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(tǒng)采用了全球領先的自動化品牌產(chǎn)品Rockwell Automation，該系統(tǒng)基于上位機監(jiān)控軟件RSView SE和ControlLogix系列可編程控制器。由于此類系統(tǒng)配置在現(xiàn)代空分行業(yè)較少使用，因此文章全面介紹了整個系統(tǒng)的軟硬件、通訊和安全可靠性的配置情況，并對分子篩系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)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(huán)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(tǒng)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(jù)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(chǎn)品氣的壓縮七個系統(tǒng)組成。另外，空分還有一個精氬生產(chǎn)系統(tǒng)。精氬生產(chǎn)系統(tǒng)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(guī)整填料塔，系統(tǒng)達到了無氫制氬的目的。

該空分項目控制系統(tǒng)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(tǒng)以其高可靠性、適應工業(yè)過程、強大的網(wǎng)絡功能等特點，廣泛應用于各種生產(chǎn)工藝過程，可實現(xiàn)順序控制、回路調節(jié)、數(shù)據(jù)采集和分散控制集中管理，是實現(xiàn)機電一體化的重要手段和發(fā)展方向。

1 控制系統(tǒng)結構及硬件構成

空氣分離控制系統(tǒng)由現(xiàn)場控制單元完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、控制運算、控制輸出等功能，通過EtherNet／IP網(wǎng)絡實現(xiàn)與上位監(jiān)控計算機的信息交互。現(xiàn)場控制單元通過監(jiān)控計算機以文字，列表，曲線，圖形和動畫的形式顯示現(xiàn)場數(shù)據(jù)、變化趨勢、故障情況和報警狀態(tài)，為管理人員的操作提供可靠、準確的實時信息，同時現(xiàn)場控制單元接受上層管理以太網(wǎng)下發(fā)的命令，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的遠程監(jiān)控。

該系統(tǒng)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(tǒng)運行狀況的動態(tài)圖形監(jiān)控、設備故障信息的記錄和查詢、設備運行，停止狀態(tài)的記錄和查詢、歷史數(shù)據(jù)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(yè)以太網(wǎng)連接，并可以通過以太網(wǎng)連接廠級網(wǎng)絡。

下層為現(xiàn)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(wǎng)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(wǎng)卡，用于連接上位機以實現(xiàn)對全廠設備的集中監(jiān)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(xié)議采用ModBus總線標準協(xié)議，三臺壓縮機的控制單元作為ModBus從節(jié)點掛接在ModBus總線上，由PLC主站執(zhí)行程序完成對壓縮機的數(shù)據(jù)查詢和參數(shù)設置等操作。

控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡結構圖如圖1所示。

2 開放式網(wǎng)絡架構NetLinx的應用

Rockwell Automation開放式通訊架構具有優(yōu)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(tǒng)和企業(yè)管理系統(tǒng)所有必需的要素。這種從底層(車間級設備層)到頂層(制造執(zhí)行系統(tǒng)MES和資源計劃系統(tǒng)ERP)的通訊模式能滿足建立完備系統(tǒng)的需求，NetLinx開放式網(wǎng)絡架構可以提供先進的網(wǎng)絡技術、更高的系統(tǒng)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(lián)網(wǎng)。這種技術充分發(fā)揮了控制和信息協(xié)議(CIP)的優(yōu)勢，并提供了完整的網(wǎng)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(jù)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(shù)據(jù)傳輸?shù)幕贓themet 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(chǎn)品。利用市場上現(xiàn)有的軟／硬件組件，就可為計算機系統(tǒng)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(wǎng)絡連接設備，更重要的是，NetLinx架構還包含了優(yōu)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(shù)據(jù)傳輸。

2.3 Producer/Consumer模式的通信技術

基于開放網(wǎng)絡技術的一種新發(fā)明的解決方案～生產(chǎn)者，客戶模式，允許網(wǎng)絡上的所有節(jié)點同時從單個的數(shù)據(jù)源存取相同的數(shù)據(jù)。

生產(chǎn)者，客戶模式網(wǎng)絡的最主要優(yōu)點：

(1)數(shù)據(jù)源一旦發(fā)送數(shù)據(jù)，多個節(jié)點能夠同時接收數(shù)據(jù)。

(2)精確的同步化，網(wǎng)絡上設備增加，不會增加網(wǎng)絡的通信量，并且生產(chǎn)者的數(shù)據(jù)可同時傳輸?shù)剿邢M者處。

生產(chǎn)者，客戶模式網(wǎng)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(tǒng)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(fā)送，I／O數(shù)據(jù))。

3 監(jiān)控系統(tǒng)的熱備冗余配置

隨著制造業(yè)競爭的加劇，制造商更加追求生產(chǎn)設備的可靠性，尤其是那些控制關鍵性生產(chǎn)工序的設備，往往需要采用冗余配置。目前，多數(shù)的基于可編程控制器的冗余系統(tǒng)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(zhí)行程序，控制I／O設備，從處理器不斷監(jiān)測主處理器狀態(tài)。如果主處理器出現(xiàn)故障，從處理器立即接管對I／O的控制，繼續(xù)執(zhí)行程序，從而實現(xiàn)對系統(tǒng)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(tǒng)的構建和性能優(yōu)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(yè)自動化控制領域中，CPU熱備冗余作為提高系統(tǒng)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(xiàn)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(tài)一下就可以實現(xiàn)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(wǎng)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(shù)據(jù)和程序的同步。當主CPU出現(xiàn)故障時，對現(xiàn)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(xiàn)場設備的控制，檢修完成后，又可以自動實現(xiàn)與當前主CPU的程序和數(shù)據(jù)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(tǒng)的可靠性。

3.2冗余的EtherNet／IP網(wǎng)絡通訊

上位機通過EtherNet/IP協(xié)議與主控制器通訊。為了確保通訊的穩(wěn)定可靠，在系統(tǒng)通訊上采用了雙卡雙網(wǎng)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(wǎng)卡設置在兩個不同的網(wǎng)段，應用ControlLogix冗余系統(tǒng)別名主題切換軟件，可以實現(xiàn)切換后保持用戶的HMI和主控制器繼續(xù)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(tǒng)，別名主題指向主控制器的主題。

(2)切換發(fā)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)干燥器和空壓機自動控制系統(tǒng)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(tǒng)，具有功能齊全、運行可靠的優(yōu)點，且有雙冗余功能。其系統(tǒng)硬件配置緊湊，可大大減化布線，優(yōu)化設計，提高設備的可靠性。

PLC的開關量輸出信號用來觸發(fā)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(tǒng)的智能化控制提供依據(jù)。

4.2系統(tǒng)軟件設計及編程

在分子篩干燥器再生控制系統(tǒng)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(chǎn)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(tǒng)維護帶來極大的方便。

4.3 PLC智能化控制的實現(xiàn)和特點

PLC程序以掃描方式順序執(zhí)行，通過PLC中的定時器編制一些時間脈沖觸發(fā)程序，每隔一定時間發(fā)出一個脈沖信號去觸發(fā)一段檢測程序，系統(tǒng)即實現(xiàn)了定時檢測功能。

分子篩儀控系統(tǒng)采用PLC控制，主要用于執(zhí)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(shù)、記憶和算術運算的功能。空壓機自控系統(tǒng)采用PLC控制，主要用于完成空壓機在運行中工藝過程數(shù)據(jù)的采集，機組啟動、停車和參數(shù)越限報警控制。以回路調節(jié)為主，順序控制為輔的PLC控制系統(tǒng)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(tǒng)靈活性、擴展性強，給系統(tǒng)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(tǒng)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(xiàn)了對整套裝置的數(shù)據(jù)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(tǒng)局地設備通過1756-CNBR網(wǎng)絡模塊和MV156-MCM協(xié)議轉換模塊實現(xiàn)了現(xiàn)場總線間協(xié)議的轉換和互聯(lián)，上層管理設備使用了最為先進的以太網(wǎng)技術，主通訊節(jié)點PLC主站通過以太網(wǎng)網(wǎng)橋模塊ENBT接入交換機，這些技術措施保證了系統(tǒng)的整體通信性能，實現(xiàn)了設備與設備之間以及系統(tǒng)與外界之間的實時信息交換。同時，由于采用了雙網(wǎng)雙卡的冗余通訊方式，通過四塊1756-ENBT網(wǎng)橋模塊，提供四條通訊信道，保證了整套系統(tǒng)通信的可靠性。此方法對同類自動化系統(tǒng)尤其是對以太網(wǎng)熱備冗余系統(tǒng)有較好的借鑒作用。