基于西门子PLC的空分透平压缩机控制系统

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近年来，由于世界经济的全面复苏以及中东和海湾地区的不稳定局势，导致世界石油价格不断飙升 ，我国石油消费的对外依赖程度越来越高。从我国自身已探明的化石类能源矿产资源来看，煤炭资源占92.7%，基本上能自给自足，而石油资源只占5.9%，呈现富煤少油”的特征ll。因此，自上世纪末以来，我国开始大力发展煤化工特别是煤制油产业，以部分替代石油资源。煤化工的基础首先是煤气化，而煤气化需要大量的氧气与煤炭及水蒸气进行水煤气反应。此外，生产中还需要大量氮气作为保护气体，用于煤粉的输送、置换和干燥≌分装置就是用来分离空气组分并生产氧气、氮气和其他稀有气体的工业设备≌分生产装置广泛应用于冶金(钢铁与有色金属冶炼)、石油化工、化肥、乙烯、煤化工等行业网。随着世界煤化工产业的蓬勃发展，煤化工已经逐渐超越冶金行业，发展成为世界上最大的氧气用户，对空分设备的生产规模和自动化程度的要求也越来越高目。

基于西门子 PLC和InTouch组态软件的集散控制技术有助于实现空分透平压缩机组等空分生产装置的自动化监控。西门子可编程控制器以其适应性好、可靠性高、功能强大、灵活通用的诸多优点，已经广泛应用于电力、机械、冶金、化工等现代工业控制领域 。其中的西门子 $7-300系列 PLC属于拈化中小型PLC系统，主要由CPU拈、电源拈、接口拈、信号拈、功能拈等不同设备组成。具有PROFIBUS-DP和MPI等多种不同类型的通讯接口目，软硬件集成度高，内部集成功能丰富，联网能力强，适合用于煤化工行业配套的空分装置等被控对象。某公司发布的InTouch软件是业内第-个基于组件的MMI(Man Machine Interface，即人机界面)系统 Factory Suite 2000中的核心组件。InTouch拥有面向对象的图形用户开发环境和强大的 QuickScript脚本功能 ，通过其内置的I/O Server可以方便地与空分生产现池制器相连161。利用 InTouch组态软件可快捷、高效地开发空分透平压缩机组监控系统的图形用户界面。

2空分工艺流程简介在上述煤化工行业应用中，生产过程同时需要使用大量的氧气和氮气，因此配套的空分生产设备-般采用压缩循环深度冷冻分离法～空气冷却为液态后，使用空压机、氧压机、氮压机等空分装置，利用空气中各种气体组分沸点的不同，经过精馏过程来稿日期：2012-06-14基金项目：十-五”国家科技支撑计划子课题(2008BADA8B04-2-1)作者简介：张晓东，(1980-)，男，山东青岛人，硕士，讲师，主要研究方向：工业过程控制、嵌入式系统；李秀娟，(1963-)，女，吉林乾安人，教授，主要研究方向：嵌入式系统，计算机应用技术第4期 张晓东等：基于西门子 PLC的空分透平压缩机控制系统 157逐步从空气中分离生产出氧气、氮气和其他惰性气体。深度冷冻空分技术是目前使用较多的空气分离方法，某煤化集团煤制油分公司 12000Nm3/h空分生产装置工艺流程总貌图，如图 1所示。其基本工艺流程包括：原料空气经空气吸人塔引入后 ，首先流经空气过滤系统除尘过滤，除去灰尘和颗粒杂质。动力系统(多级空气透平压缩机 )对过滤后的空气压缩做功，为后续的低温分离过程蓄能。经过过滤和加压后，高温空气进入空冷系统(空气预冷塔)进行预冷，以便充分利用冷量，降低能耗。冷却后的空气被送人空气净化系统(分子筛纯化系统)进行吸附、提纯、净化、防爆，除去空气中的水蒸气、二氧化碳、乙炔及其他碳氢化合物等对空分设备有害的成分。经净化的空气在制冷系统(膨胀机)中进行膨胀降温，气体温度急剧降低，并通过热交换系统实现能量传递，充分提高其经济陛。经过-系列的过滤、压缩 、预冷、净化、膨胀工序后 ，空气最终在空分设备的核心-空气分离系统(分馏塔)中利用组分沸点的不同实现分离，得到氧气、氮气和其他气体，并由不同规格的透平压缩机加压输送给与之匹配的煤化工生产设备。

叠 H 盏随 HI液氧储槽I液氮储槽 广- .鬲： - . 网 。壅堡 必 i L-遂 壹 瓦 氮气H氢豢J图 1空分生产装置工艺流程图Fig.1 Flow Chart of the Production Unit for Air Separation3透平压缩机的控制要求及控制方案空分是典型的连续生产过程控制流程，生产装置工艺复杂，各子系统之间联系紧密，系统运行周期长 ，监控点数量多≌分控制系统应操作方便，稳定可靠，对操作人员开放，自动化程度较高。集散控制系统应具备严格的自启动加载、有计划运行、联锁紧急卸载、自动停车和故障处理程序，对整个控制过程的顺序控制能力要求较高。要求系统有多重安全保护逻辑，且软件需要具备自诊断功能。在空分生产系统的控制形式上，大部分流程对应的空分装置采用的是常规控制方法。整套空分生产系统控制的重点和难点主要集中在空气透平压缩机的防喘振和联锁保护控制，以及氧气透平压缩机与氮气透平压缩机的启拓制和联锁运行保护。

3.1空气透平压缩机原料空气经过滤后进入空压机，在叶轮旋转离心力的作用下被高速甩I叶，并在扩压器中将获得的动能转化为压力≌气经过逐段多级压缩并达到规定压力后，即可送至后续预冷塔工序。

使用组态软件编程，实时监测空压机运行相关的压力和温度等参数，并保持出口气体压力稳定，防止产生喘振∝制回路周期时间尽量短，保证了控制系统的反应迅速、稳定。组态软件主要完成对空压机的参数监测、启停操作 、安全保护、报警处理 ，必要时可联锁停机≌气透平压缩机控制系统的监控变量包括：空压机轴温6个，进、出口气体温度 6个，此外还包括空压机的机械振动、轴向位移、人口空气压力、出口压力及出口流量。

3.2氧气透平压缩机与氮气透平压缩机通过分馏塔分离生产得到20kPa的低压氧气、氮气后，分别使用多级氧气透平压缩机及氮气透平压缩机加压到用户所需要的压力并最终送至配套的煤化工生产设备。由于氧压机的工作介质是氧气，存在安全隐患，因此氧压机的控制要求非常严格。其控制系统实时监测氧压机的运行状态，故障报警后其保护回路要求灵敏度高、反应迅速∩使用紧急停车控制系统联锁停机并能实时显示故障源信号，以便于监控人员及时进行分析和处理。氮压机的控制要求是保证机组安全稳定运转的前提下，充分利用氮压机允许的工作包线，使机组稳定可靠地工作在生产要求的压力和温度变化范围内，并能承受下游管网氮气用量的波动。因此氮压机采用恒压控制方式，并附加防喘振保护控制、出口压力过高保护控制和电动机过载保护。氧压机与氮压机监控的变量包括机组各级透平轴瓦的温度、各级进出口气体温度和压力、以及排出阀、回流阀、放空阀等阀门的控制。

4基于西门子PLC的控制系统总体架构根据上述空分装置生产工艺的特点及其控制要求，遵循集中监控为主、现赤测为辅”的设计原则，整个空分透平压缩机组控制系统的硬件设备可以分为三层，其总体结构，如图2所示。第- 层为现场执行层，主要包括空分装置检测仪表、传感器、执行器等现场I/O设备，用来检测并上传空分设备的当前运行状态，其现场传输信号包括模拟和数字两种数据类型。第二层为基于西门子 S7-300系列 PLC构建的过程层，也是整个空分装置控制系统的核心。该层可按照组态好的控制策略对空分各生产过程进行实时控制 ，实现顺序控制 、逻辑控制 、联锁控制和其他高级控制功能。第三层为远程监控与管理层，主要包括利用工业控制计算机构建的工程师站和操作员站。远程用户可实时监测整个空分流程的工艺过程参数和空分装置的工作状态，实现透平压缩机组等空分设备的自动开车、联锁控制、越限卸载、系统故障显示、自动停车等操作，并能实时查看、打印各项参数的动态曲线及对历史趋势进行调用分析。

f监控与管理层J l过程层I- .土--执行层T定以太网 交换机IPLC1 PLC2 瞳 瞳 啊 ET-200M ET-200M- 豳 嘲 I.H Profibus-DP l 触摸屏 1j 摸屏 Il 土主I- I主I! 压力变送器、1塞j 登 旦机-空气透平压缩机： 压力变送器、；流量仪表、电机氧气透平压缩机； 压力变送器、：流量仪表、电机氮气透平压缩机图 2空分透平压缩机组控制系统硬件结构图Fig.2 Hardware Structure of the Control System forAir Separation Turbine Compressor Units在对煤化工行业配套的深冷法空分生产工艺要求及现场生产设备进行分析后，选用西门子 s7-300系列的可编程控制器158 机械 设 计 与制 造No.4Apr.201 3CPU3 1 5-2DP及 PROFIBUS-DP通信拈、分布式 I/O拈 ET-200M、电源拈、TP270-10触摸屏等构成冗余式下位机控制子站，具体设备选型，如表 1所示 。PLC使用PROFIBUS-DP总线与现场设备进行通信，各控制子站通过工业以太网与中央控制室的上位机相连。现池制器采用分布式 I/O方式进行设计，减少连接线缆的同时，大大降低了故障的发生概率，便于系统进行后期维护。中央控制室的上位机基于研华 IPC-610H工控机构建并运行 Windows 2003 Server操作系统。为了方便上位机的 HM1人机交互及数据存储，使用某公司的InTouch组态软件开发了图形用户界面并建立了关系型数据库。

表 1下位机 PLC子站硬件参数表Tab.1 Hardware Parameters of LowerComputer PLC Substation5 InTouch组态软件监控系统设计在空分透平压缩机组控制系统的硬件结构中，如图 2所示。

下位机可编程控制器编程软件采用 SIMATICSTEP7，中央控制室的上位机丁程师站和操作员站之间互为冗余。设计开发人员将整个空分生产按照工艺流程分为空气透平压缩机系统、预冷系统、透平膨胀机系统、氧气透平压缩机与氮气透平压缩机系统等多个监控子系统，利用T程师站对上位机监控软件进行组态、管理和调试。生产调度控制中心使用操作员站对空分生产各个过程的流程图、主要工艺参数的历史趋势图、报警处理画面、联锁控制画面等进行实时监视与控制。在上位机 Windows 2003 Server操作系统上利用 Wonderware InTouch HMI 9.5组态软件开发了监控系统的HM1人机操作界面。其中的氧气透平压缩机组监控画面，如网3所示。上位机 InTouch与下位机 PLC之间使用 MODBUS作为I/O通信协议转换接口。InTouch通过标准数据库接口(ODBC)访问用于组态和保存过程数据的SQL Server数据库。生产调度控制中心通过联网的工控机即可远程监控空分设备的生产工艺参数、设备运行状态、历史曲线等饿，紧急情况下还可以由操作员在现场使用触摸屏对设备进行手动控制。

图3氧气透平压缩机监控系统用户界面Fig3 User Interface of the Monitoring System forOxygen Turbine Compressor6结束语介绍了应用于煤化工领域的12000 Nm3/I1深冷法空分装置的工艺流程，分析了整套空分系统控制的重点和难点，给出了透平压缩机组的控制要求及控制方案。在此基础上，提出基于西门子 S7-300系列 PI C和InTouch组态软件的空分透平压缩机组的控制系统总体方案，详细描述了基于 InTouch的监控系统图形用户界面的设计过程。

实际调试结果表明，该控制系统提高了空分生产设备的安全性 ，稳定性和可靠性≌分透平压缩机组实现了防喘振自动控制和机组的联锁运行保护等功能。整个监控系统提供了友好的人机对话界面和丰富的工艺操作控制功能，具备连续实时监测的能力，达到了预期的设计要求。整套空分系统整体运行稳定可靠，为该公司煤制油项目的顺利投产提供了有力保障。此外，在实现空分装置稳定可靠运行之后，下-步的工作方向应考虑旧能降低设备的运行能耗。