保持不變；硬件品種少，系統(tǒng)容易擴(kuò)充；除工作站外，系統(tǒng)硬件的升級和軟件的升級相互獨立；用新產(chǎn)品替代舊產(chǎn)品時系統(tǒng)改動少。這樣生產(chǎn)現(xiàn)場所有I／A’s系統(tǒng)的備件可統(tǒng)一考慮，備件品種少，基本可以相互借用，盡可能發(fā)揮每一種產(chǎn)品的作用并減少備件庫存。

    1.2 實用性

    實用性是系統(tǒng)完成本裝置中所有要求的功能的能力和水平。一般要求DCs控制器(CPU)、通訊和電源冗余配置，完善的在線組態(tài)、修改和下載的能力，較強(qiáng)的自診斷能力。I／A’s系統(tǒng)的冗余和容錯設(shè)計簡單、實用、可靠。各級通訊總線是冗余的，控制器可選擇容錯，重要回路也可選擇冗余。在線更換冗余和容錯備件對通訊和控制完全沒有影響。

    系統(tǒng)的實用性還具體體現(xiàn)在系統(tǒng)完成各控制功能的能力和水平，信號處理精度和速度，人機(jī)界面的友好性，系統(tǒng)信號接線的方便程度等。

    1.3 先進(jìn)性

    DCS技術(shù)發(fā)展得很快，性能水平越來越高，而價格越來越低。在評估和選擇DCS時應(yīng)該認(rèn)真考慮，避免選擇一個即將被淘汰的系統(tǒng)，而盡量選擇在滿足可靠性和實用性要求的前提下最先進(jìn)的系統(tǒng)。

    系統(tǒng)的先進(jìn)性不僅體現(xiàn)在所采用的CPU的位數(shù)和內(nèi)存的容量，還有系統(tǒng)是否符合DCS最新發(fā)展?fàn)顩r及水平，是否采用了先進(jìn)的國際標(biāo)準(zhǔn)，體系結(jié)構(gòu)是否符合最新發(fā)展趨勢，軟件平臺與控制策略是否先進(jìn)等。DCS的開放性也是應(yīng)考慮的重要方面。

    DCS的開放性應(yīng)包括硬件、軟件、通信、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)等多個方面。它們都應(yīng)遵循標(biāo)準(zhǔn)或國際協(xié)議，使它們真正能夠具有通用性。例如I／A’s控制系統(tǒng)充分吸收通用計算機(jī)的成果，選用INFORMIX這種標(biāo)準(zhǔn)化的關(guān)系數(shù)據(jù)庫作為數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，用于對系統(tǒng)接受或產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、操作和檢索。在I／A’s控制系統(tǒng)中，歷史數(shù)據(jù)庫存放在應(yīng)用處理機(jī)(AP)上，實時數(shù)據(jù)存放在控制處理機(jī)(CP)上。為適應(yīng)實時性要求，有些數(shù)據(jù)同時存放于操作站處理機(jī)(WP)上，用于過程顯示。

    此外，還應(yīng)注意系統(tǒng)是否能實現(xiàn)公用接口關(guān)系及其實現(xiàn)方式，接口軟件是否開放，改動是否容易等。

2 空分控制系統(tǒng)的設(shè)計方法

    2.1 充分發(fā)揮烈葛功能 適當(dāng)減弱機(jī)旁柜功能

    目前計算機(jī)功能越來越強(qiáng)，性能也越來越穩(wěn)定。因此充分發(fā)揮Dcs系統(tǒng)的功能、適當(dāng)減弱機(jī)旁柜功能，成為該空分控制系統(tǒng)設(shè)計的一個指導(dǎo)思想。在設(shè)計中，對空壓機(jī)、膨脹機(jī)、氮壓機(jī)、氧壓機(jī)等機(jī)組的現(xiàn)場控制盤只保留了啟、停操作按鈕以及一些必要的信號指示，削弱了其他一些控制功能。這樣，大大減少了故障點以及設(shè)備維護(hù)的工作量。

    2.2 儀控系統(tǒng)供電方案的設(shè)計

    儀控系統(tǒng)供電方案應(yīng)考慮儀控系統(tǒng)供電的相對獨立性、安全性和可維護(hù)性。在該空分設(shè)計中，設(shè)立了單獨的配電柜，采用UPS及220 V市電雙回路電源供電，負(fù)責(zé)整個儀控系統(tǒng)內(nèi)的各個用電設(shè)備，如機(jī)旁柜、分析儀柜、振動柜、電磁閥及DCS系統(tǒng)的控制機(jī)柜、工作站等設(shè)備的供電。鑒于電磁閥在空分生產(chǎn)中的重要性，每一電磁閥均單獨設(shè)置了空氣斷路器，以便獨立更換。

    2.3 DCS系統(tǒng)實現(xiàn)的主要功能

    (1)各壓縮機(jī)組的控制。主要實現(xiàn)原料空壓機(jī)、產(chǎn)品氮壓機(jī)、氧壓機(jī)啟動條件的判斷，輕、重故障報警及連鎖保護(hù)，喘振區(qū)域的識別及防喘振保護(hù)，油泵的自動啟動以及其他油加熱器等設(shè)備的控制。

    在該空分空壓機(jī)防喘振控制的設(shè)計與實現(xiàn)中，充分考慮了壓縮機(jī)運行點的流量、壓力以及移動速度對機(jī)組喘振的影響，并在控制中利用多種手段調(diào)節(jié)防喘振閥的開度，包括PID調(diào)節(jié)、瞬時累積調(diào)節(jié)及動態(tài)自動調(diào)整控制參數(shù)(包括流量設(shè)定參數(shù)及相關(guān)PID參數(shù))等。與以往的引進(jìn)設(shè)備防喘振控制邏輯相比，增加了防喘振閥動作異常判斷保護(hù)。采用以上設(shè)計方案后，壓縮機(jī)穩(wěn)定地運行在控制區(qū)域，達(dá)到了穩(wěn)定、節(jié)能的目的。圖1為空壓機(jī)控制流程圖。

圖1 空壓機(jī)控制畫面

    此外，在DCS監(jiān)控面面上實現(xiàn)了壓縮機(jī)組運行點的動態(tài)指示，如圖2所示。使操作人員對機(jī)組運行位置以及與控制線、喘振線的距離都能一目了然，便于操作人員必要時盡可能快地干預(yù)設(shè)備運行狀態(tài)，減少了故障的發(fā)生。

圖2 空壓機(jī)控制線與實際運行點

    (2)預(yù)冷、純化系統(tǒng)的控制。主要實現(xiàn)空氣預(yù)冷系統(tǒng)液位自動調(diào)節(jié)，水流量等參數(shù)的顯示及報警，水泵的連鎖啟動和停車等。

    分子篩純化系統(tǒng)采用順序控制實現(xiàn)。實現(xiàn)了均壓閥的自動連續(xù)調(diào)節(jié)，再生氣的壓力調(diào)節(jié)，再生氣的溫度調(diào)節(jié)，再生氣的流量或蒸汽的流量調(diào)節(jié)，出分子篩吸附器空氣中二氧化碳含量和出蒸汽加熱器污氮氣水分檢測報警，以及有關(guān)的壓力、溫度測量等。在分子篩均壓閥的控制中，將A、B兩床的壓差作為調(diào)節(jié)器的設(shè)定值，通過壓力一時間函數(shù)改變設(shè)定值來控制均壓閥動作，收到了很好的效果。此外，分子篩各切換閥均設(shè)置了手／自動切換按鈕，切換至手動方式時，可由操作人員直接操作，便于閥門調(diào)試。

    (3)膨脹機(jī)的控制。主要實現(xiàn)膨脹機(jī)的啟動條件準(zhǔn)備及判別，事故連鎖停車，防喘振控制，油泵的控制，增壓空氣出冷卻器后含水量檢測報警，轉(zhuǎn)速及有關(guān)溫度、壓力參數(shù)的監(jiān)測等。

    在該空分膨脹機(jī)的控制設(shè)計中，取消了現(xiàn)場盤防喘振控制，改為由DCS系統(tǒng)實現(xiàn)，取得了較好的效果。

    (4)空分系統(tǒng)的控制。主要實現(xiàn)上下塔、主冷、精氬塔等工藝流程各參數(shù)的指示、調(diào)節(jié)及故障報警、連鎖保護(hù)功能。在該空分控制設(shè)計中，實現(xiàn)了循環(huán)液氧泵、循環(huán)液氬泵及產(chǎn)品液氬泵的自動切換(各液體泵均為2臺配置，正常工作時為一用一備)。即在使用的液體泵因故障卸載或停止運行后，備用泵能及時啟動，且在極短時間內(nèi)達(dá)到原來的工作狀態(tài)，減少了設(shè)備故障對空分工況的影響。

3 大型空分控制系統(tǒng)的維護(hù)

    3.1 故障檢查和排除

    3.1.1 卡件通道故障

    卡件通道故障出現(xiàn)較多的是I／O卡件故障。一般通過系統(tǒng)診斷，調(diào)換通道或通過更換備件即可處理。這類故障在調(diào)試階段出現(xiàn)較多，正常運行中出現(xiàn)幾率較低。在寶鋼分公司制氧系統(tǒng)的DCS維護(hù)工作中，一般要求每周對相關(guān)設(shè)備至少檢查2次。通過觀察卡件工作狀態(tài)或系統(tǒng)軟件進(jìn)行檢查，可及時發(fā)現(xiàn)I／O卡件、通訊卡件以及控制器存在的異常或故障。目前許多DCS產(chǎn)品都支持卡件熱插拔，這都為故障的及時排除提供了有利條件。但在運行中更換卡件或調(diào)換通道前，應(yīng)明確該卡件上其他信號有無重故障連鎖，否則有可能引起保護(hù)動作，影響空分的正常運行。同時，應(yīng)做好安全防護(hù)措施，避免影響其他工作正常的卡件。

    3.1.2 操作站死機(jī)故障

    操作站死機(jī)故障在國產(chǎn)及進(jìn)口設(shè)備中均有發(fā)生，原因也較多，特別是Windows操作系統(tǒng)的操作站。硬盤或卡件故障、操作站CPU風(fēng)扇負(fù)荷過重等都會導(dǎo)致死機(jī)。通過硬盤備份、定期對操作站進(jìn)行精密點檢等可有效預(yù)防這類故障。

    3.1.3 打印機(jī)不工作

    打印機(jī)不工作一般是由于配置的原因，在設(shè)備調(diào)試初期發(fā)生較多，應(yīng)檢查打印機(jī)的設(shè)置及其硬件是否正常，打印紙的不正確安裝、走紙異常有時也會導(dǎo)致打印機(jī)工作異常。

    3.2 日常維護(hù)管理

    DCS系統(tǒng)涉及到較多方面的工作，做好日常的維護(hù)管理對DCS系統(tǒng)的穩(wěn)定運行有很大意義。

    3.2.1  日常點檢工作

    系統(tǒng)日常點檢是DCS系統(tǒng)維護(hù)最重要的工作之一。通過系統(tǒng)自診斷工具，系統(tǒng)設(shè)備存在的大部分異�；蚬收峡杉霸绨l(fā)現(xiàn)和處理。同時，通過查看各種卡件指示燈狀態(tài)及系統(tǒng)工作環(huán)境等也可有效把握設(shè)備工作情況。

    3.2.2 軟件的備份管理

    寶鋼分公司對控制軟件的管理有嚴(yán)格的要求，每年都要求對控制軟件進(jìn)行備份，尤其是對控制軟件進(jìn)行修改后更應(yīng)該及時備份，并做好修改記錄。

    3.2.3 冗余設(shè)備的有效性試驗

    應(yīng)定期對冗余設(shè)備如電源、通訊卡件、控制器等設(shè)備進(jìn)行有效性試驗。通過冗余切換，可及時檢查相關(guān)設(shè)備是否存在異常。

    3.2.4 備件的有效性試驗

    由于DCS系統(tǒng)的各種設(shè)備性能一般都比較好，使用壽命各不相同，而一旦故障后會對空分的正常生產(chǎn)帶來較大的影響。因此有必要利用各種機(jī)會，有計劃地對備件進(jìn)行上機(jī)測試，確保使用性能良好。與供貨商保持有效的溝通，及時獲知系統(tǒng)升級、淘汰以及備件停產(chǎn)等信息，并采取相應(yīng)的措施。

4 大型空分控制系統(tǒng)在寶鋼分公司的發(fā)展

    客觀地講，獨立的大型空分控制系統(tǒng)的發(fā)展目前已比較完善，也不乏設(shè)計和生產(chǎn)維護(hù)經(jīng)驗。若要進(jìn)一步發(fā)揮Dcs的優(yōu)勢，就需要從系統(tǒng)的角度分析和解決問題，進(jìn)一步提高空分系統(tǒng)的整體性能。

    4.1 區(qū)域內(nèi)的系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成

    為滿足不斷加快的空分生產(chǎn)節(jié)奏以及空分運行的經(jīng)濟(jì)性要求，用于生產(chǎn)調(diào)控和優(yōu)化所需要的數(shù)據(jù)和信息越來越多，數(shù)據(jù)的全面性和實時性要求也越來越高，這樣，就要求充分利用DCS系統(tǒng)的開放性，大力提高空分區(qū)域信息的集成度。對區(qū)域內(nèi)各DCS系統(tǒng)基于開放性通過網(wǎng)絡(luò)連接，建立公共信息平臺，將各個生產(chǎn)區(qū)域各臺空分的生產(chǎn)信息進(jìn)行實時集成共享，不僅是可能的，而且是必要的。同時，在此基礎(chǔ)上，可以將空分系統(tǒng)的生產(chǎn)信息通過企業(yè)局域網(wǎng)乃至INTERNET網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行共享，相關(guān)人員通過授權(quán)即可訪問有關(guān)數(shù)據(jù)，這必將提高空分生產(chǎn)的管理水平，加快故障的分析和排除速度。

    4.2 區(qū)域內(nèi)的系統(tǒng)安全保護(hù)

    空分建設(shè)和設(shè)計時，通常都會考慮空分的安全連鎖。隨著設(shè)備的不斷投產(chǎn)，區(qū)域系統(tǒng)安全問題越來越彰顯。在寶鋼分公司制氧區(qū)域，由于各臺空分建設(shè)的時間有先有后，各臺空分與產(chǎn)品壓縮機(jī)之間的關(guān)系較為單一(每臺空分都配備有相對固定的產(chǎn)品壓縮機(jī))。如果空分故障，相應(yīng)的壓縮機(jī)也不能工作；反之亦然。這樣，就限制了設(shè)備有效利用率的發(fā)揮。如果將空分生產(chǎn)、產(chǎn)品壓縮按照結(jié)構(gòu)化考慮，則各臺空分與產(chǎn)品壓縮機(jī)就會形成一對多、多對一的格局。這無疑對激發(fā)機(jī)組的最大生產(chǎn)潛能、提高空分生產(chǎn)、降本增效以及優(yōu)化設(shè)備故障的應(yīng)對策略都是有益的。

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本文標(biāo)題：特大型空分控制系統(tǒng)的選型設(shè)計與維護(hù)

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