粒堿生產(chǎn)裝置的集中控制

陳軍,王明杰

(天辰化工有限公司，新疆 石河子 832000)

天辰化工有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“天辰化工”)粒堿生產(chǎn)采用的是瑞士博特化工裝置有限公司的裝置，采用膜式法生產(chǎn)工藝。裝置分為3期，控制室各自單獨(dú)設(shè)置(其中1期和3期為一個(gè)控制室，2期為一個(gè)控制室)，兩個(gè)控制室通信線纜距離大于200 m，操作人員比較分散；其控制系統(tǒng)主要包括DCS和熔鹽爐加熱系統(tǒng)，其中1期和2期各有2套熔鹽加熱系統(tǒng)，3期有1套熔鹽加熱系統(tǒng)。

1 控制系統(tǒng)現(xiàn)狀

1.1 堿系統(tǒng)DCS

主體堿系統(tǒng)采用橫河西儀有限公司提供的CENTUM CS-3000控制系統(tǒng)，設(shè)置2個(gè)控制域(分別為1期、2期控制系統(tǒng))。1期和2期DCS各配置了4臺(tái)工作站：1臺(tái)工作站作為工程師站，具備設(shè)計(jì)組態(tài)、仿真調(diào)試及操作監(jiān)視功能；另外3臺(tái)工作站作為操作員站，具備操作監(jiān)視功能。每臺(tái)工作站都帶有獨(dú)立的主機(jī)，工作站之間互為工作冗余，采用WindowsXP作為操作系統(tǒng)，開(kāi)放的冗余網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，支持DDE/OPC。系統(tǒng)各級(jí)網(wǎng)絡(luò)均采用冗余設(shè)計(jì)，網(wǎng)絡(luò)上的各單元為獨(dú)立單元，其中任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)故障都可安全摘除，不會(huì)影響其他單元的正常工作。系統(tǒng)配置實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)網(wǎng)Vnet/IP ，采用IEEE802.3以太網(wǎng)傳輸協(xié)議，速率為1 000 Mb/s。內(nèi)部ESB總線通信速率128 Mb/s。DCS網(wǎng)絡(luò)圖如圖1所示。

圖1 DCS網(wǎng)絡(luò)圖

1.2 燃燒爐控制系統(tǒng)

燒堿蒸發(fā)裝置配套的燃爐控制單元是獨(dú)立的子系統(tǒng)(1期和2期的4套裝置由博特公司提供的成套設(shè)備，3期的1套裝置為國(guó)產(chǎn)自主開(kāi)發(fā)的系統(tǒng))，在開(kāi)停車(chē)、升降負(fù)荷時(shí)需手動(dòng)操作儀表，控制盤(pán)柜與裝置的距離受到限制，根據(jù)生產(chǎn)裝置現(xiàn)場(chǎng)位置，與DCS設(shè)置在同一控制室。

燃爐控制系統(tǒng)由燃燒器控制器、PLC控制器、HMI觸摸屏人機(jī)界面、VMS(VMS為燃燒復(fù)合管理控制儀表)、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量及控制儀表等組成(如圖2所示)，分動(dòng)力控制及儀表顯示控制兩部分。動(dòng)力控制主要控制循環(huán)泵，燃燒器等主設(shè)備的啟、停功能，為保證加熱爐正常運(yùn)行，泵與燃燒器之間設(shè)有聯(lián)鎖控制。儀表顯示控制中熔鹽爐負(fù)荷根據(jù)燃爐出口熔鹽溫度的設(shè)置，通過(guò)負(fù)荷控制器控制燃燒器上的電動(dòng)閥，同步控制風(fēng)門(mén)擋板和燃?xì)獾y，燃料輸入量與鼓風(fēng)量形成聯(lián)動(dòng)，從而控制負(fù)荷的變化。燃燒器控制器按順控程序自動(dòng)運(yùn)行，并與PLC共同完成聯(lián)鎖報(bào)警控制。HMI觸摸屏提供人機(jī)交互界面，并記錄異常報(bào)警歷史。在系統(tǒng)中，燃料和空氣量的變化經(jīng)由數(shù)字式燃燒管理器VMS進(jìn)行精確控制，同時(shí)，它還具有負(fù)荷比及氧量調(diào)節(jié)功能。

圖2 燃爐控制系統(tǒng)框圖

2 集中控制的實(shí)施

2.1 集中控制的優(yōu)勢(shì)

通過(guò)共享數(shù)據(jù)，對(duì)粒堿生產(chǎn)裝置1期、2期和3期過(guò)程控制進(jìn)行智能化集中；通過(guò)布置在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的專(zhuān)用設(shè)備，對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、控制和跟蹤；通過(guò)控制設(shè)備、操作人員、工藝品質(zhì)控制、流程指令和其他設(shè)施等工廠資源來(lái)提高生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)精益生產(chǎn)，且為后期智能化、信息化改造打下基礎(chǔ)。

2.2 設(shè)計(jì)方案

集中控制的核心是實(shí)現(xiàn)DCS的集中、燃爐HMI觸摸屏的遠(yuǎn)程控制和VMS智能儀表的遠(yuǎn)程控制(3期燃爐控制已經(jīng)改造為由1期DCS進(jìn)行控制)。設(shè)計(jì)思路是通過(guò)光纜信號(hào)傳輸，將各類(lèi)信號(hào)遠(yuǎn)距離傳送至2期控制室，最終在2期控制室集中控制粒堿裝置1期、2期和3期的生產(chǎn)。燃爐遠(yuǎn)程控制方案如圖3所示。

圖3 燃爐遠(yuǎn)程控制方案示意圖

2.2.1 燃爐HMI觸摸屏遠(yuǎn)程控制的實(shí)現(xiàn)

現(xiàn)場(chǎng)控制柜人機(jī)界面HMI為ProFace AGT3600型，具有遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能。GP-Viewer EX 是一款用于顯示、操作遠(yuǎn)程人機(jī)界面的應(yīng)用程序。兩者結(jié)合使用，可執(zhí)行遠(yuǎn)距離日常操作及維護(hù)，并可實(shí)現(xiàn)故障恢復(fù)及監(jiān)控故障排除等操作。使用HMI的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，計(jì)算機(jī)和人機(jī)界面HMI必須在同一網(wǎng)絡(luò)中，且計(jì)算機(jī)上必須安裝 GP-Viewer EX軟件，人機(jī)界面HMI上必須設(shè)置相應(yīng)授權(quán)。

2.2.2 VMS遠(yuǎn)程控制的實(shí)現(xiàn)

VMS控制器是燃?xì)庳?fù)荷調(diào)節(jié)的關(guān)鍵儀表，設(shè)有電腦(PC)接口RS-232與PC進(jìn)行通信連接。RS-232接口也稱(chēng)標(biāo)準(zhǔn)串口，是常用的一種串行通信接口，使用9芯D型插座(DB9)。RS-232采取不平衡傳輸方式，即所謂單端通信。由于其發(fā)送電平與接收電平的差僅為2 ～3 V，所以其共模抑制能力差，再加上雙絞線上的分布電容，其傳送距離最大約15 m，最高速率為20 kb/s。RS-232是為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)(即只用一對(duì)收、發(fā)設(shè)備)通信而設(shè)計(jì)的，其驅(qū)動(dòng)器負(fù)載為3～7 kΩ。所以RS-232一般適合本地設(shè)備之間的通信。

為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信，天辰化工采用光纜及串口光貓轉(zhuǎn)換模塊，連接VMS控制器至2期控制室PC,通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件FmsVms進(jìn)行操作，可保存內(nèi)部參數(shù)和控制曲線，并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和燃燒曲線的圖形化顯示，如圖4 VMS4監(jiān)控畫(huà)面。

圖4 VMS4監(jiān)控畫(huà)面

2.2.3 DCS的實(shí)現(xiàn)

通過(guò)Vnet/IP網(wǎng)傳輸，介質(zhì)采用光纖，通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)20 km。光纖是極為方便的一種傳輸訊號(hào)工具，纜線其中一根纖細(xì)的光纖，就可以取代上千條以上的實(shí)體的通信線路，完成大量及長(zhǎng)距離的通信工作。

光纖傳輸有如下8大優(yōu)勢(shì)：①靈敏度高，不受電磁噪聲的干擾;②體積小、質(zhì)量輕、壽命長(zhǎng)、價(jià)格低廉;③絕緣、耐高壓、耐高溫、耐腐蝕，適用于特殊環(huán)境;④幾何形狀可依環(huán)境要求調(diào)整，信號(hào)傳輸容易;⑤高帶寬，通信量大，衰減小，傳輸距離遠(yuǎn);⑥信號(hào)串音少，傳輸質(zhì)量高;⑦保密性高;⑧便于敷設(shè)及搬運(yùn)原料。

將1期控制室中3臺(tái)工作站遷移至2期控制室，通過(guò)交換機(jī)、光纜及光電收發(fā)器與1期控制室機(jī)柜間的DCS控制站進(jìn)行通信，并將1期、3期現(xiàn)場(chǎng)效體自循環(huán)閥及部分動(dòng)作頻率較高的手動(dòng)閥門(mén)更換為自控閥門(mén)，便于中控人員及時(shí)調(diào)節(jié)，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。

2.3 具體實(shí)施

2.3.1 燃爐觸摸屏程序修改

利用PROFACE GP-Viewer-EX軟件，通過(guò)獨(dú)立的LAN網(wǎng)絡(luò)將觸摸屏上的LAN接口與現(xiàn)場(chǎng)燃爐控制柜間的光電轉(zhuǎn)換器直接相連，并通過(guò)單模跳纖、盤(pán)纖盒、光纜連接至2期中控室PC端接收,將燃爐控制柜觸摸屏操作界面同步傳送至PC端顯示器；通過(guò)修改燃爐觸摸屏工程程序，實(shí)現(xiàn)就地盤(pán)柜與遠(yuǎn)端PC同步監(jiān)控與操作。PC與觸摸屏的通信如圖5所示。

圖5 控制室PC與觸摸屏的連接

Fig.5 Link between PC and touch screen in control room

2.3.2 VMS控制器實(shí)現(xiàn)燃?xì)庳?fù)荷調(diào)節(jié)遠(yuǎn)程控制

使用串口光貓，將RS-232/422/485串口數(shù)據(jù)通過(guò)光纖媒質(zhì)傳輸?shù)耐ㄐ女a(chǎn)品實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。光纖接口采用雙SC、FC、ST等(FIBER-TX、FIBER-RX)接口，串口端物理接口為12孔接線柱形式。同時(shí)提供RS-232/422/485接口，可實(shí)現(xiàn)RS-232/422/485串行數(shù)據(jù)通過(guò)光纖的遠(yuǎn)距離傳輸，可以有效延長(zhǎng)串行通信信號(hào)的傳輸距離，克服了傳統(tǒng)串行通信的距離短、抗干擾能力差的缺點(diǎn)，也解決了電磁干擾、地環(huán)干擾以及雷擊和浪涌的難題，極大地提高了數(shù)據(jù)通信的可靠性、安全性和保密性。串口端同時(shí)提供RS-232、RS-422和RS-485 3種接口，串口端自適應(yīng)RS-232、RS-422和RS-485接口，使用簡(jiǎn)單、方便。VMS4遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸示意圖如圖6所示。

通過(guò)使用VMS - Remote Control Software軟件、串口光貓通信模塊及敷設(shè)纜線，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端PC與控制柜端VMS智能儀表進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)兩地控制。圖6中，VMS遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)燃爐負(fù)荷的手動(dòng)/自動(dòng)調(diào)節(jié)及空燃比的調(diào)節(jié)。

圖6 VMS4遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸示意圖

Fig.6 Diagram of VMS4 remote data transmission

2.3.3 DCS的實(shí)現(xiàn)

從1期控制室遷移至2期控制室的工作站通過(guò)光纜連入1期Vnet/IP網(wǎng)與控制站通信，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。實(shí)施后DCS結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。

圖7 實(shí)施后DCS結(jié)構(gòu)圖

Fig.7 Structural diagram of implemented DCS

通過(guò)編寫(xiě)DCS程序，將燃爐控制柜上部分溫度信號(hào)及燃爐狀態(tài)信號(hào)接入DCS顯示，對(duì)燃爐控制系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控和趨勢(shì)記錄。

堿系統(tǒng)自循環(huán)閥是手動(dòng)閥門(mén)，需人工控制開(kāi)度，保持效體內(nèi)堿液成膜效果，現(xiàn)更換為自控閥門(mén)；同時(shí)，將濃堿稀釋系統(tǒng)自循環(huán)手動(dòng)閥、現(xiàn)場(chǎng)操作較頻繁的部分手動(dòng)閥更換為自控閥，由DCS控制，方便中控人員及時(shí)調(diào)節(jié)，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行，也降低了操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度。

3 應(yīng)用效果

該項(xiàng)目在天辰化工實(shí)施后，自2017年7月開(kāi)車(chē)以來(lái)，運(yùn)行效果良好，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)：實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程、就地同步監(jiān)控和操作DCS及燃爐控制系統(tǒng)，大大提高了工作效率，提高了信息集成度；實(shí)現(xiàn)了減員增效，中控崗位由16人減至13人；起到了示范作用，同行企業(yè)已計(jì)劃逐步實(shí)施該項(xiàng)目。