ControlLogix在中海油氮气空分项目中的应用

摘要：中海油6000Nm3／h氮气空分项目PLC控制系统采用了全球领先的自动化品牌产品Rockwell Automation，该系统基于上位机监控软件RSView SE和ControlLogix系列可编程控制器。由于此类系统配置在现代空分行业较少使用，因此文章全面介绍了整个系统的软硬件、通讯和安全可靠性的配置情况，并对分子筛系统的设计与实现作了详细介绍。

关键词：CNOOC；空气分离；NetLinx；分子筛；ControlLogix；SFC

0　引言

惠州1200万吨炼油项目是中海油(CNOOC)投资建设的第一座大型炼油厂，在设计、工艺技术、建造水平和环保标准上都达到国际一流水平。该项目结束了中海油“有采无炼”的历史，也使中海油一步跨进炼油项目的高端，开始了与中石油中石化的正面竞争。

空分系统是中海油整个石化基地第一期第一个投入运行的项目，目的是向炼油厂提供氮气燃料。

空气分离是指在一个标准大气压下，根据空气中各组分的沸点不同(N2：-195.8 OC，Ar：-185.9 OC，02：-183.0 OC)，采用深度冷冻法的原理，通过精馏来分离空气中各组分。空气分离装置主要由空气压缩、预冷、净化、热交换、制冷、精馏和产品气的压缩七个系统组成。另外，空分还有一个精氩生产系统。精氩生产系统主要由粗氩塔和精氩塔组成，粗氩塔的作用是去除氩馏份中的O2含量，精氩塔的作用是去除粗氩中的N2含量。由于采用了规整填料塔，系统达到了无氢制氩的目的。

该空分项目控制系统采用的是全球知名的自动化品牌Rockwell Automation，该品牌的ControlLogix控制系统以其高可靠性、适应工业过程、强大的网络功能等特点，广泛应用于各种生产工艺过程，可实现顺序控制、回路调节、数据采集和分散控制集中管理，是实现机电一体化的重要手段和发展方向。

1　控制系统结构及硬件构成

空气分离控制系统由现场控制单元完成数据采集、数据处理、控制运算、控制输出等功能，通过EtherNet／IP网络实现与上位监控计算机的信息交互。现场控制单元通过监控计算机以文字，列表，曲线，图形和动画的形式显示现场数据、变化趋势、故障情况和报警状态，为管理人员的操作提供可靠、准确的实时信息，同时现场控制单元接受上层管理以太网下发的命令，实现整个系统的远程监控。

该系统采用分散控制、集中管理的方式，分上、下两层结构。上层为操作员站(工程师站)及设备，主要完成整个空气分离系统运行状况的动态图形监控、设备故障信息的记录和查询、设备运行，停止状态的记录和查询、历史数据的记录和查询，此外还可以通过上位机完成PLC程序的修改和下载等工作。上位机和PLC站之间采用IOM／IOOM工业以太网连接，并可以通过以太网连接厂级网络。

下层为现场控制级，由两台具有双机热备结构的ControlLogix主机组成。主机和各远程I／O站之间通过高速、开放、确定性的ControlNet网络连接。主机之间采用双向冗余的光缆通讯连接。每台主机所在的框架中安装一块IOM／IOOM自适应的EtherNet／IP网卡，用于连接上位机以实现对全厂设备的集中监控和对控制器程序的上传、编辑和下装。在远程I／O框架中插入一块ModBus通讯模块，通讯协议采用ModBus总线标准协议，三台压缩机的控制单元作为ModBus从节点挂接在ModBus总线上，由PLC主站执行程序完成对压缩机的数据查询和参数设置等操作。

控制系统的网络结构图如图1所示。

2　开放式网络架构NetLinx的应用

Rockwell Automation开放式通讯架构具有优良的效率和性能，可以方便地适应特殊要求。NetLinx架构包含了连接制造系统和企业管理系统所有必需的要素。这种从底层(车间级设备层)到顶层(制造执行系统MES和资源计划系统ERP)的通讯模式能满足建立完备系统的需求，NetLinx开放式网络架构可以提供先进的网络技术、更高的系统性能，利用它所提供的一整套通用的通讯技术及其开放式软／硬件接口，可以将制造层设备以多种方式连接至互联网。这种技术充分发挥了控制和信息协议(CIP)的优势，并提供了完整的网络功能以及标准的软／硬件接口。

2.1与介质无关

NetLinx是“与介质无关”的技术，可以根据具体应用要求选择通讯组件和介质。如对于面向信息和控制数据传输的基于Ethemet TCP／IP的Ethemet／IP，可为确定性控制层选择ControlNet，为设备层选择DeviceNet，在过程控制方面也可选择与FOUNDATION Fieldbus的连接。NetLinx架构融合了开放式技术和面向过程控制的对象连接与嵌入技术(OPC)，以及来自罗克韦尔软件的RSLinx和IOLinx软件产品。利用市场上现有的软／硬件组件，就可为计算机系统提供无缝接口。

2.2开放式接口

NetLinx提供了建立完善解决方案所需的各种工具。NetLinx架构不仅提供了EtherNet／IP、ControlNet、DeviceNet和Foundation Fieldbus等网络连接设备，更重要的是，NetLinx架构还包含了优化的面向自动控制的一整套通用的高级软件接口。这些接口是完全开放的，并能保证最为高效的数据传输。

2.3 Producer/Consumer模式的通信技术

基于开放网络技术的一种新发明的解决方案～生产者，客户模式，允许网络上的所有节点同时从单个的数据源存取相同的数据。

生产者，客户模式网络的最主要优点：

(1)数据源一旦发送数据，多个节点能够同时接收数据。

(2)精确的同步化，网络上设备增加，不会增加网络的通信量，并且生产者的数据可同时传输到所有消费者处。

生产者，客户模式网络主要支持下述功能：

(1)组成封从、多主或对等通信结构。

(2)组成混合系统结构(主／从、多主和对等设备的任意混合)。

(3)在一条链路上信息类型的任意混合(显示报文发送，I／O数据)。

3　监控系统的热备冗余配置

随着制造业竞争的加剧，制造商更加追求生产设备的可靠性，尤其是那些控制关键性生产工序的设备，往往需要采用冗余配置。目前，多数的基于可编程控制器的冗余系统采用了两套CPU处理器模块，一个处理器模块作为主处理器，另外一个作为从处理器。正常情况下，主处理器执行程序，控制I／O设备，从处理器不断监测主处理器状态。如果主处理器出现故障，从处理器立即接管对I／O的控制，继续执行程序，从而实现对系统的冗余控制。

下面以罗克韦尔自动化Allen Bradley品牌ControlLogix控 制器为例，介绍其冗余系统的构建和性能优化问题。

3.1 CPU的双机、双电源和双机架的冗余

在国内外工业自动化控制领域中，CPU热备冗余作为提高系统可靠的有效手段，目前已被广泛应用。ControlLogix的硬件直接支持CPU的双机冗余，不需要用户编程来实现冗余切换，用户只需要安装好硬件和连线，然后用软件简单组态一下就可以实现CPU的冗余设置。

如图2所示，两个CPU分别放在机架A和机架B，同时挂在ControlNet网络上，两块冗余模板间通过光缆连接。这样，在两块CPU同步后，主CPU和从CPU通过冗余模板进行数据和程序的同步。当主CPU出现故障时，对现场的控制自动转到备用CPU，同时从CPU转为主CPU。故障CPU则可以停电检修，而不会影响对现场设备的控制，检修完成后，又可以自动实现与当前主CPU的程序和数据的同步而成为备用CPU。由此可见，一主一从的双CPU冗余配置大大提高了系统的可靠性。

3.2冗余的EtherNet／IP网络通讯

上位机通过EtherNet/IP协议与主控制器通讯。为了确保通讯的稳定可靠，在系统通讯上采用了双卡双网冗余配置，在每个冗余机架上新增一对ENBT模块。可以把上位机两块以太网卡设置在两个不同的网段，应用ControlLogix冗余系统别名主题切换软件，可以实现切换后保持用户的HMI和主控制器继续通讯。在RSLinx软件中，为主框架上的每个ENBT模块分别建立一个别名主题，别名主题代表与控制器(主题)通讯的路径。

如图3中所示：

(1)在ControlLogix冗余系统，别名主题指向主控制器的主题。

(2)切换发生后，别名主题指向新的主控制器的主题。

4　时序图(SFC)控制的分子筛程序

分子筛系统是配套空分设备，用于净化空气的成套设备。分子筛装置的程序切换系统采用电子切换器进行自动控制。在干燥器自动再生控制过程中需要对再生过程的卸压、加热、冷吹、充压四个过程的时间进行控制。

4.1硬件配置

分子筛系统干燥器和空压机自动控制系统需要带电磁阀、接触器等，所以控制器输出中间继电器要有一定的接点容量。我们选用Rockwell Automation的ControlLogix可编程控制器，用于分子筛干燥器工作和再生的自动控制系统，具有功能齐全、运行可靠的优点，且有双冗余功能。其系统硬件配置紧凑，可大大减化布线，优化设计，提高设备的可靠性。

PLC的开关量输出信号用来触发继电器及报警，输入信号用来接收运行中的检测信号和反馈信号，为分子筛仪控系统的智能化控制提供依据。

4.2系统软件设计及编程

在分子筛干燥器再生控制系统程序设计中，为了方便工艺操作，特别增加了步进按钮程序。无论在控制过程的哪一步，只要工艺需要，按下步进按钮程序就会自动跳到下一步，这给生产带来了极大的方便。同时程序具有暂停，复位，停止等功能(见图4)。

PLC采用程序控制逻辑，当需要对控制逻辑进行修改时，只要修改程序即可，因此，灵活性强，扩展性强，同时给系统维护带来极大的方便。

4.3 PLC智能化控制的实现和特点

PLC程序以扫描方式顺序执行，通过PLC中的定时器编制一些时间脉冲触发程序，每隔一定时间发出一个脉冲信号去触发一段检测程序，系统即实现了定时检测功能。

分子筛仪控系统采用PLC控制，主要用于执行分子筛再生过程中的四个过程，它能完成逻辑判断、定时、计数、记忆和算术运算的功能。空压机自控系统采用PLC控制，主要用于完成空压机在运行中工艺过程数据的采集，机组启动、停车和参数越限报警控制。以回路调节为主，顺序控制为辅的PLC控制系统符合机组启动和停车的逻辑算法。同时，PLC采用程序控制逻辑，当需要对控制逻辑进行修改时只要修改程序即可。因此，系统灵活性、扩展性强，给系统维护带来了极大的便利。

5　结束语

在本空分项目中，空分装置的控制系统运用了ControLogix的多种编程技术：时序图、功能块、梯形图和结构化文本，实现了对整套装置的数据采集、分步处理和分散控制以及集中管理的高度自动化控制功能。

系统局地设备通过1756-CNBR网络模块和MV156-MCM协议转换模块实现了现场总线间协议的转换和互联，上层管理设备使用了最为先进的以太网技术，主通讯节点PLC主站通过以太网网桥模块ENBT接入交换机，这些技术措施保证了系统的整体通信性能，实现了设备与设备之间以及系统与外界之间的实时信息交换。同时，由于采用了双网双卡的冗余通讯方式，通过四块1756-ENBT网桥模块，提供四条通讯信道，保证了整套系统通信的可靠性。此方法对同类自动化系统尤其是对以太网热备冗余系统有较好的借鉴作用。