萊鋼12000m3／h空分裝置全套引進(jìn)德國林德公司的技術(shù)設(shè)備,，采用空氣低溫精餾法生產(chǎn)高純度的氧氣、氮?dú)夂蜌鍤?。其簡要生產(chǎn)工藝過程如下：原料空氣經(jīng)壓縮,、預(yù)冷，并在分子篩站除去水分和CO2,，進(jìn)入冷箱后分成兩股,，一股經(jīng)主換熱器逆流冷卻進(jìn)入高壓塔，另一股經(jīng)膨脹降溫進(jìn)入低壓塔,?？諝饨?jīng)高壓塔、低壓塔兩級精餾,，在低壓塔頂部分離出氣氮,、液氮，在其底部分離出液氧,。在低壓塔中部抽出富氬的氬餾分（約含90％O2,、10％Ar和0.05％N2），送往初級粗氬塔中除去氧分,，從初級粗氬塔頂部引出氣態(tài)氬（純度約99.8％）送到次級粗氬塔底部,，進(jìn)一步除去氧分。最后,，含氧量小于0.0001％的氬送往純氬塔除去氮和碳?xì)浠衔?，生產(chǎn)出純氬。

1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    　該空分裝置采用了加拿大Elsag公司的INFI-90控制系統(tǒng),，其中INFI-90DCS作為過程控制系統(tǒng),，完成數(shù)據(jù)采集、回路調(diào)節(jié)及邏輯順序控制,；DECAlpha200計算機(jī)用于自動變負(fù)荷控制（ALC）,。為了保證大型設(shè)備安全、可靠地運(yùn)行,，在現(xiàn)場選用了5臺PLC,，分別完成空壓機(jī)、氮壓機(jī),、氧壓機(jī)和兩臺膨脹透平機(jī)的局部控制。主控室中配有1臺工程師工作站,、1臺操作員監(jiān)控站,、1臺自動變負(fù)荷過程站和3臺打印機(jī)，用于生產(chǎn)過程監(jiān)控,，軟件組態(tài)及圖形,、報警打印,。控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示,。

                                                              圖1 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

    　該系統(tǒng)配置的最大特點是具有冗余功能,，包括：

   　 INFI-NET環(huán)的雙環(huán)熱態(tài)冗余。
   　 兩塊網(wǎng)絡(luò)接口模件硬線配置成互為冗余,，保證上環(huán)網(wǎng)的數(shù)據(jù)不中斷,。
   　 4個多功能處理器分別用硬線配置成兩對互為冗余模塊，保證系統(tǒng)程序執(zhí)行不中斷,。
    　工程師工作站與操作員監(jiān)控站通過以太網(wǎng)配置成冗余,，共享兩臺打印機(jī)。

2 控制功能

   　 2.1 DCS過程控制

  　  ElsagDCS主要完成產(chǎn)品加工區(qū),、存儲區(qū)的數(shù)據(jù)采集和回路控制,。控制回路主要有空壓機(jī)吸入空氣的流量控制,；空冷塔,、水冷塔的液位控制；兩分子篩的運(yùn)行步驟及切換控制,；冷箱內(nèi)各精餾塔及管道內(nèi)的壓力,、流量、溫度控制,；存儲罐內(nèi)的液位及壓力控制等等,。

   　 為使整個生產(chǎn)過程運(yùn)行穩(wěn)定，各回路間都設(shè)有級聯(lián)控制,。該空分裝置主要是制取氧氣,，氧氣流量調(diào)節(jié)回路如圖2所示。

                                                               圖2 氧氣流量調(diào)節(jié)回路組態(tài)示意圖

   　 由于氧氣流量調(diào)節(jié)會影響到氬餾分,、氧氣壓力,、氧氣溫度的變化，聯(lián)鎖停車信號會使回路處于安全設(shè)定值狀態(tài),，因此設(shè)計過程中需考慮到這些因素的存在,，使之處于級聯(lián)狀態(tài)，保證了氧氣流量的安全調(diào)節(jié),。

　　萊鋼12000m3／h空分裝置全套引進(jìn)德國林德公司的技術(shù)設(shè)備,，采用空氣低溫精餾法生產(chǎn)高純度的氧氣、氮?dú)夂蜌鍤?。其簡要生產(chǎn)工藝過程如下：原料空氣經(jīng)壓縮,、預(yù)冷，并在分子篩站除去水分和CO2，進(jìn)入冷箱后分成兩股,，一股經(jīng)主換熱器逆流冷卻進(jìn)入高壓塔,，另一股經(jīng)膨脹降溫進(jìn)入低壓塔?？諝饨?jīng)高壓塔,、低壓塔兩級精餾，在低壓塔頂部分離出氣氮,、液氮,，在其底部分離出液氧。在低壓塔中部抽出富氬的氬餾分（約含90％O2,、10％Ar和0.05％N2）,，送往初級粗氬塔中除去氧分，從初級粗氬塔頂部引出氣態(tài)氬（純度約99.8％）送到次級粗氬塔底部,，進(jìn)一步除去氧分,。最后，含氧量小于0.0001％的氬送往純氬塔除去氮和碳?xì)浠衔?，生產(chǎn)出純氬,。

1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    　該空分裝置采用了加拿大Elsag公司的INFI-90控制系統(tǒng)，其中INFI-90DCS作為過程控制系統(tǒng),，完成數(shù)據(jù)采集,、回路調(diào)節(jié)及邏輯順序控制；DECAlpha200計算機(jī)用于自動變負(fù)荷控制（ALC）,。為了保證大型設(shè)備安全,、可靠地運(yùn)行，在現(xiàn)場選用了5臺PLC,，分別完成空壓機(jī),、氮壓機(jī)、氧壓機(jī)和兩臺膨脹透平機(jī)的局部控制,。主控室中配有1臺工程師工作站,、1臺操作員監(jiān)控站、1臺自動變負(fù)荷過程站和3臺打印機(jī),，用于生產(chǎn)過程監(jiān)控,，軟件組態(tài)及圖形、報警打印,?？刂葡到y(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

                                                              圖1 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

    　該系統(tǒng)配置的最大特點是具有冗余功能,，包括：

   　 INFI-NET環(huán)的雙環(huán)熱態(tài)冗余,。
   　 兩塊網(wǎng)絡(luò)接口模件硬線配置成互為冗余，保證上環(huán)網(wǎng)的數(shù)據(jù)不中斷。
   　 4個多功能處理器分別用硬線配置成兩對互為冗余模塊,，保證系統(tǒng)程序執(zhí)行不中斷。
    　工程師工作站與操作員監(jiān)控站通過以太網(wǎng)配置成冗余,，共享兩臺打印機(jī),。

2 控制功能

   　 2.1 DCS過程控制

  　  ElsagDCS主要完成產(chǎn)品加工區(qū)、存儲區(qū)的數(shù)據(jù)采集和回路控制,?？刂苹芈分饕锌諌簷C(jī)吸入空氣的流量控制；空冷塔,、水冷塔的液位控制,；兩分子篩的運(yùn)行步驟及切換控制；冷箱內(nèi)各精餾塔及管道內(nèi)的壓力,、流量,、溫度控制；存儲罐內(nèi)的液位及壓力控制等等,。

   　 為使整個生產(chǎn)過程運(yùn)行穩(wěn)定,，各回路間都設(shè)有級聯(lián)控制。該空分裝置主要是制取氧氣,，氧氣流量調(diào)節(jié)回路如圖2所示,。

                                                               圖2 氧氣流量調(diào)節(jié)回路組態(tài)示意圖

   　 由于氧氣流量調(diào)節(jié)會影響到氬餾分、氧氣壓力,、氧氣溫度的變化,，聯(lián)鎖停車信號會使回路處于安全設(shè)定值狀態(tài)，因此設(shè)計過程中需考慮到這些因素的存在,，使之處于級聯(lián)狀態(tài),，保證了氧氣流量的安全調(diào)節(jié)。

   　 PID回路調(diào)節(jié)是由PID功能塊和控制站功能塊組成,，它有3種工作方式,。

    　（1） 手動方式操作員在監(jiān)控畫面上直接修改閥門開度的輸出值,，達(dá)到手動控制現(xiàn)場設(shè)備的目的,。

   　 （2） 自動方式操作員通過監(jiān)控畫面修改控制站功能塊的設(shè)定值1，由PID回路根據(jù)此設(shè)定值與測量值的偏差自動調(diào)節(jié)閥門的開度,。

   　 （3） 級聯(lián)方式與自動方式基本相同,，但控制站功能塊的設(shè)定值2是由內(nèi)部程序修改，在監(jiān)控畫面上不能修改此設(shè)定值,。

 　   2.2 ALC

   　 ALC是指通過DECAlpha200計算機(jī)中已組態(tài)好的實時數(shù)據(jù)庫（DHI）與DCS系統(tǒng)進(jìn)行通信,，以控制現(xiàn)場25個主要控制回路，改變空分裝置的運(yùn)行負(fù)荷，即改變空氣的吸入量和能耗,，并自動地按照一定算法改變后續(xù)工序的相應(yīng)重要生產(chǎn)參數(shù),，實現(xiàn)氧氣產(chǎn)量隨需求量的變化而變化的自動調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍為設(shè)計產(chǎn)量的70％～100％,。這樣就可降低生產(chǎn)成本,，提高經(jīng)濟(jì)效益。

 　   2.2.1 ALC系統(tǒng)主要功能

   　 （1） 操作員接口

   　 用于氣氧產(chǎn)品目標(biāo)產(chǎn)量的設(shè)定和自動變負(fù)荷全過程的監(jiān)視,。為保證生產(chǎn)安全,，該氣氧產(chǎn)品目標(biāo)產(chǎn)量設(shè)定點有上、下限值,。

   　 （2） 計算塊和設(shè)定點斜坡函數(shù)

   　 用于ALC所控制的25個控制回路的各個目標(biāo)設(shè)定點及其他重要工藝參數(shù)的計算,。

   　 （3） 數(shù)據(jù)傳送

   　 用于DEC Alpha200計算機(jī)計算出的各控制回路設(shè)定點的值到相應(yīng)控制回路的動態(tài)傳送，其數(shù)據(jù)每5s刷新一次,。ALC系統(tǒng)啟動前,，受ALC控制的所有控制回路必須設(shè)定在適當(dāng)?shù)牟僮鳡顟B(tài)（即自動／串級）。一旦出現(xiàn)錯誤的信號,，ALC便自動停止數(shù)據(jù)的傳送,，保持當(dāng)前狀態(tài)，同時發(fā)出聲,、光報警信號,。

    　（4） 歷史趨勢圖顯示

   　 用于顯示自動變負(fù)荷控制過程中主要控制回路的參數(shù)曲線,，以便于操作人員監(jiān)視生產(chǎn)狀況,。

    　（5） 安全運(yùn)行

    　自動變負(fù)荷可以隨時啟動或停止,，當(dāng)25個控制回路中有1個出現(xiàn)錯誤時,，變負(fù)荷將自動停止，各回路保持在當(dāng)前狀態(tài),。

　　2.2.2 控制原理

   　 對于每個控制回路來說,，不同的氧產(chǎn)量值，對應(yīng)著不同最佳設(shè)定值,。在ALC系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)置了一套自己的專家控制系統(tǒng),，它是由上千組不同氧產(chǎn)量值對應(yīng)不同控制回路的最佳經(jīng)驗設(shè)定值組成。每次變負(fù)荷之前,，系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前各控制回路的工藝值,、當(dāng)前氧產(chǎn)量值、輸入的氧產(chǎn)量變量值,、設(shè)計氧產(chǎn)量的最大最小值,，計算出各控制回路的最終目標(biāo)設(shè)定值和當(dāng)前狀態(tài)（OK或ERRO）,；并且在從當(dāng)前氧產(chǎn)量向目標(biāo)氧產(chǎn)量的變化過程中，按照每次改變量不能超過上次氧產(chǎn)量值的5％的原則,，每5s改變一次氧產(chǎn)量值,，即每5s計算并發(fā)送一次各控制回路的設(shè)定值，并計算出完成本次變負(fù)荷所需要的時間,，再由氧產(chǎn)量和完成變負(fù)荷的時間構(gòu)成一個一次函數(shù),，這就是斜坡方程。該斜坡方程控制曲線如圖3所示,。ALC系統(tǒng)每次運(yùn)行都是按照這一計算好的斜坡方程軌跡運(yùn)行，直到運(yùn)行時間結(jié)束,。ALC系統(tǒng)控制運(yùn)行流程圖如圖4所示,。

                                                                  圖3 斜坡方程控制曲線示意圖

                                                                 圖4 ALC系統(tǒng)運(yùn)行流程圖

    　2.3 PLC局部控制

 　   PLC局部控制由4臺SIEMENS S5-115U 945和1臺三菱MELSEC A1S PLC組成，用來完成主廠房內(nèi)空壓機(jī)等大型主體設(shè)備的啟動,、停止,、運(yùn)行的邏輯控制，回路控制及運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視,。

3 通信方式

　    3.1 DCS系統(tǒng)通信方式

   　 該集散控制系統(tǒng)采用了INFI-NET環(huán),、控制總線（Controlway）和輸入／輸出擴(kuò)展總線3層通信結(jié)構(gòu)。

   　 （1） INFI-NET環(huán)是一個無主站,、封閉環(huán)路,、緩沖器插入型的環(huán)行通信網(wǎng)絡(luò)，由一對冗余的同軸電纜和相應(yīng)的通信端子單元構(gòu)成,，最多支持250個節(jié)點,，通信速率為10Mb/s。

    ?。?） 控制總線是一個1Mb/s的串行通信鏈,，最多支持32個多功能處理器，允許過程數(shù)據(jù),、文件數(shù)據(jù)和計算機(jī)數(shù)據(jù)的交換,，也能處理組態(tài)下裝和參數(shù)整定，并可通過網(wǎng)絡(luò)處理模件從INFI-NET環(huán)接收或發(fā)送例外報告,。

    ?。?） 輸入／輸出擴(kuò)展總線處理數(shù)字量I／O模件和模擬量I／O模件與多功能處理器之間的數(shù)據(jù)通信。它是一個高速并行通信通道,，其總線寬為8個數(shù)據(jù)位,，傳輸速率為0.5Mb/s。

   　 3.2 ALC系統(tǒng)與DCS間的通信

 　   ALC系統(tǒng)通過計算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)接口模塊與INFI-NET環(huán)相連,，它與DCS間的通信要經(jīng)過DCS驅(qū)動器,，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成兩個系統(tǒng)都能接受的協(xié)議形式,。通信示意圖如圖5所示。

                                                                        圖5 ALC與DCS通信

4 結(jié)束語

   　 該集散控制系統(tǒng)于1996年11月開始調(diào)試,，1997年9月20日通過考核驗收,，自動控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，控制功能和控制精度符合生產(chǎn)工藝的要求,。當(dāng)氧產(chǎn)量從70％上升到100％時,，ALC所需時間約為40min；氧產(chǎn)量從100％下降到70％時,，ALC所需時間約為60min,，耗電量是100％工況時的77.7％，大大降低了生產(chǎn)能耗,，提高了經(jīng)濟(jì)效益,。該系統(tǒng)基本達(dá)到無人控制，產(chǎn)品各項指標(biāo)均達(dá)到合同要求,，且重要的工藝參數(shù)可通過以太網(wǎng)傳送到廠級管理計算機(jī),，對于冶煉用氣的合理調(diào)度具有重要意義。