Zusammenfassung: Dieser Artikel stellt das automatische Steuerungs- und Überwachungssystem einer Luftzerlegungsanlage zur Stickstoff- (Sauerstoff-)Produktion vor. Kern des gesamten Steuerungssystems ist ein Host-Computer mit Konfigurationssoftware in Kombination mit einer SPS (Speicherprogrammierbare Steuerung). Das System zeichnet sich durch einen hohen Automatisierungsgrad und einfache Bedienbarkeit aus. Schlüsselwörter: SPS, SPS, PID-Regler. 1. Überblick: Eine Luftzerlegungsanlage ist ein komplettes Gerät zur gleichzeitigen Gewinnung von Sauerstoff und Stickstoff aus der Luft. Der Prozessablauf entspricht einem Kraut-Kreisprozess mit einem Mitteldruck-Turbinenexpander. Luft wird aus der Atmosphäre angesaugt, im Luftkompressor auf den erforderlichen Druck verdichtet und anschließend im Endkühler gekühlt, bevor sie in die Freon-Vorkühlung eintritt. Dort wird sie auf ca. 5 °C abgekühlt und gelangt in den Reiniger, wo Feuchtigkeit, Kohlendioxid, Kohlenwasserstoffe und andere Substanzen entfernt werden, bevor sie in den Fraktionierturm eintritt. Die gereinigte Druckluft gelangt in den Hauptwärmetauscher (oben) des Fraktionierturms, wo sie Wärme mit Sauerstoff, Stickstoff und Destillatgas aus dem Hauptwärmetauscher (unten) austauscht. Nach dem Durchströmen eines Drosselventils trifft die Luft im Verdampfer am Boden des unteren Turms auf die Kaltluft des Expanders, wo Wärme- und Stoffaustauschprozesse stattfinden. Nach der Vortrennung in der unteren Kolonne wird die flüssige Luft zur weiteren Fraktionierung in die obere Kolonne geleitet, wobei am Kopf reiner Stickstoff gewonnen wird. Die aus der Mitte der oberen Kolonne entnommene Fraktion wird durch den oberen Wärmetauscher gekühlt und zur Regeneration und Kühlung des Reinigers verwendet. Der reine Stickstoff wird zum Verbraucher transportiert. Der Sauerstoff wird über ein mit der Sauerstoffleitung verbundenes Wasserschloss in den Speicherbehälter geleitet, der wiederum zum Sauerstoffkompressor führt. Früher erfolgte die Steuerung von Luftzerlegungsanlagen typischerweise über einen lokalen Schaltschrank mit einem Ein-Regelkreis-Regler und zahlreichen manuellen Bedienelementen, was umständlich war. Der Einsatz einer SPS mit übergeordnetem Rechner reduziert den Personalaufwand erheblich und verbessert die Systemzuverlässigkeit. Die SPS des automatischen Steuerungssystems besteht im Wesentlichen aus folgenden Komponenten: Reinigersteuerung, Destillationskolonnensteuerung, Expandersteuerung und Speichertanksteuerung. Das übergeordnete Computerüberwachungssystem umfasst im Wesentlichen: Systemablaufanzeige, Systemfrühwarnsystem, Datenerfassung und grafische Berichtserstellung. 2. Systemblockdiagramm: 3. Funktionsbeschreibung: Diese Reinststickstoffanlage wird von einem Computersteuerungssystem mit übergeordneten und untergeordneten Rechnern gesteuert und verwaltet. Das Steuerungsprogramm wird über den SPS-Schaltschrank programmiert und verarbeitet alle Ein- und Ausgangssignale des Gesamtsystems. Der PC dient als Mensch-Maschine-Schnittstelle zwischen SPS-Schaltschrank und Bediener. Er enthält die Konfigurationssoftware INTOUCH und ist mit einem Drucker zum Drucken von Tabellen und Diagrammen verbunden. 3.1 Hauptfunktionen des übergeordneten Steuerungssystems: Zu den Hauptfunktionen des Computersteuerungssystems gehören die Voreinstellung von Prozessparametern für das Gesamtsystem und deren Übertragung an die untergeordnete SPS, die Echtzeitüberwachung des Systembetriebszustands, software- und festverdrahtete Verriegelungen, die Eingabe von Bedienbefehlen über die Tastatur sowie die Erfassung und Verarbeitung von historischen Daten (Datenstatistik, Produktionsakkumulation, Berichts- und Diagrammerstellung). Die Bedienoberfläche ist gemäß dem Ablaufdiagramm paginiert. Die paginierten Bildschirme umfassen das Gesamtfließdiagramm der Stickstoffstation, des Druckluftsystems, des Vorreinigungssystems, des Destillationssystems, des Expansionssystems, des Stickstoff-Wasserstoff-Mischsystems, des Flüssigstickstoff-Notstromsystems, des Rohrleitungsdruckregelungssystems und des Heiz- und Auftausystems. Zusätzlich gibt es Bildschirme für historische Trends, Alarme, Berichte, Parameterübersichten und Regelkreise. Das Steuerungssystem verfügt über drei passwortgeschützte Betriebsebenen (Normalbetrieb, Parameteränderung und Prozess). Alle Funktionen sind auf der Prozessebene zugänglich, während die anderen beiden Ebenen nur für eingeschränkte Benutzer verfügbar sind. Unbefugte Bediener können lediglich den Betriebsstatus einsehen; nur geschultes und qualifiziertes Personal erhält Bedienrechte. Der Bildschirm des Raffinationsturms ist unten dargestellt: 3.2 Hauptsteuerungsfunktionen der SPS der unteren Ebene 3.2.1 Reinigersteuerung Die Regeneration des Vorreinigers umfasst fünf Zyklusschritte: Druckentlastung (A), Erhitzen (B), Abkühlen (C), Druckausgleich (D) und Parallelbetrieb (C). Die Steuerungssoftware regelt automatisch den temperaturabhängigen Adsorptionszyklus des Luftreinigers. Zu den Überwachungsparametern des Regelprozesses gehören Heiz- und Kühltemperaturen, Ventilstatus, aktueller Zyklusschritt, Restlaufzeit des aktuellen Zyklus und der aktuelle Status. Bei einer Fehlfunktion des Regelprogramms gibt das Gerät einen Alarm aus; im schlimmsten Fall schaltet es sich ab. Beim Neustart des Geräts nach einer Abschaltung muss der Bediener je nach Abschaltdauer bzw. Zyklusschritt zum Zeitpunkt der Abschaltung entscheiden, ob der Zyklusschritt vor der Abschaltung wiederhergestellt oder mithilfe eines Schrittschalters zurückgesetzt werden soll. Das Steuerungssystem des Luftreinigers arbeitet mit zeitbasierter Prozesssteuerung und lässt sich mit der von KOYO entwickelten Kontaktplan-Programmiersprache (KOP) sehr komfortabel programmieren. Die von KOYO Electronics exklusiv auf Basis theoretischer Grundlagen entwickelte KOP-Programmiersprache gilt als ideale Programmiersprache für die Steuerungstechnik und ist somit optimal für die Prozesssteuerung geeignet. Die Kontaktplanlogik (KOP) ist eine prozessorientierte Programmiersprache für speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS), die den Steuerungsprozess gemäß dem Prozessablauf in mehrere Aktionsschritte unterteilt, für jeden Schritt Verarbeitungsprogramme erstellt und diese anhand der Schrittabschlussbedingungen und Schrittübergangsrichtungen miteinander verknüpft. Dadurch entsteht eine zweistufige Sprache. Dies ermöglicht die separate Verarbeitung von Ein- und Ausgängen in jedem Schritt, ohne die komplexen Verriegelungsbeziehungen herkömmlicher Kontaktplandiagramme berücksichtigen zu müssen. Darüber hinaus ist die Überwachung des Anlagenzustands während der Fehlersuche sehr komfortabel. Ein Teil des Steuerungsprogramms sieht wie folgt aus: 3.2.2 Die Temperatur-, Druck- und Durchflusssignale der relevanten Messpunkte im Abscheiderturm werden über die entsprechenden Eingangsmodule an die SPS übermittelt. Die SPS führt die PID-Regelung der Ventile, das Öffnen und Schließen der Ventile, die Ventilverriegelung sowie die Frühwarnungs- und Alarmbehandlung basierend auf den vom Host-Rechner voreingestellten Parametern durch. 3.2.3 Expandersteuerung: Temperatur-, Druck- und Durchflusssignale der relevanten Messpunkte werden über die entsprechenden Eingangsmodule an die SPS übermittelt. Die SPS steuert anhand voreingestellter Parameter des Host-Computers die Verriegelungsventile. Entsprechend den Kühlleistungsanforderungen regelt der Bediener die Öffnungen der Expansionsventile über den Host-Computer anhand der Testpunktparameter, um die Expansionsgeschwindigkeit zu steuern. Bei zu hoher Expansionsgeschwindigkeit aufgrund unerwarteter Betriebszustände oder Maschinenstörungen wird eine Frühwarnung ausgegeben. Beim Erreichen des Verriegelungswerts wird das Einlassventil sofort geschlossen und das Bypassventil geöffnet, um den Expander vor Beschädigung zu schützen. 2.4 Gastanksteuerung: Sinkt der Leitungsdruck weiter und kann das Mitteldruck-Stickstofftank-Regelsystem den erforderlichen Druck nicht aufrechterhalten, weist die SPS das Regelventil des Flüssigstickstoff-Notstromsystems an, verdampften Flüssigstickstoff aus dem Notstromsystem nachzufüllen, um den Stickstoffleitungsdruck zu erhöhen. Die Flüssigstickstoffnachfüllung wird gestoppt, sobald sich der Leitungsdruck erholt hat. Das Flüssigstickstoff-Notstromsystem kann auch als Notstromsystem zur Gasversorgung der Leitung dienen, wenn der Stickstoffgenerator abgeschaltet ist. 4. Anwendungseffekte: Der Einsatz einer SPS-Steuerung und eines Host-Computer-Überwachungssystems zur Steuerung des Stickstoff- (Sauerstoff-)Generators für die Luftzerlegung verbessert den Automatisierungsgrad der Anlage deutlich, reduziert Systemausfälle durch menschliches Versagen und senkt den Personalaufwand für den täglichen Betrieb erheblich, was den Anwendern signifikante wirtschaftliche Vorteile bringt. Der Bildschirm des Host-Computers zeigt den Betriebszustand der Anlage in Echtzeit an und gibt Hinweise zur Fehlerbehebung, was die Bedienung erheblich erleichtert. Bei der lokalen Schaltschranksteuerung benötigt ein Bediener mindestens ein bis zwei Jahre Schulung und Übung, um die Anlage selbstständig zu bedienen; mit diesem System hingegen reichen wenige Wochen Schulung aus. Das Steuerungssystem verfügt zudem über unterschiedliche Zugriffsebenen (Passwortschutz) für verschiedene Bediener im Host-Computerbereich, wodurch Fehlbedienungen durch unerfahrenes Personal weitgehend verhindert werden. Gleichzeitig zeichnet das System Daten während des Betriebs in Echtzeit auf und speichert sie, wodurch unmittelbare Daten für die Prozesszustandsanalyse und Prozessverbesserung bereitgestellt werden. Referenzen: Koyo Electronics (Wuxi) Co., Ltd. INTOUCH Benutzerhandbuch V9.0; Koyo Electronics (Wuxi) Co., Ltd. D3-350 Benutzerhandbuch