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1、DCS控制在制氮系统中的应用王锋中国空空导弹研究院，摘要：介绍了DCS控制系统在制氮系统中的应用及其运行维护经验，并说明了DCS系统在制氮系统中的具体控制方式。关键词：DCS 制氮 控制 1 引言DCS 集散型分布式控制系统是以计算机为核心, 以智能化仪表为主体, 采用分布式控制方式, 集监控管理与控制为一体的控制系统。由于它具有危险分散、维护简单、可靠性高、控制方案修改灵活、控制功能强等特点, 使DCS系统在工业生产中得到了非常广泛的应用。我院的新制氮机采用了浙大中控的DCS控制系统，实现了制氮过程的自动化原型与管理。2 系统简介制氮系统主要由空压机、预冷机、分子筛纯化系统、膨胀机等几部分组
2、成，其主要产品为高纯氮气和高纯液氮，生产能力从50m3/h15000m3/h不等。我院新制氮机的生产能力为200m3/h，使用的是浙大中控的DCS控制设备，整个系统的工艺流程大致如图1所示：图1 空分装置流程图3 制氮装置的配置该制氮装置由就地仪表、机旁仪表、分析室仪表和中央控制室组成。（1）就地仪表：一般对非重要参数点实施就地监测。（2）机旁仪表：主要是对机器等设备实现就地起动，必要的显示和操作而设置的。（3）分析仪系统：设置手工分析盘和在线分析盘。（4）中央控制室：是整个DCS控制系统的核心，全面负责对整个装置的检测和在线操作。 作为系统技术要求的设计者，主要应该从技术性能、可操作性、安全
3、可靠性、经济性等方面来考虑，从众多的DCS控制系统中选择一个成熟的产品来满足工艺控制和系统管理的要求，且是一个性价比较高的产品。4 制氮工艺流程简介 原料空气由压缩机压缩至0.78Mpa，并经后冷却器冷却至40，分离掉游离水后进入冷气机组，继续冷却至5左右，分离掉冷凝水后进入纯化器，去除H2O、CO2、C2H2等碳氢化合物，分子筛吸附器两台交换使用，一台吸附工作，另一台再生解析，再生气为出分馏塔的废气。净化后的空气进入分馏塔，通过主换热器、液化器与返回的废气及产品氮气进行热交换，冷却至饱和状态，然后进入精馏塔底部，经过精馏分离为产品氮气和富氧液空，塔底液空经节流进入冷凝蒸发器，在0.35Mpa
4、压力下与氮气相变换热，氮气液化作为精馏塔回流液，液空蒸发成废气。经液化器复热后膨胀机膨胀制取冷量。膨胀废气经液化器、主换热器复热至常温后出分馏塔，一部分用于纯化器再生，其余放散大气。产品氮气从精馏塔顶抽出经主换热器复热后送用户。产品液氮从冷凝回流液氮中抽出，汇集于液氮量筒定时向储槽输送。5 工艺设备简介5.1 空分塔 我院的新制氮机使用的是开封威龙空分设备有限公司的KDN200/30Y型空分设备，该设备的产氮量为200m3/h，纯度为5.2 空压机 该机为杭州山立净化设备有限公司生产的SAYL1200/10型空压机。5.3 预冷机 预冷机为AtlasCopco生产的ZR13210型预冷机。5.
5、4 膜压机膜压机为北京京城环保产业发展有限公司生产的GV385/7155型膜压机，容积流量为85Nm3/h。6 DCS控制系统的简介6.1 DCS硬件系统我院新制氮机使用浙大中控的JX-300XP型DCS控制系统，该公司研制的DCS控制系统已经在我院锅炉房的锅炉控制系统中得到了很好的应用，其JX-300XP控制系统是该公司最近几年研发的新型DCS控制系统，可以很好的满足制氮系统的要求。新制氮机DCS系统的控制点数为130点，冗余点数为35点，实际配置点数为165点。其中模拟输入点数为54个，冗余点数10个；模拟输出点数14个，冗余点数4个；开关量输入点数为33个，冗余输出点数为11个；开关量输
6、出点数为29个，冗余点数为8个。硬件方面使用的是浙大中控标准的XP202型机柜，其中安装有3个机笼标准套件，其安装的硬件如表1所示：表1 系统硬件统计序号名称卡件号数量1数据转发卡XP23362电源XP251123电源机笼XP25144电源指示卡XP22125电流信号输入卡XP31386热阻信号输入卡XP31687模拟量输出卡XP32268触点型开关量输入卡XP36369继电器开关量输出卡XP36256.2 DCS网络系统JX300XP DCS的网络系统共分3层，第一层网络是信息管理系统，用于向上级计算机传输监测情况的基本数据。由于我们不需要向上级传输数据，因此该系统没有这一级的网络。第二层网
7、络是过程控制网，称为SCnet II，用于控制机柜和工程师站、操作员站之间的通讯使用。第三层网络是控制站内部I/O控制总线，称为SBUS，用于控制柜内隔数据转发卡之间的通讯网络。三层网络相互配合，共同构成了DCS的网络系统，DCS的任何监测和控制信号都是基于该大网络系统的传输，可以说DCS网络系统的畅通，保证了系统的可靠运行，与DCS硬件系统本身处于同等重要的地位。6.3 DCS的组态软件系统JX300XP DCS系统使用的监控组态软件是由浙大中控自行研发的AdvanTrol-PRO软件包，该组态软件与浙大中控的DCS结合行比较好，整个界面是全中文界面，方便运行人员的使用。由于组态画面是根据用
8、户来定制编写制作的，所以各个用户的实际界面是不相同的。我们所使用的组态软件分为4部分，分为纯化系统、膨胀机系统、分馏系统和膜压机系统。纯化系统是制备高纯氮气的前期工作，是对空气原料的前期处理。纯化系统的组态画面监测了纯化系统的9个模拟量，并对其中的10个电动阀进行远程操作。系统的组态画面如图1所示：图1 纯化系统组态画面分馏系统是高纯氮气的主制备系统，因此组态系统对其中的19个模拟量进行监测，同时对其中的2个电动阀进行远程操作。系统的组态画面如图2所示：图2 分馏系统的组态画面膨胀机系统用于处理系统废气，保证废气能够安全排出。膨胀机系统对其中4个模拟量进行了监测，对其中两个电动阀进行远程操作。
9、其系统组态如图3所示。图3 膨胀机系统膜压机是高纯氮气的加压装置，用于将生产出来的高纯氮气输送出去，膜压机系统对其中5个模拟量进行了监测。其系统组态画面如图4所示：图4 膜压机系统7 系统的主要控制方案与基本控制原理该DCS控制系统的控制方案由常规控制方案组态和自定义控制方案组态这两部分组成，常规控制方案组态分为多种控制方案，我们这里主要应用的是手操器控制方案。手操器可以根据操作员的操作指令以设定阀位值，来实现阀位信号的实时输出，没有设定值和PID的控制运算功能，只提供一个测量值的显示接口和一个阀位手动操作输出的功能。一般地，手操器输出阀位值与一定的被控对象的测量值PV相对应，所以可通过组态将
10、一定的输入变量值实时的显示在手操器的控制仪表内。其中纯化系统中的废气管路压力调节阀、空压机放空阀和膨胀机系统中的空气进气阀（V441、V442）等，都是由手操器来控制调节的。手操器的具体工作原理如图5所示。图5 手操器其中PV与MV所表示的具体意义如表2所示。表2 变量说明变量变量说明PV测量值MV控制量系统的另一种控制方案就是自定义控制方案。自定义控制方案可以通过SCX语言编程和图形编程这两种方式来实现，而图形编程则是由SCControl来实现工程化管理的，SCControl提供了四种类型的段落编辑器，分别为功能块图（FBD）编辑器、梯形（LD）图编辑器、顺控图（SFC）编辑器和ST语言。我
11、们所用的这套DCS组态系统主要使用其中的顺控图编辑器来实现系统的自定义控制方案。顺控图用步和转换构建程序段，步中通过定义操作实现对流程的操作。通过转换实现流程的按顺序前进。纯化器系统中分子筛的吸附再生过程就是由顺控图来控制实现的，其中的再生操作由8个步骤来完成，具体步骤如表3所示。表3 再生操作步骤步骤操作内容时间1并联吸附5分钟2预泄压1分钟3泄压4分钟4预加热1分钟5加热188分钟6吹冷270分钟7预充压1分钟8充压10分钟其中纯化系统中的V1212、V1201、V1202、V1207、V1208阀与再生系统步骤相连锁，由系统控制打开和关闭，防止产生人为的误操作，同时系统也对阀的状态、系统
12、操作步骤和系统参数进行监测，在有异常情况发生时起动暂停程序，防止意外事故的发生。同时DCS系统还对各子系统的参数进行监测，对实时数据进行后台保存，并对异常数据进行报警提示，从而保证整个系统的安全。8 DCS控制系统的应用心得经过一段时间的实际运行，我们的技术人员和运行维护人员对整个DCS系统有了一定的认识，同时也总结出了一些维护经验：一、要保证工程师站和操作员站计算机的稳定。工程师站和操作员站计算机是整个DCS系统的几个重要部件之一，负责对整个系统数据的监测和操作，如果工程师站和操作员站出问题就会影响系统正常运行，所以必须要保证计算机的良好状态，严格控制计算机的使用范围。同时维护好计算机的工作
13、环境，保证计算机的稳定运行。二、保证系统的供电稳定。像制氮系统这样24小时连续运转的系统对供电电源有着较高的要求，配电必须是双电源系统，这一点我们一般都能够保障。但是经常会把UPS电源系统给忽视掉，因为UPS电源的维护不够重视，已经出现过一次因为UPS电池的问题导致停止对控制柜的供电，幸好处理及时，没有出现问题。事后我们对此问题进行了分析，从供电线路上（图6所示）可以看出，电源走线在双电源和UPS电源这两点是走单线，如果双电源出现问题，可以有后面UPS做保障，并进行应急处理，但如果是UPS电源出问题，且不能在短时间内解决，整个系统就会立刻停机，所以平时做好UPS电源的保养很重要。图6 DCS系统的供电线路9 结束语DCS系统实现了从常规仪表到分散控制的一大飞跃，成功的将常规仪表的控制功能和计算机先进技术结合起来，使空分领域的高级优化控制的实现成为可能。同时，又更新了人们的操作和设计的观念，而DCS强大的控制功能为空分行业开辟了新天地，并且对其他诸如智能楼宇控制系统和空调控制系统等也起到了很好的指引作用。参考文献：1 刘翠玲，黄建兵 集散控制系统 北京 中国林业出版社2 袁任光 集散型控制系统应用技术与实例 北京 机械工业出版社3 朱晓宁，张国华，雷庆国 计算机控制与装置 北京 化学工业出版社
