大型煤化工綜合園區(qū)控制系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計及實現(xiàn)

俞洪超 李文政 俞文光

(1.浙江中控技術(shù)股份有限公司 2.安徽華誼化工有限公司)

0 前言

在國際油價急劇震蕩、全球?qū)μ娲ぴ虾吞娲茉吹男枨笤桨l(fā)迫切的背景下，煤化工產(chǎn)業(yè)在中國面臨著新的市場需求和發(fā)展機遇。新型煤化工技術(shù)與能源技術(shù)、化工技術(shù)相結(jié)合，形成了以煤炭、能源、化工為一體的新興產(chǎn)業(yè)。國內(nèi)一大批優(yōu)秀的煤化工企業(yè)在21世紀(jì)初期迅速抓住這一機遇，順應(yīng)潮流，逐漸成為煤化工產(chǎn)業(yè)中的佼佼者，上海華誼集團(tuán)就是其中的一個代表。從2005年起，上海華誼集團(tuán)已在全國各地獨資或入股方式參與了多套新型煤化工裝置的建設(shè)與開發(fā)。

1 項目介紹及管理要求

安徽華誼化工有限公司60萬t/a甲醇項目主要工藝流程如圖1所示。從空分裝置中來的氧氣與水煤漿以一定比例通過工藝燒嘴對噴進(jìn)入氣化爐參與氧化反應(yīng)，生成主要成分為CO和H2的粗合成氣,經(jīng)濕潤除塵后送變換系統(tǒng)，熔渣經(jīng)鎖斗后定期排向渣池，洗滌水在灰水系統(tǒng)中進(jìn)行凈化處理。由氣化裝置送來的粗煤氣，一部分 （約27%）經(jīng)過熱回收系統(tǒng)回收熱量后送入未變換氣甲醇洗滌塔，另一部分 （約73%）經(jīng)過變換反應(yīng)和熱回收，作為原料氣進(jìn)入變換氣洗滌塔。低溫甲醇洗工序脫除變換氣和未變換氣中CO2、全部硫化物、其它雜質(zhì)和水分。經(jīng)過凈化的變換氣即為甲醇合成的新鮮氣；凈化后的低溫未變換氣經(jīng)復(fù)溫后進(jìn)入分子篩吸附器進(jìn)一步脫除CO2，然后進(jìn)入CO深冷分離裝置制備CO氣體。甲醇合成塔中的CO、CO2和H2在合成催化劑作用下生成粗甲醇，送入粗甲醇儲槽后再由泵輸送至精餾工段，經(jīng)預(yù)精餾塔、加壓塔、常壓塔和廢水汽提塔凈化處理后生成符合工藝要求的精甲醇。儲存的精甲醇與冷箱中送出的CO反應(yīng)，可生成醋酸產(chǎn)品并存儲于罐區(qū)。

圖1 華誼甲醇項目工藝流程

安徽華誼60萬t/a甲醇項目 （下稱華誼甲醇項目）涉及輸煤裝置、液體罐區(qū)及物流 （碼頭、鐵路）、循環(huán)流化床鍋爐裝置、空分裝置、甲醇裝置、醋酸裝置、醋酸乙酯等裝置，為我國現(xiàn)代大型煤化工綜合園區(qū)的示范建設(shè)項目。對這些散落在廠區(qū)各處的裝置，在設(shè)計時要充分考慮各裝置之間的相對獨立性與前后連貫性。從物理與工藝的角度劃分成為6個操作區(qū)域：1區(qū)，熱電站；2區(qū)，包括煤漿制備、氣化、灰水處理、變換和火炬；3區(qū)，包括低溫甲醇洗、CO深冷分離、甲醇合成、甲醇精餾、甲醇精餾中間罐區(qū)、合成馳放氣膜回收、硫回收、冷凍站、液化石油氣站；4區(qū)，包括醋酸、醋酸乙酯；5區(qū)，包括碼頭、鐵路、產(chǎn)品罐區(qū)、煤輸送；6區(qū)，生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)。其物理拓?fù)淙鐖D2所示。

圖2 華誼甲醇項目物理拓?fù)鋱D

2 控制系統(tǒng)組成及網(wǎng)絡(luò)搭建

2.1 控制系統(tǒng)組成

根據(jù)全廠管理要求，結(jié)合控制系統(tǒng)的特點，整套系統(tǒng)設(shè)置企業(yè)管理信息層、操作運行管理層、監(jiān)控層、基礎(chǔ)控制層，如圖3所示。

圖3 華誼甲醇項目網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

全廠設(shè)置一個中央控制室和一個儲運控制室，另外設(shè)置鍋爐房就地機柜間、氣化就地機柜間、甲醇就地機柜間、醋酸就地機柜間各一個。鍋爐房、汽輪發(fā)電廠房的DCS控制柜和儀表柜放在鍋爐房就地機柜間。合成壓縮廠房、冷凍站、低溫甲醇洗、甲醇合成、甲醇精餾、合成馳放氣膜回收、CO分離、火炬 （Modbus通訊接入）、甲醇精餾中間罐區(qū)、液化石油氣站的 DCS、SIS、ITCC、PLC控制柜和儀表柜放在甲醇就地機柜間。煤漿制備、氣化、灰水處理、變換、沉渣池系統(tǒng)、硫回收、熱回收的DCS、 SIS控制柜和儀表柜放在氣化就地機柜間。醋酸和醋酸乙酯的DCS控制柜安裝在醋酸就地機柜間。全廠工藝及供熱外管、全廠給排水、減溫減壓站的儀表信號根據(jù)工藝要求和各自的位置接入就地機柜間。DCS和SIS的操作站和工程師站放在中央控制室內(nèi)，操作集中在中央控制室。儲運控制室內(nèi)有來自于產(chǎn)品罐區(qū)、儲運和煤輸送現(xiàn)場儀表的DCS控制柜。

華誼甲醇項目的DCS采用浙江中控技術(shù)有限公司生產(chǎn)的WebField ECS-700控制系統(tǒng)；SIS及ITCC采用HIMA公司的H51Q系統(tǒng)等，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。

其中ECS-700 DCS共配置21對主控制器，其中1對用于物流A區(qū)罐區(qū)控制；1對用于物流煤運控制，包含3個遠(yuǎn)程機柜；8對用于鍋爐、汽機、鍋爐脫硫控制；4對用于氣化爐及公用系統(tǒng)控制；3對用于合成凈化控制；4對用于醋酸及乙酯控制。具體配置如表1所示：將上述5個機柜間通過冗余光纖連至CCR，形成一個全廠的星形控制網(wǎng)絡(luò)。在甲醇機柜間設(shè)置GPS時鐘，通過雙絞線連入過程信息網(wǎng)，實現(xiàn)全廠網(wǎng)絡(luò)時間同步。同時設(shè)置組態(tài)服務(wù)器，通過DCS組態(tài)軟件實現(xiàn)多工段多工程師同時組態(tài)、保證項目組態(tài)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一。

圖4 安徽華誼60萬t/a甲醇項目控制系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D

表1 ECS-700 DCS網(wǎng)絡(luò)配置清單

2.2 與第三方智能設(shè)備的通訊

華誼甲醇項目中DCS需要與眾多的第三方通訊設(shè)備通訊，在設(shè)計初期我們就提出統(tǒng)一采用MODBUS-RTU通訊協(xié)議，通過通訊卡將RS-485網(wǎng)絡(luò)上各設(shè)備通訊數(shù)據(jù)接入DCS系統(tǒng)。同時對重要設(shè)備設(shè)計為冗余通訊的方式 （如SIS、ITCC等），目的是保證通訊的安全可靠。

物流A區(qū)將兩個碼頭、料場、水處理 （麥王）三處共計8個設(shè)備通過MODUBS-RTU讀取PLC上的數(shù)據(jù)，這些設(shè)備最近的距離300 m，最遠(yuǎn)的距離將近3000 m，全部采用了光電轉(zhuǎn)換進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，且每個設(shè)備有獨立的RS-485網(wǎng)絡(luò)、獨立的通訊口，以保證通訊安全可靠。

鍋爐控制室需要與外界的空分裝置的信號實現(xiàn)通訊的功能。考慮MODBUS等各種工業(yè)通訊尚不是十分可靠，采用了硬接線的方式進(jìn)行重要數(shù)據(jù)的交換，而其他工序如吹灰等智能設(shè)備則通過MODBUS通訊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

甲醇控制室需要與ITCC、SIS進(jìn)行通訊，三套系統(tǒng)布置在同一控制室中，通過組建本地的RS-485網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊。由于ITCC、SIS通訊數(shù)據(jù)量龐大，因此設(shè)置獨立的主控制器進(jìn)行通訊數(shù)據(jù)的處理。

氣化控制室需要分別與ITCC、氣化成套設(shè)備PLC等進(jìn)行通訊，因此設(shè)置冗余的通訊模塊和不冗余的通訊模塊進(jìn)行MODBUS的數(shù)據(jù)通訊。

醋酸控制室通過MODBUS-RTU將近百臺智能電表的數(shù)據(jù)讀入DCS系統(tǒng)。根據(jù)現(xiàn)場分布情況，將智能電表分成四個區(qū)域，構(gòu)成四個RS-485網(wǎng)，分別接入通訊模塊上的四個通訊接口。

CCR是本項目的管控中心，實現(xiàn)全廠設(shè)備的監(jiān)控，同時也承擔(dān)著向上級信息網(wǎng)絡(luò)上傳數(shù)據(jù)的功能。2臺OPC服務(wù)器通過交換機實現(xiàn)控制系統(tǒng)與管理系統(tǒng)互聯(lián)，中間加裝硬件防火墻及定向的數(shù)據(jù)傳輸軟件 （VisualField OPC開放接口軟件+MISGATE），實現(xiàn)與外界網(wǎng)絡(luò)的隔離，保證控制網(wǎng)的數(shù)據(jù)安全。

3 結(jié)束語

安徽華誼化工有限公司甲醇項目已于2012年1月20日順利開車，各項指標(biāo) （工藝、管理、環(huán)保、安全等）均達(dá)到設(shè)計要求。控制系統(tǒng)共涉及18000個I/O點檢測、控制與聯(lián)鎖。一年多來控制系統(tǒng)及通信網(wǎng)絡(luò)運行穩(wěn)定可靠，為華誼甲醇項目的早日達(dá)產(chǎn)提供了良好的保障。同時系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化設(shè)計與實施，節(jié)省了大量的信號電纜，并提供了全裝置工藝整體優(yōu)化所需的大數(shù)據(jù)平臺。

[1] 浙江中控技術(shù)股份有限公司.控制系統(tǒng)手冊 [G].浙江中控技術(shù)股份有限公司，2010.

[2] 劉忠明.氣化工藝煤制甲醇控制系統(tǒng)總體布局 [J].內(nèi)蒙古石油化工，2009(24)：76-77.