空分装置控制系统的电源系统

1.工艺流程简述

　　莱钢12000m3/h空分装置整套工艺流程采用常温分子筛净化空气，增压透平膨胀机制冷；采用规整填料技术及全精馏制氩的外压缩流程。
　　原料空气在过滤器中除去了灰尘和机械杂质后，进入空气压缩机压缩至0.615Mpa（A），然后送入空气冷却塔进行冷却,出空冷塔的空气再进入交替使用的分子筛吸附器。在那里原料空气中的水份、二氧化碳、碳氢化合物等的不纯物质被分子筛吸附。一部分空气直接进入主换热器，被返流出来的气体冷却至饱和温度进入下塔；其余部分空气进入空气增压机增压，冷却后进入主换热器，从中部抽出进入膨胀机，膨胀后的大部分空气进入上塔；空气在分馏塔下塔中经初步精馏后，在下塔的底部获得液空，下塔的顶部获得纯液氮，下塔抽取的液空和液氮，进入液空、液氮过冷器，过冷后送入上塔的相应部位。在上塔内,经过再次精馏，在上塔的底部获得99.6%的液氧。从分馏塔上塔中部的适当位置引出一股氩馏份气，经过粗氩塔Ⅰ、粗氩塔Ⅱ和精氩塔的精馏，最后在精氩塔底部得到的99.999％Ar精液氩，部分液氩经液氩泵加压至3.0MPa。上塔底部的液氧经主换热器复热，进入氧压机压缩至2.5Mpa进入氧气管网，剩余一少部分液氧进入液氧贮槽，可外供低温液体，也可将低温液体经液氧泵压缩升压后，经水浴式液氧汽化器汽化并入氧气管网。 从辅塔顶部引出的纯氮气，经过冷器主换热器复热后出冷箱，一部分经低压氮压机压缩至1.0Mpa，并入低压氮气管网；另一部分经中压氮压机压缩至2.5Mpa。还有部分液氮出冷箱进入贮槽。

2.控制系统的结构

　　莱钢12000m3/h空分装置控制采用集散控制系统。DCS选用的是AC800F和Profibus现场总线，并带有2个操作员站OS、1个工程师工作站ES，具有电源、操作站、控制器冗余功能。通过标准TCP/IP协议以太网，实现整个流程中空气压缩、空气预冷、空气纯化、增压压缩、膨胀透平、氧氮精馏、氩精馏、氮气压缩等子系统的自动控制、数据通讯及上位机管理，可完整地监控整个系统的生产情况。硬件配置示意图如下图1：

图1 硬件配置示意图 [p] 3.控制系统电源系统

3.1 上位机的供电策略

　　上位机的工程师站内装有控制系统的程序，同时需要完成系统程序的编制、修改，所以非常重要，需要保证供电的正常，操作员站是操作人员监测整个工况的眼睛，同时根据要求需要同操作员站来调整工艺参数，所以它的供电非常重要，一般不能断电，否则可能导致设备的非正常停车的重大故障。报警打印机会及时打印报警信息，但一旦掉电将无法完成相应功能，报表打印机只有在带电的情况下才能完成时报表、日报表、周报表、月报表、季度报表、年报表的功能。总之上位机部分是整个设备控制系统的核心和中枢，其电源系统好坏是整个系统稳定的一个关键环节。
　　莱钢12000m3/h空分装置控制系统正是充分考虑了上述因素，在设计时采取了两路供电措施，一路是正常时的220V工业专用电源供电，另一路采用了山特公司的UPS电源供电。对于工业电源这一路又通过净化电源装置后引入上位机的插座系统，这样净化电源系统滤掉了电源波动引起的尖波，防止了由于外部电源波动可能对系统导致的重大影响。对于大容量UPS电源，一旦断电，可以给系统保证50分钟的供电，这样一旦外部断电，可以留下时间让电工来排除供电故障，即使不能修复外部供电故障，操作人员也可以有足够的时间来调整工况，通过安全措施停车，避免被动突然停车造成的设备损失。其供电框图如图2：

图2：上位机供电框图

3.2 电源模块的冗余

　　由于电源模块的冗余设计，一旦有一个电源模块出现问题，不会影响系统或通道的正常工作，使系统运行稳定可靠。
　　为了支持过程处理单元内有关模块及现场I/O通道的运行,AC800系统配置了模块化的独立的电源模块,其大小与单个标准插件式模块相同。这些电源模块平均承担一个机柜内各种电压等级所需的电源负荷。这种模块化的电源系统可根据用电负荷计算电源模块数量,并做到N+1、N+2、N+X至1:1冗余，同时为电源系统提供输出电压的监视。采用这样的电源模块化技术,能保证更准确的选择满足机柜负荷要求的电源模块数目,而且使冗余的实施更经济有效。此系统的一个重要特点,就是电源模块能毫不费力的在线带电更换,而不会导致供电电路冲击和不规则波峰,大大增强了维护的容易程度。
　　这是一种N+1冗余方式。N个电源模块已满足机柜内供电的要求,多加一个电源模块就实现了N+1冗余，任何一个电源模块故障,都会在人机接口上报警，因为电源可带电插拔,所以冗余的恢复非常容易完成。

[p] 3.3 延时继电器实现控制器自身电源的监测

　　采用延时继电器实现控制器对自身电源的监测，并联锁分子筛切换程序的启/停保持。所采用延时继电器工作特性如图3所示：

图3　 延时继电器工作特性

　　图3中，t为继电器的延时时间。只要延时时间足够长，当电源开始正常时，控制器在小于t的时间内启动完毕，此时控制器检测延时继电器的触点为断开状态，在软件中用该信号置位一个保持继电器C，使分子筛程序停止运行。只有操作工在画面上操作一个复位按钮AN且延时继电器触点闭合时，该继电器被复位，程序重新运行。梯形图如图4所示。

图4　分子筛程序运行/停止梯形图
　　另外增加了分子筛运行状态控制电加热器能否投运的程序，这样当系统突然失电时，控制器也失电，此时控制器检测不到失电信号；但是当电源恢复正常后，控制器恢复正常在t时间内启动完毕，能检测到失电信号，当操作工手动操作监控画面上的“来电确认”按钮进行复位后，程序才能在停止的地方继续运行。
　 在实际工作中，我们经过多次试验，设定继电器的延时时间为90秒时，就可保证程序的安全停止。

3.4强、弱电隔离保护措施

　　如果电磁阀DCS系统之间没有采取隔离措施，属于直接控制，易出现问题。用弱电间接去控制强电，利用继电器常开触点的吸合来实现DCS线路与电磁阀线路的物理隔离。电磁阀工作电压不再由DCS提供，单独由电气引入220V电源；继电器的工作电压是由输出模板输出24V信号电源控制。现电磁阀控制线路如图5：

图5：电磁阀控制框图　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 控制线路当继电器常开触点闭合时电磁阀220V电源接通构成回路，使DCS模板与电磁阀实现了物理隔离和双重保护，不会再因现场电磁阀线圈、线路接地或短路而烧坏模板保险丝。

4.结论

　　该套控制系统由于在电源系统的设计中采取了上述先进措施，运行稳定可靠，很少出现由于电源问题造成停车事故和损害设备的故障，创造了很大的经济效益。

参考文献：

1. 王平,刘复玉.PLC自动控制系统可靠性研究.电气传动,NO.1,2001
2. 郑学峰,姚林.轧钢计算机控制系统集成技术.冶金自动化,NO.3,2001