氧气站仪控设计理念与故障的相关性探讨

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　　摘 要 经过几年的学习、观察和实践，结合行业知识，本人对仪控设计的理念认知有所加强，在深冷制氧系统组态、故障处理，以及现场仪表相关知识方面深入分析和总结，认为仪控设计理念、设计思路对仪控故障的产生、仪控故障的判断和处理有极大的相关性。本文就这些相关性结合氧气站实例进行探讨和分析，以期望在实际生产过程中降低故障发生的概率，并在故障发生时提高处理效率。
　　关键词 工业自动化；理念；控制系统；现场仪表；控制方式；仪控
　　引言
　　凉山矿业股份有限公司昆鹏公司机动分厂氧气站设计规模为10000m3/h。深冷法制氧。氧气站主要设备包括空压机、预冷系统、分子筛、增压机、膨胀机、分馏塔、氮压机、液氧泵等。其中空压机和增压机控制系统为PLC200，主控采用和利时DCS控制系统。自动控制阀门采用气动调节阀，主控显示温度计采用铂热电阻。氧气站从2010年开始运行以来，陆陆续续的出现过各种故障，本文按照各工序曾经出现过或者经常出现的故障，寻找一种更加科学的仪表控制设计理念[1]。
　　1 控制系统设计与故障的相关性
　　氧气站空气压缩机和循环增压机由于控制点较多，设备采用独立控制系统，然后通过通讯，把参数画面传输给中控DCS控制系统，实现就地控制和远程监控。这样的设计理念目的是分散控制风险，不会因为一个控制系统出故障而影响全系统的运行。然而通过生产工艺和实践证明，无论空压机控制系统、增压机控制系统还是中控DCS控制系统，只要有一个发生故障，氧气站全工艺你流程都必须完全停产。而且这样分散风险一定程度上提高了风险发生的概率。2016年。氧气站空压机控制系统出现PLC主控单元死机现象，导致空压机不受控制和实时数据监控。故障发生后，必须对氧气站全系统进行停产处理。通过分析发现，由于空压机控制柜在空压机房，处在温度高、噪音大、振动大的恶劣环境中，出现设备故障的概率较大，增压机也存在类似的问题。
　　空压机和增压机仪控设计只是把工艺参数和画面传输到了主控系统，在设备发生故障时，空压机操作必须去现场控制柜来进行阀门、导叶等操作。这样就大大降低了故障处理效率，可能造成更大的设备损失。因此我们通过仪控系统设计的重新改造，把空压机、增压机的阀门、导叶的开关、开度的调节都引入到中控DCS控制。同时把设备工艺控制参数、报警和连锁也引入到DCS控制系统。实现真正的现场与主控同时监控，同时操作、同时连锁的设计理念，在出现设备故障时，能够及时判断出设备故障的原因以及应急处理措施，使得故障造成的损失最小化[2]。
　　2 空压机系统连锁设计与故障的相关性
　　空压机自动系统包括PLC控制系统，现场温度、压力、振动仪表，导叶，自动控制阀门，油泵以及电控信号。空压机连锁包括开机连锁、停机连锁、油泵连锁和油箱电加热器连锁。其中停机连锁如下：
　　2.1 温度连锁
　　（1） 主电机轴承温度TIAS3106≥80℃
　　（2）主电机轴承温度TIAS3107≥80℃
　　（3） 低速轴承温度（非电机侧）TIAS3108≥120℃
　　（4）低速轴承温度（主电机侧）TIAS3109≥120℃
　　（5）高速轴承温度（非电机侧）TIAS3110≥120℃
　　（6）高速轴承温度（主电机侧）TIAS3111≥120℃
　　（7）大齿轮轴承温度（非电机侧）TIAS3109≥80℃
　　（8）大齿轮轴承温度（主电机侧）TIAS3109≥80℃
　　2.2 振动连锁
　　（1）压缩机低速轴轴振动（主电机侧）XIA3001≥87μm
　　（2）压缩机低速轴轴振动（非电机侧）XIA3002≥87μm
　　（3）压缩机高速轴轴振动（主电机侧）XIA3003≥79μm
　　（4）压缩机低速轴轴振动（主电机侧）XIA3001≥79μm
　　2.3 轴位移连锁 NIAS3001≥0.44mm
　　2.4 压力连锁：出口压力PICAS3010≥0.58MPa
　　2.5 油压连锁：PICAS3104≤0.07MPa
　　空压机在运行过程中出现过高速轴轴振动过高和油温过高停机现象。轴承温度过高连锁为误动作，轴振动连锁为在空压机开机时的软启动时间。经过认真分析，发现在开机到软启动结束这段时间，轴振动会逐步升高，在最高时会达到连锁值。可见原有设计在空压机启动时思路行不通。为解决这个故障，我们提出一种新的设计理念，就是通过增加延时程序，在空压机启动期间（40秒左右）避免轴承振动过高连锁。高速轴轴承温度过高连锁误动作的原因大致相同，都是因为温度瞬间变化导致跳机动作，为此通过增加延时保持继电器程序可以有效避免误动作的发生[3]。
　　3 预冷系统仪控和故障的相关性
　　氧气站预冷系统包括空冷塔、水冷塔、冷却水泵、冷冻水泵等主要设备。仪控包括空冷塔和水冷塔的液位、压力、流量、调节阀。在设计现场仪表时，两个塔都是磁翻板流量计和感应式液位变送器。磁翻板液位计用于现场观察液位，感应式液位变送器把液位数据传输至主控室。主控人员根据液位来控制阀门开度。预冷系统发生过几次液位计故障，导致无法控制预冷系统液位和温度，造成工艺故障。我们研究发现现场液位计和变送器其实是一个测点，一旦液位计堵塞，就会造成无论现场还是主控都无法显示液位数据。这样的仪控设计理念使得工艺故障的概率大大增加。为降低这个故障，我们准备年底对预冷系统现场液位计进行改造，增加差压式液位计来同步监测液位。这样由于差压式液位计不会堵塞，就算磁翻板液位计偶尔堵塞，也能迅速查出故障，而新增液位计准确显示液位，就不会因磁翻板液位计故障造成损失。
　　4 分子筛仪控设计与故障的相关性
　　分子筛系统包括两台分子筛、切换阀门和电加热器组成，采用顺序控制系统，仪控测点主要包括阀门开关位置信号、温度、压力和再生气流量等。常见故障主要为阀门开关不到位、阀门不动作。在顺序控制程序里面，若是任何閥门到位信号没有输出就会导致分子筛连锁停机，从自动控制程序切换到手动操作模式。这种故障导致分子筛切换时间延长。往往出现阀门不到位故障时，就会等着仪控专业人员到现场进行处理。为此我们修改了相关程序，使得在出现故障时，只要现场判断出因为位置信号不到位导致出现故障，就可以通过手动干预信号实现自动程序继续运行，再由仪控人员处理位置信号问题，就不会造成生产损失[4]。 　　5 膨胀机仪控设计与故障的相关性
　　氧气站膨胀机系统为两台，正常运行时采用一用一备的方式，由于膨胀机系统为低温设备的控制系统，要求相关的仪表和连锁控制比较复杂，包括开机连锁要求也较高。其仪控设计思路充分考虑了工艺和设备安全。具体连锁如下：
　　（1）膨胀端轴承温度≥75℃，连锁投入，膨胀机停机。
　　（2）增压端轴承温度≥75℃，连锁投入，膨胀机停机。
　　（3）供油压力≤0.35MPa，连锁投入，膨胀机停机。
　　（4）转速≥33000RPM，连锁投入，膨胀机停机。
　　（5）密封气压力小于等于0.2MPa，连锁投入，膨胀机停机。
　　在膨胀机仪控设计上，两台膨胀机的紧急切断阀与回流阀相关联，即当回流阀得电时，两台紧急切断阀同时得电，当任何一台膨胀机的紧急切断阀失电时，膨胀机总回流阀失电。这样的设计出现的问题就是当一台膨胀机工作时要求另一台膨胀机的紧急切断阀也必须带电。在员工操作时，如果误操作了没有运行的膨胀机的紧急切断阀，也一样会导致回流阀全开，运行中的膨胀机负荷下降，造成工艺故障。为降低因为误导性仪控操作导致发生工艺故障的概率，我们进行研究并进行组态模拟试验后，实现当紧急切断阀连锁开关不投入系统时，就无法控制膨胀机总回流阀，紧急切断阀的操作对另外一台的工作状态不造成影响[5]。
　　6 结束语
　　通过对氧气站每个工序的仪控设计案例进行分析和研究，我们发现不同的仪控设计理念对故障有相当大的相关性。我们基于更安全、更高效的理念，把氧气站仪控设计做了相应的改进。这些改进的实施，有效降低了故障发生的概率，提高了故障处理的效率。本文通过具体的实例来阐述仪控设计与故障的相关性，以期望对相关专业、相关行业提供一种方法和思路来降低工业生产中的故障。
　　参考文献
　　[1] 王树青，乐嘉谦.自动化与仪表工程师手册[M].北京：化学工业出版社，2010：49.
　　[2] 黄步余.分散控制系统在工业过程中的应用[M].北京：中国石化出版社，1994：109.
　　[3] 王常力，罗安.集散型控制系统的选型与应用[M].北京：清华大学出版社，1996：301.
　　[4] 厉玉鸣.化工仪表及自动化[M]. 北京：化学工业出版社，2009：45.
　　[5] 廖常初.S7-300/400 PLC应用技术[M].北京：机械工业出版社， 2012：73.
　　作者简介
　　何洋（1985-），男，四川會理人；学历：大学本科，工程师，现就职单位：凉山矿业股份有限公司，研究方向：主要从事有色金属冶金行业工控系统和仪表管理工作。
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