閆晶辰

(天津渤化永利化工股份有限公司，天津 300452)

DCS系統(tǒng)作為聯(lián)堿生產(chǎn)監(jiān)控的“大腦”，決定著整個生產(chǎn)運行的安全與穩(wěn)定，發(fā)揮著不可替代的作用。隨著生產(chǎn)管理越來越嚴(yán)格，自動化程度越來越高，對DCS系統(tǒng)功能的應(yīng)用不斷加強，并朝著更為智能化、自動化、信息化、綜合化的方向延伸。

1 聯(lián)堿生產(chǎn)概述

向循環(huán)系統(tǒng)中連續(xù)加入鹽、氨、二氧化碳和水等原料，同時不斷地生產(chǎn)純堿和氯化銨產(chǎn)品的方法稱為聯(lián)堿法。聯(lián)堿法生產(chǎn)分為兩個過程，第一過程是純堿生產(chǎn)過程，第二過程是氯化銨生產(chǎn)過程，兩個過程構(gòu)成一個循環(huán)。

簡要工藝流程是將含有氨和氯化鈉的AⅡ母液在碳化塔內(nèi)與二氧化碳反應(yīng)生成碳酸氫鈉結(jié)晶，分離后經(jīng)煅燒，制得純堿。母液經(jīng)吸氨、降溫、加鹽析出氯化銨結(jié)晶，經(jīng)過濾、干燥后制得氯化銨產(chǎn)品，母液吸氨后再進入碳化塔反應(yīng)，如此連續(xù)循環(huán)。

整個聯(lián)堿生產(chǎn)過程包括二氧化碳壓縮、真空制鹽、碳化、煅燒、結(jié)晶、重灰和小蘇打、干銨和精銨、包裝等10個工序，其中碳化和結(jié)晶工序是生產(chǎn)過程的核心工序，直接影響母液的平衡和產(chǎn)品的質(zhì)量；重灰、小蘇打、精銨、干銨工序是成品產(chǎn)出工序；包裝工序是成品的包裝及運輸工序。

2 DCS系統(tǒng)在聯(lián)堿生產(chǎn)中的應(yīng)用

2.1 結(jié)構(gòu)組成及功能

聯(lián)堿DCS系統(tǒng)是杭州和利時品牌MACSV SM系列，采用C/S網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，即客戶端/服務(wù)器體系架構(gòu)，客戶端是操作站或工程師站，客戶端通過服務(wù)器讀取數(shù)據(jù)和獲取資源。整套系統(tǒng)由現(xiàn)場控制站、操作站、工程師站、服務(wù)器及網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)組成，共同完成各種采集、控制、顯示、操作和管理功能。其中，現(xiàn)場控制站是DCS的核心，主要包括供電系統(tǒng)、主控模塊和I/O模塊，用于完成現(xiàn)場信號采集、轉(zhuǎn)換、輸入、輸出以及各種控制；操作站是操作人員與DCS系統(tǒng)間的界面，操作人員通過操作站對生產(chǎn)過程從全局到細節(jié)進行集中監(jiān)視、操作和管理；工程師站是對DCS進行離線配置、組態(tài)、監(jiān)控和維護的網(wǎng)絡(luò)站點，同時也具備操作站的所有功能；服務(wù)器用于計算負荷、管理系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)上接操作站，下連控制站，是二者數(shù)據(jù)交換的媒介；通訊網(wǎng)絡(luò)用于實現(xiàn)各個站的相互通訊和數(shù)據(jù)交換，使之連成一個整體。

2.2 劃分與布局

聯(lián)堿DCS系統(tǒng)由兩個相對獨立的工程組成，即分為兩個域，0#域是對碳化、煅燒工序的監(jiān)控和管理，包括50#工程師站，1#、2#服務(wù)器，10#、11#、13#現(xiàn)場控制站，51#～55#操作站，1#～4#工業(yè)交換機；1#域是對重灰、小蘇打、包裝、結(jié)晶、精銨、干銨、真空制鹽工序的監(jiān)控和管理，包括50#工程師站，3#、4#服務(wù)器，13#～19#現(xiàn)場控制站，67#～79#操作站，5#～8#工業(yè)交換機。其中服務(wù)器、現(xiàn)場控制站的主控單元和工業(yè)交換機采用冗余配置，互為主備，當(dāng)在用主設(shè)備發(fā)生故障時，從設(shè)備無擾切換，以確保整套DCS系統(tǒng)的正常運行，從而不影響生產(chǎn)。

圖1 聯(lián)堿0#域DCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖(1#域與0#域結(jié)構(gòu)相同)

2.3 監(jiān)控應(yīng)用

聯(lián)堿裝置DCS系統(tǒng)共計4 655個I/O點，其中AI點2 744個，包括儀表的五大參數(shù)和電流指示等；AO點462個，包括儀表調(diào)節(jié)閥和變頻器的輸出；DI點432個，包括儀表切斷閥和各類開停車信號的反饋指示；DO點1 017個，包括儀表切斷閥和各類開停車信號的輸出。系統(tǒng)對現(xiàn)場各儀表參數(shù)進行連續(xù)監(jiān)控，并通過預(yù)設(shè)的方式控制設(shè)備的自動運行，操作者通過1～2臺操作站可以監(jiān)控整個工序或整套生產(chǎn)系統(tǒng)。

2.4 控制方案應(yīng)用

2.4.1 PID控制

比例積分微分控制，簡稱PID控制，算法簡單，應(yīng)用廣泛。簡單的說，就是根據(jù)給定值和實際輸出值構(gòu)成控制偏差，將偏差按比例、積分和微分通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進行控制。

聯(lián)堿生產(chǎn)工藝中近90%控制回路具有PID結(jié)構(gòu)，如碳化塔出堿流量、煅燒爐爐氣壓力、液氨循環(huán)罐液位、母換器熱AI出液溫度等控制回路，都是結(jié)合實際生產(chǎn)，通過PID參數(shù)整定實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)的。

2.4.2 順序控制

順序控制是按照生產(chǎn)工藝預(yù)先設(shè)定的順序，各個執(zhí)行元件自動有序地進行操作。順序控制有三個要素，即轉(zhuǎn)移條件、轉(zhuǎn)移目標(biāo)和工作任務(wù)。只有當(dāng)轉(zhuǎn)移條件滿足時才可以進入到下一轉(zhuǎn)移目標(biāo)并執(zhí)行工作任務(wù)。按照順序控制系統(tǒng)實現(xiàn)順序控制的特征，可以將順序控制系統(tǒng)分為時間順序控制、邏輯順序控制和條件順序控制。

聯(lián)堿結(jié)晶工序外冷系統(tǒng)換車就運用了順序控制。正常負荷下的生產(chǎn)每6 h自動進行一次作業(yè)/清洗倒換，通過預(yù)設(shè)的邏輯程序自動順序開/關(guān)各臺進出口物料切斷閥，大大降低了勞動者的工作強度，提高了工作效率，而且避免在換車時手忙腳亂而誤開/關(guān)手閥，準(zhǔn)確可靠、安全有效。

2.4.3 串級控制

串級控制系統(tǒng)是將主副兩個控制器串聯(lián)起來工作，主控制器的輸出作為副控制器給定值的系統(tǒng)，其中副回路在控制過程中負責(zé)粗調(diào)，主回路完成細調(diào)。主要用于對象滯后和時間常數(shù)很大、干擾作用強、負荷變化大、對控制質(zhì)量要求較高的場合。

聯(lián)堿結(jié)晶吸氨控制中應(yīng)用了串級控制，為了保證母液吸氨后溫度的穩(wěn)定，溫度控制器的輸出作為母液進吸氨器流量控制器的給定值，用流量控制的輸出來操作調(diào)節(jié)閥。由于這個系統(tǒng)中引入了副回路，及時克服了因母液流量調(diào)整而導(dǎo)致母液溫度大幅度變化，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性有了極大的提高，有效的解決了由于系統(tǒng)波動過大帶來的不必要損失，使母液吸氨量滿足生產(chǎn)需求，而且更好地節(jié)約了人力資源。

圖2 串級控制系統(tǒng)方框圖

2.4.4 流量累計

聯(lián)堿生產(chǎn)中，測量介質(zhì)流量包括瞬時流量和累計流量，是原料、母液計量結(jié)算的依據(jù)，利用DCS控制算法中"HSACCUM"塊將輸入的流量瞬時值累計積算成累計值。聯(lián)堿生產(chǎn)中如包裝袋計數(shù)累計、MI/MII和AI/AII母液流量累計、進界區(qū)蒸汽總管流量累計、一次水流量累計等均采取此法，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確穩(wěn)定，對計量結(jié)果影響較小，減少了人為過多參與，基本實現(xiàn)了自動結(jié)算功能，也方便了調(diào)度員、操作工對生產(chǎn)的整體把控和原料消耗的統(tǒng)計等。

2.5 安全應(yīng)用

DCS系統(tǒng)在過程生產(chǎn)中除了能夠起到減少勞動力、實現(xiàn)生產(chǎn)智能化的作用，還保障了生產(chǎn)的安全，其中報警和保護聯(lián)鎖就是預(yù)防危險事故發(fā)生的重要功能。

2.5.1 報警

DCS系統(tǒng)報警分為兩類，一類是系統(tǒng)報警，即對控制單元、操作站、服務(wù)器、通信系統(tǒng)進行功能診斷，當(dāng)發(fā)生異常時發(fā)出的報警。另一類是過程報警，即由控制單元發(fā)出的過程變量(工藝參數(shù))異常情況，如測量值超限、控制輸出越限等發(fā)出的報警。兩類報警都是對整個系統(tǒng)的一種保護，通過警鈴和變色顯示的方式提示操作者出現(xiàn)設(shè)備故障、工藝波動或其它異常情況。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)出報警信號時，工藝操作者或儀表工程師就會及時采取有效措施進行干預(yù)和處理，以防止裝置停工、設(shè)備損壞或危險事故的發(fā)生。本公司聯(lián)堿裝置根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)和工藝要求，將報警進行了分級，其中一級報警623個，二級報警302個。

2.5.2 保護聯(lián)鎖

保護聯(lián)鎖是根據(jù)工藝控制要求或機組設(shè)備保護而做的邏輯組態(tài)，當(dāng)生產(chǎn)過程中某些工藝變量或設(shè)備運行狀態(tài)發(fā)生異常并達到設(shè)定條件時，能夠自動(必要時可以手動)按照預(yù)先設(shè)計好的邏輯關(guān)系啟動備用設(shè)備或停車，使操作人員與工藝裝置處于安全狀態(tài)。

保護聯(lián)鎖可以是局部的，也可以是整個系統(tǒng)；可以是停車保護，也可以是開車允許。一套完整的保護聯(lián)鎖由聯(lián)鎖輸入、聯(lián)鎖輸出、聯(lián)鎖邏輯組成，同時還應(yīng)具備聯(lián)鎖切除和手動停車功能。大型機組如重灰鼓風(fēng)機、洗鹽球磨機、螺桿壓縮機，傳動裝置如帶式過濾機、運輸皮帶，以及各類小型機泵、煅燒爐、吸氨系統(tǒng)都采用了相應(yīng)的DCS保護聯(lián)鎖。

2.6 調(diào)閱歷史信息應(yīng)用

在日常生產(chǎn)維護中，經(jīng)常會調(diào)閱歷史數(shù)據(jù)和信息，尤其是在工藝指標(biāo)和設(shè)備運行異常的情況下，通過應(yīng)用查詢歷史信息功能，能夠清楚地分析異常原因，并指導(dǎo)檢修方向。歷史信息包括日志和趨勢。

日志是記錄DCS系統(tǒng)所發(fā)生的的全部事件信息，并按照事件發(fā)生的時序存放，事件本質(zhì)是開關(guān)量和模擬量的變化情況。日志的種類分為全日志、SOE日志、操作日志和設(shè)備日志。趨勢主要分為綜合趨勢、開關(guān)趨勢和XY趨勢，有曲線和數(shù)據(jù)兩種模式。

2.7 OPC Client的應(yīng)用

OPC是“OLE for Process Control”的縮寫，是一個工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。它包括一整套接口、屬性和方法的標(biāo)準(zhǔn)集，用于過程控制自動化系統(tǒng)。OPC Client是OPC客戶端，用于讀取服務(wù)器數(shù)據(jù)，通過地址轉(zhuǎn)換在DCS操作站上顯示其它諸如PLC、SIS、ESD、DEH等系統(tǒng)數(shù)據(jù)。

聯(lián)堿裝置除了有一套DCS系統(tǒng)外，還有三套PLC系統(tǒng)和一套SIS系統(tǒng)，通過OPC Client將這五套儀表控制系統(tǒng)連接在一起，由調(diào)度操作站集中顯示，方便了調(diào)度人員的監(jiān)視、查詢和統(tǒng)一調(diào)度，為指揮、協(xié)調(diào)生產(chǎn)提供了幫助。

表1 幾種調(diào)閱歷史信息的方式

3 總 結(jié)

現(xiàn)階段，我公司聯(lián)堿生產(chǎn)自動化程度還處于一般水平，結(jié)合聯(lián)堿生產(chǎn)和DCS情況，預(yù)計今年還要進行如下改造：

1)Ⅱ過程吸氨自動化控制。Ⅱ過程有20個吸氨器，吸氨器液相出口現(xiàn)為DN200膠膜球閥，氣氨進口為DN150氨用截止閥?，F(xiàn)已將氣相進口閥門全部改為儀表調(diào)節(jié)閥，由DCS遠程通過PID實現(xiàn)對單臺吸氨器的進氣控制，并預(yù)計在每臺吸氨器液相入口增加流量計。

2)DCS控制系統(tǒng)升級。在不影響整體框架的基礎(chǔ)上，升級控制器、操作員站，由P-TO-P網(wǎng)路結(jié)構(gòu)取代C/S結(jié)構(gòu)，既實現(xiàn)了硬件的更新?lián)Q代，又解決了軟件系統(tǒng)無法開車下裝的弊端，使風(fēng)險更加分散。

3)引入阿米巴經(jīng)營管理模式等。增加相關(guān)流量計，搭建和完善阿米巴計量儀表系統(tǒng)管理體系，通過DCS將重點計量參數(shù)進行監(jiān)控、統(tǒng)計，以點帶面，提升聯(lián)堿生產(chǎn)從低點向高點的智能化轉(zhuǎn)變。