鹵水采集控制系統設計

劉志偉，王曉燕

(中國天辰工程有限公司，天津 300400)

中國天辰工程有限公司承擔的某國外天然堿項目包含鹵水采集裝置和堿加工裝置，鹵水采集礦區環境溫度在-25～55 ℃。該項目處于地質條件復雜的丘陵地區，海拔900～1 100 m，地下的天然堿儲量約448 Mt，在項目范圍內有187口礦井，被分成74組，采用鉆井方式實施水溶采礦。

天然堿鹵水采集礦區為堿加工裝置提供1 893 m3/h的鹵水質量分數為17.5%的合格原料，以保證2.50 Mt/a的純堿生產規模。2口直井和1口水平井聯通后形成1個采礦(溶采)單元，利用堿加工裝置的廢液作為溶解水，經注井泵站加壓后通過長輸管線向1口直井注入，用于溶解天然堿的礦床；產出合格的鹵水后，再從另外1口直井排出；通過管道把鹵水送往堿加工裝置，加工、精制成純堿和小蘇打。

1 鹵水采集控制系統

鹵水采集礦區地處地質條件復雜的山區，高度落差較大，有懸崖溝壑，因此設置了遠程監控系統，用于實時監控進入礦井的溶解水及礦井產出鹵水的工藝參數。

在鹵水采集礦區，每口礦井的地面管線均配有以下設備： 1臺質量流量計，用于測量介質的溫度、密度、質量流量；1臺電動控制閥，用于調節介質的質量流量；1臺壓力變送器，用于測量介質的壓力。在中心控制室的操作站可監控礦區187口礦井的鹵水參數及系統網絡運行狀況。

在設計過程中，根據礦區地形、地勢分散布置了49套遠程IO站，187口礦井出口天然堿鹵水的溫度、壓力、流量、密度、閥門信號，由遠程IO站進行信號采集，采集的所有儀表信號通過硬線接入遠程IO站；49套遠程IO站采用Modbus TCP/IP協議，分別通過冗余光纖接入布置在礦區的9對冗余交換機，再通過9對冗余光纖連接至礦區交換機，實現與中心控制室內DCS的通信，該項目使用光纖118根，總長約1×105m。

2 鹵水采集控制系統解決方案

2.1 系統配置

遠程IO站配有冗余直流電源、通信網關、IO卡、光電轉換器等，遠程IO站應選擇耐低溫型，能滿足-25 ℃的環境要求；整個礦區配有9組冗余交換機，就近連接遠程IO站，有效地分散了通信風險，每個交換機有8個光口，連接遠程IO站數量不超過6個；9組冗余交換機通過冗余光纖連接中心控制室內的1套冗余交換機；中心控制室內1套冗余交換機通過網線連接DCS的冗余CPU；同時，配備了1臺工程師站用于組態調試，2臺操作員站用于監控187口礦井出口天然堿鹵水的溫度、壓力、流量、密度、閥門信號等，鹵水采集控制系統結構如圖1所示。

圖1 鹵水采集控制系統結構示意

2.2 現場儀表配置

礦井出口管線內的介質除鹵水外，還含有氣體，屬于典型的氣液兩相流，因此選用氣液兩相型質量流量計，該質量流量計可輸出介質的質量流量、溫度、密度3路信號；電動控制閥與質量流量計組成閉環調節回路，調節礦井入口介質的質量流量；配備了壓力變送器用于測量管線壓力。

2.3 系統網絡設置

該項目中，鹵水采集控制系統的通信網絡可靠性至關重要，每套遠程IO站網關有2個網口，采用“1進1出”方式與冗余交換機及冗余CPU建立環網以實現網絡冗余，假如網絡中任一節點故障，信號均能從環網中其他路由傳至中心控制室，有效地提高了網絡安全性。

2.4 網絡故障監控

該系統有近300個網絡節點，網絡安全至關重要，在工程師站安裝了交換機網絡管理軟件，用于監控礦區全部網絡狀況，一旦某個網絡節點通信故障，可在網管軟件上監控交換機接口狀態信息；網管軟件把網絡狀態數據通過OPC通信到WINCC，通過PCS7軟件的二次開發，在操作站上可顯示網絡狀態預警，以方便操作人員及時得知礦區網絡狀況及具體故障節點位置，提高了維護效率。

2.5 電源故障監控

每套遠程IO站內配有24 V直流冗余電源，每個電源故障報警信號通過硬線接入臨近遠程IO站，再傳輸至中心控制室，在DCS上實現電源狀態監控。

2.6 軟件開發

在軟件組態過程中，采用西門子PCS7軟件平臺進行了二次開發，實現了1對CPU與第三方的49套IO站同時通信，編制相應程序，通過Modbus TCP/IP協議讀取49套遠程IO站中的AI，AO，DI卡中數據。

2.7 工藝操作模式組態

編制的監控程序，對每口礦井具有5種可選擇的監控模式：

1)模式0。該模式為未啟用，選擇0時，該礦井的相應參數信息為灰色，表示該礦井未投用。

2)模式1。該模式為手動控制，選擇1時，該礦井相應參數信息為綠色，表示該井管線控制閥只能手動調節，該模式用于溶解水注井。

3)模式2。該模式為自動控制，選擇2時，該礦井相應參數信息為藍色，表示該井管線控制閥只能通過流量調節回路自動調節，該模式用于溶解水注井。

4)模式3。該模式為全開模式，選擇3時，該礦井相應參數信息為粉色，表示該井管線控制閥只能全開，不能接收其他調節信息，該模式用于鹵水回水。

5)模式4。該模式為故障模式，選擇4時，該礦井相應參數信息為紅色，表示該井處于故障模式。

在PCS7上選擇累加程序，把處于模式1與模式2狀態的全部流量計數值累加，即可得到全部注井溶解水量；把模式3的全部流量數值累加，即可得到全部鹵水產量。通過注井溶解水量與鹵水產量的差值，可以得知溶解水在礦井下的損耗量，該累加程序可替代完成1臺回水總管的大口徑質量流量計累積工作，從而有效降低了設備投資。

3 主要創新點

該項目鹵水采集控制系統設計及軟件開發過程中，主要創新點體現在以下幾個方面：

1)針對地質條件惡劣的礦區，鹵水采集采用遠程IO站方式實時監視、控制。

2)采用Modbus TCP/IP協議，解決了1對CPU與49套遠程IO站同時通信的難題。

3)采用“1進1出”方式，使IO站網關與交換機及CPU建立環網，保障了網絡的安全性。

4)開發了網絡監控程序，實時監控礦區每個網絡節點的運行狀況，對網絡故障及時進行預警。

5)解決了每套遠程IO站電源故障監控問題。

6)通過WINCC軟件，把礦井狀況組態為5種操作模式： 未啟用、手動控制、自動控制、全開模式、故障模式，滿足了用戶的操作需求。

4 結束語

該項目鹵水采集控制系統投用以來，運行穩定、技術可靠，應用效果良好，取得了顯著的經濟效益和社會效益。實際應用表明，鹵水采集控制系統滿足了該類工藝裝置生產過程的控制要求，可以在地質苛刻的鹵水采集礦區進行推廣應用，對于其他類似項目的遠程控制、網絡配置及網絡故障監控有借鑒意義。

DCS在化工項目中是“兩化融合”的重要組成部分，系統組態及現場調試一般由DCS供貨商完成，核心技術掌握在供貨商手中，同時DCS廠家需要派技術人員長期在現場服務，現場服務費往往高于設備購置費。該項目全部DCS硬件配置、軟件組態開發、開車調試，均由天辰公司自控工程師自主完成，可以節省大量資金，有利于企業提升自己的創新能力，同時能更好地為項目提供可靠及時的服務，更有助于提高國外用戶對工程公司的認可度，在加快項目建設進度、提高經濟效益等方面具有重要的意義。