CN108762058A - 一种冗余控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种冗余控制方法，主要通过手动方式在自动操作和手动操作之间切换，通过自动程序设计和多种冗余设计实现制氮机自动化流程控制。本发明不需用时间继电器，可实时显示工作流程并监视工作时间，并具有简单、实用、美观、操纵方便的人机界面；广泛地采取了冗余技术,使系统的可靠性得到了充分保证；设计成自动反馈系统，自动检测和显示，包括系统的运行和排空，真正做到全自动无人操作；使用的SIMATIC STEP 7拥有良好的用户界面及强大而丰富的编程工具，能大大节省系统编程组态的时间和费用。

Description

一种冗余控制方法

技术领域

本发明涉及制氮机的领域，具体涉及一种冗余控制方法。

背景技术

制氮机是以空气为原料，以碳分子筛为吸附剂，运用变压吸附原理，使布满微孔的碳分子筛对气体分子有选择性的吸附来获得纯度为98～99.99％的氮气的新型制氮技术。

碳分子筛系由硬煤磨细后，经一系列加工成型烧结所得。经活化成型后的碳分子筛其晶粒体分布着无数微孔。碳分子筛属于速度分离型吸附剂，由于分子直径小的氧分子O2比分子直径稍大的氮分子N2在运动中的扩散速度要快十倍，所以，从分子动力学来讲，当空气进进碳分子筛床层时，分子直径小的氧以较快的速度进进碳分子结晶微孔中，氧被富集在碳分子固相中，而氮分子则在气相中富集，从而将氧气和氮气从空气中分离开来。碳分子筛对氧的平衡吸附量随吸附压力升高而增加，随压力的降低而减少，即所谓变压吸附。当进碳分子筛床层的空气压力降低到常压0.1MPa时，即所谓筛微孔中吸附的氧分子即被开释出来，即所谓常压解吸。为了能连续不断地生产出合格氮气，必须对生产过程中的各个流程进行自动控制。

PSA制氮机控制系统原先采用的是继电接触控制方法，所用器件多，触点易损，控制单一，体积大，无法随时检测Y1～Y8电磁阀的好坏。通过对工艺流程和控制要求的分析，为了使控制系统更加灵活、可靠，操纵方便且具有通用性，设计了西门子300PLC控制冗余方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种冗余控制方法。

本发明的目的是通过如下技术方案来完成的以下步骤：

1)、通过手动方式在自动操作和手动操作之间切换；

2)、自动操作程序开始后，程序进入1#步骤，判断是否分子筛处在1#切换步且计时已满，是则直接进入下一步，否则进行1#分子筛切换后进入下一步；

3)、判断是否分子筛处在1#加温步且计时已满，是则直接进入下一步，否则进行1#分子筛加温后进入下一步；

4)、判断是否分子筛处在1#冷却步且计时已满，是则直接进入下一步，否则进行1#分子筛冷却后进入下一步；

5)、程序进入2#步骤，2#步骤内容和顺序均重复1#步骤；

6)、程序循环运行，形成闭环，使用手动与自动的切换实现程序中断；

7)、手动模式下，在流程图画面中点击单阀的图标改变单阀的开关状态；

8)、程序中始终贯串小时、分钟、秒三个时间变量，一套完整的程序运行周期为16小时，程序自动运行时，系统从工艺期望的初始点开始自动计时，将三个时间变量与时序表中时钟比较，判断出当前时段和针对每一阀执行动作；

9)、对每一阀按照时序规定它的动作。

所述1#分子筛切换包括分子筛吸附器预充压、等待均压、均压、泄废气、等待加热、开始加热这几个分步。

整个流程设置了自动放空系统控制氮气质量。

整个流程设置了压紧报警监测系统，通过设置气缸压紧装置，并同时在压紧系统中设置二点式碳位报警装置，第一点碳位报警可调节监测碳位的行程，第二点碳位报警是备用碳分子筛消耗的提示。

整个流程采用SIMATIC程序管理器和统一硬件平台，网络配置使用标准PROFIBUS以及PROFIBUS DP网络，控制器采用SIEMENS冗余控制器，上位机采用SIEMENS的专用WinCC作为人机接口,WinCC和PLC间的通讯为冗余，ET200M分布式I/O卡件和控制器之间使用冗余的PRFIBUS-DP网络，两对冗余控制器之间的通讯也采用了冗余的通讯方式，系统使用OPC或ODBC技术。

整个流程对所有相关设备实行启停监视,并配以相应的报表。

本发明的有益效果为：

1、本发明不需用时间继电器，可实时显示工作流程并监视工作时间，并具有简单、实用、美观、操纵方便的人机界面；广泛地采取了冗余技术,使系统的可靠性得到了充分保证。

2、本发明设计成自动反馈系统，自动检测和显示，包括系统的运行和排空，真正做到全自动无人操作；使用的SIMATIC STEP 7拥有良好的用户界面及强大而丰富的编程工具，能大大节省系统编程组态的时间和费用。

附图说明

图1为手动切换程序流程图。

图2为自动操作程序流程图。

图3为1#分子筛切换图。

图4为手动改变单阀开关状态流程图。

图5为本发明电路图。

图6为本发明具体配置图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做详细的介绍：

实施例：如附图所示，这种冗余控制方法，主要包括以下步骤：

1)、通过手动方式在自动操作和手动操作之间切换；

2)、自动操作程序开始后，程序进入1#步骤，判断是否分子筛处在1#切换步且计时已满，是则直接进入下一步，否则进行1#分子筛切换后进入下一步；

3)、判断是否分子筛处在1#加温步且计时已满，是则直接进入下一步，否则进行1#分子筛加温后进入下一步；

4)、判断是否分子筛处在1#冷却步且计时已满，是则直接进入下一步，否则进行1#分子筛冷却后进入下一步；

5)、程序进入2#步骤，2#步骤内容和顺序均重复1#步骤；

6)、程序循环运行，形成闭环，使用手动与自动的切换实现程序中断，自动时程序运行，手动时程序停止；

7)、手动模式下，在流程图画面中点击单阀的图标改变单阀的开关状态；

8)、程序中始终贯串小时、分钟、秒三个时间变量，一套完整的程序运行周期为16小时，程序自动运行时，系统从工艺期望的初始点开始自动计时，将三个时间变量与时序表中时钟比较，判断出当前时段和针对每一阀执行动作；

9)、对每一阀按照时序规定它的动作，而不是以时间为轴，规定某一时刻所有阀的动作。使程序更加严密，无任何意外中断和漏洞。

所述1#分子筛切换包括分子筛吸附器预充压、等待均压、均压、泄废气、等待加热、开始加热这几个分步。

整个流程设置了自动放空系统控制氮气质量。在氮分析仪上可以设定好氮气纯度充许的下限值，当氮气纯度低于设定值下限时系统声光报警，同时打开放空阀让不合格氮气自动放空，当纯度恢复到正常时，放空阀自动关闭，氮气通过正常出口管输出。

氮气纯度可随流量的调节而发生变化，产量调节弹性在50～100％之间。

整个流程设置了压紧报警监测系统，通过设置气缸压紧装置，并同时在压紧系统中设置二点式碳位报警装置，第一点碳位报警可调节监测碳位的行程，第二点碳位报警是备用碳分子筛消耗的提示。保证氮气设备的长期稳定运行。

整个流程采用SIMATIC程序管理器和统一硬件平台，网络配置使用标准PROFIBUS以及PROFIBUS DP网络，控制器采用SIEMENS冗余控制器，使用先进的事件冗余,使系统的冗余达到可无扰动切换的最佳性能；上位机采用SIEMENS的专用WinCC作为人机接口,WinCC和PLC间的通讯为冗余，任何一台控制器停机都不会影响上位机的监控功能,并实现无扰切换；ET200M分布式I/O卡件和控制器之间使用冗余的PRFIBUS-DP网络，任何一个控制器的停机或I/O接口卡件的损坏都不会影响系统对I/O的访问；两对冗余控制器之间的通讯也采用了冗余的通讯方式，任何1个控制器或通讯卡件的停机都不会影响通讯的正常运行；系统使用OPC或ODBC技术，系统开放性强，可与常见的办公软件进行数据交换，可大幅度地降低工程设计，维护费用。

整个流程对所有相关设备实行启停监视,并配以相应的报表，使系统状况一目了然。

本发明使用电路图(附图5)的接口说明：

具体功能：

1 工作时间 触摸屏中文显示

2 远程启停 触摸屏中文显示

3 工作状态 (启动、运行、停机) 触摸屏中文显示

4 加载状态 (加载、卸载) 触摸屏中文显示

5 准备状态 触摸屏中文显示

6 排气压力 触摸屏中文显示

7 排气温度 触摸屏中文显示

8 故障报警 触摸屏中文显示

9 紧急停机 触摸屏操作

1 0运行参数修改 触摸屏操作

组合式低露点干燥机部分

1 工作时间 触摸屏中文显示

2 远程启停 触摸屏操作

3 工作状态 触摸屏中文显示

4 故障报警 触摸屏中文显示

5 出气温度 触摸屏中文显示

6 露点温度 触摸屏中文显示

7 切换阀门状态 PLC控制，触摸屏中文显示

8 工艺流程示意图 触摸屏中文显示

9 紧急停机 触摸屏操作

10 运行参数修改 触摸屏操作

制氮机部分

1 工作时间 触摸屏中文显示

2 远程启停 触摸屏操作

3 工作状态 触摸屏中文显示

4 故障诊断和报警 触摸屏中文显示

5 工艺流程示意图 触摸屏中文显示

6 阀门切换状态 PLC控制，触摸屏中文显示

7 氮气纯度 触摸屏中文显示监控

8 氮气流量 触摸屏中文显示监控

9 氮气压力 触摸屏中文显示监控

10 氮气露点 触摸屏中文显示监控

11 不合格氮气放空 触摸屏中文显示,操作

12 紧急停机 触摸屏操作

13 氮气纯度不合格声光报警 触摸屏中文显示

14 碳位的指示及报警 触摸屏中文显示

15 维护提醒 触摸屏中文显示

16 操作查询 触摸屏中文显示

17 运行参数修改 触摸屏操作

18 参数打印 触摸屏操作

开关量点输入输出26/26，DC24V；模拟量点5个，DC24V,4-20mA；现场通讯设备modbus RTU485通讯。配置图为附图6。

本发明系统的结构描述：

冗余处理单元组成：2套主机架电源PS307，2套处理器CPU315-2DP，2套通讯卡件CP341-1

1个ET200M从站组成：包括1个电源模块，2个IM153-2接口模块和若干个I/O模块以及1块RS485卡件。

操作员站和工程师站：每站各配一台工控机，每台工控机配2块以太网卡CP1613，另外操作站配打印机和报警音箱等。

3条通讯链路：主系统与从站通讯链路(PROFIBUS 1)、备用系统与从站通讯链路(PROFIBUS2)、主系统与备用系统的数据同步通讯链路(Ethernet 3)，需要配齐相关的PROFIBUS电缆、PROFIBUS总线链接器等附件。

软件方面：1套STEP7编程软件加软冗余软件包，1套wincc运行版软件和1套wincc完全版软件。

其他附件：S7300编程电缆以及以太网交换机等。

本发明控制功能描述：

现场级：现场设备包括空压机、干燥机、制氮机等多套设备，每套设备均自带控制箱。每个控制器均有modbus rtu RS485通讯接口，配置的S7300软冗余系统提供RS485通讯卡件，可以采集现场多套设备的内部数据。S7300PLC配置的I/O卡件，通过硬接线采集现场设备的运行故障信号，控制设备的启动停止，采集仪器仪表的实时数据。

操作员站：安装WINCC监控操作软件及相应的西门子授权作为监控操作之用，通过以太网卡CP1613与S7300PLC通讯。人机接口站显示工艺流程画面、报警画面、趋势画面、报表画面、维护画面等。另外操作员站配有打印机，报警器，可随时打印数据报表和发出故障报警。

工程师站：安装STEP编程软件和wincc监控操作软件以及相应的授权，主要作为工程师编辑、组态之用，与操作员站组成局域网，通过以太网通讯。

可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种冗余控制方法，其特征在于：主要包括以下步骤：

1)、通过手动方式在自动操作和手动操作之间切换；

2)、自动操作程序开始后，程序进入1#步骤，判断是否分子筛处在1#切换步且计时已满，是则直接进入下一步，否则进行1#分子筛切换后进入下一步；

3)、判断是否分子筛处在1#加温步且计时已满，是则直接进入下一步，否则进行1#分子筛加温后进入下一步；

4)、判断是否分子筛处在1#冷却步且计时已满，是则直接进入下一步，否则进行1#分子筛冷却后进入下一步；

5)、程序进入2#步骤，2#步骤内容和顺序均重复1#步骤；

6)、程序循环运行，形成闭环，使用手动与自动的切换实现程序中断；

7)、手动模式下，在流程图画面中点击单阀的图标改变单阀的开关状态；

8)、程序中始终贯串小时、分钟、秒三个时间变量，一套完整的程序运行周期为16小时，程序自动运行时，系统从工艺期望的初始点开始自动计时，将三个时间变量与时序表中时钟比较，判断出当前时段和针对每一阀的执行动作；

9)、对每一阀按照时序规定它的动作。

2.根据权利要求1所述的冗余控制方法，其特征在于：所述1#分子筛切换包括分子筛吸附器预充压、等待均压、均压、泄废气、等待加热、开始加热这几个分步。

3.根据权利要求1所述的冗余控制方法，其特征在于：整个流程设置了自动放空系统控制氮气质量。

4.根据权利要求1所述的冗余控制方法，其特征在于：整个流程设置了压紧报警监测系统，通过设置气缸压紧装置，并同时在压紧系统中设置二点式碳位报警装置，第一点碳位报警可调节监测碳位的行程，第二点碳位报警是备用碳分子筛消耗的提示。

5.根据权利要求1所述的冗余控制方法，其特征在于：整个流程采用SIMATIC程序管理器和统一硬件平台，网络配置使用标准PROFIBUS以及PROFIBUS DP网络，控制器采用SIEMENS冗余控制器，上位机采用SIEMENS的专用WinCC作为人机接口,WinCC和PLC间的通讯为冗余，ET200M分布式I/O卡件和控制器之间使用冗余的PRFIBUS-DP网络，两对冗余控制器之间的通讯也采用了冗余的通讯方式，系统使用OPC或ODBC技术。

6.根据权利要求1所述的冗余控制方法，其特征在于：整个流程对所有相关设备实行启停监视,并配以相应的报表。