ＣｏｎｔｒｏｌＬｏｇｉｘ在中海油氮氣空分項目中的應用

摘要：中海油6000Nm3／h氮氣空分項目PLC控制系統采用了全球領先的自動化品牌產品Rockwell Automation，該系統基于上位機監控軟件RSView SE和ControlLogix系列可編程控制器。由于此類系統配置在現代空分行業較少使用，因此文章全面介紹了整個系統的軟硬件、通訊和安全可靠性的配置情況，并對分子篩系統的設計與實現作了詳細介紹。

關鍵詞：CNOOC；空氣分離；NetLinx；分子篩；ControlLogix；SFC

0 引言

惠州1200萬噸煉油項目是中海油(CNOOC)投資建設的第一座大型煉油廠，在設計、工藝技術、建造水平和環保標準上都達到國際一流水平。該項目結束了中海油“有采無煉”的歷史，也使中海油一步跨進煉油項目的高端，開始了與中石油中石化的正面競爭。

空分系統是中海油整個石化基地第一期第一個投入運行的項目，目的是向煉油廠提供氮氣燃料。

空氣分離是指在一個標準大氣壓下，根據空氣中各組分的沸點不同(N2：-195.8 OC，Ar：-185.9 OC，02：-183.0 OC)，采用深度冷凍法的原理，通過精餾來分離空氣中各組分。空氣分離裝置主要由空氣壓縮、預冷、凈化、熱交換、制冷、精餾和產品氣的壓縮七個系統組成。另外，空分還有一個精氬生產系統。精氬生產系統主要由粗氬塔和精氬塔組成，粗氬塔的作用是去除氬餾份中的O₂含量，精氬塔的作用是去除粗氬中的N₂含量。由于采用了規整填料塔，系統達到了無氫制氬的目的。

該空分項目控制系統采用的是全球知名的自動化品牌Rockwell Automation，該品牌的ControlLogix控制系統以其高可靠性、適應工業過程、強大的網絡功能等特點，廣泛應用于各種生產工藝過程，可實現順序控制、回路調節、數據采集和分散控制集中管理，是實現機電一體化的重要手段和發展方向。

1 控制系統結構及硬件構成

空氣分離控制系統由現場控制單元完成數據采集、數據處理、控制運算、控制輸出等功能，通過EtherNet／IP網絡實現與上位監控計算機的信息交互。現場控制單元通過監控計算機以文字，列表，曲線，圖形和動畫的形式顯示現場數據、變化趨勢、故障情況和報警狀態，為管理人員的操作提供可靠、準確的實時信息，同時現場控制單元接受上層管理以太網下發的命令，實現整個系統的遠程監控。

該系統采用分散控制、集中管理的方式，分上、下兩層結構。上層為操作員站(工程師站)及外圍設備，主要完成整個空氣分離系統運行狀況的動態圖形監控、設備故障信息的記錄和查詢、設備運行，停止狀態的記錄和查詢、歷史數據的記錄和查詢，此外還可以通過上位機完成PLC程序的修改和下載等工作。上位機和PLC站之間采用IOM／IOOM工業以太網連接，并可以通過以太網連接廠級網絡。

下層為現場控制級，由兩臺具有雙機熱備結構的ControlLogix主機組成。主機和各遠程I／O站之間通過高速、開放、確定性的ControlNet網絡連接。主機之間采用雙向冗余的光纜通訊連接。每臺主機所在的框架中安裝一塊IOM／IOOM自適應的EtherNet／IP網卡，用于連接上位機以實現對全廠設備的集中監控和對控制器程序的上傳、編輯和下裝。在遠程I／O框架中插入一塊ModBus通訊模塊，通訊協議采用ModBus總線標準協議，三臺壓縮機的控制單元作為ModBus從節點掛接在ModBus總線上，由PLC主站執行程序完成對壓縮機的數據查詢和參數設置等操作。

控制系統的網絡結構圖如圖1所示。

2 開放式網絡架構NetLinx的應用

Rockwell Automation開放式通訊架構具有優良的效率和性能，可以方便地適應特殊要求。NetLinx架構包含了連接制造系統和企業管理系統所有必需的要素。這種從底層(車間級設備層)到頂層(制造執行系統MES和資源計劃系統ERP)的通訊模式能滿足建立完備系統的需求，NetLinx開放式網絡架構可以提供先進的網絡技術、更高的系統性能，利用它所提供的一整套通用的通訊技術及其開放式軟／硬件接口，可以將制造層設備以多種方式連接至互聯網。這種技術充分發揮了控制和信息協議(CIP)的優勢，并提供了完整的網絡功能以及標準的軟／硬件接口。

2.1與介質無關

NetLinx是“與介質無關”的技術，可以根據具體應用要求選擇通訊組件和介質。如對于面向信息和控制數據傳輸的基于Ethemet TCP／IP的Ethemet／IP，可為確定性控制層選擇ControlNet，為設備層選擇DeviceNet，在過程控制方面也可選擇與FOUNDATION Fieldbus的連接。NetLinx架構融合了開放式技術和面向過程控制的對象連接與嵌入技術(OPC)，以及來自羅克韋爾軟件的RSLinx和IOLinx軟件產品。利用市場上現有的軟／硬件組件，就可為計算機系統提供無縫接口。

2.2開放式接口

NetLinx提供了建立完善解決方案所需的各種工具。NetLinx架構不僅提供了EtherNet／IP、ControlNet、DeviceNet和Foundation Fieldbus等網絡連接設備，更重要的是，NetLinx架構還包含了優化的面向自動控制的一整套通用的高級軟件接口。這些接口是完全開放的，并能保證最為高效的數據傳輸。

2.3 Producer/Consumer模式的通信技術

基于開放網絡技術的一種新發明的解決方案～生產者，客戶模式，允許網絡上的所有節點同時從單個的數據源存取相同的數據。

生產者，客戶模式網絡的最主要優點：

(1)數據源一旦發送數據，多個節點能夠同時接收數據。

(2)精確的同步化，網絡上設備增加，不會增加網絡的通信量，并且生產者的數據可同時傳輸到所有消費者處。

生產者，客戶模式網絡主要支持下述功能：

(1)組成封從、多主或對等通信結構。

(2)組成混合系統結構(主／從、多主和對等設備的任意混合)。

(3)在一條鏈路上信息類型的任意混合(顯示報文發送，I／O數據)。

3 監控系統的熱備冗余配置

隨著制造業競爭的加劇，制造商更加追求生產設備的可靠性，尤其是那些控制關鍵性生產工序的設備，往往需要采用冗余配置。目前，多數的基于可編程控制器的冗余系統采用了兩套CPU處理器模塊，一個處理器模塊作為主處理器，另外一個作為從處理器。正常情況下，主處理器執行程序，控制I／O設備，從處理器不斷監測主處理器狀態。如果主處理器出現故障，從處理器立即接管對I／O的控制，繼續執行程序，從而實現對系統的冗余控制。

下面以羅克韋爾自動化Allen Bradley品牌ControlLogix控制器為例，介紹其冗余系統的構建和性能優化問題。

3.1 CPU的雙機、雙電源和雙機架的冗余

在國內外工業自動化控制領域中，CPU熱備冗余作為提高系統可靠的有效手段，目前已被廣泛應用。ControlLogix的硬件直接支持CPU的雙機冗余，不需要用戶編程來實現冗余切換，用戶只需要安裝好硬件和連線，然后用軟件簡單組態一下就可以實現CPU的冗余設置。

如圖2所示，兩個CPU分別放在機架A和機架B，同時掛在ControlNet網絡上，兩塊冗余模板間通過光纜連接。這樣，在兩塊CPU同步后，主CPU和從CPU通過冗余模板進行數據和程序的同步。當主CPU出現故障時，對現場的控制自動轉到備用CPU，同時從CPU轉為主CPU。故障CPU則可以停電檢修，而不會影響對現場設備的控制，檢修完成后，又可以自動實現與當前主CPU的程序和數據的同步而成為備用CPU。由此可見，一主一從的雙CPU冗余配置大大提高了系統的可靠性。

3.2冗余的EtherNet／IP網絡通訊

上位機通過EtherNet/IP協議與主控制器通訊。為了確保通訊的穩定可靠，在系統通訊上采用了雙卡雙網冗余配置，在每個冗余機架上新增一對ENBT模塊。可以把上位機兩塊以太網卡設置在兩個不同的網段，應用ControlLogix冗余系統別名主題切換軟件，可以實現切換后保持用戶的HMI和主控制器繼續通訊。在RSLinx軟件中，為主框架上的每個ENBT模塊分別建立一個別名主題，別名主題代表與控制器(主題)通訊的路徑。

如圖3中所示：

(1)在ControlLogix冗余系統，別名主題指向主控制器的主題。

(2)切換發生后，別名主題指向新的主控制器的主題。

4 時序圖(SFC)控制的分子篩程序

分子篩系統是配套空分設備，用于凈化空氣的成套設備。分子篩裝置的程序切換系統采用電子切換器進行自動控制。在干燥器自動再生控制過程中需要對再生過程的卸壓、加熱、冷吹、充壓四個過程的時間進行控制。

4.1硬件配置

分子篩系統干燥器和空壓機自動控制系統需要帶電磁閥、接觸器等，所以控制器輸出中間繼電器要有一定的接點容量。我們選用Rockwell Automation的ControlLogix可編程控制器，用于分子篩干燥器工作和再生的自動控制系統，具有功能齊全、運行可靠的優點，且有雙冗余功能。其系統硬件配置緊湊，可大大減化布線，優化設計，提高設備的可靠性。

PLC的開關量輸出信號用來觸發繼電器及報警，輸入信號用來接收運行中的檢測信號和反饋信號，為分子篩儀控系統的智能化控制提供依據。

4.2系統軟件設計及編程

在分子篩干燥器再生控制系統程序設計中，為了方便工藝操作，特別增加了步進按鈕程序。無論在控制過程的哪一步，只要工藝需要，按下步進按鈕程序就會自動跳到下一步，這給生產帶來了極大的方便。同時程序具有暫停，復位，停止等功能(見圖4)。

PLC采用程序控制邏輯，當需要對控制邏輯進行修改時，只要修改程序即可，因此，靈活性強，擴展性強，同時給系統維護帶來極大的方便。

4.3 PLC智能化控制的實現和特點

PLC程序以掃描方式順序執行，通過PLC中的定時器編制一些時間脈沖觸發程序，每隔一定時間發出一個脈沖信號去觸發一段檢測程序，系統即實現了定時檢測功能。

分子篩儀控系統采用PLC控制，主要用于執行分子篩再生過程中的四個過程，它能完成邏輯判斷、定時、計數、記憶和算術運算的功能。空壓機自控系統采用PLC控制，主要用于完成空壓機在運行中工藝過程數據的采集，機組啟動、停車和參數越限報警控制。以回路調節為主，順序控制為輔的PLC控制系統符合機組啟動和停車的邏輯算法。同時，PLC采用程序控制邏輯，當需要對控制邏輯進行修改時只要修改程序即可。因此，系統靈活性、擴展性強，給系統維護帶來了極大的便利。

5 結束語

在本空分項目中，空分裝置的控制系統運用了ControLogix的多種編程技術：時序圖、功能塊、梯形圖和結構化文本，實現了對整套裝置的數據采集、分步處理和分散控制以及集中管理的高度自動化控制功能。

系統局地設備通過1756-CNBR網絡模塊和MV156-MCM協議轉換模塊實現了現場總線間協議的轉換和互聯，上層管理設備使用了最為先進的以太網技術，主通訊節點PLC主站通過以太網網橋模塊ENBT接入交換機，這些技術措施保證了系統的整體通信性能，實現了設備與設備之間以及系統與外界之間的實時信息交換。同時，由于采用了雙網雙卡的冗余通訊方式，通過四塊1756-ENBT網橋模塊，提供四條通訊信道，保證了整套系統通信的可靠性。此方法對同類自動化系統尤其是對以太網熱備冗余系統有較好的借鑒作用。