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DCS在制氧行业的应用

   2010-06-09 中国空分网阿超348
核心提示:DCS在制氧行业的应用1  工艺简介及控制要求    1.1  工艺简介    6000制氧机组
DCS在制氧行业的应用
工艺简介及控制要求
    1.1  工艺简介
    6000制氧机组工艺较复杂,主要流程(见图1):空气压缩机把空气压缩到0.56Mpa,流量为40000NM3/H,压缩后的空气通过预冷系统
,把空气冷却到12度左右,再通过纯化系统除去水和二氧化碳等杂质,然后通过膨胀机制冷,使空气冷却到零下100多度,通过氧气、氮气、氩气冷凝温度不同的原理,在分馏塔内分馏出氧气、氮气、氩气,最后分别通过氧压机、氮压机、液氩泵把以上气体分别加压到用户需要的压力。
    1.2  控制要求
    控制系统对过程参数进行显示、报警、趋势记录、操作记录、报表自动打印、联锁停机、自动控制等。因为以后可能增加透平氧压机,控制系统要求扩容性好,扩容时对生产影响小。整个系统需要的检测点温度为130点左右、压力差压110点左右,调节阀50点左右,其它模拟量20点,各种设备运行信号、联锁、控制、切换阀及调节阀阀位等开关量120点左右,闭环控制回路有30多路。空压机控制需求为启动前工艺条件满足后才发出允许启动信号,空压机才能启动,运行时工艺参数到故障停机值自动停机,油压低于设定值自动启动辅油泵。预冷系统要求严格控制液位,如工艺条件不满足,联锁预冷系统所有水泵,不能启动水泵或自动停水泵。纯化系统控制要求较高,两个分子筛轮流使用,两小时后自动切换(通过气动切换阀和气动调节阀、16只),根据实际情况操作工可以通过操作站沿长或缩短切换时间,污氮流量自动控制,给定值根据不同时间自动给定。膨胀系统高速旋转设备,需要联锁允许启动、联锁自动停机。分馏塔系统有十几个液位、流量要求自动控制。3台氧压机和4台氮压机要求温度、油压、水压自动联锁停机,油泵自动启动等。

    2  硬件配置
     6000NM3/H制氧机组偏化工类,因此模拟量较多,控制回路较多,总共320点左右,因此采用原则上采用DCS(集散控制系统),其次采用PLC(可编程控制器),由于原来的变送器、调节阀、热电阻等要利用,再加上就地到主控室不太远(不超过150米),因此外围仪表采用模拟仪表,不采用总线型仪表,综合性价比高等各种因数,采用浙大中控的DCS(JX-300X)。
    JX-300X基本组成包括工程师站(EX)、操作站(OS)、控制站(CS)和通信网络Scnet Ⅱ,Scnet Ⅱ遵循开放的TCP/IP协议工业以态网,通信速率为10Mbps,操作站间为100Mbps。如以后扩容可以增加控制站和操作站,调试完后再把网络联上,对生产几乎没有影响。
    对于6000机组我们采用如下方案(如图2),一个工程师站,一个操作站,两个控制站,两台交换机。以上设备通信网络采用星型结构,并且1:1热冗余,每台控制站的主控卡、数据转换卡及通讯采用1:1热冗余。根据工艺特点把系统分为压缩控制站、空分控制站,便于以后维护。空压机、氧压机、氮压机所有点位进压缩控制站,空冷塔、分子筛、膨胀机、分馏系统等进空分控制站。
    2.1  工程师(操作)站
    a 操作站(OS),从控制站接收数据并加工,历史数据归档,产生各类报表,定时自动打印。作用为操作工进行监视及操作。网络为热冗余备分。计算机配置:CPU为PentiumⅣ 1.7G,内存为128MB的DDRAM,硬盘为40GB,21吋显示器,64MB显卡,双网卡。
    b工程师站(ES)用于系统组态,设计控制程序,并下装组态程序到控制站和传送监控程序到操作站。并且具有操作站所有功能。计算机配置:CPU为PentiumⅣ 1.7G,内存为128MB的DDRAM,硬盘为40GB,21″显示器,64MB显卡,双网卡。
    2.2  控制站
    所有控制由控制站完成,每个控制站有一块主控卡(可冗余),每块主控卡可带8个机笼,机笼核心部件是数据转换卡,每个机笼可插16块I/O卡。
   
    a. 主控卡(SP243X)
    主控卡是控制站的软硬件核心,负责协调控制站内的所有软硬件关系和各项控制任务,如完成控制站I/O信号处理、控制计算、与上下网络通信控制处理、冗余诊断等。热冗余配置,它采用双微处理器协同处理控制的任务,具有10Mb以太网的1:1热冗余Scnet Ⅱ接口,可以和操作站及其它控制站进行通信。1Mb SBUS的I/O总线通信接口,实现旧地和远程I/O功能。
    b. 数据转换卡(SP233)
    是系统I/O机笼的核心单元,主控卡连接I/O卡件地中间环节,它一方面驱动SBUS总线,另一方面管理本机笼I/O卡件。
    c.I/O卡件
    完成对各种现场数据采集和输出控制信号控制现场设备,通过SBUS总线和主控卡进行数据交换。
    d.智能设备通信
    和新氮压机的PLC进行通信采用通信接口卡(SP244),根据PLC的通信协议编制通信程序,通信接口卡挂在Scnet Ⅱ过程控制网上与操作站、控制站进行数据交换。
    e.系统配置
    主控卡(SP243X)4块,数据转换卡(SP233)20块,电流输入卡25块,电流输出卡12块,热电阻卡76块,开关量输出卡12块,开关量输入卡15块。
   
    2.3  系统软件
a. 操作系统采用网络操作系统WINDOWS NT4.0,中文版本。
b. 组态软件采用JX-300X组态软件Sckey。
c. 监控软件采用JX-300X监控软件。
主要控制方案
    3.1  空压机
    空气经过空压机4级压缩后,出口压力必须控制稳定,出口有一放空调节阀,通过调节放空阀开度,以控制空压机出口压力稳定,采用单回路闭环控制
系统。为防止联锁停车时空分气体返吹造成空压机反转,必须在联锁停车时使空压机放空阀全开,为了防止低压电掉电及仪表空气失气,空压机放空阀不能动作,从而导致空压机出口压力增加,空压机发生踹振,放空调节阀采用气关式,失气时阀门全开,电磁阀采用两位三通,并使失电时放空调节阀门全开,从而避免压力升高,发生踹振。空压机开机时进口导叶在启始位置、排油烟机运行、放空阀全开、油压、水压、空压机(电机)各轴承温度满足条件,控制站才发出允许空压机启动信号,空压机才能启动。运行时,油压、水压、空压机(电机)各轴承温度超过联锁停机值时空压机自动联锁停机。当油压低余第一下限时,控制站发出控制信号自动启动备用油泵,以保证油压稳定。所有控制由DCS完成。
    3.2  预冷系统
    预冷系统目的把空气冷却到工艺需要的12℃,空气从空冷塔下部进入,向上走从顶部出,冷却水通过冰机冷却,由水泵加压从空冷塔上部进,喷淋而下,冷却由下而上的空气,最后冷却水通过调节阀出,为防止空冷塔底部无液空气顺冷却水出和冷却水液位过高造成事故,要求严格控制空冷塔底部冷却水液位。液位控制由单回路闭环控制,为防止液位控制失效,空冷塔冷却水液位过高,冷却水进入空压机和分子筛造成重大事故,必须联锁停水泵。采取了如下措施:a.空冷塔液位高于设定值联锁停水泵。为防止了空冷塔液位变送器引压管上管进水造成液位检测失误,水位无法控制,空冷塔液位变送器改为阀兰式远传变松器。b.由于空冷塔液位过高会使空冷塔阻力增加,因此增加阻力高于设定值联锁停水泵。c.空冷塔液位过高会使空冷塔出口压力降低,因此空冷塔出口压力低于设定值联锁停水泵。通过以上措施大大增加了安全系数。
    3.3  纯化系统
    纯化系统主要功能为除去空气中的水、二氧化碳等杂质,主要设备有两个分子筛和一个电加热器,一个分子筛工作时吸附空气中的水、二氧化碳等,另一个分子筛用加热器加了热的污氮反吹除去吸附在分子筛的水、二氧化碳等,完后用常温污氮冷却分子筛,两小时后分子筛自动切换,原工作的分子筛切换为自清除,自清除的分子筛切换为工作状态。共有12个调节阀和切换阀,全由DCS自动控制,同时DCS控制加热器,根据不同时段加热或不加热。根据工艺要求,分为4个大的时间段,18个小的时间段,每个时间段操作工可以根据运行情况延长或缩短运行时间。启动时可以从任意时间段启动,并可从上次停车时的时间段启动。在冷吹,均压等阶段,要对压力,流量阀位自动调节。因为控制复杂,采用SCX(类C语言)语言编写。根据运行不同时间段,程序必须联锁住分子筛的加热器,不用加热的时间段,断开加热器,操作工也不能开启加热器。这里重点就污氮流量控制加以说明,工艺流程及控制(如图3),污氮从空分上塔来,在自清除时污氮从FCV1201A走,冷吹时污氮从FCV1201B走,切换时和其它时间段从FCV1201C放空,为了切换时不影响上塔,要求污氮流量各个时间段稳定,因此采用3个单回路闭环调节,当向自清除切换时,FCV1201C对应的回路采用自动调节流量,FCV1201B全关,程序自动逐渐打开FCV1201A,当FCV1201C对应的回路输出阀位信号为零时,程序自动把FCV1201C切为手动,完全关闭,同时把FCV1201A对应的回路投入自动调节,程序自动植入设定值,以达到流量恒定,不影响空分上塔。自清除向冷吹切换等程序类似,不在繁诉。
    3.4  分馏系统
    分馏系统功能是分离出各种气体,它在分馏塔内,温度非常低(零下100多度),需要控制主要是压力、流量、低温液体液位等,压力、流量、液位检测特别重要,不同气体液化温度不同,防止取压管非水平段出现液化和汽化,造成测量不准,塔内可能汽化或液化的地方要水平敷引压管。共13个量要求自动调节,全采用单回路闭环控制,PID参数根据经验设定,运行时根据控制情况调整。
    3.5  膨胀系统
    膨胀系统功能是产生冷量,空气冲击膨胀机叶轮,使膨胀机旋转带动增压机旋转,对外做功,空气温度下降,产生冷量。需要控制的有增压机流过的空气流量,油压、转速、轴承温度超出设定值时联锁切断进入膨胀机空气,停膨胀机。流量控制采用单回路闭环控制。
    3.6  氧压机、氮压机控制和空压机类似,有启动联锁、联锁停车、油泵自动启动控制等,不再详述
    3.7  所有流量由DCS完成温压补偿,氧气、氮气、氩气等流量作流量累积
    4  结束语
    JX-300X DCS经过近一年运行,整个系统运行比较稳定,操作方便,功能齐全,DCS完成自动调节,实现系统的100%全闭环控制。

 
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