关于大型空分设备仪控设计方法和DCS选型的研究

关于大型空分设备仪控设计方法和DCS选型的研究

王志威丁剑木李慧刘金龙

中国空分工程有限公司浙江杭州310051

摘要：近年来，随着科学技术水平的不断进步，空分行业也获得了较快的发展，空分设备仪器控制的方法以及DCS选型经验变得尤为重要。本文主要分析仪控系统供电方案选择、DCS主要功能、氧透中控室自动启动、变送器和分析仪的选型以及DCS系统选型，并对DCS和PLC控制系统在空分设备上的应用进行比较。

关键词：大型空分设备；仪控设计；DCS选型

1仪控系统供电设计思路

空分设备就是利用空气分离的原理生产氧气、氮气和氩气的工业装置其分离方法具体包括深冷分离、膜分离以及PSA。在实际操作环节需要进行控制系统的辅助，DCS也称分散控制系统，以微处理器为基础，采用控制分散、操作和管理集中的基本设计原则，在冶金、石化等领域得到了广泛的应用，其仪控系统的设计尤为重要，以下将对该系统的供电设计思路进行详细分析。

1.1仪控系统供电方案

在总方案的设计上，应考虑仪控系统的独立性与可维护性，其中不间断电源，即UPS的电力输出应面向整个控制系统中的所用用电设备，例如用电仪表、电磁阀接触器、机旁柜、分析仪及DCS控制系统等，并保持输送的电压恒定，为220V交流电。此外，值得注意的是，UPS不间断电源的工作方式为在线式，虽然其运行成本要高于离线形式，但是可以有效确保系统内电压稳定，并能起到一定的隔离作用。同时，为方便空分设备中不间断电源的检修，可设计备用电源，并以电路切换的方式，将其与UPS进行分离，以此达到仪控系统中供电的连续性。

1.2分散控制系统供电方案

为减少其他用电设备谐波较大时，系统内运行环境对DCS的干扰，通常情况下，相关人员应基于UPS供电模式下，设计隔离变压器以实现对DCS系统中各设备的持续供电，隔离变压器应按照DCS系统的标准要求做好接地设计，进而有效保护系统中各设备的运行安全。同时为避免系统出现突然断电的问题，设计人员在选择空气断路器时，应以电气隔离的方式为主，且保持容量在较大的范围，提高系统控制的稳定性[1]。

2DCS控制系统功能的实现

随着计算机技术的快速发展，空分设备的操作技术与经验相对成熟，相关领域的工作人员应充分认识到DCS分散控制系统的主要功能、适当降低对机旁柜的依赖，由此完善空分设备仪控系统设计理念。基于该种设计理念，在实践工作中，相关人员应根据不同操作项目的具体要求，设计不同参数的机旁仪表柜，如空透、氧透项目，可设计级间压力表和轴振动、轴位移监视器以及停车按钮。以下列举DCS控制系统实现的具体功能；

例如，空分设备中空气过滤器的排尘吹扫功能、空头启动条件的判断、事故连锁停车的实现以及工作点的动态显示等，而某些大型进口空透设备的运行同样需要DCS控制系统功能去实现。目前，DCS控制技术和各项功能的应用和PLC即可编程逻辑控制器比较具有明确的优势，二者的对比后文将会详细展开论述，这里不做深入讨论。此外，基于DCS控制技术还可实现空气冷却系统液位的自动调节、水流量的参数显示及报警、水泵的连锁启动和停车等。对于冷冻机组的控制方法而言，可采用通讯的方式，将数据信息送达DCS中，进行在线显示。

DCS控制功能还可在分子筛吸附器系统中实现，控制其操作顺序、均压阀调节以及再生氮气的压力调节、温度调节，还可对再生气的流量和蒸汽进行监控，实现对分子筛吸附器中空气的二氧化碳含量和氮气水分的检测报警。针对分子筛吸附器的控制顺序可以基于空气流量、湿度、压力以及吸附能力所形成的循环时间进行安排，由此减少空气在压缩环节出现的损失[2]。

3空分设备仪控系统的选型

3.1变送器选型

倘若空分设备的运行基于DCS控制系统实现，对于系统中变送器的选型应与DCS中智能通讯设备相匹配，由此实现对DCS中各项参数的有效调节，实现对变送器校准和具体工作状态的在线检测，合理开发DCS系统中智能变送器系统的多种功能。例如，由国外HONEYWELL公司研发的TPS系统，相关人员可选择公司旗下ST900型号的智能变送器。在智能变送器与DCS控制系统的连接方式上，可选择两种主要的连接方式；如常规的模拟量输入方式和数字通讯方式。模拟量输入方式应保持智能变送器的精度为千分之一，而数字通讯方式应控制精度在0.75‰。针对智能变送器的选择，应注重信号的准确性，倘若选型出现问题，将会严重影响系统控制的精准度和智能化。

3.2分析仪选型

鉴于空分设备的分析测点较多，多分析仪的选择应以组合形式为主，进而达到设备分析环节的经济性与合理性。近年来，由于空分行业的不断发展，分析仪的类型越来越多，有较多的公司参与分析仪的设计和生产，其产品的质量水平千差万别，相关人员应仔细分析、区别对待。鉴于目前的生产特点而言，空分设备中使用最多的是氧气分析仪，行业内以英国SERVOMEX公司生产的产品性能最佳，总之，在分析仪的选择上，相关人员应注重其型号与相关的要求一致，仪表的参数标准也应满足工艺流程，在使用环节应重点考虑分析仪的经济性与耐用性。

3.3分散系统选型

空分设备中DCS控制系统对硬件环境，如电源性质、中心控制器、通讯设备、AO/DO卡等都有明确的参数要求，且相关的标准应与智能变送器的规定相一致，以此实现相关的控制功能。而软件方面，一般要求具有较强的逻辑功能，如与门、或门、非门、R-S触发器、以及相应的比较模块和选择模块，也包括计时器、马达控制和阀门控制等，具有较强的控制语言编程功能。以外，分散控制系统还要求与组态工作具有良好的界面，即系统可根据相关要求向组态工程师提供内部数据作为组态工具使用。

根据行业内经验，基于DCS控制系统的空分设备功能是否先进可靠，应判断过程连接中的控制站性能。空分设备的运行条件可看成一个整体，倘若DCS控制系统中一个控制站能够包含所用的观测点，并且保持适当的存量，便可实现对资源的节约，也可有效避免多台设备相互连接对通信设备的干扰。现阶段，空分设备被广泛应用于电力、冶金、化工等多个领域，对设备的可靠性要求较高，因此，设备中分散系统DCS的选型变得尤为重要，针对DCS尤其是控制站的配置要求较高，一般情况下需要控制站的电源设备、控制卡CPC、通讯均为冗余设计。值得注意的是，针对电源设备的冗余设计应做到一个电源对应多个控制器，保证其运行环境不受控制器切换的影响，其中也包括对所有控制卡和I/O卡的供电，期间也要求DCS系统具有较强的在线组态、修改和下载功能。

3.4系统选型原则

在空分设备控制系统的选型环节，应坚持可靠性与实用性的原则，可靠性原则要求系统在固有的条件下，按照规定时间完成其特定功能的能力，反映的是系统长期稳定的工作状态。一般情况下，空分设备包含复杂的机组，其内部零件较多、运行程序复杂且周期长，且大型的空分设备通常被用于冶金、化工行业，一旦控制系统出现故障将会严重影响企业生产，造成巨大的经济损失。因此，相关领域工作人员应提高技术应用标准，强化系统运行的稳定性和可靠性。

而实用性原则是指系统应完成本装置中所用的功能、实现其应用价值。一般情况下，要求控制系统的控制卡即CPU、通讯设备、电源冗余配置可以和智能变送器实现智能通信，由此实现子系统的在线组态、修改和下载功能，这也是空分设备对控制系统DCS的基本要求[3]。

4DCS和PLC控制系统在空分设备上的比较

DCS分散控制系统与PLC可编程控制系统是控制领域的两大分支，PLC以取代电路回路中的中间继电器为主要思想，具有扫描速度快、电路配置简单的优势特点，适合以开关量为主的空分设备。而DCS是以过程控制为主导思想的控制方法，应用在电力、化工领域，旨在取代常规的控制仪表，如显示仪、记录仪、调节器等，具有功能强大、运行可靠、安全耐用的优势。因此，技术人员在实际的运行操作中，应根据空分设备的具体要求选择合适的控制系统。

但是，值得注意的是，空分设备的工艺流程多发生在化工、冶金行业，这一点从DCS在空分设备上的功能实现也可看出，而基于PLC系统控制的方法多应用在供电企业。因此，在实际的系统应用环节，相关人员应结合具体的应用环境，选择合适的控制方法。空分设备的控制系统选型和配置应具有较高的要求，以期实现企业生产经营的稳定性，不仅要求DCS控制系统达到行业的标准，也需要对电源、控制器以及通信冗杂等做出合理的要求与配置。随着技术发展水平的进步，一些空分设备上已经完成了AO卡冗余的配置，实现对空分设备上调节回路，例如空透、氧透等阀门的有效控制，增加DCS控制系统的稳定性。

结论：总之，随着科学技术的不断空分设备的发展，DCS系统的控制功能也获得相应的完善，DCS和PLC两个控制系统之间的界限正变得日益模糊，但是实际应用环节，仍存在一定的范围限制，大型空分设备还是以DCS系统控制为主，并且在空分设备中重要阀门的控制中，DCS分散控制系统具有明显的技术应用优势。

参考文献：

[1]张卫，胡美勇，陆菁钟.煤制气项目配套特大型空分设备的选型和优化[J].深冷技术，2015（05）：29-33.

[2]王海涛，周芬芳，褚瑞华.120000m~3/h等级空分设备配套阀门选型[J].真空与低温，2014，20（03）：183-186.

[3]赵岩.火电厂DCS热控系统的选型设计在优化机组运行方面的作用[J].科技传播，2012，4（17）：165-166.