先進控制系統(tǒng)的優(yōu)化升級

李炳倩，羅 楊

（山東?；煞萦邢薰炯儔A廠，山東 濰坊 262737）

1 項目概述

山東?；煞萦邢薰炯儔A廠新線先控系統(tǒng)項目（以下稱先控系統(tǒng)），是2004年與浙江中控軟件公司共同合作（60萬噸的先控系統(tǒng)的實施范圍為：石灰工序、蒸吸工序、碳化工序、煅燒工序、壓縮工序）開發(fā)完成的，項目于2005年5月完成驗收。到2008年，?；儔A廠由于產能擴大，再一次與中控軟件合作，2009年完成新增裝置的先控系統(tǒng)實施，2010年完成新老裝置的先控系統(tǒng)整合及軟件的升級，并完成項目的驗收工作。

先控系統(tǒng)投用以來，解決了常規(guī)控制中不能解決的各種難題，有效的克服了干擾和滯后影響，穩(wěn)定了裝置工藝參數(shù)的平穩(wěn)性，大提高了裝置的自動化程度，統(tǒng)一了操作人員的操作方法，降低了操作人員的勞動強度，在保證裝置工況良好的情況下，實現(xiàn)產量最大化，品質最優(yōu)化。

但經過多年的運行，由于基礎儀表和自調閥性能變差、OPC通信異常、生產工藝改變及工藝指標更改等情況，導致當時的控制策略跟現(xiàn)有的工藝、控制條件偏差較大，從而使各工序的先控系統(tǒng)不能很好解決相關的控制過程。

2 先控系統(tǒng)問題分析

先控系統(tǒng)目前存在的硬件問題大多與基礎儀表和自調閥有關。軟件方面存在部分先控掛不上，程序反調，先控自掉，參數(shù)修正不及時等問題。具體情況分析如下：

2.1 基礎儀表和自調閥性能變差

通過操作工反映及現(xiàn)場測試，我們發(fā)現(xiàn)碳化塔中段氣流量、下段氣流量、出堿液流量共約20個調節(jié)閥不能投用自調。不能投用的主要原因是自調閥PID參數(shù)不合適，也有部分是流量計不準，或是自調閥非線性嚴重等問題。另外，有近一半的碳化塔中段氣流量顯示值偏?。ㄕＧ闆r下應該顯示4 000～6 500m3／h，但是實際顯示為3 000m3／h左右，有些甚至只顯示1 500m3／h左右，偏離實際值太大）。

2.2 OPC通信異常

純堿廠新線西門子系統(tǒng)OPC服務器是西門子公司DCS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)擴展應用站，用于支持DCS系統(tǒng)與其它網絡完成信息通訊，完成DCS系統(tǒng)過程信息數(shù)據(jù)與其它應用軟件的集成。目前該裝置生產線有2套DCS系統(tǒng)，其中100萬噸／年的老裝置用1套、新增60萬噸／年的新裝置用1套。每套DCS系統(tǒng)配置4臺服務器，1個工程師站，1臺OPC服務器。我廠的先控系統(tǒng)上位機通過網卡與OPC服務器聯(lián)接，實現(xiàn)先控系統(tǒng)對DCS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集。硬件結構原理見圖1所示。

隨著我廠生產規(guī)模的不斷擴大和自動化水平的不斷提高，以上兩套裝置的OPC服務器配置和現(xiàn)有的數(shù)據(jù)點越來越不能滿足生產的要求（生產規(guī)模擴大、設備增加、系統(tǒng)需擴展等），再加上OPC服務器運行多年，電腦核心部件老化，故障率增多，穩(wěn)定性越來越差，制約了先控系統(tǒng)的投用，因此首先要對OPC服務器進行升級。

圖1 系統(tǒng)采集硬件結構原理圖

2.3 生產工藝改造及工藝指標更改

部分工段由于更改了管線和控制閥門，導致原有的先進控制策略與現(xiàn)有工藝條件不符；比如：碳化塔尾氣壓力控制，當時的工藝指標在60～70kPa，如今4＃、5＃組尾氣壓力都控制在70kPa以上，先控系統(tǒng)的參數(shù)設定與現(xiàn)有工藝指標不相符。

2.4 先控系統(tǒng)多年未進行控制策略改變

由于以上支撐先控系統(tǒng)的基礎條件發(fā)生了改變，但是先控系統(tǒng)控制策略卻沒有跟進改變，直接影響了先控系統(tǒng)的使用。

3 先控系統(tǒng)優(yōu)化升級方案

先控系統(tǒng)優(yōu)化的方案主要包括3部分的內容，基礎儀表和自調閥的的維護、OPC服務器的升級和先控系統(tǒng)的過程優(yōu)化。

3.1 基礎儀表和自調閥的的維護

首先由儀表技術人員根據(jù)工藝人員提出的相關儀表和自調閥的問題，逐一查找排查，對不能投用自調的控制閥進行PID參數(shù)整定、閥門檢修、更換等維護工作。

3.2 解決OPC通信問題

對兩臺OPC服務器進行更新升級，具體步驟如下：

1）將裝好系統(tǒng)的新OPC服務器擺放到正確位置，整個系統(tǒng)的安裝全部使用光盤，杜絕了U盤病毒的傳播，每臺服務器都進行了GHOST鏡像封裝，可以快速進行系統(tǒng)恢復；

2）確認切換不會對生產造成影響；

3）將老OPC服務器的網線按照順序插到新的OPC服務器上；

4）從ES站對新OPC服務器進行下載，包括站下載和監(jiān)控畫面下載；

5）測試新OPC服務器的監(jiān)控畫面是否全部與PLC進行了連接，有無未連接的點；

6）測試新OPC服務器是否可以給浙大中控及其他計算機提供數(shù)據(jù)；

7）測試完成，將老OPC服務器的1613網卡安裝到新OPC服務器；

8）一切數(shù)據(jù)通訊正常，OPC服務器升級完成。

3.3 先控系統(tǒng)的過程優(yōu)化

1）石灰工序先進控制優(yōu)化

物料平衡控制方面：維持了石灰倉料位穩(wěn)定，實現(xiàn)了上料量與石灰出料平衡，即保證了生石灰滿足后續(xù)工序的生產需要，同時維持石灰窯料位穩(wěn)定；在能量平衡控制方面：合理調整配焦比和窯底送風量，穩(wěn)定煅燒區(qū)位置及窯頂、窯底溫度，保證窯氣濃度合格。

2）蒸吸工序先進控制優(yōu)化

蒸吸工序預熱母液溫度控制的補充蒸汽，更改了管線和控制閥門，導致原有的先進控制策略與現(xiàn)有工藝條件不符，優(yōu)化主要是修改控制變量和參數(shù)，通過實時動態(tài)調節(jié)進塔乏汽流量，并克服乏汽壓力和母液進塔流量波動的影響，實現(xiàn)對預熱段出口母液溫度的平穩(wěn)控制。

從運行效果來看，在系統(tǒng)相對平穩(wěn)狀態(tài)下，加熱段出口母液溫度平穩(wěn)性有了更好的提高，降低了氨耗，減少了蒸汽消耗，同時也降低了操作人員的勞動強度，提高了自動化水平。

下面以2＃蒸氨塔為例介紹熱母液溫度在先控系統(tǒng)投運前后的變化趨勢對比情況。（單位：℃；采樣時間：5S／點；數(shù)據(jù)長度：5 000點）

圖2 2＃蒸氨塔先控投運前母液溫度變化趨勢

圖3 2＃蒸氨塔先控投運后母液溫度變化趨勢

表1 2＃蒸氨塔先控投運前后母液溫度變化

從以上數(shù)據(jù)比較看出，其平均波動幅度較系統(tǒng)投運前有了明顯改善，波動幅度平均降低35%以上。不過由于煅燒停爐較為頻繁，同時蒸汽閥自身的非線性較嚴重等問題，影響了對先進控制的連續(xù)投運。除此之外，在生產正常狀態(tài)下，先控系統(tǒng)基本可以代替人工操作，能夠有效抑制系統(tǒng)的波動，降低氨耗。

3）碳化工序先進控制優(yōu)化

碳化塔尾氣壓力控制，當時的工藝指標在60～70kPa，如今4＃、5＃組尾氣壓力都控制在70kPa以上，先控系統(tǒng)的參數(shù)設定與現(xiàn)有工藝指標不相符。我們現(xiàn)場調研，與工藝操作人員交流之后，將4＃、5＃組尾氣壓力的工藝控制指標定為70～75kPa。

碳化工序先控系統(tǒng)主要通過對碳化塔各關鍵工藝指標（尾氣壓力、塔底壓力、中部溫度、中和水溫度、出堿溫度等）的平穩(wěn)控制及控制目標的優(yōu)化設置，提高碳化工序的整體自動化控制水平。此先控系統(tǒng)以產品質量為第一優(yōu)先級控制目標，以產品產量為第二優(yōu)先級控制目標，即通過改善碳化過程控制的及時性和平穩(wěn)性的方法，在保證碳化塔中部溫度的前提下，根據(jù)生產實際情況，實現(xiàn)各塔出堿放量的動態(tài)調整，并盡可能滿足總出堿量的要求。此先控系統(tǒng)集成了?；瘔A廠的生產需求和實際生產經驗總結，符合碳化工序的實際生產工況和操作要求。

在工藝指標控制方面，經過逐步細化和改進，目前已取得明顯控制效果，并在生產相對平穩(wěn)階段實現(xiàn)了連續(xù)投運，系統(tǒng)提高了碳化過程綜合自動化水平，減少了人為干擾，在目前25座碳化塔運行情況下，只有一個司塔操作，并能輕松應對，可見系統(tǒng)的運行大大降低了勞動強度，減少了人力成本。

下面簡要介紹碳化塔關鍵工藝指標在先控系統(tǒng)投運前后的對比情況（以一個塔舉例說明）。

碳化塔塔底壓力運行曲線（單位：MPa；采樣時間：5s；數(shù)據(jù)長度：5 000點）

圖4 1＃塔先控投運前塔底壓力變化趨勢

圖5 1＃塔先控投運后塔底壓力變化趨勢

表2 1＃塔先控投運前后后塔底壓力變化

表3 12＃先控投運前后后23圈溫度變化

從以上數(shù)據(jù)來看，碳化塔的塔底壓力、23圈溫度等關鍵工藝指標變化趨勢較系統(tǒng)投運前有了明顯改善，波動幅度平均降低30%以上。但由于生產中需要定期倒塔，并且經常隨機出現(xiàn)其它工序發(fā)生故障如煅燒爐非計劃停爐、壓縮機故障等原因造成尾氣壓力的較大波動等不正常情況，對碳化塔的平穩(wěn)運行產生一定的影響。除此之外，在生產正常狀態(tài)下，先控系統(tǒng)基本可以代替人的操作，有效抑制系統(tǒng)波動，保持碳化生產平穩(wěn)，從而穩(wěn)定了產品質量。

圖6 12＃塔先控投運前23圈溫度變化趨勢

圖7 12＃塔先控投運后23圈溫度變化趨勢

4）煅燒工序先進控制優(yōu)化

煅燒爐出堿溫度的控制：由于輕灰煅燒工序存在濕重堿刮刀不好用，需要利用專家控制策略進行完善。

由于輕灰煅燒工序存在濕重堿刮刀不好用、皮帶秤稱量不準、蒸汽調節(jié)閥非線性等問題，制約了先控系統(tǒng)的控制效果。經過一段時間的投運調試，主要調節(jié)蒸汽壓力對出堿溫度進行控制，利用專家控制策略，當皮帶“跑偏”，刮刀定位不準的干擾因素下，提前改變蒸汽壓力的設定值，克服煅燒爐大滯后難題，實現(xiàn)出堿溫度的平穩(wěn)控制，保證產品質量指標，平衡各爐的蒸汽用量，降低蒸汽消耗。

5）壓縮工序先進控制優(yōu)化

新線壓縮車間的三段氣總管無流量儀表，操作人員無法獲知壓縮機的出氣量，而在碳化工段每臺碳化塔安裝下段氣流量計、中段氣流量計和清洗氣支管流量計，在壓縮工段無法監(jiān)控三段氣總管流量，為此我們制定了以下解決方法：

①將碳化工段的1?！?5＃碳化塔的下段氣流量、中段氣流量和清洗氣支管流量進行累加求和，作為三段氣總管流量值；

②將碳化三段氣流量的總量實時值傳送到先控系統(tǒng)的OPC服務器，在OPC服務器上編制程序塊將碳化三段氣流量的總量實時值寫入壓縮控制器，在壓縮工段的DCS系統(tǒng)上組態(tài)三段氣總量模塊，實現(xiàn)了壓縮工段共享碳化工段的三段氣流量總量實時值；

③在壓縮DCS系統(tǒng)編制三段氣流量總量實時值的顯示模塊。

優(yōu)化后解決了壓縮工段無法檢測出口氣量的難題。實現(xiàn)了壓縮工段共享碳化工段的三段氣流量總量實時值，便于壓縮工段操作人員根據(jù)三段氣量及時調整壓縮機的運行，能及時發(fā)現(xiàn)生產波動并將生產波動控制在最小范圍，并便于工藝對壓縮機的優(yōu)化操作和生產控制。

壓縮工序先進控制優(yōu)化效果：

①三段氣量平衡控制

建立壓縮機轉速與中段氣、下段氣、清洗氣的平衡控制，在滿足煅燒負壓的同時，實時在線修正碳化對三段氣的需求平衡，為碳化工序的平穩(wěn)運行創(chuàng)造良好的工藝條件。同時，當壓縮機出口壓力超過允許的范圍時，或者壓縮機徑向、軸向溫度過高時，壓縮機轉速大幅降低，實現(xiàn)更高級別的安全保護。

②真空機的智能儲水排水及汽水分離器的自動排水控制。

真空機的智能儲水排水功能的實現(xiàn)，從目前投運效果來看，大大減少了操作人員的勞動強度，基本杜絕了人工操作時真空機“帶水”事故；對汽水分離器的智能排水控制，大大降低了操作人員的勞動強度，改變了分離器排污閥“常排”的不合理現(xiàn)象，減少了三段氣排污損失。