0 前 言

    空分設備廣泛應用于冶金、化工、石化等領域，其長期、穩定、可靠運行的重要性不言而喻，對承擔其控制功能的集散控制系統(DCS)配置的要求相應也很高。寶鋼分公司集中了亞洲最大的空分群，在現場實踐中，積累了較多空分設計、生產、維護的經驗，并將其應用于國產第一臺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 空分控制系統選型

    控制系統是空分運行的大腦，如果選型不當，不僅會導致空分產品產量、質量不能達標，還會給設備的正常運行帶來安全隱患，造成較大的經濟損失。目前世界上成熟的DCS系統很多，原則上，任何DCS系統都可以選用，但每個工業領域都有自己特殊的要求或特點，每個區域也有自己的使用習慣，每一種DCS系統也有自己的某一特定優勢和設計思路，不是任何DCS系統都能很好地滿足或適應空分行業的要求。

    在控制系統的選型工作中，對相關系統的預先了解是非常重要的。隨著各DCS廠家競爭越來越激烈，有必要對各系統價格、性能、服務等各個環節有充分的認識，這樣才能在設備交流和談判中掌握主動，進而做出正確的決策。

    1.1 可靠性

    空分設備包括的機組、設備較多，過程較復雜；大型空分設備絕大多數應用于大型冶金和化工、城市煤氣化等領域，若系統出現故障影響生產，會造成巨大經濟損失。因此，可靠性是放在第一位的因素。而系統的可靠性是在系統的設計階段就產生的，在生產制造階段得到保證，在使用階段得到實現和確認。重點應注意以下幾個方面：

    1.1.1 系統不易發生故障原則

    系統應有較高的固有可靠性，制造商有嚴格的可靠性設計和可靠性生產保證措施。對用戶的安裝運行環境則要求較寬(如接地要求、環境溫濕度等)。

    1.1.2 系統運行受影響最小原則

    DCS是一個復雜的系統，包括的設備也較多，不可避免地會出現故障，要求部分部件出現故障后不影響系統的控制運行，或影響盡可能小。這就要求系統在設計時必須結構合理，故障隔離技術較好，故障不易擴散。此外，系統應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，均能同時兼有組態和操作功能的配置。

    1.1.3 迅速排除故障原則

    系統故障應在盡可能短的時間內得到排除，因此要求系統有較強的自診斷功能，有準確的故障指示，支持方便的組件更換功能，應有模板帶電插拔更換功能。在調試中或系統投運后，總會有I／O點和功能的調整修改，因此如果具有較強的在線下載功能，將會為設備維護帶來很大方便。

    1.1.4 系統的可維護性

    系統的可維護性是指可修復系統排除故障的難易程度，應重點注意以下幾點：

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

    (2)維修的經濟性。是衡量購買備品、備件價格的指標。在許多情況下，有些制造商提供系統時價格較低，但在訂購備品、備件及提供服務時，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。包括系統的備品、備件是否容易獲得，以及售后的技術支持是否容易獲得等。

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

    (5)DCS系統更新換代的連續性。應考察每個制造商的技術發展情況及更新換代的做法。有些系統一直保留著連續性或可升級性，例如FOXBORO的I／A’s系統從投入市場開始，其基本結構始終保持不變；硬件品種少，系統容易擴充；除工作站外，系統硬件的升級和軟件的升級相互獨立；用新產品替代舊產品時系統改動少。這樣生產現場所有I／A’s系統的備件可統一考慮，備件品種少，基本可以相互借用，盡可能發揮每一種產品的作用并減少備件庫存。

    1.2 實用性

    實用性是系統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、修改和下載的能力，較強的自診斷能力。I／A’s系統的冗余和容錯設計簡單、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。

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

    1.3 先進性

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

    系統的先進性不僅體現在所采用的CPU的位數和內存的容量，還有系統是否符合DCS最新發展狀況及水平，是否采用了先進的國際標準，體系結構是否符合最新發展趨勢，軟件平臺與控制策略是否先進等。DCS的開放性也是應考慮的重要方面。

    DCS的開放性應包括硬件、軟件、通信、操作系統、數據庫管理系統等多個方面。它們都應遵循標準或國際協議，使它們真正能夠具有通用性。例如I／A’s控制系統充分吸收通用計算機的成果，選用INFORMIX這種標準化的關系數據庫作為數據管理系統，用于對系統接受或產生的數據進行存儲、操作和檢索。在I／A’s控制系統中，歷史數據庫存放在應用處理機(AP)上，實時數據存放在控制處理機(CP)上。為適應實時性要求，有些數據同時存放于操作站處理機(WP)上，用于過程顯示。

    此外，還應注意系統是否能實現公用接口關系及其實現方式，接口軟件是否開放，改動是否容易等。

2 空分控制系統的設計方法

    2.1 充分發揮烈葛功能 適當減弱機旁柜功能

    目前計算機功能越來越強，性能也越來越穩定。因此充分發揮Dcs系統的功能、適當減弱機旁柜功能，成為該空分控制系統設計的一個指導思想。在設計中，對空壓機、膨脹機、氮壓機、氧壓機等機組的現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備維護的工作量。

    2.2 儀控系統供電方案的設計

    儀控系統供電方案應考慮儀控系統供電的相對獨立性、安全性和可維護性。在該空分設計中，設立了單獨的配電柜，采用UPS及220 V市電雙回路電源供電，負責整個儀控系統內的各個用電設備，如機旁柜、分析儀柜、振動柜、電磁閥及DCS系統的控制機柜、工作站等設備的供電。鑒于電磁閥在空分生產中的重要性，每一電磁閥均單獨設置了空氣斷路器，以便獨立更換。

    2.3 DCS系統實現的主要功能

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

    在該空分空壓機防喘振控制的設計與實現中，充分考慮了壓縮機運行點的流量、壓力以及移動速度對機組喘振的影響，并在控制中利用多種手段調節防喘振閥的開度，包括PID調節、瞬時累積調節及動態自動調整控制參數(包括流量設定參數及相關PID參數)等。與以往的引進設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。采用以上設計方案后，壓縮機穩定地運行在控制區域，達到了穩定、節能的目的。圖1為空壓機控制流程圖。

圖1 空壓機控制畫面

    此外，在DCS監控面面上實現了壓縮機組運行點的動態指示，如圖2所示。使操作人員對機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設備運行狀態，減少了故障的發生。

圖2 空壓機控制線與實際運行點

    (2)預冷、純化系統的控制。主要實現空氣預冷系統液位自動調節，水流量等參數的顯示及報警，水泵的連鎖啟動和停車等。

    分子篩純化系統采用順序控制實現。實現了均壓閥的自動連續調節，再生氣的壓力調節，再生氣的溫度調節，再生氣的流量或蒸汽的流量調節，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兩床的壓差作為調節器的設定值，通過壓力一時間函數改變設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，便于閥門調試。

    (3)膨脹機的控制。主要實現膨脹機的啟動條件準備及判別，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，轉速及有關溫度、壓力參數的監測等。

    在該空分膨脹機的控制設計中，取消了現場盤防喘振控制，改為由DCS系統實現，取得了較好的效果。

    (4)空分系統的控制。主要實現上下塔、主冷、精氬塔等工藝流程各參數的指示、調節及故障報警、連鎖保護功能。在該空分控制設計中，實現了循環液氧泵、循環液氬泵及產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，且在極短時間內達到原來的工作狀態，減少了設備故障對空分工況的影響。

3 大型空分控制系統的維護

    3.1 故障檢查和排除

    3.1.1 卡件通道故障

    卡件通道故障出現較多的是I／O卡件故障。一般通過系統診斷，調換通道或通過更換備件即可處理。這類故障在調試階段出現較多，正常運行中出現幾率較低。在寶鋼分公司制氧系統的DCS維護工作中，一般要求每周對相關設備至少檢查2次。通過觀察卡件工作狀態或系統軟件進行檢查，可及時發現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換通道前，應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動作，影響空分的正常運行。同時，應做好安全防護措施，避免影響其他工作正常的卡件。

    3.1.2 操作站死機故障

    操作站死機故障在國產及進口設備中均有發生，原因也較多，特別是Windows操作系統的操作站。硬盤或卡件故障、操作站CPU風扇負荷過重等都會導致死機。通過硬盤備份、定期對操作站進行精密點檢等可有效預防這類故障。

    3.1.3 打印機不工作

    打印機不工作一般是由于配置的原因，在設備調試初期發生較多，應檢查打印機的設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致打印機工作異常。

    3.2 日常維護管理

    DCS系統涉及到較多方面的工作，做好日常的維護管理對DCS系統的穩定運行有很大意義。

    3.2.1  日常點檢工作

    系統日常點檢是DCS系統維護最重要的工作之一。通過系統自診斷工具，系統設備存在的大部分異常或故障可及早發現和處理。同時，通過查看各種卡件指示燈狀態及系統工作環境等也可有效把握設備工作情況。

    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格的要求，每年都要求對控制軟件進行備份，尤其是對控制軟件進行修改后更應該及時備份，并做好修改記錄。

    3.2.3 冗余設備的有效性試驗

    應定期對冗余設備如電源、通訊卡件、控制器等設備進行有效性試驗。通過冗余切換，可及時檢查相關設備是否存在異常。

    3.2.4 備件的有效性試驗

    由于DCS系統的各種設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帶來較大的影響。因此有必要利用各種機會，有計劃地對備件進行上機測試，確保使用性能良好。與供貨商保持有效的溝通，及時獲知系統升級、淘汰以及備件停產等信息，并采取相應的措施。

4 大型空分控制系統在寶鋼分公司的發展

    客觀地講，獨立的大型空分控制系統的發展目前已比較完善，也不乏設計和生產維護經驗。若要進一步發揮Dcs的優勢，就需要從系統的角度分析和解決問題，進一步提高空分系統的整體性能。

    4.1 區域內的系統數據集成

    為滿足不斷加快的空分生產節奏以及空分運行的經濟性要求，用于生產調控和優化所需要的數據和信息越來越多，數據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系統的開放性，大力提高空分區域信息的集成度。對區域內各DCS系統基于開放性通過網絡連接，建立公共信息平臺，將各個生產區域各臺空分的生產信息進行實時集成共享，不僅是可能的，而且是必要的。同時，在此基礎上，可以將空分系統的生產信息通過企業局域網乃至INTERNET網絡進行共享，相關人員通過授權即可訪問有關數據，這必將提高空分生產的管理水平，加快故障的分析和排除速度。

    4.2 區域內的系統安全保護

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

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本文標題：特大型空分控制系統的選型設計與維護

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