大型制氧机DCS系统的应用与调试

总第１０４期２００６年第４期

文章编号：１６７２－１１５２（２００６）０４－００３２－０３

山西冶金

ＳＨＡＮＸＩＭＥＴＡＬＬＵＲＧＹ

Ｔｏｔａｌ１０４Ｎｏ．４，２００６

大型制氧机ＤＣＳ系统的应用与调试

岑贞位

牛向荣

上海

（上海十三冶建设有限公司，

２００９４１）

摘要：介绍了武钢第Ｈ台制氧机过程控制系统的结构，并以喘振试验为例总结了ＤＣＳ系统调试的实践经验。

总线

冗余

喘振

收稿日期：２００６－０６－２９

文献标识码：Ａ

关键词：集散型控制系统中图分类号：ＴＰ２０６

集散型控制系统（以下简称ＤＣＳ系统）是采用标准化、模块化和系统化设计的，以通信网络为纽带，由过程控制级、控制管理级、生产管理级等组成的，利用计算机实现集中管理，分散控制的多级计算机系统。上海十三冶建设有限公司承担了多台大型制氧机工程施工，在大型制氧机仪表安装与调试，特别是ＤＣＳ系统调试方面积累了丰富的经验。现以武钢第Ｈ台

２．１总线

Ｉ／Ａ系统中的总线包含节点总线和现场总线两

种。节点总线由不同的站构成。工作站处理机、应用处理机、控制处理机的每一个站都通过节点总线连接。现场传感器、阀门等仪表设备通过现场总线和控制处理机相连。容错控制处理机由主控制处理机和冗余控制处理机组成。

节点总线的类型是冗余串行总线，以ＣＳＭＡ／ＣＤ作为通信协议，节点传输速率为１０Ｍｂｐｓ。ＦＯＸＢＯＲＯ公司现场总线符合ＩＥＥＥ１１１８协议标准。

６００００Ｎｍ３／ｈ制氧机ＤＣＳ系统调试为例，简述一些经验。

武钢第Ｈ台制氧机过程控制采用ＦＯＸＢＯＲＯ公司智能自动化集散控制系统（以下简称Ｉ／Ａ系统）。该系统组件小、寿命长，组态和维护方便，具有良好的控制、数据采集和通信功能，也具有较好的性价比。

２．２处理机组件

ＦＯＸＢＯＲＯ公司的Ｉ／Ａ系统充分体现了ＤＣＳ系

统分散控制的特点。它将系统功能分解为处理机、现场总线等组件。处理机组件提供多种接口；现场总线能够为现场仪表设备提供现场总线型接口和模拟量接口。工作站处理机提供系统和用户之间连接的接口，处理应用处理机等系统的图像和文字数据，并送

１Ｉ／Ａ系统的网络结构（见图１）

每一个载波带局域网最多可接１００个节点。总

线冗余要求每一条总线需２个扩展器，每个节点最多可接包括节点总线、扩展器和载波接口在内的６４个站。为了确保整个网络通信安全可靠，节点总线是带冗余的，可以选择一个容错的载波带局域网，也可以在网络中的任一合适位置选择一个容错站。

ＣＲＴ显示；控制处理机主要负责过程控制，如：逻辑、

顺序、调节、数据采集与计算、联锁与报警等等；应用处理机作为一个站通过节点总线实现数据采集、数

据管理、生产控制、功能组态和软件开发等；通信处理机实现系统出错报警、报警、电子报表与打印、数据备份、提供通信接口等等。

２系统组成

载波带局域网

…节点

节点

载波带接口

带冗余的节点总线

…

站站节点总线扩展器…

２．３

站

节点总线扩展器

现场总线组件（ＦＢＭ）

控制处理机与现场传感器、变送器、

节点

图１

站

其他检测仪表、阀门之间的连接通过ＦＢＭ

通信网络结构图

接口来实现。

第一作者简介：岑贞位，男，１９７２年生，现为上海十三冶金建设有限公司设备安装分公司工程处主任兼主任工程师，从事电气仪表安装与调试，工程师。Ｔｅｌ：０２１－５１０５２６０６，Ｅ－ｍａｉｌ：ｃｚｈｅｎｗｅｉ＠ｓｉｎａ．ｃｏｍ

２００６年第４期

岑贞位，等：大型制氧机ＤＣＳ系统的应用与调试

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２．４电源系统

该系统采用双路交流方式供电，一路为直送交

Ｐ２Ｐ１

从过程观察压缩机不稳定的喘振区域。但实际工作在稳定区域最小流量Ｖｍｉｎ

Ｓ防喘振控制器开始起作用，防喘

振阀打开，控制器维持的最小流量由控制线的给定值来确定。由于压力的上升流量由Ｖ１减至Ｖ２，工作点逼近喘振线。

流电，另一路为ＵＰＳ提供的交流电。

②虚拟工作点

②

不稳定区域

控制线

喘振线

稳定区域

由于压力由Ｐ１上升到Ｐ２，流量的减小量

通过喘振阀的流量

过程的减小流量

Ｓ

３

Ｉ／Ａ系统软件

Ｉ／Ａ系统软件采取模块化设计模式，包括连续控

①

①最初的工作点有

恒定的速度和恒定的可调叶片设置

流程画面、报警画面等显示软件模块等。该系统兼容性好，可在线和离线进行系统优化。

压缩比，Ｐ２／Ｐ１

制、顺序控制等集成化控制软件，总体和分组画面、

可调叶片的开度

４４．１

系统调试仪表调试

系统调试以前，应完成仪表单体调试，ＵＰＳ正常

Ｖ２ＶｍｉｎＶ１

通过压缩机的最小流量

过程的正常流量

供电，完成程序与通信测试。对每个过程控制系统回路和由ＤＣＳ系统控制的电气控制系统回路进行操作试验，确保回路的动作状态正确，以及阀门和其他执行机构的动作与系统控制状态正常。

体积流量，Ｖ

图２喘振曲线图

置不一致，过程阻力增加，同时运行状态沿着可调叶片开度线移至点Ｓ。为了防止流量降至防喘振线以下，防喘振控制系统开始打开防喘振控制阀，防喘振控制器不断地调整防喘振阀。直到流量减至Ｖ２时，通过防喘振阀的流量等于流量的最小值Ｖｍｉｎ，这个值由给定值来确定，并作为放散压力Ｐ２的函数。如果压缩机的速率或可调叶片的开度没有受到任何干扰，点Ｓ将在防喘振控制器的调节下得以保持稳定。

通过观察，由于压缩机只处理流量Ｖ２，所以在不稳定区域中的一个虚拟点②处工作。但通过防喘振阀排出一定气体来平衡压缩机，工作在控制线的点Ｓ上，因此压缩机仍工作在稳定区域内。

防喘振控制系统的作用主要有以下三个方面：流量调节器给定值和实际的工作点测量值的计算；通过闭环ＰＩＤ调节，保持实际的工作点在稳定区域；如果工作点跨越控制线向喘振线移动，附加调节装置开始起作用。

防喘振控制曲线图见图３。将压缩机的瞬时压缩比与压缩机入口的体积流量对应起来作为控制参

压力极限控制器

４．２冗余试验

分别模拟参数、数据、工况，对３套冗余控制站、

节点总线、回路、系统逐一进行试验，检查相关设备，特别是节点总线、控制站处理机的冗余情况，冗余控制处理机与主控制处理机实现同步数据更新情况。

４．３喘振试验

气体压缩机（特别是空压机、氧压机、氮压机等

大型的压缩机，以下简称）随着压缩气体“三大机”压力的增加，气体回流产生喘振现象。压缩机发生喘振，可减小、放散压力或增加吸入压力，使压缩的高压气体继续向前流动，直到压力再次上升到喘振点。只要压缩机内流动气体的条件不发生变化，周期性喘振将会持续发生。喘振和振动伴随着压缩放热过程对机器设备将产生破坏性的影响，因此，系统对都采取了防喘振控制。“三大机”

保持充足的向前流动的气体通过压缩机能预防喘振的发生。防喘振控制器监视压缩机运行检测参数，并与喘振出现时的最小流量点进行比较。运行状态由以下三个变量来描述：压缩机的压缩比Ｐ２／Ｐ１（或压缩机的顶点△Ｈ）、实际的体积流量、入口可调叶片的开度（或速度），见图２。如果运行状态到达最

④

③

②

加１

控制线的位移

①

压缩比，Ｐ２／Ｐ１

喘振线ＳＬ

安全线

小流量值Ｓ点，防喘振控制器要通过调节喘振控制阀让部分气体排空或返回入口循环。流量增加，运行点又回到稳定区域。压缩机运行在稳定区域时（图中曲线位置１），系统给出压缩机恒定的速度和可调叶片设置参数。由于工况的突变等原因使流量从Ｖ１减小至Ｖ２，压缩机出口气体流量与可调叶片开度的设

ＳＦＬ

控制线＝

给定值

到安全线的距离喘振流量的３％

到喘振线的距离喘振流量的１０％

可调叶片的开度

体积流量，Ｖ

给定值过程值１

图３防喘振控制曲线图

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山西冶金第２９卷

数。如果流量降至喘振线以下，压缩机就会发生喘振现象。系统在喘振临界线右侧大于喘振流量１０％的位置设定喘振控制线，在喘振控制线位置开始调节喘振控制阀，实现防喘振控制。

在喘振临界线与控制线之间设置了一条安全线

ＨＢＰｒｏｔｒｏｎｉｃ

文本显示：用与显示标签或不同的菜单过程指示值

设定值

回路指示：正常时显示１

报警时显示Ａ状态指示参数调节按键

Ｉｎｄ

ｘｉｃ７６０．０１ＰＶ７０．１％Ｓｘｔ３９．９％

１!"

Ｓｐｔｕ

ＳＦＬ。运行状态远离喘振区，流量降到安全线右侧，支

持正常闭环控制作用的开环控制作用，开始阻止流量下降。当工作压力大于设计压力时，防喘振阀及放散压力控制器动作。压缩机正常工作在控制线的右边

多功能按键菜单选择键

Ｅｎｔｅｒ

Ｌｏｃｐ

Ｅｓｃ

Ｍｅｎｕ

确认键手动调节键

①处时，防喘振阀全关；压缩机工作在控制线上（过

程值＝给定值）②处时，流量控制器打开防喘振阀，调节控制器的偏差，增益乘法逻辑开始增强控制作用；压缩机工作在安全线上③处时，阀门步骤逻辑将使控制器的输出量增加１０％，控制线将不断向右移；压缩机工作在喘振线上④处时，阀门步骤逻辑将使控制器的输出量增加到７５％。

由于氧压机的危险性极高，为了能更迅速、准确地对氧压机进行防喘振控制，ＭＡＮＴＵＲＢＯ公司采用了ＡＢＢ厂生产的Ｐｒｏｔｒｏｎｉｃ５００系统，并根据压缩机的防喘振原理对其系统进行了组态，形成了氧压机的防喘振调节控制系统，见图４。状态显示“：１”是表示防喘振系统已经加载是表示防喘振系统“；２”的斜坡功能已经运行。

操作ＤＣＳ系统对防喘振系统进行加载，回流阀得电，调节器的状态指示为加载状态。随之，调节器内部的斜坡功能将被投入运行（即对回流阀进行缓慢关闭）。同时内部计算功能块将根据公式计算压缩机的出口流量和出口压力的实时数据与喘振点（即设定值）的偏差，将其数据送至ＰＩＤ功能块。其输出信号与来自ＤＣＳ的手动控制信号进行低选后，送回流阀完成对回流阀的控制。

在设备联试前，需要分别对“三大机”的防喘振控制系统通过喘振试验设定。试验时压缩机的可调叶片分别开至不同的开度，压缩机处于喘振状态，系

０

１００

调节器输出指示灯

设定值指示灯（绿色），过程值指示灯（红色）

图４Ｐｒｏｔｒｏｎｉｃ５００系统

统以最快扫描速度扫描其喘振情况，并得出一条喘振曲线。将喘振曲线输入防喘振控制器设定值，运行系统检查压缩机的喘振及控制效果，直至符合林德技术标准。

４．４紧急停车试验

武钢第Ｈ台制氧机采用Ｈｉｍａ系统作为“三大

机”的紧急停车保护系统。该系统速度快、工作性能稳定。Ｈｉｍａ系统接收现场停车条件、参数计“三大机”算和监控停车条件，与Ｉ／Ａ系统之间以ＢＵＳ总线通讯，互相交换数据。其传输速率为９６００ｂｐｓ，采用偶校验方式。该系统与主控制处理机实现同步数据更新，同步比较运算和控制结果，及时发现错误，判断停车条件。作为Ｉ／Ａ系统的冗余，在系统判断错误、故障与失效时，实现紧急停车，起到了双保险的作用。

５结语

调试后的武钢第Ｈ台制氧机运行状况稳定、性

能良好。该调试经验被广泛地应用于上海十三冶建设有限公司承担施工的其他制氧机项目，效果良好。

（责任编辑：苗运平）

ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎａｎｄＤｅｂｕｇｇｉｎｇａｂｏｕｔＬａｒｇｅＯｘｙｇｅｎｅｒａｔｏｒ!ｓＤＣＳ

ＣＥＮＺｈｅｎｗｅｉＮＩＵＸｉａｎｇｒｏｎｇ

（ＳｈａｎｇｈａｉＭＣＣ１３ＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＣｏ．，Ｌｔｄ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２００９４１）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅｐｒｏｃｅｓｓｃｏｎｔｒｏｌｏｆＨｏｘｙｇｅｎｅｒａｔｏｒｉｎＷｕｇａｎｇｉｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ａｎｄｔｈｅｐｒａｃｔｉｃｅｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅｏｆＤＣＳ!ｓｄｅｂｕｇｇｉｎｇｏｎｔｈｅｓｕｒｇｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｉｓｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ，ｂｕｓ，ｒｅｄｕｎｄａｎｃｙ，ｓｕｒｇｅ

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