关键词：Quantum；控制；制氧机；网桥
０ 概述
随着新疆八一钢铁公司近年来产能的不断扩大，对氧气量的需求骤增，因此新建了两套20000m3/h制氧机组以满足钢铁生产的需要。
本工程采用法国施耐德电气公司Quantum系列控制器，对空分部分（分子筛系统、空气预冷系统、空分塔等）和氧压机部分进行全过程的数据采集、过程控制和紧急联锁控制，同时BM85网桥依照Modbus通讯协议与空压机和氮压机进行实时通讯，实现了各个生产过程的监视、控制与操作。
１ 系统构成及软硬件配置
１.１ 系统构成
集散系统的结构如图１所示，由２个控制站和４个监控站组成。#1控制站采用双缆热备配置，#2控制站采用单缆配置，站内通过同轴电缆配置为远程IO（RIO），控制站间使用屏蔽双绞线经交换机进行以太网通讯。另外，由于现场设备空压机和氮压机的实时数据也要进入集散系统参与显示，因此#1控制站还外挂了１个MB+网，通过BM85网桥采集空压机和氮压机送来的数据。
１.２ 软硬件配置
Quantum控制系统的CPU使用基于Intel 586技术的140CPU53414A，存储容量可达4M，其浮点运算协处理器的使用极大提高了过程控制中对模拟量处理、回路调节等的运算速度。在选用I／O模块时，出于安全的考虑，每个I／O模块上的通道数均不超过16个。所有的I／O模块均具有带电插拔功能，便于生产过程中能及时更换。
Quantum控制系统可使用Windows环境下的Concept软件进行编程。Concept 提供了模拟量处理、标准及串级PID调节、PID整定、函数发生器等多种回路调节功能，可使用仪控人员熟悉的功能块图进行编程，还可选择高级语言进行复杂数学算法。用户可针对特定应用自定义功能块并反复使用，支持功能块嵌套。
２ 工艺流程
⑴ 本装置采用分子筛净化空气的带增压膨胀机、上塔采用填料塔、全精馏制氩、外压缩流程；
⑵ 原料空气在对过滤器AF中除去了灰尘和机械杂质后，进入空气透平压缩机，将空气压缩到约0.615MPa，然后送入空气冷却塔AC进行清洗和预冷。空气从空气冷却塔的下部进入，从顶部出来。空气冷却塔的给水分为两段，冷却塔的下段使用经过用户水处理系统冷却过的循环水，而冷却塔的上段则使用经氮-水冷却塔WC冷却后的低温水，从而使空气冷却塔出口空气温度达到19℃。空气冷却塔顶部设有丝网除雾器，以除去空气中的机械水滴。
⑶ 出空冷塔的空气进入交替使用的分子筛吸附器MS。在那里原料空气中的水份、CO2、C2H2等不纯物质被分子筛吸附。
⑷ 净化后的加工空气分为两股，一股进入主换热器E1，与返流的部分污氮气和低压氮气产品换热后进入下塔C1进行精馏。另一股经空气增压机一级压缩后再分为两股，一股相当于膨胀量的空气经增压膨胀机的增压端增压后再经气体冷却器冷却，进入主换热器E1，从主换热器中部抽出，进入膨胀机ET，膨胀后进入下塔C1进行精馏。另一股气体经空气增压机二级压缩，再进入主换热器冷却，节流后进入下塔。空气经下塔初步精馏后，在下塔底部获得液空，在下塔顶部获得纯液氮。
⑸ 从上塔中部抽取一定量的氩馏份送入粗氩塔，粗氩塔在结构上分两段，第二段氩塔底部的回流液经液体泵送入第一段顶部作为回流液，经粗氩塔精馏得到98.5%Ar，2ppm O2的粗氩，经液化器液化后送入精氩塔中部，经精氩塔精馏在精氩塔底部得到纯度为99.9997%Ar的一部分精液氩作为产品抽出送入贮槽。
⑹ 从附塔顶部抽出纯氮气，行经过冷器、主换热器复热后出冷箱供用户。
⑺ 从上塔顶部引出污氮气，行经过冷器、主换热器复热后出冷箱，然后进入电加热器作为分子筛再生气体，多余气体送水冷塔或放空。
３ 空分控制系统
在空分控制系统中涉及了分子筛吸附器切换控制、污氮流量控制、膨胀机联锁控制、氩系统控制等多个回路调节，他们的调节质量直接影响空分系统能否稳定运行。其中，分子筛吸附器阀门切换和污氮流量控制是整个空分系统控制的重点和难点。
３.１ 分子筛纯化器切换控制
本套制氧机分子筛纯化系统选用卧式双层床结构的纯化器，采用吸附法净化空气中的水分、二氧化碳、乙炔和其它碳氢化合物。吸附法就是用活性氧化铝、分子筛等吸附剂在常温下将空气中所含的水分、二氧化碳等吸附质吸附，加热再生时利用吸附剂高温下吸附容量减小的特性，在把吸附质解吸出来，从而达到连续净化空气的目的。
在分子筛纯化器切换控制中，主要控制分子筛在再生过程中的阀门切换。分子筛再生过程共分５个步骤，他们是卸压、加热、冷却、升压和切换。
卸压：分子筛纯化器在较高工作压力下完成工作，而在较低的的压力下进行脱附再生。在纯化器由吸附转为再生时，首先将纯化器内的压力降下来。此时缓慢打开纯化器旁通阀对纯化器卸压。纯化器出口压力小于0.01MPa方可进入加热阶段，如卸压时间走完，纯化器出口压力仍大于0.01MPa，程序暂停。
加热：加热阶段开始后，经再生电加热器加热过的高温污氮气通过分子筛床层，对其进行加热。在加热阶段，设置了电加热器运行联锁条件，包括污氮流量小于10000m3/h停机、电加热器温度高于联锁值停机等条件，其中电加热器温度联锁值可由运行人员在监控画面上修改。同时由于在加热阶段不用全部电加热器都打开，因此还在监控画面上设置了选择键，当就地控制箱手柄打到DCS控制进入加热阶段后就自动启动运行人员选中的电加热器，减少了运行人员的工作量。
冷吹：冷吹开始后，关闭电加热器，污氮通过旁路进入纯化器，将床层中的热量带出来，从而为再次投入使用做准备。在冷吹过程末段，需要关闭相应的冷吹阀，同时打开污氮放空阀，在这两个阀门切换完后，才能开始升压步骤。由于这两个阀门总的开关时间可调，因此在程序中用总的冷吹时间减去阀门的开关时间，得到的这个时间点作为两个阀门开始切换的条件。
升压：升压开始，关闭纯化器放空阀，打开进气阀，给纯化器通入从预冷系统来的空气，对纯化器进行升压。
切换：打开再生纯化器空气进气阀和出口阀，两个纯化器都处于工作状态，使两个纯化器均压，它们之间切换不引起系统波动。
３.２ 污氮流量控制
为了稳定上塔压力和塔内组分，需保持再生用污氮流量FIC1201的稳定，而在分子筛阀门切换过程中，由于加温调节阀FIC1201A、冷吹调节阀FIC1201B、放空调节阀FIC1201C同时动作，给氮气流量FIC1201稳定造成一定的影响。因此就存在这３个调节阀匹配的问题。
在分子筛切换的不同阶段，３个调节阀的开关状态是不同的，当一个调节阀开启的同时，另一个调节阀要关闭，在这个过程中，为了保持再生污氮流量的恒定，程序设计调节阀在打开、关闭时段，阀门的开关过程分为５步，即阀门的开关呈阶梯增减，５步阶梯值可调。同时设置总的开关时间，这样每步在开度值变化时可以稳定一定时间，减少系统扰动。通过５步开度值和总开关时间设定，经过不断摸索，使阀门达到最佳匹配状态，从而保持流量的稳定。
调节阀在打开时，是按时间分５步阶梯形打开的，当阀门开度达到第５步开度值，表明阀门已开到稳态值，接着自动转为PID调节。在切换过程中，阀门输出值OP值赋给PID的输出值，这样在转换为自动调节时，就实现了无扰切换。PID调节的设定值SP值为一个定值（19500m3/h），当调节阀转换为自动调节后，阀门立刻根据现场实际值PV值与SP值的差值进行PID调节。调节阀在关闭时，自动从PID控制转为手动控制，同时给阀门的OP值赋第１梯级关度值，按时间分５步阶梯形关闭，最后将阀位输出置０。
４ 氧压机控制系统
本套制氧机配套的氧压机是杭氧生产的2TYS100+2TYS76氧气透平压缩机，设计进气压力是80KPa,出口压力是5MPa，流量是25000m3/h。
４.１ 氧压机的自动调节系统
控制系统的主要调节回路有：吸入压力及排出压力调节系统，吸入氮气压力调节系统，混合气体与氧气差压调节，轴封氮气与混合气体差压调节，轴封氧气与混合气体差压调节。
４.１.１ 吸入压力及排出压力调节系统
本系统为保证氧压机吸入压力和排出压力恒定而设。通过检测吸入压力PIC3302，调节氧压机入口导叶的开度，从而改变氧压机的流量，以保持吸入压力恒定。若由于供给氧压机的气量不足，以至于入口导叶关小到极限值，而此时吸入压力仍低于规定值时，则由程序控制自动打开高压旁通阀V3303，靠回流来维持吸入压力恒定。
排气压力PIC3309与吸入压力PIC3302经低值选择由程序判断输出作为PV值参与控制高压旁通阀V3303，另外排气压力PIC3309还作为高压放空阀V3304的PV值，参与调节高压放空流量。但是这两个调节的SP值是不一样的，应先打回流，后放空，确保排气压力不超过规定值，并且不影响其它的调节系统。
４.１.２ 吸入氮气压力调节系统
本系统为保证氧压机在作氮气运转时的吸入压力恒定而设。通过检测吸入氮气压力PIC3313，调节保安及试车氮气进口压力调节阀V3317，靠改变补充氮气量来维持吸入氮气压力恒定。
４.１.３ 混合气体与氧气差压调节
混合气与进口氧气差压PDIC3302作为混合气与进口氧气压差调节阀V3309的PV值，使调节阀通过改变开度值来保持混合气体与吸入氧气之间的差压恒定。
４.１.４ 轴封氮气与混合气体差压调节
轴封氮气与混合气体之间的差压由差压变送器送至控制系统，当差压偏离设定值时，通过调节轴封氮气与混合气差压阀V3312的开度，靠改变密封氮气量来维持差压设定值。当调节系统失效导致差压降低至低１级时报警，低２值时停车。
４.１.５ 轴封氧气与混合气体差压调节
轴封氧气与混合气体之间的差压由差压变送器送至控制系统，当差压偏离设定值时，通过调节混合气与氧气平衡管压差调节阀V3308的开度，改变由高压缸轴封氧气室流回低压缸吸入管道的氧气量来维持差压设定值。当调节系统失效导致差压降低至低１级时报警，低２值时停车。
４.２ 氧压机的正常启停和联锁停车
氧压机的正常启停包括四个步骤：启动准备，启动，停车准备，停车。联锁停车包括包括：氧压机重故障停车，机壳或端密封器温度异常停车。
４.２.１ 氧压机的正常启停
当氧压机就地机旁箱选择开关打到“自动”位置时，系统处于自动启动与控制方式。运行人员点击“启动准备”键，系统自动完成１１个阀门的开关动作，同时投入启动联锁。确认各阀门处于开车所要求的位置并且各工艺参数正常，运行人员点击“启动”键。在启动警铃响１０秒钟后，氧压机主断路器合闸，启动联锁切除，一分钟后中压旁通阀关闭，相应调节投入自动。进口压力联锁和轴封差压联锁由运行人员手动投入。
正常停车时，运行人员点击“停车准备”键，氧气放空阀全开，进口压力联锁和轴封差压联锁自动切除。打开高压旁通阀，氧压机主断路器分闸，关闭氧压机出口阀和氧气放空阀。在确认各阀门的开关状态后，运行人员点击“停车”键，氧压机正常停车步骤结束。
４.２.２ 氧压机的联锁停车
在氧压机正常运行过程中，发生氧压机重故障停车，氧压机主断路器分闸，氧气放空阀、高压旁通阀和中压旁通阀全开，氧压机出口阀关闭。氧气放空阀在全开５分钟后关闭，同时氧气进口阀关闭，此时运行显示状态从“启动”转为“停车”。
在氧压机正常运行过程中，发生氧压机温度异常停车，氧压机主断路器分闸，氧气进口阀关闭，保安氮气阀打开，紧急喷氮１分钟。氧气放空阀、高压旁通阀和中压旁通阀全开，氧压机出口阀关闭。紧急喷氮３分钟后关闭氧气放空阀，此时运行显示状态从“启动”转为“停车”。
４.２.３ 氧压机的氮试
在氧压机主断路器合闸１分钟后，中压旁通阀应该关闭。在氮试试车时，此阀的关闭由运行人员手动完成，后续的步骤同氧压机正常启动。
４.３ 氧压机２台油泵的自动切换
氧压机润滑油系统共有２台油泵，互为备用。#1油泵先启，当润滑油压力低时，系统自动启动#2油泵，当润滑油压力正常时停#1油泵，对其进行检修。如#2油泵先启，当润滑油压力低时，系统自动启动#1油泵，当润滑油压力正常时停#2油泵。这样做到“先启先停，不分主备”，提高设备利用率，同时安全可靠。
５ 与其它设备通讯
根据设计要求，现场设备空压机和氮压机的实时数据要传送到本套控制系统中用于监视，因此通过BM85网桥按MODBUS工业通讯协议采集其数据。
MODBUS协议是应用于电子控制器上的一种通用语言，通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络（例如以太网）和其它设备之间可以通信。它已经成为一通用工业标准，有了它，不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行集中监控。
通过BM85网桥，控制系统CPU与现场设备连接。在BM85网桥设置界面中设置通讯传送方式、波特率、奇偶校验、数据位个数及主从方式等。通讯形式采用主机请求，从机应答。即：主机提出命令请求，从机响应接收数据后作数据分析，如果数据满足通讯规约，从机做数据响应。在程序中，采用MSTR功能块读出传送来的数据。如图２所示。通过对MBP_MSTR功能块参数CONTROL和DATABUF设置可以对空压机和氮压机的数据进行读写。在参数CONTROL的中设置了（对空压机和氮压机传来）数据只读、读取数据的长度，网桥在MODBUS网中的地址和网桥的通讯端口。参数DATABUF则指定接收数据端的存放连续数据的首地址。
总结
八钢两套20000m3/h制氧机工程于2007年3月底全部顺利投产，自该系统投运以来，运行良好，达到了预期的效果，受到了用户的好评。
参 考 文 献
[1]陶文华，李晓峰．Quantum控制系统在焦化备煤系统中的应用．冶金自动化
[2]吴 慧．集散控制系统在宝钢72000m3/h制氧机的应用．深冷技术
[3]刘 真，张 建．20000m3/h空分设备氧压机全自动控制系统应用．深冷技术
