鉬酸銨生產流程的自動化改造

聶巨峰

(金堆城鉬業股份有限公司化學分公司，陜西 渭南 714000)

隨著國內外市場對鉬酸銨需求的持續提升，全球第三大鉬生產企業金鉬集團將與美國Climax公司合作的第一條6 500t/a鉬酸銨生產線消化吸收之后，于2011年在金堆城工業園籌建第二條6 500t/a鉬酸銨新項目，其控制系統選用SIMATIC PCS7，PLC選用CPU 414-4H、ET200M、Y-LINK；MCC選用ABB ACS800變頻器和西門子SIMOCODE pro(SIRIUS電機管理和控制設備)；現場壓力變送器、差壓變送器和流量變送器選用EJA系列智能變送器，溫度變送器選用川儀十七廠的產品。該項目于2013年進入試生產階段，整套控制系統跟隨項目同時運行。在此，筆者著重介紹其自控系統的構成及其所實現的功能。

1 自控系統硬件①

結合鉬酸銨生產工藝的要求，工廠控制系統選用SIMATIC PCS7。SIMATIC PCS7過程控制系統是與SIMATIC技術的最新結合，可以有效地滿足鉬酸銨工藝中所有對性能、可靠性、操作簡易和安全運行的要求，而且其核心控制設備必須設計為冗余系統，這也提高了系統的可靠性。SIMATIC PLC的產品類型和功能如下：

a. CPU 414-4H。即使控制器的某些部件由于一個或幾個故障失效而不受影響，同時便于更換和升級，使得連續結晶單元中的結晶循環泵等不能間斷運行的設備的失控風險幾乎為零。

b. ET200M。冗余的IM153-2將S7-300的I/O模塊(選用HART協議模擬量輸入與輸出模塊，實現控制系統的現場安全性和模塊參數數據的上傳與下載，達到方便系統配置的要求)集成到整個DP系統，比較經濟，選用有源背板總線，模板熱插拔不會導致CPU停機，適用于復雜的自動化任務。

c. Y-LINK。把400H下冗余的Profibus-DP轉換成單DP鏈路，連接變頻器、SIMOCODE pro及第三方設備等DP鏈路不冗余的設備。

2 網絡結構和配置

鉬酸銨生產自控網絡(圖1)由資源管理系統、馬達控制中心、現場監控儀表/變送器、各閥開/關等操控系統、變頻器監控系統、真空輸送系統、干燥器系統、包裝和稱重系統、真空帶式過濾機(熱水洗滌)系統、真空帶式過濾機(酸洗滌)系統、板框壓濾機系統和離心機共12部分組成。監控設有兩個分屏顯示的操作員站、一個工程師站和一個歷史數據服務器。操作員站可以相互瀏覽，但具有不同的操作權限。工程師站負責調整和維護整個控制系統。

3 變頻器的應用

該自控系統中，直接參與控制的變頻器選用的是ABB ACS800，該變頻器具有直接轉矩控制技術，使得在沒有編碼器的情況下，能夠提高交流電動機的控制精度。生產中精確的速度控制可進一步提高產品的質量。

該工藝所使用泵的負載屬于二次方律負載，二次方律負載的機械特性和功率特性曲線如圖2所示。

圖1 鉬酸銨生產工藝網絡結構示意圖

圖2 二次方律負載機械特性和功率特性曲線

因為要防止水錘效應以及在很低速時，管路內的水壓可能會形成回流，故在泵進行加、減速時，時間不宜太長也不宜太短。該自控系統中，泵的加、減速時間在10～20s。為了避免回流，水泵在低速段的滯留時間不宜太長，所以選用半S形加、減速方式。由于供料系統有靜揚程，如果頻率太低將無法供水，需設置下限頻率，該系統中設為25～30Hz。

每臺變頻器都裝有ABB傳動Profibus-DP適配器并設有不同的通信地址，由Porfibus現場總線與主站連接。控制方式為：操作員站和現場手動控制。操作員站可以通過現場總線對變頻器設定頻率或下達啟/停命令。如果變頻器出現故障或報警，也可以通過總線反應到操作員站。如果現場“手動∕自動”轉換開關轉到手動狀態，在現場可以通過開關控制繼電器來控制變頻器。手動狀態運行時的頻率由變頻器參數設定。以其中一組變頻器為例，頻率給定部分PLC邏輯和控制接線如圖3、4所示。變頻器的通信地址在RPMA-O1的撥碼開關上進行設置。

圖3 變頻器頻率給定部分PLC邏輯

圖4 變頻器控制接線示意圖

4 SIMOCODE pro的使用

SIMOCODE pro是帶有一個Porfibus-DP接口和操作面板的電機管理和控制設備系統，它取代了大部分控制回路，還可以執行必要的聯鎖，可以提供大量的操作、維護和診斷數據，使電機饋電回路的功能更加透明。還可以通過Porfibus-DP將電機饋電回路完全集成到整個自動化系統中，也可獨立于自動化系統對電機饋電回路進行保護和控制，如果自動化系統出現故障，電機饋電回路仍然能夠被保護和控制。SIMOCODE pro在使用時可以不與Porfibus-DP連接，可以根據需要以后進行連接。

鉬酸銨生產控制中，SIMOCODE pro控制的電機啟動方式主要有：直接啟動、可逆啟動和異地多點控制啟動，其中直接啟動控制接線如圖5所示。

圖5 SIMOCODE pro直接啟動控制接線示意圖

每個SIMOCODE pro帶動一臺電機，并且設有不同的通信地址，操作員只要在WinCC界面上單擊電機的啟/停按鈕，即可以向CPU下達對該電機的操作命令，信號通過Porfibus-DP傳遞給指定的SIMOCODE pro。現場“手動∕自動”轉換開關的狀態為手動之時，可以通過現場按鈕控制電機的啟/停。如果SIMOCODE pro故障報警，在開關的操作柜門上可以通過操作員面板讀取報警信息。SIMOCODE pro與CPU之間通過Porfibus-DP保持實時通信，電機的控制或運行狀態直接在WinCC操作界面上顯示。電機的控制邏輯如圖6所示。

圖6 電機控制邏輯

5 閥門的控制

5.1 球閥或蝶閥

工藝中使用的球閥或蝶閥的控制原理是相同的，即通過控制閥門的氣路來控制閥門開關，氣路由24V電磁閥控制。在閥門的打開和關閉位置都接有限位開關的常開觸點，通過限位開關的常開觸點閉合，向CPU反饋閥門狀態。閥門控制方式分為手動和自動，在手動位置操作員可通過閥門操作界面直接控制閥門的開/關，在自動位置閥門可根據程序設計和實際工藝參數自行打開或關閉。手動或自動方式可在閥門操作界面上根據工藝需要設定。球閥或蝶閥控制邏輯如圖7所示。

圖7 球閥或蝶閥控制邏輯

5.2 調節閥

鉬酸銨生產工藝中使用的調節閥主要用來控制反應釜的溫度，即控制蒸汽和冷卻水的調節閥開度來控制溫度。每個閥門定位器配有HART協議的通道接口。控制系統通過模擬量輸出模塊向閥門定位器輸出4～20mA直流信號，閥門定位器根據信號做出反應，裝在釜上的溫度變送器將溫度反饋回控制系統，系統做出計算后調節輸出信號。調節閥PID控制邏輯如圖8所示。單擊WinCC操作界面上的釜溫狀態圖幅，面板打開、選項卡被激活，如圖9所示。

圖8 調節閥PID控制邏輯

圖9 調節閥控溫操作界面

在操作面板中可以設定閥門的控制方式，如果設定為“自動”，則在“SP”欄中設定工藝需要的溫度值，系統會根據“PV”與“SP”之差自動向調節閥發送計算后的直流控制信號；如果選為“手動”，可直接在“MAN”欄中直接輸入閥門開度。同一個釜上控制蒸汽和冷卻水的調節閥控制信號一致，蒸汽閥門定位器設置為正比例控制，冷卻水設置為反比例控制。調節閥PID控制邏輯如圖10所示。

圖10 調節閥PID控制邏輯

6 系統模擬量的監控

在鉬酸銨生產自控系統中，還有液位、壓力、溫度及流量等模擬量，其監控原理相近。EJA系列智能變送器(圖11)由單晶硅諧振式傳感器上的兩個H型的振動梁，分別將壓差和壓力信號轉換為頻率信號，送到脈沖計數器，再將兩頻率之差直接傳遞到CPU進行數據處理，經D/A轉換器轉換為與輸入信號相對應的4～20mA直流輸出信號，并在模擬信號上疊加一個BRAIN/HART數字信號進行通信。膜盒組建中內置的特性修正存儲器存儲傳感器的環境溫度、靜壓和輸入/輸出特性修正數據，經CPU運算，可以使得變送器獲得優良的溫度特性、靜壓特性和輸入/輸出特性。通過I/O口與外部設備以數字通信方式傳遞數據，即高頻2.4kHz(BRAIN協議)或1.2kHz(HART協議)數字信號疊加在4～20mA的信號線上。在進行通信時，頻率信號不會對4～20mA信號產生擾動。

圖11 EJA智能變送器工作原理

測量儀器或儀表都選用HART協議通道接口，將液位、壓力、溫度及流量等模擬量轉換為4～20mA直流信號，通過模擬量輸入模塊傳送給PLC，PLC再將信號轉換為絕對數值或相對數值，在WinCC操作界面上顯示。模擬量監控邏輯如圖12所示。

圖12 模擬量監控邏輯

在鉬酸銨生產自控系統中，除了對單臺設備控制外，還有許多邏輯順序控制，比如：如果釜內液位值高于設定的高液位報警值，系統會自動關閉進料閥；或者當釜內的液位值低于某一液位值時，系統會自動關閉攪拌器。該工藝中，有的泵是一用一備，自動運行時，系統打開兩臺中的一臺輸送泵前的閥門，啟動相對應的泵，打開相應泵的出口閥，當運行泵出現故障后給操作員站發故障報警信號，同時自動開啟備用泵，其順序為：打開備泵的進出口閥門，開啟備泵，然后關閉故障泵的進出口閥門等。

在鉬酸銨自控系統中，對第三方提供的相關設備(如離心機、真空輸送系統、干燥器、熱水洗滌真空帶式過濾機、酸洗滌真空帶式過濾機及板框壓濾機等)設計了綜合界面和獨立界面，以顯示實時監控并記錄相關信息，同時把關鍵點納入整個系統，進行數據歸檔與報警顯示記錄等。

以離心機為例，該系統中使用的離心機由德國HEINKEL公司制造。該設備控制系統中主站系統使用西門子CPU 314C-2 DP、DI32xDC24V和DO16xDC24V/0.5A，子網使用西門子HPT-Gipszentrifuge，除主站外還配有西門子MASTERDRIVES/DC MASTER C、DP/DP-Koppler Ausgabest和PILZ的PNOZmulti mc3p共3個從站，人機界面使用西門子op170B。主電機控制部分除使用西門子SIMOVERT MASTERDRIVES Vector Control外，還配有西門子Bremseinheit/Braking Unit、Bremswiderstand/Braking Resistor和3RN1熱敏電阻式電機保護繼電器，共同完成對主電機的控制和保護。

7 結束語

2011年在金堆城工業園籌建的第二條6 500t/a鉬酸銨新項目中，其工藝控制中選用了西門子、ABB、橫河及科隆等公司的產品，整個工藝流程實現了簡單安全的過程控制，達到操作直觀和可視化的目標，提供了鉬酸銨生產工藝中故障的自動解決方案等，同時節約了人力和物力，極大地降低了生產成本,提升了鉬酸銨的市場競爭力。