計算機控制系統(tǒng)在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用

李明艷，張志華，徐建鑫

（天津渤天化工有限公司，天津300480）

天津渤天化工有限公司2011 年引進山東威德鹽水膜法除硝工藝， 投產(chǎn)2 套20 萬t/a 膜法除硝裝置。 該裝置采用有機納濾膜，利用膜分離裝置，將原鹽中帶入的硫酸根從淡鹽水中除去，保證隔膜、離子膜電解的正常運行；同時，使大量的硫酸根進入濃硝鹽水， 再利用膜分離系統(tǒng)使?jié)庀觖}水中的硫酸鈉進一步濃縮，并將其中部分鹽進行回收。膜法除硝工藝主要包括3 個單元：預(yù)處理單元、膜過濾單元和鹽回收單元。

1 控制系統(tǒng)的選擇

根據(jù)工藝點數(shù)， 控制系統(tǒng)采用橫河CS3000 系統(tǒng)。 選擇原因為：（1）開放的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：采用Windows XP 標準操作系統(tǒng)，支持OPC，提供了系統(tǒng)接口和網(wǎng)絡(luò)接口，便于與公司生產(chǎn)調(diào)度監(jiān)控網(wǎng)MES 系統(tǒng)進行通訊；（2）高可靠性，采用了4CPU 冗余容錯技術(shù)（pair & spare 成對熱后備）的現(xiàn)場控制站，實現(xiàn)了在任何故障及隨機錯誤產(chǎn)生的情況下進行糾錯與連續(xù)不間斷地控制；（3）高效的工程化方法，CENTUM-CS3000 采用CONTROL DRAWING 圖 進行軟件設(shè)計及組態(tài)， 使方案設(shè)計及軟件組態(tài)同步進行，最大限度地簡化了軟件開發(fā)流程。提供動態(tài)仿真測試軟件，有效地減少了現(xiàn)場軟件調(diào)試時間。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 硬件配置

考慮2 套一次鹽水精制和膜法除硝裝置共計404 點， 配置了1 臺冗余現(xiàn)場控制站 （控制器型號AFV10D）， 控 制 站FCS 采 用 高 速RISC 處 理 器VR5432，可進行64 位浮點運算，具有強大的運算和處理功能。 此外，還可以實現(xiàn)諸如多變量控制，模型預(yù)測控制，模糊邏輯等多種高級控制功能。配置4 臺Dell 工作站（其中，1 臺兼作工程師站、3 臺作監(jiān)控操作站）、2 臺系統(tǒng)柜及端子板柜、2 臺繼電器柜。 所用卡件類型有：模擬量輸入卡（AAI143-S，16 通道）、模擬量輸出卡 （AAI543-S，16 通道）、 狀態(tài)量輸入卡（ADV151-P，32 通道）、狀態(tài)量輸出卡（ADV551-P，32 通道）、 溫度輸入卡 （AAR145-S，16 通道）和HART 協(xié)議輸入卡（AAI141-H，16 通道）。 整套系統(tǒng)硬件配置緊湊合理，節(jié)省空間和投資。

2.2 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成

2.2.1 星型拓撲結(jié)構(gòu)

星型拓撲結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)連接見圖1[1]。

圖1 星型拓撲結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)連接示意圖

圖1 中，左邊交換機為BUS1 對應(yīng)橙色網(wǎng)線，右邊交換機為BUS2 對應(yīng)黃色網(wǎng)線。

采用星型拓撲結(jié)構(gòu)， 通過高速交換機充當中央節(jié)點，連接操作站和控制站。星型拓撲結(jié)構(gòu)便于集中控制，因為端用戶之間的通信必須經(jīng)過中心站，某一端用戶設(shè)備故障而停機時不會影響其他端用戶間的通信，同時，星型拓撲結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)延遲時間較短，傳輸誤差較低， 這也正是所有新設(shè)計的以太網(wǎng)都采用物理星型拓撲的原因所在。但這種結(jié)構(gòu)的弊端是，中央節(jié)點一旦損壞，整個系統(tǒng)便趨于癱瘓，因此，中央節(jié)點通常采用雙機熱備份，以提高系統(tǒng)的可靠性。

2.2.2 網(wǎng)絡(luò)（V-net/IP）特點

CS3000 采用橫河公司的V-net/IP 控制總線，速度可達1 Gbps，滿足了用戶對實時性和大規(guī)模數(shù)據(jù)通訊的要求。在保證可靠性的同時，又可以與開放的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備直接相連，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡單。 V-net/IP采用符合IEEE802.3 標準的復(fù)用控制網(wǎng)絡(luò)， 實現(xiàn)冗余控制。 控制網(wǎng)為了確保網(wǎng)絡(luò)能夠在最理想的狀態(tài)上運作，每個domain 能支持64 個站點，整個系統(tǒng)總共能有16 個域或256 個站點。

網(wǎng)絡(luò)中BUS1 和BUS2 總線中間不能有任何交叉，必須有各自的路徑，即交換機BUS1 只連各操作站VI702 網(wǎng)卡的BUS1 口和控制站處理器CP451 卡的BUS1 口， 交換機BUS2 只連各操作站VI702 網(wǎng)卡的BUS2 口和控制站處理器CP451 卡的BUS2口。 通信介質(zhì)采用STP5 類雙絞線，帶屏蔽層，以防止干擾。

V-net/IP 是冗余網(wǎng)絡(luò)，但BUS1、BUS2 功能并不是完全對等的。 BUS1 網(wǎng)絡(luò)：只用于控制數(shù)據(jù)傳輸；BUS2 網(wǎng)絡(luò)： 用于控制和開放數(shù)據(jù)傳輸， 可用于CS3000 與其他系統(tǒng)的開放通訊。 因此， 如果BUS2網(wǎng)絡(luò)故障，將無法進行開放數(shù)據(jù)通訊，也無法進行系統(tǒng)操作站下裝，但只要BUS1 正常，則控制數(shù)據(jù)傳輸仍正常， 可對現(xiàn)場儀表進行監(jiān)控和操作， 不影響生產(chǎn)。如果BUS1 故障、BUS2 正常，可以進行操作站下裝，但系統(tǒng)會舍去部分開放數(shù)據(jù)傳輸功能，從而優(yōu)先保證控制數(shù)據(jù)傳輸，也不會影響系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

2.2.3 專用網(wǎng)卡及其設(shè)置

VI702 網(wǎng)卡為橫河專用網(wǎng)卡， 使用時需進行撥碼設(shè)置，用于物理地址區(qū)分。 Domain Number（即域名），按照參考手冊和實際情況設(shè)置。 Station Number（即站名）必須同計算機名一致，設(shè)IP 地址時也要一致。 如計算機HIS0164 站，站名的八位二進制撥碼要撥成01000000 （對應(yīng)十進制數(shù)為64），IP 地址的后2 位為64。 域名和站名都采用奇校驗。 需要注意的是，Setup Action Mode 項，要檢查A、B、C、D4 個撥碼是否在參考手冊的默認位置上， 出廠設(shè)置應(yīng)該都在默認項上。 如果不在，一定要撥到默認位置，使用系統(tǒng)默認值，否則，系統(tǒng)無法正常啟動。在本項目中，工程師站的網(wǎng)卡和軟件在設(shè)備到貨時即已安裝好，其他3 臺操作站未安裝， 渤天化工按照說明書自行裝完操作站，都能正常啟動，自動登錄到CENTUM的監(jiān)控狀態(tài)，但工程師站卻無法登錄到監(jiān)控畫面，無法啟動測試功能，重裝系統(tǒng)也無效。后來換了1 塊備用網(wǎng)卡，按照說明設(shè)置撥碼，再裝就正常了。經(jīng)分析，認為新網(wǎng)卡壞的幾率不大， 仔細比對這2 塊網(wǎng)卡的不同， 發(fā)現(xiàn)Setup Action Mode 的C 項被打到ON 的位置，系統(tǒng)默認是OFF。 將備用網(wǎng)卡拆下，再把原網(wǎng)卡重新設(shè)置，則啟動正常。 因此，不能盲目認為出場設(shè)置不會出錯，在安裝系統(tǒng)時，一定要仔細認真檢查網(wǎng)卡的撥碼位置。

另外，IP 地址和子網(wǎng)掩碼設(shè)置也要嚴格按照參考手冊的要求進行，系統(tǒng)才能正常下裝到控制器，實現(xiàn)控制功能。

IP 地址設(shè)置

Control Bus Network：172.16.dd.ss，Subnet Mask：255.255.0.0

Open communication Network： 192.168.＜128+dd＞.＜129+ss＞，Subnet Mask：255.255.255.0

其中，dd 表示域名，ss 表示站名。

3 軟件設(shè)計

3.1 比值控制功能的實現(xiàn)

預(yù)處理單元需要將31%鹽酸配比成10%鹽酸，供給靜態(tài)混合器使用。

經(jīng)過分析探討，雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)能達到控制要求。 根據(jù)介質(zhì)特點，應(yīng)該往水中加酸，選純水作主流量，31%鹽酸作副流量。 利用比值控制模塊,實現(xiàn)純水與鹽酸的自動配比功能。具體實現(xiàn)方式見圖2。

正常情況下，根據(jù)生產(chǎn)負荷情況，設(shè)定合理的純水流量值，即FICA8101 的SV 值，在未達到設(shè)定值之前，F(xiàn)ICA8101 的PV 值是變化的， 這個值再送入比值塊FR8103 中， 比值系數(shù)0.33。 通過比值計算后，作為鹽酸流量FICA8103 的設(shè)定值（此時該設(shè)定值也是變化的），使得純水與鹽酸始終保持3：1 的配比關(guān)系。 當FICA8101 的PV 值達到SV 值時，閥門FV8101 的開度保持穩(wěn)定值， 則純水流量達到穩(wěn)定，此時，F(xiàn)ICA8103 的設(shè)定值達到穩(wěn)定， 再根據(jù)此時FICA8103 的SV 值自動調(diào)整閥門FV8103 的開度，最終使FICA8103 的PV 值達到SV 值。 需要升降負荷時，只需改變主流量的設(shè)定值，比值器則按預(yù)先設(shè)置好的比值使輸出成比例變化，亦即，成比例地改變副流量控制器的給定值，使主、副流量按比例同時增減。 此時，副流量閉環(huán)系統(tǒng)為一個隨動控制系統(tǒng)，使得在新的工況下，鹽酸流量與純水，流量比值保持不變。 當主流量沒有變化而副流量由于自身干擾發(fā)生變化時， 此副流量閉環(huán)系統(tǒng)相當于一個定值控制系統(tǒng)，通過PID 控制，克服干擾，使工藝要求流量比值仍保持不變[2]。 這種控制方式不但可以實現(xiàn)副流量跟隨主流量的變化而變化， 還可以克服副流量本身干擾對比值的影響。 這種雙重數(shù)據(jù)設(shè)定保證了配置出的鹽酸的最佳濃度值, 為靜態(tài)混合器加鹽酸提供了可靠的保證。

圖2 比值控制功能的實現(xiàn)方式

3.2 HART 協(xié)議組態(tài)

膜過濾單元滲透液出口隨設(shè)備帶來的愛默生質(zhì)量流量計，是具有HART 通訊功能的智能儀表。 可同時測出密度，溫度和流量信號。

HART（Highway Addressable Remote Transducer，可尋址遠程傳感器高速通道的開放通信協(xié)議） 是美國ROSEMOUNT 公司于1985 年推出的一種用于現(xiàn)場智能儀表和控制室設(shè)備之間的通信協(xié)議[3]。 HART裝置提供具有相對低的帶寬，適度響應(yīng)時間的通信，該協(xié)議現(xiàn)已成為智能儀表事實上的工業(yè)標準。 未來的技術(shù)發(fā)展趨勢是全數(shù)字化的通訊協(xié)議，HART 不是真正的現(xiàn)場總線， 而是從模擬控制系統(tǒng)向現(xiàn)場總線過渡的一種通訊協(xié)議。 實現(xiàn)4～20 mA 模擬信號與數(shù)字通訊兼容的標準， 是現(xiàn)場總線的過渡性標準。HART 通訊協(xié)議參照“ISO/OSI”的模型標準，簡化并引用其中的1、2、7、3 層（物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層）制定而成。

HART 協(xié)議采用基于Bell202 標準的FSK 頻移鍵控信號，在低頻的4～20 mA 模擬信號上疊加幅度為0.5 mA 的音頻數(shù)字信號進行雙向數(shù)字通訊，數(shù)據(jù)傳輸率為1.2 Mbps。 由于FSK 信號的平均值為零，不影響傳送給控制系統(tǒng)模擬信號的大小， 保證了與現(xiàn)有模擬系統(tǒng)的兼容性。 在HART 協(xié)議通信中主要的變量和控制信息由4～20 mA 傳送，在需要的情況下，另外的測量、過程參數(shù)、設(shè)備組態(tài)、校準、診斷信息通過HART 協(xié)議訪問。 采用屏蔽雙絞線電纜，以減少干擾，保證信號正常傳輸。

選用AAI141-H 卡，4～20 mA，16 通道，帶HART通訊功能。 具體設(shè)置見圖3。

圖3 HART協(xié)議組態(tài)調(diào)置圖

如圖3， 主變量流量信號FT8301 設(shè)置在AAI141-H 卡的第一選項卡Analog data 中， 而密度DT8301 和溫度TT8301 則設(shè)置到第二選項卡HART Variable 中。 由于組態(tài)定義很容易實現(xiàn)，且只占用1個模擬量通道，就能實現(xiàn)3 個模擬量信號的監(jiān)控。以1 根帶屏蔽的雙絞線電纜同時傳輸3 個信號，節(jié)省了電纜用量減輕了儀表工的勞動強度， 既節(jié)約投資，又縮連短工期。

3.3 高壓泵連鎖邏輯

為保護昂貴的膜裝置，在膜過濾過程中，對一些重要設(shè)備設(shè)置了連鎖保護程序。 把運行中的重要參數(shù)設(shè)計成連鎖測點。當這些參數(shù)出現(xiàn)異常狀態(tài)，系統(tǒng)將直接連鎖停車。以高壓泵連鎖邏輯為例，利用系統(tǒng)提供的邏輯圖 （LOGIC CHART） 組態(tài)功能， 利用LC64 功能塊，進行邏輯與邏輯或的搭配，實現(xiàn)連鎖功能。 流程圖見圖4。

圖4 高壓泵連鎖流程圖

滿足任何一個條件，都會連鎖停高壓泵P9201，同時，打開膜系統(tǒng)滲透液出口閥門DIC9201，以起到保護膜系統(tǒng)的功能， 膜裝置管路上壓力開關(guān)PGS9201、9202、9203 超過設(shè)定壓力； 濃縮鹽水配水罐液位LIA9102 LL；高壓泵出口流量FIAS9201 HH或LL； 高壓泵出口壓力PIAS9201 HH； 進口壓力PIAS9203 LL；附油泵機封水流量FIAS9205 LL；附油泵P-9202 停機。 因為在開車初期，很多條件都得解除，裝置才能運行起來，近以，在每一路連鎖條件中都設(shè)計了旁路按鈕，可以解除連鎖。當系統(tǒng)運行起來后，在合適的時機投入連鎖保護。該系統(tǒng)連鎖邏輯雖然簡單，但所起的作用非常重要。

4 結(jié)語

渤天化工有限公司的鹽水除硝項目已于2011年12 月開車成功，目前已運行近1 年，裝置正常，產(chǎn)品合格。通過DCS 控制系統(tǒng)實現(xiàn)了鹽水除硝過程的自動化管理，提高了生產(chǎn)的自動化水平，降低了員工的勞動強度，也降低了生產(chǎn)成本，控制效果理想，達到了環(huán)保要求，取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

［1］王兆青主編．計算機網(wǎng)絡(luò)．第一版．北京：中央廣播電視大學出版社，2008．

［2］金以慧主編．過程控制．第一版．北京：清華大學出版社，1993．

［3］陽憲惠主編．現(xiàn)場部線技術(shù)及其應(yīng)用．第二版．北京：清華大學出版社，2008．