制氧工序控制系統(tǒng)頻繁故障的原因分析與解決方案

劉燕江 徐乙天

（云南云天化紅磷化工有限公司）

變壓吸附（PSA）是一種氣體分離技術(shù)，是使用分子篩進(jìn)行加壓吸附、減壓脫附的循環(huán)操作過(guò)程。 真空變壓吸附制氧（VPSA）是先通過(guò)常壓解吸，再經(jīng)過(guò)抽真空，達(dá)到一定真空度，使吸附塔內(nèi)所吸附的雜質(zhì)徹底脫附、再生的制氧流程［1］。

云南云天化紅磷化工有限公司（以下簡(jiǎn)稱紅磷公司） 于2013 年建成投用了一套兩塔真空變壓吸附制氧系統(tǒng)，在原固定床間歇式氣化爐上實(shí)施富氧氣化，以達(dá)到提高單爐生產(chǎn)能力、降低原料消耗和合成氨生產(chǎn)成本的目的［2］。 控制系統(tǒng)采用西門子412-5H CPU+300 系列I/O 模塊+組態(tài)王的配置，控制系統(tǒng)從投用以來(lái)就故障不斷。 在一些老舊化工生產(chǎn)裝置中，建筑布局、功能分區(qū)與布線多不合理， 惡劣環(huán)境中的腐蝕性氣體、導(dǎo)電性粉塵使電子元器件發(fā)生電化學(xué)腐蝕（氯、硫）和物質(zhì)遷移，從而導(dǎo)致模塊損壞和控制系統(tǒng)故障［3］；外部干擾嚴(yán)重，干擾變量具有動(dòng)態(tài)性、非線性及強(qiáng)耦合性等特點(diǎn)，給系統(tǒng)故障判斷與處理帶來(lái)了困難［4］。合理的系統(tǒng)集成、可靠的安裝方式以及良好的運(yùn)行環(huán)境是控制系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的必要條件，受多種因素制約，老舊化工生產(chǎn)裝置要從根本上改善控制系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境是非常困難的。 紅磷公司對(duì)制氧工序控制系統(tǒng)采取了多種可能的改造措施，但收效甚微。 因此，筆者針對(duì)這個(gè)具體情況提出了控制系統(tǒng)的“環(huán)境適應(yīng)性”問(wèn)題［5］。

1 制氧工藝流程

紅磷公司制氧工序采用兩塔吸附器流程（圖1），一個(gè)吸附器進(jìn)行吸附產(chǎn)氧，另一個(gè)吸附器再生，再生結(jié)束后，該吸附器進(jìn)空氣吸附產(chǎn)氧，另一個(gè)吸附器再生。

圖1 兩塔吸附器制氧工藝流程

2 控制系統(tǒng)配置

兩塔流程吸附產(chǎn)氧和再生過(guò)程主要是由順控程序控制8 臺(tái)切換閥開(kāi)關(guān)和3 臺(tái)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度來(lái)完成的。 控制系統(tǒng)I/O 設(shè)計(jì)為：

AI 22 點(diǎn)

AO 4 點(diǎn)

DI 20 點(diǎn)

DO 15 點(diǎn)

RTD 24 點(diǎn)

控制系統(tǒng)卡件配置列于表1。可以看出，系統(tǒng)I/O 總計(jì)85 點(diǎn)，控制系統(tǒng)硬件、模塊配置和余量，完全滿足制氧工序的運(yùn)行要求。

表1 控制系統(tǒng)卡件配置

控制方案除分子篩的順控程序外，還有3 個(gè)單回路手操、1 個(gè)單回路PID 控制和簡(jiǎn)單聯(lián)鎖邏輯回路， 相對(duì)于412-5H 控制器的性能而言，是“大馬拉小車”的配置［5］。

3 控制系統(tǒng)出現(xiàn)的問(wèn)題分析與結(jié)論

3.1 控制系統(tǒng)出現(xiàn)的問(wèn)題

頻繁燒壞外配通道保險(xiǎn)管。 4～20 mA 測(cè)量模塊I/O 通道外配保險(xiǎn)管頻繁隨機(jī)燒壞， 但現(xiàn)場(chǎng)變送器正常。 在系統(tǒng)開(kāi)、停車時(shí)損壞頻率最高，極端情況時(shí)出現(xiàn)集中燒壞的情況，兩年內(nèi)燒壞保險(xiǎn)管百余顆。

系統(tǒng)硬件隨機(jī)損壞頻繁。 在近6 年的時(shí)間里僅控制器就損壞了3 塊， 第4 塊控制器也是帶“病”運(yùn)行，損壞的系統(tǒng)部件和I/O 模塊有數(shù)十臺(tái)/件。 僅這一小系統(tǒng)，每年需投入數(shù)萬(wàn)元的維護(hù)費(fèi)用。

模擬量信號(hào)易受干擾。 模擬量信號(hào)常出現(xiàn)大幅波動(dòng)和尖峰值，頻繁觸發(fā)聯(lián)鎖跳車，為保證系統(tǒng)開(kāi)車需要，切除聯(lián)鎖保護(hù)。

分子篩順控程序頻繁異常停運(yùn)。 操作員進(jìn)行程序復(fù)位后可重新運(yùn)行，有時(shí)需要自控人員對(duì)控制器進(jìn)行復(fù)位操作后才能重啟順控程序。

3.2 原因分析及原維保措施

制氧工序控制系統(tǒng)機(jī)柜和操作臺(tái)安裝在氣化系統(tǒng)操作室。 由于氣化系統(tǒng)實(shí)際操作需要及一些歷史原因， 室內(nèi)操作員和系統(tǒng)機(jī)柜共處一室，室內(nèi)平面布局如圖2 所示，1#～9#位為各系統(tǒng)機(jī)柜安裝位置：1#位為各控制系統(tǒng)電源柜；2#位為制氧工序控制系統(tǒng)柜；3#位為氣化系統(tǒng)各現(xiàn)場(chǎng)電磁閥24 V（DC）電源柜，220 V（AC）來(lái)自電氣專業(yè)配電室；4#、5#位為氣化系統(tǒng)各電磁閥站與氣化控制系統(tǒng)的二次隔離繼電器柜；7#～9#位為氣化系統(tǒng)的S7-200 PLC 集成控制系統(tǒng)柜。 室內(nèi)各系統(tǒng)曾經(jīng)過(guò)多次改造， 如原1#～3#位為氣化系統(tǒng)上位DeltaV系統(tǒng)，4#、5#位為氣化系統(tǒng)下位單爐PLC 集成控制系統(tǒng)柜。 制氧工序控制系統(tǒng)機(jī)柜安裝在原DeltaV 系統(tǒng)機(jī)柜安裝底座上。

圖2 室內(nèi)平面布局

氣化操作室位于三樓，而正下面的二樓為氣化系統(tǒng)及制氧工序配電室，室內(nèi)裝有幾十臺(tái)各型變頻器。 室內(nèi)各系統(tǒng)歷經(jīng)多次改造，室內(nèi)電纜只進(jìn)不出，幾經(jīng)折返、相互纏繞、各機(jī)柜背面與墻壁間的電纜堆積，防靜電蓋板都蓋不上，大量電纜間分布的電容和電感與周圍磁場(chǎng)相互作用，形成了復(fù)雜的電氣、電磁環(huán)境［6］。 室內(nèi)操作人員、機(jī)柜不分離，人員活動(dòng)、含碳粉塵和含硫腐蝕性氣體對(duì)各控制系統(tǒng)影響非常大，特別在雨季，系統(tǒng)故障及模塊損壞概率大幅上升。 因此，這兩方面的相互作用是制氧工序控制系統(tǒng)故障頻繁的主要原因。

改善室內(nèi)復(fù)雜的電氣、電磁環(huán)境是非常困難的。 控制系統(tǒng)按保護(hù)、屏蔽、邏輯三地分離的原則單獨(dú)設(shè)計(jì)了一個(gè)接地系統(tǒng)［7］。 機(jī)柜與原安裝底座間實(shí)現(xiàn)可靠絕緣隔離，與接地系統(tǒng)可靠連接。 4～20 mA 模擬信號(hào)加裝隔離器。 改造措施實(shí)施后，頻繁燒壞通道外配保險(xiǎn)管的問(wèn)題基本解決，而其他問(wèn)題則沒(méi)有明顯改善。

改善含碳粉塵和含硫腐蝕性氣體對(duì)系統(tǒng)的影響。 通過(guò)封堵機(jī)柜眼孔，通入由精密過(guò)濾器再處理后的壓縮空氣進(jìn)行微正常壓密封。

系統(tǒng)集成商及紅磷公司邀請(qǐng)的技術(shù)人員多次到現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研并商討解決辦法，但收效甚微。

3.3 問(wèn)題的結(jié)論

由于氣化系統(tǒng)原料組成改變，解決制氧工序控制系統(tǒng)存在問(wèn)題已迫在眉睫，因此不得不從另一個(gè)角度和時(shí)間維度上來(lái)審視問(wèn)題。

安裝在7#～9#位機(jī)柜內(nèi)的氣化爐S7-200 PLC 系統(tǒng)的運(yùn)行狀況也不理想，CP243-1 以太網(wǎng)通信模塊也頻繁損壞或頻繁造成數(shù)據(jù)堵塞（斷電復(fù)位解決），而且損壞的I/O 模塊也不少。 對(duì)氣化爐S7-200 PLC 系統(tǒng)及CP243-1 以太網(wǎng)模塊采取的技術(shù)措施也收效甚微。

DeltaV 系統(tǒng)在紅磷公司的運(yùn)行狀況總體良好， 但原安裝在1#～3#位的DeltaV 系統(tǒng)的運(yùn)行狀況也差強(qiáng)人意，在后來(lái)的改造中被氣化爐專用系統(tǒng)替換。

綜合紅磷公司多年來(lái)對(duì)各型DCS、PLC 系統(tǒng)的應(yīng)用維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，采納內(nèi)、外技術(shù)建議和所能采取的措施，問(wèn)題解決的時(shí)間跨度，以及收效甚微的實(shí)際情況來(lái)看，原制氧工序控制系統(tǒng)已不適宜在這一環(huán)境中繼續(xù)使用或選用，這一結(jié)論也為幾年來(lái)技術(shù)上的爭(zhēng)論劃上了句號(hào)。

4 ECS-700 系統(tǒng)的選用

在實(shí)際工程應(yīng)用中，同一套控制系統(tǒng)在不同企業(yè)、 不同工況環(huán)境中會(huì)有不同的運(yùn)行效果，其原因主要涉及具體運(yùn)行工況環(huán)境與人員兩個(gè)方面，即系統(tǒng)“環(huán)境適應(yīng)性”［8］，不利于控制系統(tǒng)運(yùn)行的工況環(huán)境一旦形成，后繼改善非常困難。

基于紅磷公司多年來(lái)對(duì)國(guó)內(nèi)外多型控制系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)積累，以及對(duì)同類型裝置和運(yùn)行工況環(huán)境的調(diào)查，制氧工序控制系統(tǒng)選用浙江中控技術(shù)股份有限公司的ECS-700 系統(tǒng)。

4.1 ECS-700 系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)

ECS-700 系統(tǒng)是2007 年中控在ECS-100 系統(tǒng)的基礎(chǔ)上推出的WebField 系列控制系統(tǒng)之一，作為大規(guī)模聯(lián)合控制系統(tǒng)，目前已廣泛應(yīng)用于石油、化工及電力等生產(chǎn)過(guò)程［9］。該系統(tǒng)具有如下技術(shù)特點(diǎn)：

a. 全冗余系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可靠性高。供電系統(tǒng)、控制站、I/O 模塊及通信網(wǎng)絡(luò)等采用全冗余設(shè)計(jì)，任意一路電源或單一部件故障都不會(huì)影響系統(tǒng)和生產(chǎn)的正常運(yùn)行。 系統(tǒng)硬件模塊都經(jīng)過(guò)嚴(yán)苛的可靠性設(shè)計(jì)，具有Ⅲ級(jí)EMC 防護(hù)能力，取得CE 認(rèn)證，所有部件都可以在G3 惡劣環(huán)境運(yùn)行。所有模塊支持熱插拔、在線更換或增減I/O 模塊。

b. 多人協(xié)同技術(shù)，在線擴(kuò)容與升級(jí)。 多人協(xié)同技術(shù)允許多個(gè)工程師在統(tǒng)一組態(tài)平臺(tái)同時(shí)開(kāi)展組態(tài)和維護(hù)工作，保證大型系統(tǒng)組態(tài)的一致性和完整性，縮短項(xiàng)目實(shí)施周期。 支持在線擴(kuò)容與升級(jí)，通過(guò)分域管理、協(xié)同多人組態(tài)、單點(diǎn)在線下載及在線發(fā)布等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的無(wú)擾動(dòng)在線擴(kuò)容與升級(jí)。

c. 便捷的工程工具和在線下載。 可以通過(guò)Excel 導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)信息、批量修改，從而提高工程組態(tài)效率。 采用基于固定地址的內(nèi)存管理技術(shù)和對(duì)等雙組態(tài)緩沖技術(shù)，實(shí)現(xiàn)可靠的在線無(wú)擾下載［10］。

d. 開(kāi)放式應(yīng)用環(huán)境與信息安全。在不同層次上可通過(guò)Excel、VBA、OPC 數(shù)據(jù)交互協(xié)議及TCP/IP 等與DCS 進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。 無(wú)縫整合PROFIBUS、FF、HART 及EPA 等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)總線，并在統(tǒng)一的設(shè)備管理平臺(tái)上管理多種現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備。 控制器內(nèi)置網(wǎng)絡(luò)防火墻、協(xié)議解析并接入設(shè)備論證， 具有一定的防病毒能力， 獲得了AchillesLevel2 安全認(rèn)證［11］。

4.2 ECS-700 系統(tǒng)項(xiàng)目實(shí)施

4.2.1 硬件配置優(yōu)化

4～20 mA 信號(hào)通道加裝輸入、輸出隔離式安全柵，RTD 加裝溫度變送型隔離式安全柵，DI/DO采用繼電器隔離。隔離式安全柵的輸入/輸出信號(hào)和電源三端口隔離，構(gòu)成完全浮空的系統(tǒng)，有效消除現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜的工頻、共模干擾等影響，提高系統(tǒng)的抗干擾性和可靠性［12］。 系統(tǒng)與操作站之間的通信通過(guò)光纖交換機(jī)隔離。

系統(tǒng)機(jī)柜的安裝選在圖2 的6#位，安裝底座獨(dú)立。 系統(tǒng)電源為中控推薦的一路市電， 一路UPS 供電，供電采用屏蔽電纜，屏蔽和UPS 在電氣側(cè)接地。 系統(tǒng)接地嚴(yán)格按中控的要求實(shí)施。 改變電纜進(jìn)入室內(nèi)的位置以減少交叉干擾（圖2 虛線）。 系統(tǒng)完成接線調(diào)試后，將機(jī)柜內(nèi)的孔洞和縫隙及時(shí)封堵，原配置的散熱風(fēng)扇不送電，出風(fēng)口用膠帶封堵，只留頂部出氣口，由精密過(guò)濾器二次處理的壓縮空氣經(jīng)恒流器從機(jī)柜底部進(jìn)入，實(shí)現(xiàn)機(jī)柜的微正壓密封。

4.2.2 分子篩順控程序優(yōu)化

每個(gè)吸附塔需經(jīng)歷抽空、均壓、回氧、升壓、產(chǎn)氧和清洗6 個(gè)步驟， 兩塔之間的步序又有交叉，因此一個(gè)完整的兩塔吸附流程需經(jīng)歷12 個(gè)步序， 主要由8 臺(tái)程控閥和3 臺(tái)調(diào)節(jié)閥按順控時(shí)序以不同的開(kāi)關(guān)組合和調(diào)節(jié)閥設(shè)定開(kāi)度實(shí)現(xiàn)。

原系統(tǒng)順控程序的啟/停、 設(shè)備啟/停組態(tài)在同一操作界面，而順控時(shí)序時(shí)間參數(shù)調(diào)整又在另一個(gè)操作界面，界面上各按鈕間的相互關(guān)系復(fù)雜且操作順序繁瑣，時(shí)間參數(shù)的調(diào)整不能明確表現(xiàn)出與順控步序間的必然聯(lián)系，給工藝操作與優(yōu)化帶來(lái)困難。

在進(jìn)行原控制系統(tǒng)組態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)，對(duì)順控程序和操作界面進(jìn)行了相應(yīng)的優(yōu)化：結(jié)合工藝系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行需求，梳理優(yōu)化邏輯關(guān)系，減少、合并操作界面上的按鈕，使操作界面簡(jiǎn)潔明了，當(dāng)按下時(shí)序停止按鈕后，原順控程序直接跳到第1 步并處于備用狀態(tài)，而優(yōu)化后的順控程序?qū)⒗^續(xù)順序運(yùn)行到第1 步才停止，避免了原時(shí)序停止時(shí)直接跳到第1 步易使開(kāi)關(guān)切換蝶閥“憋死”的情況發(fā)生。 優(yōu)化后的分子篩順控程序彈出式操作面板如圖3 所示。

圖3 優(yōu)化后的分子篩順控操作面板

5 ECS-700 系統(tǒng)投運(yùn)效果

系統(tǒng)為中文界面，組態(tài)更符合國(guó)人的思維習(xí)慣。 專業(yè)技能年度測(cè)試表明，在紅磷公司運(yùn)行的多型號(hào)DCS 中，達(dá)到同樣功能要求的組態(tài)，運(yùn)營(yíng)人員在ECS-700 系統(tǒng)需要付出的學(xué)習(xí)時(shí)間最短。

運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)便。 一套DCS 完成組態(tài)并投運(yùn)后，技術(shù)人員的主要日常工作是系統(tǒng)巡檢，工程師站和操作站的計(jì)算機(jī)維護(hù)，以及根據(jù)生產(chǎn)需要增加測(cè)量點(diǎn)的組態(tài)。 在工況環(huán)境下，部分操作站計(jì)算機(jī)運(yùn)行環(huán)境惡劣，重裝操作站系統(tǒng)和恢復(fù)操作站計(jì)算機(jī)是系統(tǒng)維護(hù)人員的一大工作。 ECS-700 系統(tǒng)操作站恢復(fù)簡(jiǎn)單，設(shè)置好IP 地址、計(jì)算機(jī)名、工作組和組態(tài)服務(wù)器地址后，操作站會(huì)自動(dòng)連到組態(tài)服務(wù)器完成操作站界面數(shù)據(jù)的下載工作，而不需要對(duì)操作站進(jìn)行繁瑣的配置及到工程師站上進(jìn)行發(fā)布或下裝。 相比在用的部分系統(tǒng)，ECS-700 系統(tǒng)恢復(fù)一臺(tái)操作站所需的時(shí)間也是最短的，這一點(diǎn)深受維護(hù)人員喜愛(ài)。 修改組態(tài)或新增測(cè)量點(diǎn)后需下載到控制器，ECS-700 系統(tǒng)在線下載風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)于紅磷公司在線運(yùn)行的系統(tǒng)（除DeltaV 系統(tǒng)）來(lái)說(shuō)是最小的，當(dāng)然對(duì)于順控和聯(lián)鎖系統(tǒng)，則需要采取相應(yīng)的措施才能下載。

ECS-700 系統(tǒng)自正式投入運(yùn)行以來(lái)， 原系統(tǒng)頻繁出現(xiàn)的燒保險(xiǎn)管、模塊損壞、測(cè)量信號(hào)受干擾以及找不到原因的順控程序異常所致的停運(yùn)等問(wèn)題再未出現(xiàn)過(guò)。 投運(yùn)當(dāng)年，在同等條件下，通過(guò)操作優(yōu)化，制氧工序出口氧氣濃度比改造前增加了3.7%，增加氨產(chǎn)量約105 t，產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益及原控制系統(tǒng)所需的維護(hù)費(fèi)用就與項(xiàng)目的改造費(fèi)用相當(dāng)，即一年就收回了項(xiàng)目投資。 更重要的是,制氧工序長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，給氣化系統(tǒng)優(yōu)化操作創(chuàng)造了有利條件。

6 結(jié)束語(yǔ)

紅磷公司從25 年前投運(yùn)第1 套R(shí)osemount RS3DCS， 積累了多種型號(hào)DCS 的應(yīng)用與維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于控制系統(tǒng)的選用越加成熟和理性。 各種品牌、 型號(hào)的DCS 除具有普遍的技術(shù)特點(diǎn)外，還有其自身內(nèi)在的特性， 在具體應(yīng)用中則體現(xiàn)為“環(huán)境適應(yīng)性”，同一型號(hào)系統(tǒng)在不同應(yīng)用環(huán)境下會(huì)有不同的運(yùn)行效果，因此在一些特定工況條件下，適合的控制系統(tǒng)選用會(huì)更加困難與曲折。 制氧工序ECS-700 系統(tǒng)的成功投運(yùn)，為紅磷公司今后DCS 的升級(jí)改造、項(xiàng)目系統(tǒng)選用和復(fù)雜環(huán)境下的工程實(shí)施提供了參考案例。