摘要: 介绍了霍尼韦尔公司EXPERION PKS控制系统在空分设备上的应用，描述了此系统的结构，软硬件组态。
关键词:空分 PKS 组态 配置
引言
空气分离装置是生产氧气，氮气等气体的工业装置。一套空分装置，除了先进的工艺流程，设备，安装水平，一套可靠先进的过程控制系统也是必不缺的，这也是保证整个装置安全，稳定，高效地生产高质量气体产品的一个重要因素。
EXPERION PKS是霍尼韦尔公司在TPS,PLANTSCAPE等原有控制系统发展起来的新的全能综合型开放控制系统，它不仅有DCS的复杂模拟计算能力，也具备PLC的高速逻辑和顺控功能，已在多套空分装置成功应用。
1 空分的生产工艺和控制要求
空分一般来说是用低温深冷技术，即将空气降低到足够低的温度，利用氧气，氮气等气体的液化温度不同而将它们分离开来。
空分装置流程
1.1 空气分离的第一步就是将空气经空气压缩机压缩到一定的压力。
空压机的控制要求是通过调节防空保持出口压力稳定，防止喘振，监测相关的压力温度，必要时进行安全连锁停机,这要求控制快速稳定，有些厂家要求控制回路周期小于100MS。
有时候空压机自带独立控制器，这时候需要控制系统和其通讯，读取它的数据。
1.2经空压机压缩后的空气通过预冷系统,把空气冷却到工艺需要的温度。
这部分控制点在于保持空冷塔水冷塔的液位稳定。由于空冷塔水冷塔水冷有一定的容积，控制环节有一定滞后。这部分还需要一些安全联锁逻辑。
1.3预冷后的气体要通过纯化系统除去水和二氧化碳等杂质。
主要的控制点在于十几个阀门的顺序动作，其中包括切断阀和调节阀，调节阀根据时序切换到不同的动作：PID或是曲线。这样以确保气体留量的稳定，对下一级干扰最小。
1.4纯化后的空气通过膨胀机制冷，使空气冷却到零下100多度，有的接近-200℃ ,通过氧气、氮气、氩气冷凝温度不同的原理，在分馏塔内分馏出氧气、氮气、氩气。
此过程监控温度点众多，要求温度测量量程宽（能到-200℃），准确，稳定。
膨胀机是空分的冷源，有很多安全联锁逻辑，有防喘振控制。
1.5最后生产的气体分别通过氧压机、氮压机、液氩泵把以上气体分别加压到用户需要的压力，送到最终用户。
氧气机特别是透平氧压机控制要求非常严格，要求多重安全保护逻辑，具有严格的启动，运行，停止，故障处理程序，对控制系统的顺序控制功能要求很高。
1.6空分工程中非常注重系统的在线组态、修改和下装功能及系统的现场开工调试功能，这些功能保证了装置可靠运行和缩短调试时间，加快调试进度。另外, 系统的自诊断功能也非常重要。
1.7空分是标准的过程生产装置，具有启动，运行周期长的特点，监控点众多，从操作角度来说，DCS系统的操作画面、显示功能、开车指导、历史趋势调用分析功能、工艺事故判断、系统故障显示功能对于操作人员快速全面的掌握控制整个装置也很重要。
2 控制方案在EXPERION PKS系统上的实现
2.1 Experion PKS系统介绍
Experion PKS系统结构图
???????? Experion PKS是霍尼韦尔推出的最新控制系统，Experion PKS使用的技术也可以与霍尼韦尔原有的系统进行集成，如TPS和PlantScape系统等。
基于Windows 2000的服务器, 利用高速动态缓存区采集实时数据,提供报警、显示操作、历史数据采集、报表报告等服务功能；HMIWeb技术基于工业标准的html文件格式和Web浏览器的访问界面；紧凑型的混合控制器；面向对象的组态工具；ControlNet,容错以太网络；基金会现场总线技术；专利的Profit Loop技术，这些构成了Experion PKS过程控制系统的体系结构。
(1)主要的硬件部分
A 混合控制器C200：因为针对模拟和数字两种应用兼顾设计的，所以称为混合控制器。控制器冗余配置时，采用两个完全相同控制器，从而可以实现真正意义上的全冗余，基本控制器和冗余控制器之间的同步对用户是完全透明的,两控制器完全相同，物理上没有主副之分，谁先运行谁为主。当控制器故障发生时自动进行切换，切换时间对应用来说是可以忽略不计的。
每一个控制器通过I/O机箱可以挂接64块I/O模件，通过I/O链接接口模件（IOLM）将PMIO接入控制器，I/O链接接口模件（IOLM）、通讯、IO处理器卡件均可实现冗余。
B PMI/O（过程管理站输入/输出系统）：PMI/O采用TPS系统的过程管理站的I/O产品，具有如下特点：诊断能力，故障介入测试，与现场一体化的供电，冗余I/O，在线维护，冗余的XPM电源系统。
C 通讯网络:服务器通过Controlnet或者是专利技术的容错以太网和控制器通讯。服务器和操作员站之间通过（容错）以太网通讯。ControlNet是一种令牌总线网络，可冗余，通讯速度5Mbits/sec。
容错以太网意味着网络是冗余配置，但是采用单一网络结构，所以切换速度快可达1秒。它可提供比普通以太网更多的通讯路径。
 (2) 软件部分
A 编制控制程序的软件为Control Builder,其组态全部采用图形化的工具，系统的控制程序是以CM（控制模块）为基本单位，可以单独从控制器中上装、下装，右图就是一个标准的控制回路CM。 每个CM有自己的控制周期，这个周期必须为CEE(控制执行环境)周期的倍数，CEE周期有5ms,50ms两种，我们在工程中就用50ms的CEE.
B 用于过程实时数据采集,操作，记录，打印，事故报警等功能的服务器软件，它基于Windows 2000设计，系统的所有组件集成为一体。当用户创建的控制策略下装时，相应的数据同时自动下装到控制处理器和服务器数据库中。在服务器数据库中自动建立每个组态生成的模块（CM，SCM，IOM等）所对应的点。控制器和PKS服务器使用统一的位号点名称。Experion PKS过程系统的服务器可以冗余配置，以提供更高等级的可靠性。
C 流程绘制软件HMI Display Builder ，人机界面Station 。PKS的人机界面(HMI) 采用HMIWeb技术。HMIWeb使用HTML作为用户显示画面格式，可通过操作员站（Station）环境或IE浏览器来显示和操控过程显示画面。
系统还提供了大量的标准显示画面：菜单/导航,报警汇总,事件汇总,趋势,操作组,点细目,系统状态,组态,回路调节,弹出控制面板,诊断和维护,汇总等。
2.2 某15000M3/H的大型空分PKS控制系统配置
2.2.1 I/O的点数统计
根据系统监控要求，确定系统需要检测和控制的点的数量（I/O点），列出清单说明测点类型。
此外，空压机，增压机自带控制器，需要RS485/MODBUS 通讯采集120个参数。
2.2.2软件硬件配置
根据I/O点数及厂家的监控要求，考虑备用余量，配置了一对冗余控制器，2个PM I/O机箱。
因PKS服务器数据库点是集成点，一个CM内可能包含几个控制I/O点，所以服务器点数选400点，系统配备了1个服务器（它也可兼操作站），3个操作站。 此外，还配备了一台针式打印机，用来打印报表，事件报警，一台喷墨彩色打印机用来打印画面，程序。
下图为配置图:
2.3 系统组态 安装调试
2.3.1控制策略组态(控制器内程序)
根据前面给出的硬件配置，确定所有的I/O卡件位置，分配好所有的I/O点通道，从机箱-卡件-通道，以便随时查到相关信息；进入Control Builder程序，建立新的控制器，I/O卡件 ，然后将所有卡件分配到控制器中；根据需要，新建各种CM ，然后将I/O通道块分配定位到I/O卡上；下装控制器，I/O卡，CM ，联机调试。
几个特点:
- 各种控制点的控制周期选择。DCS和PLC的的一个区别是DCS控制点的运算周期是可以预先确定的，而PLC一般没法预先确定。我们常用周期是：模拟采集CM 为1秒，数字采集CM为0.1秒，模拟调节回路CM为0.5秒，数字控制CM为0.1秒，顺序控制SCM为1秒。确定每个CM的周期可以清楚的知道每个控制策略的反应时间，既不浪费系统资源，又保证了系统的处理速度。每个CM还有一个相位的问题，共有40个相位可选，这可以确保在任何时间的CPU负载均衡。另外，每个CM内的功能块有自己的运算次序，为保证最佳控制效果，需要仔细安排这些功能块的运算次序。
- 特殊的控制回路处理。PKS提供一个Honeywell专利的Profit Loop控制算法，它是单输入, 单输出的，可取代控制中的每一个 PID，好处是减少阀门磨损和延长阀门寿命，由于只有一个调节参数，降低控制人员的操作难度。我们在水冷塔控制回路中应用了它，效果良好。
- 分子筛中的切换阀控制。这种阀门带有两个阀门反馈信号，表示全开、全关，一个输出控制信号，根据反馈，阀门可能有四种状态：全开，全关，运行中，故障，当阀门开的输出信号发出后，经过时间T1，开反馈信号没来，或者当阀门关的输出信号发出后，
经过时间T2，关反馈信号没来 需要报警；自动方式时由分子筛顺控程序驱动，发生报警时，停止顺控程序,在PKS系统中，有一个DEVCTL（设备控制）功能块，专门针对此类应用，相当方便。如图，只需将具体参数输入即可。
- 分子筛中的切换阀时序控制。系统控制14个调节阀和切换阀，根据时间进行阀门的依此切换，程序一共有20个时间段，时间可以根据需求修改，启动时可以从任意时间开始，冷吹，均压等时间，流调节阀应先按调整好的曲线动作，然后再切换到PID进行回路调节，以确保流量压力的稳定，整个过程全由系统控制，控制复杂。
SCM是针对此类模拟数字混合顺控应用设计，它的规则是：1从初始步开始 2程序由步进入条件，执行步交替向下走，执行的指令采用公式形式，可以给变量赋值，改变功能块操作方式等 3 可以有分支 4程序最后状态是 完成 5有异常处理能力，规定的异常条件发生时，程序转去执行另一个顺序序列。几乎可以按照工艺要求提出的顺序流程完全照搬到SCM中。
- 安全联锁类的编制。由于是图形化的组态环境，可以较容易的把工艺提出的逻辑功能图搬到控制模块CM中，图示了膨胀机联锁功能CM。由于控制器内存中，每个CM是单独的单元，可以单独下装，在编制调试时，完全不影响别的控制点，可以边运行，边调试，使得工程时间大大缩短。
2.3.1监控组态（人机界面）
先用HMIWEB DisplayBuilder程序绘制流程画面 ， 然后进入Station，进行操作组，历史趋势显示组，历史事件归档，报表，安全等的设置。
几个特点:
1 流程画面采用HTML格式，支持VB脚本，ACTIVE X组件,支持弹出式画面，界面统一采用1024×768的分辨率。下图展示了预冷画面。
2 系统提供了大量的标准显示画面，除了需要绘制用户流程画面外，像报警，历史数据等其他功能显示界面，无需再进行图形绘制，系统是标准化的，只需将参数填入即可。 这对于界面统一，系统稳定运行，减少组态工作量，加快工程速度很有意义。
2.3.3安装
本系统采用了PM I/O，共有三台控制柜，分别是控制器柜，FTA柜，继电器柜，控制器，卡件，机柜，FTA，连接电缆，全是标准部件，除了继电器柜，基本上无需柜内再进行二次配线，降低了连线错误的概率，极大的方便了安装调试 。
下图为机柜：
 
4.结束语
EXPERION PKS系统目前已在多套大中型空分装置上成功运用，其工作稳定，组态方便，功能强大，经过工程和长时间运行的考验，确保了空分装置的安全稳定运行。
作者简介： 姜 亮 男，生于1971年, 工程师
1994年毕业于新疆工学院工业自动化专业 现从事控制系统的组态，工程 |
