組態(tài)王在利用VPSA技術(shù)進(jìn)行空氣分離行業(yè)的應(yīng)用

一、前言

空分設(shè)備是將空氣中的氮氣、氧氣分離中來的一種配套設(shè)備。近年來，中小型（氮氣或氧氣產(chǎn)量在10000m3/h以下）空分系統(tǒng)多采用“PLC+上位軟件”方式控制，控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實施的方便性受到廣大用戶的青睞。

VPSA（變壓吸附）分離技術(shù)是采用加壓吸附、降壓解吸的方式分離空氣中的氮氣和氧氣，為用戶提供氣體單體，根據(jù)吸附劑的不同，系統(tǒng)分離出氮氣或者氧氣。采用VPSA技術(shù)進(jìn)行空氣分離的空分系統(tǒng)和傳統(tǒng)的深冷法相比較具有設(shè)備起動快、投資少、建設(shè)周期短、綜合能耗低等特點。對于污水處理、鋼鐵等行業(yè)，系統(tǒng)完全可以滿足用戶用氧需求。

二、工藝簡介

以變壓吸附制氧工藝（見圖1）為例，空分系統(tǒng)設(shè)備由鼓風(fēng)機(jī)、真空泵、吸附器、換熱器、氧壓機(jī)等多個主設(shè)備組成，還有一些輔助系統(tǒng)如循環(huán)水系統(tǒng)、儀表空氣系統(tǒng)。

空氣經(jīng)過濾器去除空氣中雜質(zhì)，由鼓風(fēng)機(jī)壓縮、換熱器降溫，從吸附器下部進(jìn)入吸附器，吸附器內(nèi)裝填具有選擇性吸附空氣中 水分、C02和碳?xì)浠衔锏奈絼?，還裝有具有選擇性吸附空氣中氮氣的吸附劑?？諝馔ㄟ^吸附床層時，空氣中H20、CO2、碳?xì)浠衔?，氮氣被吸附劑選擇性吸附，氧氣產(chǎn)品從吸附器頂部流出。吸附劑飽和后，通過降低吸附器工作壓力實現(xiàn)吸附組分解吸，外流出吸附器。每一個循環(huán)， 吸附器都經(jīng)歷了吸附、順向放壓、真空解吸、均壓、充壓五個工作步驟。

這五個工作步驟是通過氣動切換閥切換來實現(xiàn)的。氣動切換閥的動作由PLC控制系統(tǒng)根據(jù)沒定的程序控制閥門的自動切換。

三、控制系統(tǒng)構(gòu)成

空分控制系統(tǒng)主機(jī)選用具備雙CPU硬冗余PLC產(chǎn)品，上位機(jī)軟件使用北京亞控公司的組態(tài)王，系統(tǒng)按照無人值守管理要求設(shè)計和儀表配置。采用PLC邏輯程序和上位機(jī)使用組態(tài)王監(jiān)控軟件的聯(lián)合控制模式，具備各種通訊和遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。PLC和組態(tài)王均采用冗余結(jié)構(gòu)配置，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)采用光纖冗余環(huán)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，大大提供了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可操作性。具體結(jié)構(gòu)如圖2所示：

如上圖所示，下層PLC控制系統(tǒng)采用雙CPU硬件冗余結(jié)構(gòu)，PLC的動作切換在毫秒內(nèi)完成，保證系統(tǒng)的安全性、及時性。上位機(jī)系統(tǒng)主要有IO服務(wù)器、登錄服務(wù)器、報警服務(wù)器、歷史服務(wù)器、web服務(wù)器組成。

1、IO服務(wù)器主機(jī)和IO服務(wù)器從機(jī)組成上位機(jī)雙機(jī)熱備，系統(tǒng)正常運(yùn)行的時，主、從機(jī)都啟動，但從機(jī)不采集實時數(shù)據(jù)，而通過網(wǎng)絡(luò)獲取主機(jī)數(shù)據(jù)，同時負(fù)責(zé)對主機(jī)進(jìn)行監(jiān)聽。主機(jī)停機(jī)后，從機(jī)采集數(shù)據(jù)并完全取代主機(jī)功能，主機(jī)恢復(fù)運(yùn)行后，從機(jī)停止數(shù)據(jù)采集，系統(tǒng)恢復(fù)正常狀況。

2、工程師站上可以進(jìn)行上位機(jī)組態(tài)、修改組態(tài)程序、修改PLC程序，他的權(quán)限比較大。

3、根據(jù)項目大小、待處理數(shù)據(jù)量大小，可以選擇登錄服務(wù)器、報警服務(wù)器、歷史服務(wù)器三臺服務(wù)器，也可以使用一臺服務(wù)器擔(dān)當(dāng)三個角色。同時也可以作為中控室的調(diào)度站。

4、WEB服務(wù)器獨立存在，專門負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布、供客戶端瀏覽。

5、客戶端用戶訪問數(shù)據(jù)要通過防火墻，它可以限制IP訪問和數(shù)據(jù)流傳輸方向，保證網(wǎng)絡(luò)了安全。

組態(tài)王軟件實現(xiàn)的主要功能為：

－數(shù)據(jù)采集：實時就地集中監(jiān)測鼓風(fēng)機(jī)、空壓機(jī)、真空泵、氧壓機(jī)、等運(yùn)行狀態(tài)及各主要運(yùn)行參數(shù)，并且能實時顯示其運(yùn)行狀態(tài)圖和數(shù)值。通過組態(tài)王進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)曲線、歷史數(shù)據(jù)曲線、PID參數(shù)設(shè)置、閥門時序控制設(shè)置等操作。

－報警功能：組態(tài)王可以實現(xiàn)蜂鳴報警或者聲光報警，當(dāng)采集的數(shù)據(jù)超出設(shè)置的各段數(shù)值時，給出報警，操作員或決策者就應(yīng)該注意采取措施，同時給與權(quán)限的工作人員能在線直接修改參數(shù)。

－遠(yuǎn)程控制：在整個控制中比較多吸附塔部分，主要是對閥門開關(guān)控制，實現(xiàn)分子篩的自動解吸;閥門的時序動作采用配方控件來世間，簡單、快捷、方便。有些閥門的控制是根據(jù)管線氣體壓力過大，進(jìn)行開閥放空的操作，個別的調(diào)節(jié)閥PID控制主要由PLC來實現(xiàn)，組態(tài)軟件在上位機(jī)僅對其進(jìn)行一些參數(shù)設(shè)置。氧壓機(jī)、真空泵和鼓風(fēng)機(jī)控制主要是對電機(jī)啟?？刂疲?dāng)設(shè)備振動監(jiān)測報警以后會自動停止設(shè)備的運(yùn)行。

－歷史數(shù)據(jù)記錄和查詢：數(shù)據(jù)能實時被采集的上位機(jī)中，同時能寫入數(shù)據(jù)庫中，數(shù)據(jù)庫也實時更新并存儲，用戶可以通過實時曲線查看數(shù)據(jù)狀態(tài)，通過查看歷史曲線、直接查詢數(shù)據(jù)庫等操作對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢和進(jìn)一步的對數(shù)據(jù)分析。

－操作歷史記錄：組態(tài)王中能對每次操作記錄能自動記錄，同時在實際管理中對其操作的人員也只能是具有權(quán)限的工作人員或者總工能對其操作，這樣能進(jìn)一步的保障系統(tǒng)的安全，穩(wěn)定運(yùn)行。

－在線查詢各報表并自動打?。焊鶕?jù)客戶的需求，可在線查看各種報表、并實現(xiàn)自動打印。如班報、日報、月報表等。

四、總結(jié)

本文介紹了組態(tài)王在中小型空分系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)控的應(yīng)用，系統(tǒng)多處采用了冗余設(shè)計結(jié)構(gòu)供用戶選擇，并經(jīng)過了實際的工程驗證，受到用戶的一致好評。組態(tài)王作為上位機(jī)監(jiān)控軟件完成對現(xiàn)場數(shù)據(jù)監(jiān)測的同時，提供多種控件功能來滿足客戶的實際需求，很好的完成了上位機(jī)監(jiān)控任務(wù)?？紤]整個空分系統(tǒng)的安全，一些聯(lián)鎖動作和PID控制還建議用戶在PLC部分來實現(xiàn)。這樣，即使上位機(jī)系統(tǒng)暫時癱瘓也不會影響系統(tǒng)的整體運(yùn)行。

總之，“組態(tài)軟件+PLC”的控制模式完全可以滿足中小型空分系統(tǒng)的控制要求，系統(tǒng)具有實施方便、運(yùn)行穩(wěn)定、靈活、可擴(kuò)展性等特點。隨著技術(shù)的成熟，設(shè)備規(guī)模不斷擴(kuò)大，可以滿足中小型空分市場的需求。近年來，變壓吸附空分技術(shù)依靠自身優(yōu)勢，在一些行業(yè)已經(jīng)逐步取代了傳統(tǒng)的深冷法空分技術(shù)。