粒堿生產裝置的集中控制

陳軍,王明杰

(天辰化工有限公司，新疆 石河子 832000)

天辰化工有限公司(以下簡稱“天辰化工”)粒堿生產采用的是瑞士博特化工裝置有限公司的裝置，采用膜式法生產工藝。裝置分為3期，控制室各自單獨設置(其中1期和3期為一個控制室，2期為一個控制室)，兩個控制室通信線纜距離大于200 m，操作人員比較分散；其控制系統主要包括DCS和熔鹽爐加熱系統，其中1期和2期各有2套熔鹽加熱系統，3期有1套熔鹽加熱系統。

1 控制系統現狀

1.1 堿系統DCS

主體堿系統采用橫河西儀有限公司提供的CENTUM CS-3000控制系統，設置2個控制域(分別為1期、2期控制系統)。1期和2期DCS各配置了4臺工作站：1臺工作站作為工程師站，具備設計組態、仿真調試及操作監視功能；另外3臺工作站作為操作員站，具備操作監視功能。每臺工作站都帶有獨立的主機，工作站之間互為工作冗余，采用WindowsXP作為操作系統，開放的冗余網絡結構，支持DDE/OPC。系統各級網絡均采用冗余設計，網絡上的各單元為獨立單元，其中任意一個節點故障都可安全摘除，不會影響其他單元的正常工作。系統配置實時數據網Vnet/IP ，采用IEEE802.3以太網傳輸協議，速率為1 000 Mb/s。內部ESB總線通信速率128 Mb/s。DCS網絡圖如圖1所示。

圖1 DCS網絡圖

1.2 燃燒爐控制系統

燒堿蒸發裝置配套的燃爐控制單元是獨立的子系統(1期和2期的4套裝置由博特公司提供的成套設備，3期的1套裝置為國產自主開發的系統)，在開停車、升降負荷時需手動操作儀表，控制盤柜與裝置的距離受到限制，根據生產裝置現場位置，與DCS設置在同一控制室。

燃爐控制系統由燃燒器控制器、PLC控制器、HMI觸摸屏人機界面、VMS(VMS為燃燒復合管理控制儀表)、現場測量及控制儀表等組成(如圖2所示)，分動力控制及儀表顯示控制兩部分。動力控制主要控制循環泵，燃燒器等主設備的啟、停功能，為保證加熱爐正常運行，泵與燃燒器之間設有聯鎖控制。儀表顯示控制中熔鹽爐負荷根據燃爐出口熔鹽溫度的設置，通過負荷控制器控制燃燒器上的電動閥，同步控制風門擋板和燃氣蝶閥，燃料輸入量與鼓風量形成聯動，從而控制負荷的變化。燃燒器控制器按順控程序自動運行，并與PLC共同完成聯鎖報警控制。HMI觸摸屏提供人機交互界面，并記錄異常報警歷史。在系統中，燃料和空氣量的變化經由數字式燃燒管理器VMS進行精確控制，同時，它還具有負荷比及氧量調節功能。

圖2 燃爐控制系統框圖

2 集中控制的實施

2.1 集中控制的優勢

通過共享數據，對粒堿生產裝置1期、2期和3期過程控制進行智能化集中；通過布置在生產現場的專用設備，對整個生產過程實現數據實時采集、控制和跟蹤；通過控制設備、操作人員、工藝品質控制、流程指令和其他設施等工廠資源來提高生產效率，實現精益生產，且為后期智能化、信息化改造打下基礎。

2.2 設計方案

集中控制的核心是實現DCS的集中、燃爐HMI觸摸屏的遠程控制和VMS智能儀表的遠程控制(3期燃爐控制已經改造為由1期DCS進行控制)。設計思路是通過光纜信號傳輸，將各類信號遠距離傳送至2期控制室，最終在2期控制室集中控制粒堿裝置1期、2期和3期的生產。燃爐遠程控制方案如圖3所示。

圖3 燃爐遠程控制方案示意圖

2.2.1 燃爐HMI觸摸屏遠程控制的實現

現場控制柜人機界面HMI為ProFace AGT3600型，具有遠程監控的功能。GP-Viewer EX 是一款用于顯示、操作遠程人機界面的應用程序。兩者結合使用，可執行遠距離日常操作及維護，并可實現故障恢復及監控故障排除等操作。使用HMI的遠程監控功能，計算機和人機界面HMI必須在同一網絡中，且計算機上必須安裝 GP-Viewer EX軟件，人機界面HMI上必須設置相應授權。

2.2.2 VMS遠程控制的實現

VMS控制器是燃氣負荷調節的關鍵儀表，設有電腦(PC)接口RS-232與PC進行通信連接。RS-232接口也稱標準串口，是常用的一種串行通信接口，使用9芯D型插座(DB9)。RS-232采取不平衡傳輸方式，即所謂單端通信。由于其發送電平與接收電平的差僅為2 ～3 V，所以其共模抑制能力差，再加上雙絞線上的分布電容，其傳送距離最大約15 m，最高速率為20 kb/s。RS-232是為點對點(即只用一對收、發設備)通信而設計的，其驅動器負載為3～7 kΩ。所以RS-232一般適合本地設備之間的通信。

為了實現遠距離通信，天辰化工采用光纜及串口光貓轉換模塊，連接VMS控制器至2期控制室PC,通過遠程監控軟件FmsVms進行操作，可保存內部參數和控制曲線，并實現遠程控制和燃燒曲線的圖形化顯示，如圖4 VMS4監控畫面。

圖4 VMS4監控畫面

2.2.3 DCS的實現

通過Vnet/IP網傳輸，介質采用光纖，通信距離最遠可達20 km。光纖是極為方便的一種傳輸訊號工具，纜線其中一根纖細的光纖，就可以取代上千條以上的實體的通信線路，完成大量及長距離的通信工作。

光纖傳輸有如下8大優勢：①靈敏度高，不受電磁噪聲的干擾;②體積小、質量輕、壽命長、價格低廉;③絕緣、耐高壓、耐高溫、耐腐蝕，適用于特殊環境;④幾何形狀可依環境要求調整，信號傳輸容易;⑤高帶寬，通信量大，衰減小，傳輸距離遠;⑥信號串音少，傳輸質量高;⑦保密性高;⑧便于敷設及搬運原料。

將1期控制室中3臺工作站遷移至2期控制室，通過交換機、光纜及光電收發器與1期控制室機柜間的DCS控制站進行通信，并將1期、3期現場效體自循環閥及部分動作頻率較高的手動閥門更換為自控閥門，便于中控人員及時調節，降低勞動強度。

2.3 具體實施

2.3.1 燃爐觸摸屏程序修改

利用PROFACE GP-Viewer-EX軟件，通過獨立的LAN網絡將觸摸屏上的LAN接口與現場燃爐控制柜間的光電轉換器直接相連，并通過單模跳纖、盤纖盒、光纜連接至2期中控室PC端接收,將燃爐控制柜觸摸屏操作界面同步傳送至PC端顯示器；通過修改燃爐觸摸屏工程程序，實現就地盤柜與遠端PC同步監控與操作。PC與觸摸屏的通信如圖5所示。

圖5 控制室PC與觸摸屏的連接

Fig.5 Link between PC and touch screen in control room

2.3.2 VMS控制器實現燃氣負荷調節遠程控制

使用串口光貓，將RS-232/422/485串口數據通過光纖媒質傳輸的通信產品實現遠程控制。光纖接口采用雙SC、FC、ST等(FIBER-TX、FIBER-RX)接口，串口端物理接口為12孔接線柱形式。同時提供RS-232/422/485接口，可實現RS-232/422/485串行數據通過光纖的遠距離傳輸，可以有效延長串行通信信號的傳輸距離，克服了傳統串行通信的距離短、抗干擾能力差的缺點，也解決了電磁干擾、地環干擾以及雷擊和浪涌的難題，極大地提高了數據通信的可靠性、安全性和保密性。串口端同時提供RS-232、RS-422和RS-485 3種接口，串口端自適應RS-232、RS-422和RS-485接口，使用簡單、方便。VMS4遠程數據傳輸示意圖如圖6所示。

通過使用VMS - Remote Control Software軟件、串口光貓通信模塊及敷設纜線，實現遠端PC與控制柜端VMS智能儀表進行通信，實現兩地控制。圖6中，VMS遠程數據傳輸，實現燃爐負荷的手動/自動調節及空燃比的調節。

圖6 VMS4遠程數據傳輸示意圖

Fig.6 Diagram of VMS4 remote data transmission

2.3.3 DCS的實現

從1期控制室遷移至2期控制室的工作站通過光纜連入1期Vnet/IP網與控制站通信，實現遠程控制。實施后DCS結構圖如圖7所示。

圖7 實施后DCS結構圖

Fig.7 Structural diagram of implemented DCS

通過編寫DCS程序，將燃爐控制柜上部分溫度信號及燃爐狀態信號接入DCS顯示，對燃爐控制系統的現場信號實現監控和趨勢記錄。

堿系統自循環閥是手動閥門，需人工控制開度，保持效體內堿液成膜效果，現更換為自控閥門；同時，將濃堿稀釋系統自循環手動閥、現場操作較頻繁的部分手動閥更換為自控閥，由DCS控制，方便中控人員及時調節，保證系統正常運行，也降低了操作人員勞動強度。

3 應用效果

該項目在天辰化工實施后，自2017年7月開車以來，運行效果良好，達到了預期的目標：實現了遠程、就地同步監控和操作DCS及燃爐控制系統，大大提高了工作效率，提高了信息集成度；實現了減員增效，中控崗位由16人減至13人；起到了示范作用，同行企業已計劃逐步實施該項目。