隨著國內經濟的高速發展，為冶金、石化、化工和航天等工業領域配套的大中型空分設備得到了迅速的發展和廣泛的應用。作為我國重大裝備工業的空分設備制造業，不但規模得到空前發展，同時空分技術也得到了迅速的發展和應用，如采用新型的內壓縮流程技術、先進的高級控制技術、更完善的安全運行和操作技術等。

概述

開封黃河空分集團為山東江鑫鋼鐵集團設計建造的26800m³/h液氧內壓縮流程空分裝置的自動控制系統，采用和利時HOLLiAS  MACS分布式控制系統，監視空分設備各個系統的運行狀態，完成數據采集、過程控制、邏輯控制和聯鎖控制等功能。該系統是一個完善、經濟、可靠的控制系統：

1)      基于PFOFIBUS現場總線技術設計；

2)      分布式數據庫，屬于C/S的體系結構；

3)      集成的OPC技術，支持超過100家的通訊協議；

4)      采用成熟的先進控制算法，對控制系統實現計算機監控；

5)      集成了DMS系統 、RealMIS系統、 ERP系統、SCM和 CRM系統等，可在智能現場儀表設備、控制系統、企業資源管理系統之間進行無縫信息流傳送，輕易實現工廠智能化、管控一體化，為工廠自動控制和企業管理提供全面的解決方案。

工藝介紹

空氣中的主要成分是氧和氮，它們分別以分子狀態存在。分子是最小顆粒，數目非常多，并且不停地在作無規則運動，因此，空氣中的氧、氮等分子是均勻地相互攙混在一起的，要將它們分離開是較困難的。目前在工業上廣泛采用深度冷凍方法分離空氣來制取氧和氮。

先將空氣通過壓縮、膨脹降溫，直至空氣液化（－173℃），再利用氧、氮的氣化溫度不同（在大氣壓下，氧的沸點為－183℃，氮的沸點為－196℃），沸點低的氮相對于氧要容易氣化這個特性，在精餾塔內讓溫度較高的蒸汽與溫度較低的液體不斷相互接觸，液體中的氮較多地蒸發，氣體中的氧較多的冷凝，使上升蒸汽中的含氮量不斷提高，下流液體中的含氧量不斷增大，以此實現將空氣分離。

空分工藝流程大體可分為空氣壓縮系統、空氣凈化系統、換熱系統、制冷系統、精餾系統、氧氣壓縮輸送系統，加溫解凍貯存系統。

一般的空分裝置生產的氧、氮產品來自上塔的低壓氧、氮氣體，經換熱器復熱后出空分冷箱，絕對壓力約為0.12MPa，然后再由氧氣壓縮機將它壓縮到所需的壓力（3.1MPa）供給用戶。液氧內壓縮流程是從冷凝蒸發器抽出液氧產品，經液氧泵壓縮到所需的壓力（約3.1MPa），再經換熱器復熱、氣化后供給用戶。即它是在冷箱內壓縮到所需壓力的，與外壓縮流程相比，存在以下優點：

1)      不需要氧氣壓縮機，由于將液體壓縮到相同的壓力所消耗的功率比壓縮同樣的氣體要小得多，并且液氧泵體積小，結構簡單，費用要比氧氣壓縮機便宜得多；

2)      液氧壓縮比氣態壓縮較為安全；

3)      由于不斷有大量液體從主冷設備中排出，碳氫化合物不易在主冷設備中濃縮，有利于設備安全運轉；

4)      變頻液體泵的應用，使產品氧氣、氮氣流量調節非常靈活，產品純度的穩定性較好。

系統配置

整個DCS系統共配置3臺操作員站（其中一臺可兼作工程師站），各個站之間采用冗余的100M以太網連接。具有數據采集、控制運算、控制輸出、設備和狀態監視、報警監視、實時數據處理和顯示、歷史數據管理、日志記錄、事故順序識別、事故追憶、圖形顯示、控制調節、報表打印、高級計算，以及所有這些信息的組態、調試、打印、診斷、系統下裝、在線增量下裝等功能。

l  工程師站（兼操作員站）功能

工程師站主要完成設備、數據庫、圖形、控制算法、報表和系統參數的離線組態及管理、系統初始化下裝和在線下裝等功能。此外，工程師站也可切換到在線的模式，運行操作員軟件，實現操作員站功能。

l  操作員站功能

操作員站主要執行操作員的命令，包括接收來自操作員的鍵盤，鼠標或觸摸屏信息，進行各種監視信息的顯示和查詢，如工藝流程圖顯示、報警監視、日志查詢、各種表格和列表的顯示和打印，或者輸入操作員的命令和參數，修改系統的運行參數，實現對系統的人工干預，如在線參數修改、控制調節等。

操作員站還可兼作打印服務器,配置打印機,實現在線自動打印和請求打印功能.

l  現場控制站功能

現場控制站通過現場總線與I/O模塊連接，完成數據采集、工程單位變換、控制運算、控制輸出、通過系統網絡將數據和診斷結果傳送到系統數據庫等功能。

網絡結構圖如下：

I/O配置清單如下：

控制方案

空分裝置從總體上分析，控制回路數較多，但從目前在現場使用的控制方案看，使用方案卻相對簡單，這并不是因為空分工藝簡單，大部分可以通過簡單回路實現，而是因為被控參數太多，且這些參數間的關聯太強，無法建立精確的數學模型，而現代控制理論基本上都是針對一定的數學模型在進行控制，因此空分裝置要想通過一般控制規律實現全自動控制或優化控制是有難度的。

l  常規控制

空分裝置常規回路部分由于工藝的特點，很多控制回路都為常規單PID控制，部分回路采用手操器控制，這些回路包括：空壓機入口導葉控制、空壓機防喘振閥控制、增壓機入口調節閥調節、增壓機防喘振控制、空冷塔液位調節、水冷塔液位調節、液空回上塔調節、液氬回流調節以及主冷液面調節等。

l  聯鎖控制

空分裝置從工藝過程特點看，屬于高壓低溫物料處理過程，工藝設備中，大型動力設備較多。為了安全起見，這些設備的啟停及運行中如有異常，均要求控制系統能做出相應反應，從而保證工藝設備的安全，這些聯鎖包括：

1）  空壓機軸承振動大，聯鎖停車；

2）  空壓機軸承位移大，聯鎖停車；

3）  空壓機軸承溫度高，聯鎖停車；

4）  空壓機軸承潤滑油低三取二，聯鎖停車；

5）  增壓機軸承振動大，聯鎖停增壓機；

6）  增壓機軸承位移大，聯鎖停增壓機；

7）  增壓機軸承溫度高，聯鎖停增壓機；

8）  增壓機軸承潤滑油低三取二，聯鎖停增壓機；

9）  膨脹機軸承溫度高，聯鎖停膨脹機；

10） 膨脹機轉速高，聯鎖停膨脹機；

11） 膨脹機軸承潤滑油壓力低，聯鎖停膨脹機；

12） 空氣出空冷塔壓力低，停預冷水泵；

13） 空冷塔液位低，停預冷水泵；

14） 分子篩吸附器阻力大，停預冷水泵

15） 粗氬塔液面低，停粗氬泵；

l  順序控制

分子篩吸附器的整個再生和工作過程，必須嚴格按照規定的控制程序和時間、壓力、壓差等條件以及前一步動作完成之后有關閥門的開關狀態來進行。一般分子篩吸附器的再生過程為：

分子篩吸附器的切換程序要能具備下述功能：在手動時能完成設定運行的時間，能直接操作現場的電磁閥，能設定相關參數；自動時，要能按設定的時序完成切換動作，當DCS系統對外動作電磁閥經數秒后，若收不到現場正確的電磁閥反饋，系統將對外發一警告信息，提示本次切換有誤，請求操作人員干預。切換整個程序原理框圖如下。

小結

該系統2008年8月份開始調試，2008年9月底考核驗收通過。自動控制系統運行穩定，控制功能和控制精度符合生產工藝要求。