0 前 言
空分设备广泛应用于冶金、化工、石化等领域，其长期、稳定、可靠运行的重要性不言而喻，对承担其控制功能的集散控制系统(DCS)配置的要求相应也很高。宝钢分公司集中了亚洲最大的空分群，在现场实践中，积累了较多空分设计、生产、维护的经验，并将其应用于国产第一台6万m3／h空分(下文简称为该空分)的自主集成实践，取得了成功。
1 空分控制系统选型
控制系统是空分运行的大脑，如果选型不当，不仅会导致空分产品产量、质量不能达标，还会给设备的正常运行带来安全隐患，造成较大的经济损失。目前世界上成熟的DCS系统很多，原则上，任何DCS系统都可以选用，但每个工业领域都有自己特殊的要求或特点，每个区域也有自己的使用习惯，每一种DCS系统也有自己的某一特定优势和设计思路，不是任何DCS系统都能很好地满足或适应空分行业的要求。
在控制系统的选型工作中，对相关系统的预先了解是非常重要的。随着各DCS厂家竞争越来越激烈，有必要对各系统价格、性能、服务等各个环节有充分的认识，这样才能在设备交流和谈判中掌握主动，进而做出正确的决策。
1.1 可靠性
空分设备包括的机组、设备较多，过程较复杂；大型空分设备绝大多数应用于大型冶金和化工、城市煤气化等领域，若系统出现故障影响生产，会造成巨大经济损失。因此，可靠性是放在第一位的因素。而系统的可靠性是在系统的设计阶段就产生的，在生产制造阶段得到保证，在使用阶段得到实现和确认。重点应注意以下几个方面：
1.1.1 系统不易发生故障原则
系统应有较高的固有可靠性，制造商有严格的可靠性设计和可靠性生产保证措施。对用户的安装运行环境则要求较宽(如接地要求、环境温湿度等)。
1.1.2 系统运行受影响最小原则
DCS是一个复杂的系统，包括的设备也较多，不可避免地会出现故障，要求部分部件出现故障后不影响系统的控制运行，或影响尽可能小。这就要求系统在设计时必须结构合理，故障隔离技术较好，故障不易扩散。此外，系统应有较充分的冗余措施，如控制器、通讯卡、电源要求冗余，多个操作站之间性能最好相同，均能同时兼有组态和操作功能的配置。
1.1.3 迅速排除故障原则
系统故障应在尽可能短的时间内得到排除，因此要求系统有较强的自诊断功能，有准确的故障指示，支持方便的组件更换功能，应有模板带电插拔更换功能。在调试中或系统投运后，总会有I／O点和功能的调整修改，因此如果具有较强的在线下载功能，将会为设备维护带来很大方便。
1.1.4 系统的可维护性
系统的可维护性是指可修复系统排除故障的难易程度，应重点注意以下几点：
(1)系统的固有维护性。即系统硬件和软件本身排除故障的难易程度，如系统是否有完善的自诊断功能及准确的故障指示功能，模板更换是否容易，在线修改下载功能是否强等。
(2)维修的经济性。是衡量购买备品、备件价格的指标。在许多情况下，有些制造商提供系统时价格较低，但在订购备品、备件及提供服务时，价格很高，而且越是后来越高，给用户带来了很多麻烦。
(3)维修资源的获取方便程度。包括系统的备品、备件是否容易获得，以及售后的技术支持是否容易获得等。
(4)制造商所提供的系统是否将要停产或淘汰，停产淘汰之后备品、备件能提供多长时间。
(5)DCS系统更新换代的连续性。应考察每个制造商的技术发展情况及更新换代的做法。有些系统一直保留着连续性或可升级性，例如FOXBORO的I／A’s系统从投入市场开始，其基本结构始终保持不变；硬件品种少，系统容易扩充；除工作站外，系统硬件的升级和软件的升级相互独立；用新产品替代旧产品时系统改动少。这样生产现场所有I／A’s系统的备件可统一考虑，备件品种少，基本可以相互借用，尽可能发挥每一种产品的作用并减少备件库存。
1.2 实用性
实用性是系统完成本装置中所有要求的功能的能力和水平。一般要求DCs控制器(CPU)、通讯和电源冗余配置，完善的在线组态、修改和下载的能力，较强的自诊断能力。I／A’s系统的冗余和容错设计简单、实用、可靠。各级通讯总线是冗余的，控制器可选择容错，重要回路也可选择冗余。在线更换冗余和容错备件对通讯和控制完全没有影响。
系统的实用性还具体体现在系统完成各控制功能的能力和水平，信号处理精度和速度，人机界面的友好性，系统信号接线的方便程度等。
1.3 先进性
DCS技术发展得很快，性能水平越来越高，而价格越来越低。在评估和选择DCS时应该认真考虑，避免选择一个即将被淘汰的系统，而尽量选择在满足可靠性和实用性要求的前提下最先进的系统。
系统的先进性不仅体现在所采用的CPU的位数和内存的容量，还有系统是否符合DCS最新发展状况及水平，是否采用了先进的国际标准，体系结构是否符合最新发展趋势，软件平台与控制策略是否先进等。DCS的开放性也是应考虑的重要方面。
DCS的开放性应包括硬件、软件、通信、操作系统、数据库管理系统等多个方面。它们都应遵循标准或国际协议，使它们真正能够具有通用性。例如I／A’s控制系统充分吸收通用计算机的成果，选用INFORMIX这种标准化的关系数据库作为数据管理系统，用于对系统接受或产生的数据进行存储、操作和检索。在I／A’s控制系统中，历史数据库存放在应用处理机(AP)上，实时数据存放在控制处理机(CP)上。为适应实时性要求，有些数据同时存放于操作站处理机(WP)上，用于过程显示。
此外，还应注意系统是否能实现公用接口关系及其实现方式，接口软件是否开放，改动是否容易等。
2 空分控制系统的设计方法
2.1 充分发挥烈葛功能 适当减弱机旁柜功能
目前计算机功能越来越强，性能也越来越稳定。因此充分发挥Dcs系统的功能、适当减弱机旁柜功能，成为该空分控制系统设计的一个指导思想。在设计中，对空压机、膨胀机、氮压机、氧压机等机组的现场控制盘只保留了启、停操作按钮以及一些必要的信号指示，削弱了其他一些控制功能。这样，大大减少了故障点以及设备维护的工作量。
2.2 仪控系统供电方案的设计
仪控系统供电方案应考虑仪控系统供电的相对独立性、安全性和可维护性。在该空分设计中，设立了单独的配电柜，采用UPS及220 V市电双回路电源供电，负责整个仪控系统内的各个用电设备，如机旁柜、分析仪柜、振动柜、电磁阀及DCS系统的控制机柜、工作站等设备的供电。鉴于电磁阀在空分生产中的重要性，每一电磁阀均单独设置了空气断路器，以便独立更换。
2.3 DCS系统实现的主要功能
(1)各压缩机组的控制。主要实现原料空压机、产品氮压机、氧压机启动条件的判断，轻、重故障报警及连锁保护，喘振区域的识别及防喘振保护，油泵的自动启动以及其他油加热器等设备的控制。
在该空分空压机防喘振控制的设计与实现中，充分考虑了压缩机运行点的流量、压力以及移动速度对机组喘振的影响，并在控制中利用多种手段调节防喘振阀的开度，包括PID调节、瞬时累积调节及动态自动调整控制参数(包括流量设定参数及相关PID参数)等。与以往的引进设备防喘振控制逻辑相比，增加了防喘振阀动作异常判断保护。采用以上设计方案后，压缩机稳定地运行在控制区域，达到了稳定、节能的目的。图1为空压机控制流程图。
图1 空压机控制画面
此外，在DCS监控面面上实现了压缩机组运行点的动态指示，如图2所示。使操作人员对机组运行位置以及与控制线、喘振线的距离都能一目了然，便于操作人员必要时尽可能快地干预设备运行状态，减少了故障的发生。
图2 空压机控制线与实际运行点
(2)预冷、纯化系统的控制。主要实现空气预冷系统液位自动调节，水流量等参数的显示及报警，水泵的连锁启动和停车等。
分子筛纯化系统采用顺序控制实现。实现了均压阀的自动连续调节，再生气的压力调节，再生气的温度调节，再生气的流量或蒸汽的流量调节，出分子筛吸附器空气中二氧化碳含量和出蒸汽加热器污氮气水分检测报警，以及有关的压力、温度测量等。在分子筛均压阀的控制中，将A、B两床的压差作为调节器的设定值，通过压力一时间函数改变设定值来控制均压阀动作，收到了很好的效果。此外，分子筛各切换阀均设置了手／自动切换按钮，切换至手动方式时，可由操作人员直接操作，便于阀门调试。
(3)膨胀机的控制。主要实现膨胀机的启动条件准备及判别，事故连锁停车，防喘振控制，油泵的控制，增压空气出冷却器后含水量检测报警，转速及有关温度、压力参数的监测等。
在该空分膨胀机的控制设计中，取消了现场盘防喘振控制，改为由DCS系统实现，取得了较好的效果。
(4)空分系统的控制。主要实现上下塔、主冷、精氩塔等工艺流程各参数的指示、调节及故障报警、连锁保护功能。在该空分控制设计中，实现了循环液氧泵、循环液氩泵及产品液氩泵的自动切换(各液体泵均为2台配置，正常工作时为一用一备)。即在使用的液体泵因故障卸载或停止运行后，备用泵能及时启动，且在极短时间内达到原来的工作状态，减少了设备故障对空分工况的影响。
3 大型空分控制系统的维护
3.1 故障检查和排除
3.1.1 卡件通道故障
卡件通道故障出现较多的是I／O卡件故障。一般通过系统诊断，调换通道或通过更换备件即可处理。这类故障在调试阶段出现较多，正常运行中出现几率较低。在宝钢分公司制氧系统的DCS维护工作中，一般要求每周对相关设备至少检查2次。通过观察卡件工作状态或系统软件进行检查，可及时发现I／O卡件、通讯卡件以及控制器存在的异常或故障。目前许多DCS产品都支持卡件热插拔，这都为故障的及时排除提供了有利条件。但在运行中更换卡件或调换通道前，应明确该卡件上其他信号有无重故障连锁，否则有可能引起保护动作，影响空分的正常运行。同时，应做好安全防护措施，避免影响其他工作正常的卡件。
3.1.2 操作站死机故障
操作站死机故障在国产及进口设备中均有发生，原因也较多，特别是Windows操作系统的操作站。硬盘或卡件故障、操作站CPU风扇负荷过重等都会导致死机。通过硬盘备份、定期对操作站进行精密点检等可有效预防这类故障。
3.1.3 打印机不工作
打印机不工作一般是由于配置的原因，在设备调试初期发生较多，应检查打印机的设置及其硬件是否正常，打印纸的不正确安装、走纸异常有时也会导致打印机工作异常。
3.2 日常维护管理
DCS系统涉及到较多方面的工作，做好日常的维护管理对DCS系统的稳定运行有很大意义。
3.2.1 日常点检工作
系统日常点检是DCS系统维护最重要的工作之一。通过系统自诊断工具，系统设备存在的大部分异常或故障可及早发现和处理。同时，通过查看各种卡件指示灯状态及系统工作环境等也可有效把握设备工作情况。
3.2.2 软件的备份管理
宝钢分公司对控制软件的管理有严格的要求，每年都要求对控制软件进行备份，尤其是对控制软件进行修改后更应该及时备份，并做好修改记录。
3.2.3 冗余设备的有效性试验
应定期对冗余设备如电源、通讯卡件、控制器等设备进行有效性试验。通过冗余切换，可及时检查相关设备是否存在异常。
3.2.4 备件的有效性试验
由于DCS系统的各种设备性能一般都比较好，使用寿命各不相同，而一旦故障后会对空分的正常生产带来较大的影响。因此有必要利用各种机会，有计划地对备件进行上机测试，确保使用性能良好。与供货商保持有效的沟通，及时获知系统升级、淘汰以及备件停产等信息，并采取相应的措施。
4 大型空分控制系统在宝钢分公司的发展
客观地讲，独立的大型空分控制系统的发展目前已比较完善，也不乏设计和生产维护经验。若要进一步发挥Dcs的优势，就需要从系统的角度分析和解决问题，进一步提高空分系统的整体性能。
4.1 区域内的系统数据集成
为满足不断加快的空分生产节奏以及空分运行的经济性要求，用于生产调控和优化所需要的数据和信息越来越多，数据的全面性和实时性要求也越来越高，这样，就要求充分利用DCS系统的开放性，大力提高空分区域信息的集成度。对区域内各DCS系统基于开放性通过网络连接，建立公共信息平台，将各个生产区域各台空分的生产信息进行实时集成共享，不仅是可能的，而且是必要的。同时，在此基础上，可以将空分系统的生产信息通过企业局域网乃至INTERNET网络进行共享，相关人员通过授权即可访问有关数据，这必将提高空分生产的管理水平，加快故障的分析和排除速度。
4.2 区域内的系统安全保护
空分建设和设计时，通常都会考虑空分的安全连锁。随着设备的不断投产，区域系统安全问题越来越彰显。在宝钢分公司制氧区域，由于各台空分建设的时间有先有后，各台空分与产品压缩机之间的关系较为单一(每台空分都配备有相对固定的产品压缩机)。如果空分故障，相应的压缩机也不能工作；反之亦然。这样，就限制了设备有效利用率的发挥。如果将空分生产、产品压缩按照结构化考虑，则各台空分与产品压缩机就会形成一对多、多对一的格局。这无疑对激发机组的最大生产潜能、提高空分生产、降本增效以及优化设备故障的应对策略都是有益的。
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本文标题：特大型空分控制系统的选型设计与维护
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