淺析DCS系統(tǒng)在氫氣處理及輸送工序中的應用

諸葛曉春 周宏

【摘要】本文以15萬噸/年離子膜燒堿項目配套的氫氣處理及輸送系統(tǒng)為例，闡述DCS系統(tǒng)對生產(chǎn)及輸送易燃易爆物質(zhì)的工況進行最優(yōu)控制，避免事故的產(chǎn)生。

【關鍵詞】氫氣處理；DCS控制系統(tǒng)；組態(tài)

一、工藝流程簡介

來自于離子膜電解工序的濕H2通常在85℃，并帶有堿霧等雜質(zhì)，需要從氫冷塔的底部進入，與塔內(nèi)冷卻水接觸，使得高位水蒸氣冷凝，并凈化堿霧。冷卻后的氫氣進入液環(huán)式氫壓機組進行增壓，加壓后的氫氣壓力約在0.01MPa，溫度約在40℃。此時的氫氣中仍帶有部分水汽，需進入汽水分離器。分離后，水進入到潔凈水回收池中待用；氫氣則通過分配臺去往下一工序。

二、控制系統(tǒng)的要求

在此生產(chǎn)過程中，為了使電解槽氫氣壓力處于穩(wěn)定狀態(tài)，需在氫氣分配臺分配出一路回流氫氣到氫壓機進口總管，當系統(tǒng)壓力波動無法通過調(diào)節(jié)閥及時調(diào)整時，可突破正壓水封，釋放壓力。因此需對氫氣的回流、放空壓力，氫冷塔液位，正壓水封的液位、氫壓機組汽水分離器的液位等參量用現(xiàn)場檢測儀表進行檢測，并按照工藝給定的參數(shù)加以實時控制，以保證電解工序與本工序氫氣壓力穩(wěn)定，避免易燃易爆介質(zhì)溢出，造成事故。

三、DCS系統(tǒng)配置

1、硬件部分

本項目的DCS系統(tǒng)采用的是橫河公司的CS3000系統(tǒng)（FIO型）。該系統(tǒng)硬件部分配置了1臺現(xiàn)場控制站FCS（Field Control Station），1臺工程師站ENG（Engineering Station），2臺人機界面站HIS（Human Interface Station）以及一套UPS電源，通信總線Vnet。

1.1人機界面站（HIS）

人機界面站即操作站主要功能是為了讓操作人員在生產(chǎn)流程圖上快速地了解生產(chǎn)運行中的各參數(shù)當前值、系統(tǒng)運行狀況、是否有異常發(fā)生和報警的顯示等。本項目為了保證在任何情況下系統(tǒng)能順利監(jiān)控生產(chǎn)過程，采用了2臺人機界面站。

操作站按照實際需要可選標準型和PC型，標準型要求較高，費用較貴，PC型則相對便宜，但在使用時必須配置VF701卡。

操作站通常包括主機系統(tǒng)、顯示器、鼠鍵等設備，還可以配置操作員專用鍵盤以便快速有效實施流程圖翻頁，調(diào)出整定、歷史趨勢信息監(jiān)視等窗口以及解除報警等功能。

1.2工程師站（ENG）

工程師站可以是單獨作為工程師站的PC，也可以兼做操作站，其主要作用有：

系統(tǒng)組態(tài)即通過定義過程通道、功能模塊，填寫順控表，編寫邏輯圖塊等方式生成和變更操作站的顯示和現(xiàn)場控制站的控制要求。

系統(tǒng)測試是用來檢查組態(tài)后正式開車前系統(tǒng)的工作狀態(tài)，包括信號類型是否正確，控制動作是否到位，信號反饋是否正常，聯(lián)鎖跳閘條件符合時系統(tǒng)是否能正常跳閘等。

系統(tǒng)維護是對系統(tǒng)硬件狀態(tài)作定期檢查。

系統(tǒng)功能管理主要是用來管理系統(tǒng)文件，即對組態(tài)文件生成規(guī)定格式后進行保存、檢索、傳送、復制、初始化或者重新建立。

1.3現(xiàn)場控制站FCS

FCS主要用于過程控制和處理與PLC等子系統(tǒng)的通訊。CS3000系統(tǒng)的FCS分成標準型、增強型和緊湊型。標準型FCS和增強型FCS又可以分成RIO，由RIO Bus連接；以及FIO（Field network IO），由ESB Bus和ER Bus連接。本項目采用的是FIO型的FCS。

FCS包括現(xiàn)場控制單元FCU、ESB總線、ER總線、節(jié)點單元構成。其中，F(xiàn)CU是由卡件和單元構成的執(zhí)行FCS控制運算的核心；ESB總線和 ER總線均是可以雙重化的通信總線；節(jié)點單元NU是將來至于現(xiàn)場的各類型信號進行轉(zhuǎn)換傳送到現(xiàn)場控制單元FCU的裝置，包括ESB總線從屬接口模塊、ER總線接口模塊和IO模塊。

IO模塊種類多，功能各不相同，需要按照實際控制要求進行選取。本項目檢測和控制的參量有AI、AO、DI、DO和RTD等類型，且主要控制對象為易燃易爆的氫氣，因此需要配置相應的IO模塊和隔離模塊。

對于氫冷塔氫氣出口管壓力等AI信號，采用的是AAI143模擬輸入模塊。它接收4～20mA信號，進行統(tǒng)一隔離。一個AAI143模塊可提供16個輸入點。

對于氫冷塔氫氣出口管溫度、氫壓機汽水分離器溫度等參數(shù)，采用的是Pt100熱電阻進行測溫，信號類型為RTD，選用AAR181人RTD輸入模塊。該模塊為熱電阻輸入模塊，每個模塊可提供12個輸入點。

對于AO信號，如控制氫氣放空閥，氫泵出口總管指氫冷塔進口管回流閥等調(diào)節(jié)閥，選擇AAI543模擬輸出模塊。該模塊提供4～20mA信號，進行統(tǒng)一隔離。每一個模塊可提供16個輸出點。

對于控制氫壓機啟停和氫壓機組汽水分離器進排水閥等的DO控制，可選用ADV551模塊。該模塊為數(shù)字輸出模塊，提供24V DC，每一模塊提供32個IO點。

對于氫壓機和氫冷水循環(huán)泵等運行狀態(tài)的反饋，可采用ADV151模塊。該模塊為數(shù)字輸入模塊，提供24V DC，每一模塊提供32個IO點。

1.4Vnet

實時控制網(wǎng)，用于系統(tǒng)內(nèi)各部件的通信連接。Ethernet用于HIS、ENG、上位管理系統(tǒng)之間的連接，完成系統(tǒng)與上位管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換及HIS間等值化操作。

1.5總線轉(zhuǎn)換器BCV（BUS Converter）

主要用于將一個系統(tǒng)的實時控制網(wǎng)與其他系統(tǒng)的對接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享。

2、軟件部分

在選擇好系統(tǒng)所需硬件后，可開始軟件的組態(tài)工作。本項目使用的是橫河CENTUM CS3000，利用系統(tǒng)軟件的功能對工藝條件下的氫氣處理和輸送過程進行有效控制。

2.1建立項目

在建立項目的過程中，系統(tǒng)會自動生成一個控制站和一個操作站，其余控制站和操作站的建立需要按照項目需求來定義。本項目配備兩臺操作站，一臺工程師站和一臺控制站。工程師站在平時可用作操作站，將其數(shù)據(jù)庫站名定義為HIS0164；兩臺操作站分別定義為HIS0163和HIS0162，若需增加操作站，可以依次向前定義其站名?？刂普径x為FCS01。

2.2定義項目公共項

公共部分包括報警優(yōu)先級、報警狀態(tài)特征字符、報警過程表情、功能塊狀態(tài)特征字符、工廠的等級、工程單位、開關標簽、操作標簽、狀態(tài)改變命令字符和安全策略。其中最重要的是操作標簽和安全策略的定義。

定義安全策略即是定義安全權限，根據(jù)不同的用戶設定不同的操作和監(jiān)視范圍。系統(tǒng)默認三個用戶名稱：OFFUSER（操作工）、ONUSER（操作班長）和ENGUSER（工程師）；兩個用戶組DEFGRP（默認用戶組）和NONEGRP（無用戶組）。

本項目中只采用三個用戶名對不同操作權限進行管理。操作工級（S1）只可對操作站進行監(jiān)視；操作班長級（S2）可對操作站進行監(jiān)視并能對控制過程進行相應的操作。以上兩個級別不允許進入工程師站中進行操作和監(jiān)視。工程師級（S3）可以進入工程師站對系統(tǒng)進行組態(tài)和維護，也可以進入操作站中進行操作。

三個不同用戶名均可設置獨立密碼來進行權限保護。

操作標簽即掛牌操作，其作用是通過對儀表功能塊的掛牌操作可臨時改變儀表的操作權限，當操作標簽從儀表上摘除后，可恢復其原有的操作權限。儀表權限共有8種。當儀表根據(jù)操作需要掛牌后，操作人員可由工位標簽和顏色提示來分辨儀表的工作狀態(tài)。

2.3控制站的定義

首先建立和定義IO卡件。本項目中所采用的卡件無論是數(shù)字量還是模擬量均采用多點卡卡件，必須遵循卡件地址的命名規(guī)則，如下圖示。

對于模擬量多點卡卡件組態(tài)時需要選擇卡件類型，如Anlog Input；卡件類型，如AAI141—S（16-Channel Current Inptut）；卡件槽號；卡件是否雙重化等內(nèi)容。完成卡件建立后，除了需要對模擬量輸出卡件正/反向定義外，其余內(nèi)容不需要特殊定義。對于數(shù)字量卡件則需要對應通道地址號按照控制要求填寫工位名稱、注釋、標簽等內(nèi)容。

其次，按照控制要求建立適用的常規(guī)調(diào)節(jié)儀表進行定義。例如，本項目涉及到氫氣總管的壓力調(diào)節(jié)和氫冷塔液位等調(diào)節(jié)，因此需要對PID儀表和手操器模塊進行定義，最終控制現(xiàn)場調(diào)節(jié)閥的開度。定義PID儀表時還需注意儀表的正反作用必須按照工藝要求設置。下圖（1）為氫泵出口總管至氫冷塔氫氣進口管回流閥的PID控制模塊定義圖。圖（2）為氫冷塔液位控制閥手操器模塊定義圖，完成后可手動將MV值輸出到控制閥中。

除了PID儀表、手操器模塊的定義外，還需要按控制要求定義其他儀表，如對于只需要進行監(jiān)控的參數(shù)比如氫冷塔氫氣出口溫度，則需要定義PVI儀表等。

第三，順控表的定義。氫壓機組汽水分離器液位關系到氫壓機是否能正常工作，通過排水閥和進水閥對其進行控制，當液位小于低限時，排水閥關閉，進水閥打開；當液位高于高限時，排水閥打開，進水閥關閉。此過程應用順控表來進行控制。在此選擇的是ST16模塊，如圖3示。

2.4操作站的定義

完成以上控制站的組態(tài)后，還要對操作站的內(nèi)容進行定義，包括根據(jù)記錄的需要和存儲空間的大小來設定采樣的時間間隔建立趨勢圖；根據(jù)工藝要求建立流程圖，定義窗口大小、窗口底色；編輯色變功能、閃爍類型；設置顯示數(shù)據(jù)；定義棒圖、觸屏和調(diào)用窗口等功能。

2.5調(diào)試

完成系統(tǒng)組態(tài)后，必須進行測試來驗證組態(tài)內(nèi)容是否符合項目要求。調(diào)試時，需要用信號發(fā)生器、萬用表等設備來對控制回路的信號、現(xiàn)場設備的動作、聯(lián)鎖條件等進行測試。完成調(diào)試后，系統(tǒng)組態(tài)才正式完成。

四、結(jié)語

橫河公司的DCS系統(tǒng)具有功能性強、靈活性高，可靠性好的特點，適用于生產(chǎn)及輸送具有易燃易爆介質(zhì)的工況，能夠穩(wěn)定其控制指標，避免由于參數(shù)波動帶來的危險，保證生產(chǎn)安全地進行，是很好的工控手段。

參考文獻

[1]CENTUM CS1000/CS3000 集散控制系統(tǒng)實用教程（技術資料）[Z].橫河電機（中國）有限公司，2006，12，第11版.

[2]蘭赤壽，覃文征.氫氣處理工藝的改進[J].氯堿工業(yè)，2004，03：19-21.