陳顯烽，佘 霄

(中國(guó)五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢 430223)

尿素成品的輸送流程是尿素成品包裝貯運(yùn)設(shè)施的重要環(huán)節(jié)，需要對(duì)眾多的輸送皮帶、振動(dòng)篩、多通閥、袋式除塵器等粉體類設(shè)備進(jìn)行程序控制及聯(lián)鎖保護(hù)。隨著工廠智能化和自動(dòng)化的不斷推進(jìn)和發(fā)展，越來越多的項(xiàng)目采用DCS來實(shí)現(xiàn)尿素從造粒塔到包裝機(jī)產(chǎn)品輸送流程的程序控制及聯(lián)鎖保護(hù)功能，以提升整個(gè)工廠的集中化、標(biāo)準(zhǔn)化、自動(dòng)化水平，降低檢修和維護(hù)的復(fù)雜性。

1 主要工藝流程

以某新建年產(chǎn)80萬t/a尿素工廠為例，對(duì)一個(gè)典型的尿素成品輸送流程進(jìn)行分析。尿素成品輸送流程通常包含兩段典型流程:第一段是從造粒塔到包裝樓的長(zhǎng)距離輸送流程，第二段是全自動(dòng)包裝機(jī)前的分料及短距離輸送流程。

1.1 從造粒塔到包裝樓的長(zhǎng)距離輸送流程

熔融尿素在造粒塔內(nèi)造粒機(jī)完成造粒后，由刮料機(jī)刮出；經(jīng)輸送皮帶送至三通閥，少部分根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)入散料貯倉裝車，大部分經(jīng)輸送皮帶送往包裝樓。輸送皮帶上安裝有袋式除塵器，除去尿素運(yùn)輸過程中產(chǎn)生的粉塵。當(dāng)尿素產(chǎn)品溫度過高時(shí)，通過產(chǎn)品冷卻器進(jìn)行冷卻。中間皮帶上設(shè)置電子皮帶秤，對(duì)產(chǎn)品產(chǎn)量進(jìn)行計(jì)量。此段流程的特點(diǎn)是傳輸距離長(zhǎng)，一般沒有備用線，容錯(cuò)率低，流程呈線性結(jié)構(gòu)。造粒塔到包裝樓的長(zhǎng)距離輸送流程見圖1。

圖1 造粒塔到包裝樓的長(zhǎng)距離輸送流程

1.2 全自動(dòng)包裝機(jī)前的分料及短距離輸送流程

由于單條全自動(dòng)包裝線的處理能力有限，且故障率較高，往往需要多條全自動(dòng)包裝線相互切換。尿素散料經(jīng)輸送皮帶送至包裝樓后，經(jīng)多個(gè)三通閥/四通閥進(jìn)行分料，由短距離輸送皮帶送往各全自動(dòng)包裝線上的稱重貯斗，經(jīng)稱重貯斗緩沖后進(jìn)行全自動(dòng)包裝。輸送皮帶上安裝有袋式除塵器，除去尿素運(yùn)輸及篩分過程中產(chǎn)生的粉塵。此段流程的特點(diǎn)是傳輸距離較短，通常有多條生產(chǎn)線需要切換，涉及設(shè)備多，流程呈樹形結(jié)構(gòu)。全自動(dòng)包裝機(jī)前的分料及短距離輸送流程見圖2。

圖2 全自動(dòng)包裝機(jī)前的分料及短距離輸送流程

2 基于DCS的控制方案選取及系統(tǒng)配置

DCS是一種控制功能分散、操作顯示集中、采用分級(jí)結(jié)構(gòu)的智能站網(wǎng)絡(luò)[1]。DCS具有分散性、冗余性、開放性、先進(jìn)性、拓展性、可靠性等特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)控制、批量(間歇)控制、順序控制、數(shù)據(jù)采集、先進(jìn)過程控制等，將生產(chǎn)過程控制、操作、管理自動(dòng)地結(jié)合起來[2]。

與傳統(tǒng)的基于PLC的控制方案相比，基于DCS的控制方案可以有效減少全廠系統(tǒng)的種類和數(shù)量，方便備品備件和人員培訓(xùn)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)上更有利于裝置的性能拓展和方案修改[3]，一定程度上減輕了業(yè)主管理、檢修和維護(hù)的工作量。某新建年產(chǎn)80萬t/a尿素工廠綜合考慮可行性、經(jīng)濟(jì)性等各方面的因素，選用與全廠DCS一致的某國(guó)產(chǎn)知名品牌實(shí)現(xiàn)尿素成品輸送流程的程序控制和聯(lián)鎖保護(hù)。

2.1 控制室設(shè)置

該項(xiàng)目采用中心控制室和現(xiàn)場(chǎng)控制室分離的設(shè)置方式，在尿素成品包裝貯運(yùn)包裝樓設(shè)置有現(xiàn)場(chǎng)控制室?，F(xiàn)場(chǎng)控制室含現(xiàn)場(chǎng)操作室和現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜室，尿素成品輸送流程的所有控制相關(guān)信號(hào)均先接入包裝樓現(xiàn)場(chǎng)控制室DCS系統(tǒng)機(jī)柜，再通過雙冗余光纜從現(xiàn)場(chǎng)控制室傳送到中心控制室。在現(xiàn)場(chǎng)操作室內(nèi)設(shè)置操作員站，安排人員24 h值守，配合中心控制室完成對(duì)工藝流程的統(tǒng)一監(jiān)測(cè)、控制、報(bào)警及報(bào)表等操作。

2.2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

為了尿素成品包裝貯運(yùn)設(shè)施可以獨(dú)立地開車、運(yùn)行、檢修和維護(hù)，系統(tǒng)配備了獨(dú)立的冗余控制器、配電柜和網(wǎng)絡(luò)柜，構(gòu)建獨(dú)立的尿素包裝子網(wǎng)，并接入全廠DCS系統(tǒng)的組網(wǎng)中。同時(shí)，為滿足工藝上的操作要求，該項(xiàng)目在中心控制室設(shè)置操作員站1臺(tái)，在現(xiàn)場(chǎng)控制室設(shè)置操作員站2臺(tái)、打印機(jī)1臺(tái)，并接入所在控制室的網(wǎng)絡(luò)柜交換機(jī)中，不同控制室的網(wǎng)絡(luò)柜以雙冗余光纜連接。在現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜間放置機(jī)柜若干臺(tái)，主要以硬接線的方式采集來自現(xiàn)場(chǎng)及MCC的數(shù)據(jù)。控制器和IO柜間采用冗余的總線形網(wǎng)絡(luò)，通信速度不小于10Mb/s，通訊協(xié)議采用系統(tǒng)制造商的標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)成過程控制網(wǎng)。控制器與操作員站/工程師站之間也采用冗余的總線型網(wǎng)絡(luò)，通信速度不小于100Mb/s，通訊協(xié)議采用工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，構(gòu)成過程監(jiān)控網(wǎng)。尿素成品包裝貯運(yùn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 尿素成品包裝貯運(yùn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.3 IO點(diǎn)統(tǒng)計(jì)

在兩段典型流程中，共有粉體設(shè)備35臺(tái)，其中,造粒機(jī)1臺(tái)、輸送皮帶6條、振動(dòng)篩4臺(tái)、三通/四通閥6臺(tái)、袋式除塵器6臺(tái)、皮帶秤1臺(tái)、電動(dòng)插板閥2臺(tái)、產(chǎn)品冷卻器1臺(tái)、貯斗8個(gè)，還有少量過程儀表及檢測(cè)開關(guān)。根據(jù)相關(guān)規(guī)范的要求，控制回路I/O卡及重要檢測(cè)點(diǎn)I/O卡宜冗余配置。該項(xiàng)目尿素成品包裝貯運(yùn)設(shè)施遵循該要求，尿素成品輸送流程系統(tǒng)IO點(diǎn)統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 尿素成品輸送流程IO點(diǎn)統(tǒng)計(jì)

2.4 系統(tǒng)技術(shù)規(guī)格

該項(xiàng)目主要依據(jù)HG/T20573—2012《分散型控制系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行設(shè)計(jì)，由于工藝流程危險(xiǎn)性和控制實(shí)時(shí)性要求相對(duì)較低，因此,對(duì)DCS的技術(shù)規(guī)格沒有特殊要求，采用常規(guī)配置即可滿足操作需要。該項(xiàng)目DCS主要組成部分技術(shù)規(guī)格見表2。

表2 尿素成品輸送流程系統(tǒng)主要技術(shù)規(guī)格

3 邏輯設(shè)計(jì)

3.1 控制邏輯整體結(jié)構(gòu)

從圖1、2可以看出，尿素成品輸送流程控制的核心是實(shí)現(xiàn)流程設(shè)備的有序開車和有序停車。經(jīng)分析工藝需求，將輸送流程程序控制邏輯劃分為設(shè)備狀態(tài)的判斷、緊急停車邏輯、順序停車邏輯、順序開車邏輯和單臺(tái)設(shè)備的控制邏輯等5個(gè)模塊，其相互關(guān)系見圖4。

圖4 尿素成品輸送流程程序控制模塊之間的相互關(guān)系

3.2 設(shè)備狀態(tài)的判斷

在本文所述的邏輯結(jié)構(gòu)中，程序控制中需要的設(shè)備狀態(tài)為運(yùn)行狀態(tài)和故障狀態(tài)。通常而言，設(shè)備成套控制箱或MCC會(huì)輸出運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)和故障狀態(tài)信號(hào)至DCS，DCS只需采集這2個(gè)信號(hào)進(jìn)行邏輯判斷即可。但尿素成品輸送流程中有以下特殊情況，需要單獨(dú)設(shè)置聯(lián)鎖判斷。

(1)帶式輸送機(jī)的兩級(jí)跑偏開關(guān)、雙向拉繩開關(guān)分別串接為1個(gè)開關(guān)量信號(hào)至DCS，構(gòu)成聯(lián)鎖停帶式輸送機(jī)的故障信號(hào)。

(2)袋式除塵器提升閥氣源壓力低低時(shí)，構(gòu)成聯(lián)鎖停袋式除塵器的故障信號(hào)。

3.3 緊急停車邏輯

緊急停車邏輯是保障人員和設(shè)備安全的關(guān)鍵性措施，主要由以下條件觸發(fā)：①主要流程設(shè)備發(fā)生故障;②現(xiàn)場(chǎng)緊急停車按鈕觸發(fā);③控制室緊急停車按鈕觸發(fā)。

緊急停車邏輯觸發(fā)后，將停車信號(hào)送往流程中需要緊急停車的相關(guān)設(shè)備，現(xiàn)場(chǎng)警鈴和閃光報(bào)警燈發(fā)出報(bào)警信號(hào)，操作人員前往現(xiàn)場(chǎng)排查故障和危險(xiǎn)源，待確認(rèn)一切恢復(fù)正常后才可以復(fù)位。

3.4 順序停車邏輯

順序停車邏輯是為了滿足正常的操作需要，對(duì)某條包裝線或者整個(gè)流程進(jìn)行順序停車。停車時(shí)，應(yīng)按照?qǐng)D1、2中所示流程的順序，從流程的第1臺(tái)設(shè)備開始依次停車，直至最后1臺(tái)設(shè)備停車完成。對(duì)于流程中的某一個(gè)步驟而言，其邏輯設(shè)計(jì)思路見圖5。

圖5 順序停車邏輯第N步驟邏輯設(shè)計(jì)思路

3.5 順序開車邏輯

順序開車邏輯是為了滿足正常的操作需要，對(duì)某條包裝線或者整個(gè)流程進(jìn)行順序開車。開車時(shí)，應(yīng)按照?qǐng)D1、2中所示流程的順序，從流程的最后1臺(tái)設(shè)備開始依次開車，直至第1臺(tái)設(shè)備開車完成。對(duì)于流程中的某一個(gè)步驟而言，其邏輯設(shè)計(jì)思路見圖6。

圖6 順序開車邏輯第N步驟邏輯設(shè)計(jì)思路

3.6 單臺(tái)設(shè)備的控制邏輯

上述邏輯的輸出結(jié)果最終都需要通過單臺(tái)設(shè)備的控制邏輯來輸出，其邏輯設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下：①在設(shè)備邏輯中設(shè)置手動(dòng)開車按鈕和手動(dòng)停車按鈕，對(duì)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程啟停；②當(dāng)設(shè)備處于故障狀態(tài)時(shí)，手動(dòng)開車按鈕失效；③當(dāng)緊急停車邏輯請(qǐng)求停車且未復(fù)位時(shí)，本邏輯輸出結(jié)果為停車，優(yōu)先級(jí)高于手動(dòng)按鈕；④當(dāng)順序停車邏輯請(qǐng)求停車時(shí)，本邏輯輸出結(jié)果為停車，優(yōu)先級(jí)低于手動(dòng)按鈕；⑤當(dāng)順序開車邏輯請(qǐng)求開車時(shí)，判斷設(shè)備是否處于故障狀態(tài)，如處于故障狀態(tài)，開車請(qǐng)求失效。

圖7 典型的單臺(tái)設(shè)備控制邏輯

4 邏輯仿真驗(yàn)證

由于聯(lián)鎖邏輯在尿素成品輸送流程中有著至關(guān)重要的作用，邏輯的正確與否是設(shè)計(jì)是否正確且完善的重要衡量指標(biāo)。計(jì)算機(jī)仿真發(fā)展與應(yīng)用的歷程，就是在實(shí)際應(yīng)用需求的牽引下，在不斷涌現(xiàn)與發(fā)展的相關(guān)新技術(shù)的推動(dòng)下，通過不斷融合新的建模與仿真方法發(fā)展起來的[4]。因此，進(jìn)行邏輯仿真驗(yàn)證就有著一定的可能性。本文仿真軟件采用的是Ulogic 2.0版，是一款基于Proteus 8 Professional平臺(tái)二次開發(fā)的軟件。該軟件由中國(guó)五環(huán)工程有限公司自主開發(fā)，擁有獨(dú)立的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，目前已在多個(gè)大型煤化工項(xiàng)目中實(shí)施應(yīng)用，對(duì)復(fù)雜邏輯具有準(zhǔn)確的仿真效果，極大地提高了設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了邏輯驗(yàn)證的前置化。

選取造粒塔至包裝機(jī)段開車順控的部分開車順控邏輯進(jìn)行仿真示意。如圖8所示，在當(dāng)步驟3A執(zhí)行完畢后，步驟4A開始執(zhí)行，先對(duì)步驟4A的執(zhí)行條件進(jìn)行判斷，如果步驟4A的執(zhí)行條件全部滿足，則發(fā)出內(nèi)部信號(hào)至V48308設(shè)備控制邏輯，啟動(dòng)帶式輸送機(jī)V48308，延遲30 s后開始下一個(gè)步驟。

圖8 開車順控流程部分邏輯仿真界面

通過Ulogic軟件，對(duì)某新建年產(chǎn)80萬t/a尿素工廠尿素包裝輸送流程的DCS開車順控邏輯、停車順控邏輯、緊急停車聯(lián)鎖邏輯、單臺(tái)設(shè)備控制邏輯進(jìn)行仿真測(cè)試，結(jié)果表明,邏輯應(yīng)用效果良好,滿足設(shè)計(jì)需求。

5 結(jié)語

本文所闡述的尿素成品輸送流程只是尿素成品包裝貯運(yùn)工序中的一部分，采用基于DCS控制方案已能對(duì)該工序自動(dòng)化水平、集中度和標(biāo)準(zhǔn)化起到較大的提升作用。如果將DCS控制方案進(jìn)一步推廣到包裝流程及裝車流程，應(yīng)該會(huì)有更好的效果。

總而言之，在大型化工廠自動(dòng)化、智能化越來越受重視的今天，基于DCS的尿素成品輸送流程控制方案應(yīng)用會(huì)越來越廣泛。該方案最核心的設(shè)計(jì)內(nèi)容就是系統(tǒng)配置和流程的聯(lián)鎖設(shè)計(jì)，本文在這兩個(gè)方面進(jìn)行了闡述詳細(xì)和仿真驗(yàn)證，希望可以為類似的項(xiàng)目提供一定的參考。