磷酸裝置翻盤式真空過濾機控制系統的改造

祁春偉

(甕福(集團)有限責任公司，貴州 福泉 550501)

磷酸裝置翻盤式真空過濾機控制系統的改造

祁春偉

(甕福(集團)有限責任公司，貴州 福泉 550501)

將年產30萬噸濕法磷酸裝置真空過濾機的原現場繼電器控制系統，升級改造為基于CENTUM VP DCS的控制系統。硬件部分給出了油泵電動機控制回路、轉向和轉速控制以及聯鎖保護系統的改造方案；軟件部分則給出了DCS程序組態的主程序、真空過濾機轉速控制的計算程序以及真空過濾機的轉向和聯鎖保護邏輯，最后展示了DCS操作界面的設計畫面。

CENTUM VP DCS 真空過濾機 控制系統升級 硬件 軟件組態

甕福(集團)有限責任公司于20世紀90年代中期引進比利時普萊昂濕法磷酸生產工藝，建成年產30萬噸磷酸裝置。Bird-Prayon 30EH型翻盤式真空過濾機是該裝置過濾工序的關鍵設備，其控制系統由現場儀表、接觸器及繼電器等構成。真空過濾機的控制箱安裝在真空過濾機旁邊，控制元件被酸性氣體嚴重腐蝕，故障率很高，調速電位器經常接觸不良或損壞。儀表、繼電器等都采用110V(AC)電源，備件不通用，維修困難，導致多次真空過濾機停車，影響生產。為此，甕福(集團)有限責任公司組織技術人員，將Bird-Prayon 30EH型翻盤式真空過濾機的控制系統，升級改造為基于CENTUM VP DCS的控制系統。CENTUM VP DCS采用冗余容錯技術，多微處理機分散控制結構，各單元都具有自診斷、自檢查、修復和故障報警功能，系統利用率達99.9999%[1]。

1 翻盤式真空過濾機

Bird-Prayon 30EH型翻盤式真空過濾機由30個濾盤組成，主要材料為904L、317L、316L不銹鋼，總過濾面積220.00m2，有效面積198.75m2，其轉速可根據生產需要在2～10r/min進行調整。整個濾盤一周被分為加料區、初濾區、過濾區、一洗區、二洗區、反吹、翻盤倒渣區及濾布吸干區等。中央分配器由動靜錯氣盤組成，它內部的隔室與濾盤分區一一對應，濾盤和分配器用軟管連接。

真空過濾機周邊有一個大齒圈，由呈120°均勻布置的3個液壓馬達小齒輪驅動并帶動整個真空過濾機轉動。液壓馬達控制系統的工作原理如圖1所示。

液壓馬達控制系統的關鍵執行部分為安裝在軸向柱塞變量泵上的伺服閥電位移控制單元，由兩個線圈串聯組成，實際上是一種完成電氣-機械信號轉換的力矩馬達。伺服閥中的電氣-機械轉換器分為力矩馬達(輸出擺角)和力馬達(輸出直線位移)兩種。力矩馬達利用載流導體(線圈)所受磁場的作用力，通過彈性扭力元件把電流信號轉換成機械擺角(偏轉角)，從而實現電氣-機械信號的轉換。力矩馬達機械擺角的變化會控制噴嘴擋板式伺服閥的閥芯位移量，使它與電流信號成比例[2]。通過改變流過線圈電流的大小，變量泵輸出給液壓馬達的液壓油流量會變化，從而改變真空過濾機的轉速。改變線圈電流的方向，變量泵輸出給液壓馬達的液壓油流方向會發生改變，從而改變真空過濾機的轉動方向。

當控制繼電器KA不帶電時12V(DC)電源通過電阻R3(150Ω)進入EDC，A正D負，真空過濾機順時針正轉，轉動速度由電位器RP(100Ω)調節，正轉最大驅動電流為12V/(150Ω+20Ω+16Ω)≈64.5mA。當控制繼電器KA得電時12V(DC)電源通過電阻R1(950Ω)和R2(50Ω)進入EDC，D正A負，真空過濾機逆時針反轉，轉動速度由電位器RP(100Ω)調節，反轉最大驅動電流為12V/(900Ω+50Ω+16Ω+20Ω)≈12.2mA。經上述分析計算，得出反轉速度驅動電流約為正轉轉速電流的20%，這是由于真空過濾機反轉是用于清理和檢修維護用的，故原廠家通過限流電阻進行了轉速限制。另外，當油箱油位低報警、油溫不小于65℃、出口油壓不大于130psi(1psi=6.895kPa)時，油泵電動機將保護跳閘。

圖1 液壓馬達控制系統工作原理

2 升級改造

由于現場環境惡劣，常有腐蝕性氣體和酸性料漿噴濺，因此控制系統必須遠離生產現場。同時，采用具有高可靠性的CENTUM VP DCS系統來替代原來由儀表和繼電器控制的方式。將電氣類控制元件安裝在低壓配電室內，儀表控制類元件由DCS軟硬件結合完成。拆除原現場控制箱，更換為不銹鋼控制箱，箱體面板布局與原來的控制箱一樣，不改變操作人員習慣，新控制箱內只安裝按鈕、指示燈等簡單元件，這樣一來就簡化了現場控制箱。而關鍵控制功能都轉移到了室內環境較好的DCS系統中，用以大幅提高設備的可靠性。

2.1硬件部分

原電動機由安裝在控制箱內的接觸器-熱繼電器來控制和保護，現在將它改造為由接觸器和PMC550型電動機綜合保護器控制，放置在環境較好的電氣低壓配電室抽屜柜內。安裝在現場控制箱上的啟停按鈕上的控制電壓均為24V(DC)，避免按鈕漏電傷人。

如圖2所示，由于原來的調速電位器故障頻繁，現更換為增速和降速按鈕輸入到DCS的DI點，由DCS運算后，AO通道SC-51401輸出模擬量4～20mA信號，再經過MSC306E-C0G0型隔離器放大為0～150mA信號，去驅動EDC電位移控制器。操作人員在現場按一次增速或降速按鈕，轉速變化5%。也可以在DCS的操作界面直接輸入數值來控制轉速。

控制箱上真空過濾機的正轉、停止和反轉按鈕接入DCS的DI輸入點，由DCS進行邏輯運算后經DO點輸出給安裝在DCS柜內的兩個繼電器KA2和KA3，它們分別接通即可控制正反轉的方向。反轉的轉速通過DCS程序限制為20%，不再需要限流電阻進行轉速限制。

圖2 轉向與轉速控制硬件原理

將油箱油位低報警、油箱油溫和油泵出口油壓均接入DCS，在DCS上設計顯示、報警和聯鎖保護。當油箱油位低報警、油箱油溫不小于65℃、油泵出口油壓不大于130psi、現場急停、中控室急停、工藝聯鎖停真空過濾機信號中，任意一個信號觸發聯鎖時，油泵電動機將保護跳閘。其中油泵出口油壓是低壓力保護，因此在啟動油泵15s待油壓建立后，再自動投入聯鎖。

2.2DCS程序組態

如圖3所示，主程序由輸入信號處理部分、真空過濾機轉速控制計算、真空過濾機油泵及其轉向和聯鎖保護控制，以及油溫油壓轉速計算顯示等功能塊組成。

圖3 主程序

輸入信號處理部分。將現場控制箱送入DCS的開關量輸入點(如升速、降速、油泵運行狀態、正轉及反轉等)，用TON/TOFF功能塊進行預處理，變為上升沿或下降沿，為CALCU計算塊或LC64邏輯功能塊調用做準備。

真空過濾機轉速控制計算由CALCU計算塊FS_CALC實現，程序代碼如下：

1|PROGRAM

2|ALIAS FSINC INC_ONS. CFV !現場升速按鈕上升沿；

3|ALIAS FS_INC_CC FS_INC_C. PV !中控室升速按鈕脈沖；

4|ALIAS FSDEC DEC_ONS. CPV !現場降速按鈕上升沿；

5|ALIAS FS_DEC_CC FS_DEC_C. PV !中控室降速按鈕脈沖；

6|ALIAS FS_AO FS_CTRL.MV

7|ALIAS PUMP10 LUBE_10_ONS.CPV

8|ALIAS PUMP01 LUBE_01_ONS.CPV

9|ALIAS REV FLTR_REV.PV

10|

11|IF (FSINC==1 OR FS_INC_CC==1 ) THEN!現場或中控升速按鈕，一次加5%；

12| FS_AO=FS_AO+5.0

13|END IF

14|

15|IF (FSDEC==1 OR FS_DEC_CC==1)THEN ！現場或中控降速按鈕，一次減5%；

16| FS_AO=FS_AO-5.0

17|END IF

18|

19|IF (PUMP10==1 OR PUMP01==1 OR FWD_ONS. CPV==1 OR REV_ONS.CPV==1 OR STP_ONS.CPV==1)THEN

20| !油泵電機狀態變化，或正反轉方向變化，調速信號回零；

21| FS_AO=0.0

22|END IF

23|

24|IF (REV==1) THEN !若為反轉狀態，則轉速限幅為20%；

25| IF (FS_AO>=20) THEN

26| FS_AO=20.0

27| END IF

28|END IF

29|

30|CPV=FS_AO

31|

32|END

該程序主要實現了升速和降速控制，在現場控制箱上按一下按鈕，DCS輸出的真空過濾機轉速驅動電流會相應上升或下降5%。當油泵或轉向狀態發生變化時，程序將轉速控制信號自動拉到零，防止真空過濾機立即轉動傷人。當真空過濾機反向轉動時，按工藝要求，程序將轉速控制信號限幅為20%。

真空過濾機轉向和聯鎖保護控制由LC64邏輯圖功能塊51401CTRL實現，原理如圖4所示。真空過濾機的正-停-反控制主要由兩個SR觸發器構成，圖中兩條虛線信號是互鎖作用，保證正反兩個輸出繼電器只有一個能閉合，防止輸出給伺服閥的驅動電流回路短路。真空過濾機停止時，斷開伺服閥的驅動電流，但液壓站的油泵電動保持轉動。當工藝聯鎖保護、急停、油溫、油壓、油

圖4 真空過濾機轉向和聯鎖保護控制邏輯

位保護動作時，油泵電動機也會一并停止，保證設備和人身安全。圖中，中控室升速、降速、正轉、反轉和停止按鈕都在DCS上設計了軟操作面板，由于CENTUM VP DCS系統操作面板不能自動復位，故在此邏輯圖中用2、3、4、5、6號時間繼電器分別做了延時2s的復位程序，讓面板上的ON/OFF按鈕自動復位。

2.3DCS操作界面

筆者設計的真空過濾機操作界面如圖5所示。界面中直觀地顯示出了真空過濾機和液壓站的操作與運行數據。虛線下方為聯鎖保護顯示畫面，當某個聯鎖回路動作時，會變紅閃爍，讓操作人員和維修人員對真空過濾機的故障快速定位，節約了故障判斷時間和維修時間。

3 結束語

甕福(集團)有限責任公司的Bird-Prayon 30EH型翻盤式真空過濾機控制系統經改造、調試和試運行后，徹底擺脫了原來現場儀表、繼電器和調速電位器故障頻發帶來的困擾，DCS系統在穩定性方面的優勢得以充分發揮。同時，驗證了在控制精度要求不高的情況下，用定制的隔離器來替代昂貴的專用伺服控制器是可行的。目前，工藝人員在現場和中控室都可以操作真空過濾機，故障狀態也一目了然。系統投運后，穩定、安全、可靠，為整個磷酸裝置的正常生產提供了有力保障。

圖5 真空過濾機操作界面

[1] 趙瑾.CENTUM CS1000集散控制系統[M].北京:化學工業出版社,2001:4.

[2] 宋錦春,陳建文.液壓伺服與比例控制[M].北京:高等教育出版社,2013:62～64.

2016-06-03(修改稿)

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1000-3932(2016)08-0868-05