【正文】 航天、生物工程、新型材料、精密冶金、環(huán)境科學(xué)等高新技術(shù)部門有重要影響，是這些部門不可缺少的原材料氣或工藝氣。正是由于各種新興工業(yè)部門和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的需要和推動，氣體工業(yè)產(chǎn)品才在品種，質(zhì)量和數(shù)量等方面取得令人矚目的飛躍發(fā)展。 課題背景 集散控制系統(tǒng)（ Distributed control system）是以微處理器為基礎(chǔ)的對生產(chǎn)過程進(jìn)行集中監(jiān)視、操作、管理和分散控制的集中分散控制系統(tǒng)，簡稱 DCS 系統(tǒng) 。該系統(tǒng)將若干臺微機分散應(yīng)用于 過程控制 ，全部信息通過 通信網(wǎng)絡(luò) 由上位管理 計算機 監(jiān)控，實現(xiàn)最優(yōu)化控制，整個裝置繼承了常規(guī)儀表分散控制和計算機集中控制的優(yōu)點，克服了常規(guī)儀表功能單一，人 機聯(lián)系差以及單臺微型計算機控制系統(tǒng)危險性高度集中的缺點，既實現(xiàn)了在管理、操作和顯示三方面集中，又實現(xiàn)了在功能、負(fù)荷和危險性三方面的分散。 它是一個由過程控制級和過程監(jiān)控級組成的以通信網(wǎng)絡(luò)為紐帶的多級計算機系統(tǒng)， 綜合了 計算機 (Computer)、通訊(Communication)、顯示 (CRT)和控制 (Control)等 4C 技術(shù)，其基本思想是分散控制、集中操作、分級管理、配置靈活以及組 態(tài)方便 。 針對現(xiàn)在國內(nèi)外工業(yè)氣體市場及用戶的需求，各制造企業(yè)都致力于選擇具有安全可靠和經(jīng)濟(jì)合理的最佳流程的整套空氣分離裝置。 本課題是基于中原石化的空氣分離裝置的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計的，一方面能讓西安交通大學(xué)城市學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 我認(rèn)識到 DCS 系統(tǒng)在現(xiàn)代化 生產(chǎn)過程控制 中起 的 重要作用 ， 另一方面讓我更加深入了解 DCS 的功能及空氣分離裝置的工藝流程。 課題研究的意義 以橫河的 CENTUM CS3000 系統(tǒng)作為學(xué)習(xí)及應(yīng)用的對象。掌握 CENTUM CS3000 系統(tǒng)并應(yīng)用 CENTUM CS3000 軟件對空氣分離裝置進(jìn)行繪圖及組態(tài) 。利用 CENTUM CS3000 軟件環(huán)境下進(jìn)行了編譯及仿真測試，實現(xiàn)了空氣分離裝置的 DCS 控制。如果測試的結(jié)果和預(yù)期方案一致，則此方法可行 。說明 這種設(shè)計方法 運行可靠性好、操作方便、能耗低、安全性高 。這些都體現(xiàn)了DCS 系統(tǒng)的 技術(shù)的優(yōu)越性和廣闊的應(yīng)用前景。 本課題是通過空氣分離裝置的 DCS 控制過程，熟悉 DCS 中復(fù)雜回路控制（溫壓補償控制、分程控制、比率控制、差分控制） ，重點掌握流量控制 在空氣分離裝置中的應(yīng)用過程及控制作用等相關(guān)的知識，為今后走向工作崗位打下一定基礎(chǔ)。 本文的主要工作和論文結(jié)構(gòu) 在本課題中，研究并實現(xiàn)的內(nèi)容主要是 ： （ 1） 結(jié)合中原石化項目，明確空氣分離裝置的整個運轉(zhuǎn)過程。 （ 2） 對中原石化項目中運用的 YOKOGAWA CENTUM CS3000 控制系統(tǒng)的軟件、硬件組成進(jìn)行簡單介紹。 （ 3） 對中原石化項目中的流量控制進(jìn)行組態(tài)設(shè)計及測試。 （ 4） 通過工廠驗收測試（ FAT）過程，確保整個 YOKOGAWA CENTUM CS3000 控制系統(tǒng)在進(jìn)入工廠后能正常運行。 本文的結(jié)構(gòu)安排如下：第一章為緒論，簡要論述論文研究的背景和意義；第二章為本次項目的空氣分離裝置的簡單介紹，概述制取氧、氮、氬的過程；第三章為空氣分離裝置的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，闡述空氣分離裝置 對 CENTUM CS3000 控制系統(tǒng)的要求及控制系統(tǒng)的選用情況，論述控制系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并詳細(xì)闡述過程控制組態(tài)、監(jiān)控畫面組態(tài)及歷史趨勢組態(tài)技術(shù)與實現(xiàn)。第四章為流量控制，詳細(xì)介紹流量控制的方式、方法 。第五章為工廠驗收測試，闡述在整個空氣分離裝置在進(jìn)入廠區(qū)前需要對硬件、軟件進(jìn)行的測試。 空氣分離裝置的簡單介紹 3 2 空氣分離裝置的簡單介紹 空氣分離裝置的基本組成 空分設(shè)備是一個大型的復(fù)雜系統(tǒng)，主要由動力系統(tǒng)、凈化系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、熱交換系統(tǒng)、精餾系統(tǒng)、產(chǎn)品輸送系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等系統(tǒng)組成。 動力系統(tǒng)：主要是指原料空氣壓縮機。 空分設(shè)備將空氣經(jīng)低溫分離得到氧、氮等產(chǎn)品，從本質(zhì)上說是通過能量轉(zhuǎn)換來完成。而裝置的能量主要是由原料空氣壓縮機輸入的。相應(yīng)地，空氣分離所需要的總能耗中絕大部分是原料空氣壓縮機的能耗。 凈化系統(tǒng)：由空氣預(yù)冷系統(tǒng)（空冷系統(tǒng)）和分子篩純化系統(tǒng)（純化系統(tǒng)）組成。經(jīng)壓縮后的原料空氣溫度較高，空氣預(yù)冷系統(tǒng)通過接觸式換熱降低空氣的溫度，同時可以洗滌其中的酸性物質(zhì)等有害雜質(zhì)。分子篩純化系統(tǒng)則進(jìn)一步除去空氣中的水分、二氧化碳、乙炔、丙烯、丙烷和氧化亞氮等對空分設(shè)備運行有害的物質(zhì)。 制冷系統(tǒng)：空分設(shè)備是通過膨脹制冷的，整個空分設(shè) 備的制冷嚴(yán)格遵循經(jīng)典的制冷循環(huán)。不過通常提到的空分制冷設(shè)備主要是指膨脹機。 熱交換系統(tǒng)：空分設(shè)備的熱平衡是通過制冷系統(tǒng)和熱交換系統(tǒng)來完成的。隨著技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在的換熱器主要使用鋁制板翹式換熱器。 精餾系統(tǒng)：空分設(shè)備的核心，實現(xiàn)低溫分離的重要設(shè)備。通常采取高、低壓兩級精餾方式。只要由低壓塔、中壓塔和冷凝蒸發(fā)器組成。 產(chǎn)品輸送系統(tǒng)：空分設(shè)備生產(chǎn)的氧氣和氮氣需要一定的壓力才能滿足后續(xù)系統(tǒng)的使用。只要由各種不同規(guī)格的氧氣壓縮機和氮氣壓縮機組成。 控制系統(tǒng)：大型空分設(shè)備都采用計算機集散控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)自動控制。 空氣分離裝置的工藝流程簡介 空氣分離裝置是以空氣為原料，根據(jù)氣體沸點不同分別提取 N O Ar等的裝置。 本次項目的空氣分離裝置工藝流程圖如圖 21 所示 西安交通大學(xué)城市學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 圖 空氣分離裝置工藝流程圖 （ 1）空氣前處理過程 原料空氣經(jīng)空氣過濾器清除灰塵和其它機械雜質(zhì) ,由空氣壓縮機壓縮至 MPa,壓縮后的空氣經(jīng)噴淋冷卻塔用水冷卻至 25℃ 后 ,在進(jìn)入精餾塔之前，要進(jìn)入分子篩吸附系統(tǒng)（采用活性炭吸附器）除去 空氣中的二氧化碳和水。 活性炭吸附器由兩個塔 組成，兩個塔可以進(jìn)行“吸附”和“再生”工作的交替使用。經(jīng)過活性炭吸附器除去水分的空氣再經(jīng)過熱交換器冷卻后送往透平膨脹機，熱交換器可以用精餾塔頂部排出的 N2 作為冷卻氣。透平膨脹機則是通過減小壓力來使氣體溫度下降，從而完成對氣體的冷卻。因為液化空氣溫度極低，所以經(jīng)過膨脹透平的液化空氣要從精餾塔底部進(jìn)入精餾塔。 （ 2）精餾過程 空氣分離的精餾塔分為上塔和下塔。在下塔 ,大部分空氣被初步分離成富含氧的液體空氣 (富氧液空 )、純氮、液氮和餾份氮 ,從下精餾塔中抽出的餾份氮作為回流液 ,富氧液空從塔底抽出 ,除去烴 類 ,在過冷器中被來自上精餾塔頂部的污氮過冷后節(jié)流進(jìn)入上塔中部噴淋 ,在上精餾塔中液體空氣和餾份氮被分離成產(chǎn)品氧氣和污氮 ,產(chǎn)品氧氣從上塔塔底抽出 ,污氮從塔頂抽出 ,經(jīng)過冷器進(jìn)入切換式換熱器 ,走原料空氣通道 ,被加熱到環(huán)境溫度并將通道內(nèi)的固體水、～ 分子篩吸附系統(tǒng) 透平膨脹機 廢氮排除 排污 空氣壓縮機 精餾塔 氧 氬 氮 廢氮放空 ～ 原料空氣 水 空氣冷卻塔 熱交換器 空氣分離裝置的簡單介紹 5 干冰揮發(fā)或升華 ,與污氮一起放空。 （ 3）本次項目概述 本次項目是 將空氣分離裝置的過程通過 CENTUM CS3000 軟件進(jìn)行繪圖和組態(tài)，通過調(diào)試， 模擬演示空氣分離裝置 利用多塔低精餾的工藝，從經(jīng)過分子篩吸附器的壓縮空氣（已除去所含的水、 CO碳?xì)浠衔锏入s質(zhì)）中 制取高純度的氧、氮、氬產(chǎn)品的過程。 進(jìn)入 CENTUM CS3000 測試狀態(tài)時空氣分離裝置過程流程圖如圖 22 所示： 圖 22 在 CS3000測試狀態(tài)下的空氣分離裝置工藝流程圖 進(jìn)入 CENTUM CS3000 測試狀態(tài)時空氣分離裝置過程流程圖畫面只能顯示各個儀表是否處于正常運行狀態(tài)，無法顯示數(shù)據(jù)。只有將整個系統(tǒng)與現(xiàn)場設(shè)備連接起來才能正確顯示儀表數(shù)據(jù)。 西安交通大學(xué)城市學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 空氣分離裝置的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 7 3 空氣分離裝置的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)的控制要求 中原石化的 這套空氣分離 裝置 對控制系統(tǒng)的要求如下： （ 1） 整套制氧機設(shè)備的測量和控制以中央集散控制室為主，就地檢測為輔，空壓機、氧壓機、氮壓機、膨脹機設(shè)機旁操作盤，緊急情況下在集散控制室和機旁操作盤均能緊急停車。 （ 2） 控制體統(tǒng)對整個制氧機組的過程參數(shù)實現(xiàn)監(jiān)視和控制，具有顯示、操作、報警、調(diào)節(jié)、記憶、啟動聯(lián)鎖和保護(hù)聯(lián)鎖等功能，有關(guān)的連鎖保護(hù)將根據(jù)工藝要求自動啟動和停車，打開和關(guān)閉閥門。 （ 3） 空壓機、膨脹機、氧壓機、氮壓機設(shè)置硬件聯(lián)鎖控制系統(tǒng)。壓縮機所有防喘振控制邏輯回路所耗時間要求不大于 100ms. （ 4） 壓縮機配備相對獨立的振動和軸位移檢測裝置和監(jiān)視 系統(tǒng)，監(jiān)視系統(tǒng)布置在中控室內(nèi)，信號有監(jiān)視系統(tǒng)（ 420mA DC）送到 DCS顯示、報警及趨勢記錄。 （ 5） 控制、報警、監(jiān)視和保護(hù)的基本功能根據(jù)控制回路獨立完整的原則設(shè)計，保證在某一控制回路失效時不會導(dǎo)致其他控制回路失效。各保護(hù)功能具有獨立性，確保生產(chǎn)人員及設(shè)備的安全。 （ 6） 對各涉及重故障連鎖的檢測回路，在回路開路時保持原有效指示值，只產(chǎn)生聲光報警，不產(chǎn)生跳車動作。 （ 7） 監(jiān)控畫面除顯示個數(shù)據(jù)的數(shù)值外，同時顯示數(shù)據(jù)的正常、報警、聯(lián)鎖等狀態(tài)信息，能從監(jiān)控畫面對所有顯示數(shù)據(jù)進(jìn)行手動強制操作。 中原石化的 本套空氣分離裝置設(shè)計產(chǎn)量 如表 31所示 表 31本套空氣分離裝置的 設(shè)計產(chǎn)量 產(chǎn)品名稱 單位 產(chǎn)量 純度 出冷箱壓力 氧氣 Nm3/h 62020 ≥ %O2 4050kpa 氮氣 Nm3/h 68000 O2＜ 5ppm 8kpa 液氧 Nm3/h 1000 ≥ %O2 液氮 Nm3/h 1000 O2＜ 5ppm 液氬 Nm3/h 2020 O2＜ 5ppm N2＜ 3ppm 西安交通大學(xué)城市學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 控制系統(tǒng)的選用 中原石化所采用的 DCS 控制系統(tǒng)為 YOKOGAWA CENTUM CS3000 系統(tǒng)。本 節(jié)主要針對 CENTUM CS3000 系統(tǒng)的分析，闡述中原石化選用此設(shè)備原因。 （ 1） 可靠性 系統(tǒng)的可靠性是系統(tǒng)在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力， 由于CENTUM CS3000 將系統(tǒng)控制