濃硫酸自動定量裝車控制系統(tǒng)研究與設計

高強強

(陜西鋅業(yè)有限公司 工業(yè)自動化與信息中心,陜西 商洛 726007)

0 引言

陜西鋅業(yè)有限公司硫酸車間始建于2008年,現(xiàn)有109 m2焙燒爐煙氣制硫酸生產線一條,52 m2焙燒爐煙氣制硫酸生產線兩條,年產濃度98%工業(yè)硫酸35萬t。目前共有四臺用于儲備濃硫酸的成品酸罐。濃硫酸運輸工具為罐車,裝車方式為人工。

濃硫酸具有強刺激性、強腐蝕性,對人體皮膚、粘膜等組織有強烈的腐蝕與刺激危害,可導致人體不同程度的灼傷。人工裝車存在以下風險：給罐車充裝濃硫酸時,由人工手動打開輸酸管道上的截止閥,并需在罐車上實時查看裝車液位,以此控制裝酸量,工人勞動強度極大,且存在一定的安全風險；我國危化品運輸禁止超載,罐車充裝量依靠人工目測,無法準確給罐車定量裝酸；充裝罐車重量、車次、發(fā)售地點等信息全部依靠手工紙質票據記錄,無法自動儲存有關數(shù)據。

為了降低工人的勞動強度及安全隱患,防止?jié)饬蛩岢d運輸,杜絕濃硫酸泄漏帶來的安全及環(huán)保風險,急需對現(xiàn)有的人工裝車方式進行自動化改造。

1 自動定量裝車改造目的

1.1 現(xiàn)有裝車模式

現(xiàn)有儲備酸罐共計四臺,罐體下方各安裝一條輸酸管道,管道上各安裝一臺手動截止閥。濃硫酸裝車時主要利用酸罐與裝車點的地勢落差,由輸酸管道,經手動截止閥進行裝車。具體過程為：裝酸時,罐車停至輸酸管道插進車體濃硫酸進口,人工打開截止閥并在罐車進口處觀察液位,憑借經驗到達一定高度時,人工關閉截止閥,完成裝車工作；罐車開往地磅進行裝車計量?，F(xiàn)有的人工裝車存在明顯的劣勢及安全環(huán)保風險。

1.2 改造辦法與目的

針對現(xiàn)有裝車模式的劣勢與不足,利用自動化控制系統(tǒng)及先進的計算機技術,研究與現(xiàn)場實際匹配的一套濃硫酸自動定量裝車系統(tǒng),提升自動化控制水平,實現(xiàn)裝車自動化、定量化。并有效降低工人勞動強度,提高裝車作業(yè)效率,有效防止?jié)饬蛩岢d運輸,規(guī)避工人作業(yè)安全隱患,避免濃硫酸泄漏的安全與環(huán)保風險。

2 控制系統(tǒng)技術原理

自動定量裝車控制系統(tǒng)采用基于PLC技術的分布式裝車儀構成。裝車儀將PLC技術應用到自動定量裝車控制領域,主要功能是對裝車過程進行程序控制和安全連鎖控制。

裝車儀由中央處理單元、數(shù)據采集單元、LED液晶顯示單元、接口單元、電源及外接鼠標等組成?，F(xiàn)場配有體積流量計、雷達液位計、氣動調節(jié)閥、聲光報警器、泵、鶴管位置檢測等一次元件。

中央處理及數(shù)據采集單元實時獲取現(xiàn)場儀表檢測數(shù)據,分析處理后及時向現(xiàn)場執(zhí)行單元發(fā)出控制指令,使氣動調節(jié)閥、泵按照預先設定好的動作順序完成過程控制。信號采集是把現(xiàn)場體積流量計、雷達液位計等的信號通過電纜及PLC的信號模塊傳送到PLC控制器進行處理,最后通過以太網協(xié)議實現(xiàn)PLC與上位機的通訊。

通過裝車儀或遠程監(jiān)控計算機設定裝車的參數(shù),包括裝車體積、流量系數(shù)、最大裝車量、票號等。裝車儀參數(shù)設定完成后,系統(tǒng)便會按程序自動進行裝車,裝車總量達到預先設定數(shù)值后,停止裝車。

3 自動定量裝車系統(tǒng)的構成與功能

成品酸罐作為濃硫酸倉儲容器,按照日常生產及經營管理層面,自動定量裝車實現(xiàn)的自動化管理系統(tǒng)包含以下組成部分：上位機監(jiān)控及管理系統(tǒng)、定量裝車控制系統(tǒng)、信號采集及控制設備、現(xiàn)場儀表與設備。同時系統(tǒng)留出遠程網絡接口,以便未來融入上級信息系統(tǒng)。

3.1 上位機監(jiān)控系統(tǒng)的配置及其功能

3.1.1 上位機監(jiān)控系統(tǒng)的配置

上位機監(jiān)控系統(tǒng)由兩臺計算機、一臺打印機、一臺UPS電源組成,主要規(guī)格參數(shù)如表1所示。

表1 上位機監(jiān)控系統(tǒng)硬件配置

3.1.2 上位機監(jiān)控系統(tǒng)的功能

上位監(jiān)控計算機用于展示自動定量裝車系統(tǒng)的工藝流程圖,包含裝車進度、現(xiàn)場儀表檢測數(shù)據、設備運轉狀態(tài)、故障報警提示等,并可根據需要自動生成單據和打印。還用于數(shù)據存儲、統(tǒng)計分析、報表自動生成及打印、設定工藝參數(shù)等。具體功能如下：

(1)工藝流程畫面展示

動態(tài)展示現(xiàn)場酸罐裝車系統(tǒng)的工藝流程。實時監(jiān)測顯示整個裝車過程中的各類儀表檢測數(shù)據、各類運轉設備及鶴管位置檢測開關的狀態(tài)。能夠遠程操作和控制裝車控制儀,根據裝車情況進行工藝參數(shù)的調整與設置。工藝流程畫面包含總裝車工序、單設備裝車工序、開單界面、數(shù)據統(tǒng)計及報表打印幾個界面。

(2)數(shù)據采集顯示

實時監(jiān)測并采集現(xiàn)場雷達液位計、流量計等數(shù)據,采集現(xiàn)場各類泵、電動閥、位置開關的啟停狀態(tài)并在上位機上同步顯示。及時了解裝車進度,保障整個裝車過程的安全性。

(3)裝車控制

通過上位機遠程控制裝車儀進行濃硫酸裝車,遠程檢測裝車儀是否準備完成,等待發(fā)貨命令。在總裝車工序畫面進行裝車控制操作和在單設備裝車工序畫面監(jiān)控裝車過程。利用系統(tǒng)軟件自動在上位機生成發(fā)貨數(shù)據并形成發(fā)貨單,裝車及發(fā)貨相關數(shù)據自動生成數(shù)據庫。

(4)報警提醒

現(xiàn)場配備聲光報警器,與控制系統(tǒng)配合使用,用以對液位超限、設備故障的提醒。當報警后觸發(fā)動作后,控制系統(tǒng)自動暫停裝車,以便工作人員及時進行設備維護檢修。

(5)數(shù)據報表生成

控制系統(tǒng)對采集的數(shù)據進行分析、分類、統(tǒng)計,生成相應時間段的報表,并可提供各種查詢接口,比如按車號查詢、按票號查詢等。

(6)自動生成趨勢分析圖

系統(tǒng)具備歷史數(shù)據查詢功能,自動生成歷史數(shù)據趨勢圖并顯示趨勢信息。歷史數(shù)據趨勢圖的生成,依據生產及裝車發(fā)貨需求而設定,數(shù)據種類包含但不限于裝車總量、平均裝車量、最大裝車量、最小裝車量等。歷史數(shù)據趨勢圖畫面的生成,可以直觀的判斷裝車儀的精度,提供對裝車儀進行維護的依據。

(7)開放通訊

為充分發(fā)揮自動定量裝車系統(tǒng)的作用,系統(tǒng)提供開放通訊接口。可與工廠現(xiàn)有的ERP系統(tǒng)及DCS系統(tǒng)進行數(shù)據交換。

3.2 自動定量裝車控制系統(tǒng)及其功能

3.2.1 自動定量裝車控制系統(tǒng)的配置

控制系統(tǒng)采用兩級主從分布控制系統(tǒng),由兩臺互為備用的上位機及安裝在現(xiàn)場的四臺下位機即定量裝車控制儀組成。

上位機用于對系統(tǒng)的集中管理,下位機用于執(zhí)行裝車指令。上位機與下位機之間通過以太網協(xié)議進行通訊,以此達到采集數(shù)據、裝車控制、數(shù)據管理的功能。

定量裝車控制儀是實現(xiàn)自動定量裝車的核心設備,硬件由PLC、觸摸屏、操作鍵盤及其他輔助設備構成。主要技術指標如表2所示。

表2 定量裝車控制儀技術表

3.2.2 自動定量裝車控制系統(tǒng)的功能

(1)定量裝車

裝車儀根據預先在程序內設定好的定量值,自動向現(xiàn)場的泵、閥發(fā)出開關信號,實現(xiàn)自動定量裝車。

(2)數(shù)據采集功能

裝車儀可通過PLC采集現(xiàn)場儀表數(shù)據,還可采集運轉設備啟停狀態(tài)、位置檢測等開關量信號。

(3)遠程和現(xiàn)場實時監(jiān)控功能

裝車儀配備LED顯示屏,在現(xiàn)場實時顯示發(fā)貨過程及儀表數(shù)據與設備狀態(tài),同時上位機也能同步顯示發(fā)貨過程及儀表數(shù)據。

(4)參數(shù)設置功能

可在現(xiàn)場或遠程計算機上,根據實際需求進行裝車參數(shù)設定。

(5)順序控制功能

裝車開始后,系統(tǒng)按預定程序依次打開閥、泵,裝車到定量時再按照預定程序依次關閉泵、閥,完成自動定量裝車工作。

(6)裝車自檢功能

裝車自檢功能是當裝酸閥門打開后,如果因閥沒打開或輸酸管道沒有檢測到流量信號,控制系統(tǒng)會停止裝車并發(fā)出報警信號。

(7)現(xiàn)場急停功能

通過上位機或裝車儀均可實現(xiàn)對裝車系統(tǒng)的急停。當現(xiàn)場有任何的突發(fā)狀況時,裝車人員通過操作急停按鈕便可實現(xiàn)停止裝車。

4 控制系統(tǒng)現(xiàn)場硬件設備選型

控制系統(tǒng)現(xiàn)場設備選型依據適用可靠、高性價比、技術先進的原則,具體介紹如下：

(1)雷達液位計

用于檢測成品酸罐中濃硫酸的液位,當罐體液位達到設定的高位時關閉進液閥,當罐體液位低于設定的低位時,自動裝車系統(tǒng)停止裝車。

(2)電磁流量計

用于檢測裝車時濃硫酸的瞬時流量及累積流量,信號為脈沖信號,并將檢測數(shù)據傳輸給PLC系統(tǒng)。

(3)智能壓力傳感器

檢測輸酸管道的壓力,并與變頻泵通過PLC系統(tǒng)程序形成控制聯(lián)鎖回路。

(4)位置檢測開關

用于檢測鶴管插入罐車中的位置。若鶴管未插入罐車或插入深度不夠,裝車控制儀將自動檢測報警并且不能執(zhí)行裝車指令。

(5)氣動調節(jié)閥

安裝于輸酸管道,用于罐車裝車。為保障精度,控制系統(tǒng)閥門選擇氣動調節(jié)閥,由plc通過DC4-20MA電流控制,并與雷達液位計的信號聯(lián)鎖。

(6)變頻泵

裝車的動力設備,通過PLC與壓力信號聯(lián)鎖,由裝車控制儀控制啟、停。變頻泵為強電供電,其運行反饋信號及控制信號先接入電氣開關柜,再由電氣開關柜輸出至PLC系統(tǒng)。

(7)PLC機柜

PLC硬件采用西門子S7-300系列產品。用于采集雷達液位計、電磁流量計、智能壓力傳感器等的模擬量信號,并輸出開關量控制信號。

5 控制系統(tǒng)軟件配置及功能

5.1 控制系統(tǒng)上位機軟件應用說明

控制系統(tǒng)上位機監(jiān)控軟件采用西門子WinCC 7.0開發(fā),軟件組態(tài)技術成熟,運行可靠。適應工藝控制的操作需要,可以根據操作人員的權限訪問和調用工藝流程圖、過程參數(shù)、數(shù)據記錄、報警處理以及各種可用數(shù)據,并能有效地調整控制回路的輸出和設定參數(shù)。

5.2 軟件界面及功能

5.2.1 工藝流程主界面

主界面顯示四臺裝車儀、現(xiàn)場儀表與受控設備的相關參數(shù)及運行狀態(tài),包含設置參數(shù)?？杉皶r了解各個檢測儀表、運轉設備的工作狀況,掌握整個裝車作業(yè),并可對異常數(shù)據進行彈窗報警提示。

5.2.2 單設備界面

單設備界面為核心控制設備即裝車儀的顯示界面。實時顯示裝車儀的運行參數(shù),并可對裝車儀進行參數(shù)修改及設定,用以控制裝車過程。

5.2.3 數(shù)據統(tǒng)計界面

數(shù)據統(tǒng)計界面展示系統(tǒng)自動統(tǒng)計的每次裝車完成后的相關數(shù)據,包含裝車時間、預裝量、實裝量、票號等并保存到數(shù)據庫中。

5.2.4 歷史數(shù)據查詢界面

查詢界面可按時間需求,設定查詢相應時間段的裝車數(shù)據。

6 結語

自動定量裝車系統(tǒng)采用模塊化設計,選用的軟硬件產品都是經過多年實踐檢驗的產品,且被市場廣泛應用,具備良好的可靠性?？刂葡到y(tǒng)的設計首先保證技術的先進性,方案中裝車控制系統(tǒng)采用基于PLC技術的裝車儀,很好的將自動控制技術應用到自動定量裝車系統(tǒng),實現(xiàn)了自動、定量、快速發(fā)貨,發(fā)貨精度為0.2%以上。同時,由于系統(tǒng)基于PLC和現(xiàn)代網絡技術,因此又具備良好的可擴展性,是近年來最新的技術和發(fā)展趨勢。