磷酸裝置翻盤式真空過濾機(jī)控制系統(tǒng)的改造

祁春偉

(甕福(集團(tuán))有限責(zé)任公司，貴州 福泉 550501)

磷酸裝置翻盤式真空過濾機(jī)控制系統(tǒng)的改造

祁春偉

(甕福(集團(tuán))有限責(zé)任公司，貴州 福泉 550501)

將年產(chǎn)30萬噸濕法磷酸裝置真空過濾機(jī)的原現(xiàn)場繼電器控制系統(tǒng)，升級改造為基于CENTUM VP DCS的控制系統(tǒng)。硬件部分給出了油泵電動機(jī)控制回路、轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速控制以及聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)的改造方案；軟件部分則給出了DCS程序組態(tài)的主程序、真空過濾機(jī)轉(zhuǎn)速控制的計(jì)算程序以及真空過濾機(jī)的轉(zhuǎn)向和聯(lián)鎖保護(hù)邏輯，最后展示了DCS操作界面的設(shè)計(jì)畫面。

CENTUM VP DCS 真空過濾機(jī) 控制系統(tǒng)升級 硬件 軟件組態(tài)

甕福(集團(tuán))有限責(zé)任公司于20世紀(jì)90年代中期引進(jìn)比利時(shí)普萊昂濕法磷酸生產(chǎn)工藝，建成年產(chǎn)30萬噸磷酸裝置。Bird-Prayon 30EH型翻盤式真空過濾機(jī)是該裝置過濾工序的關(guān)鍵設(shè)備，其控制系統(tǒng)由現(xiàn)場儀表、接觸器及繼電器等構(gòu)成。真空過濾機(jī)的控制箱安裝在真空過濾機(jī)旁邊，控制元件被酸性氣體嚴(yán)重腐蝕，故障率很高，調(diào)速電位器經(jīng)常接觸不良或損壞。儀表、繼電器等都采用110V(AC)電源，備件不通用，維修困難，導(dǎo)致多次真空過濾機(jī)停車，影響生產(chǎn)。為此，甕福(集團(tuán))有限責(zé)任公司組織技術(shù)人員，將Bird-Prayon 30EH型翻盤式真空過濾機(jī)的控制系統(tǒng)，升級改造為基于CENTUM VP DCS的控制系統(tǒng)。CENTUM VP DCS采用冗余容錯(cuò)技術(shù)，多微處理機(jī)分散控制結(jié)構(gòu)，各單元都具有自診斷、自檢查、修復(fù)和故障報(bào)警功能，系統(tǒng)利用率達(dá)99.9999%[1]。

1 翻盤式真空過濾機(jī)

Bird-Prayon 30EH型翻盤式真空過濾機(jī)由30個(gè)濾盤組成，主要材料為904L、317L、316L不銹鋼，總過濾面積220.00m2，有效面積198.75m2，其轉(zhuǎn)速可根據(jù)生產(chǎn)需要在2～10r/min進(jìn)行調(diào)整。整個(gè)濾盤一周被分為加料區(qū)、初濾區(qū)、過濾區(qū)、一洗區(qū)、二洗區(qū)、反吹、翻盤倒渣區(qū)及濾布吸干區(qū)等。中央分配器由動靜錯(cuò)氣盤組成，它內(nèi)部的隔室與濾盤分區(qū)一一對應(yīng)，濾盤和分配器用軟管連接。

真空過濾機(jī)周邊有一個(gè)大齒圈，由呈120°均勻布置的3個(gè)液壓馬達(dá)小齒輪驅(qū)動并帶動整個(gè)真空過濾機(jī)轉(zhuǎn)動。液壓馬達(dá)控制系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。

液壓馬達(dá)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵執(zhí)行部分為安裝在軸向柱塞變量泵上的伺服閥電位移控制單元，由兩個(gè)線圈串聯(lián)組成，實(shí)際上是一種完成電氣-機(jī)械信號轉(zhuǎn)換的力矩馬達(dá)。伺服閥中的電氣-機(jī)械轉(zhuǎn)換器分為力矩馬達(dá)(輸出擺角)和力馬達(dá)(輸出直線位移)兩種。力矩馬達(dá)利用載流導(dǎo)體(線圈)所受磁場的作用力，通過彈性扭力元件把電流信號轉(zhuǎn)換成機(jī)械擺角(偏轉(zhuǎn)角)，從而實(shí)現(xiàn)電氣-機(jī)械信號的轉(zhuǎn)換。力矩馬達(dá)機(jī)械擺角的變化會控制噴嘴擋板式伺服閥的閥芯位移量，使它與電流信號成比例[2]。通過改變流過線圈電流的大小，變量泵輸出給液壓馬達(dá)的液壓油流量會變化，從而改變真空過濾機(jī)的轉(zhuǎn)速。改變線圈電流的方向，變量泵輸出給液壓馬達(dá)的液壓油流方向會發(fā)生改變，從而改變真空過濾機(jī)的轉(zhuǎn)動方向。

當(dāng)控制繼電器KA不帶電時(shí)12V(DC)電源通過電阻R3(150Ω)進(jìn)入EDC，A正D負(fù)，真空過濾機(jī)順時(shí)針正轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動速度由電位器RP(100Ω)調(diào)節(jié)，正轉(zhuǎn)最大驅(qū)動電流為12V/(150Ω+20Ω+16Ω)≈64.5mA。當(dāng)控制繼電器KA得電時(shí)12V(DC)電源通過電阻R1(950Ω)和R2(50Ω)進(jìn)入EDC，D正A負(fù)，真空過濾機(jī)逆時(shí)針反轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動速度由電位器RP(100Ω)調(diào)節(jié)，反轉(zhuǎn)最大驅(qū)動電流為12V/(900Ω+50Ω+16Ω+20Ω)≈12.2mA。經(jīng)上述分析計(jì)算，得出反轉(zhuǎn)速度驅(qū)動電流約為正轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速電流的20%，這是由于真空過濾機(jī)反轉(zhuǎn)是用于清理和檢修維護(hù)用的，故原廠家通過限流電阻進(jìn)行了轉(zhuǎn)速限制。另外，當(dāng)油箱油位低報(bào)警、油溫不小于65℃、出口油壓不大于130psi(1psi=6.895kPa)時(shí)，油泵電動機(jī)將保護(hù)跳閘。

圖1 液壓馬達(dá)控制系統(tǒng)工作原理

2 升級改造

由于現(xiàn)場環(huán)境惡劣，常有腐蝕性氣體和酸性料漿噴濺，因此控制系統(tǒng)必須遠(yuǎn)離生產(chǎn)現(xiàn)場。同時(shí)，采用具有高可靠性的CENTUM VP DCS系統(tǒng)來替代原來由儀表和繼電器控制的方式。將電氣類控制元件安裝在低壓配電室內(nèi)，儀表控制類元件由DCS軟硬件結(jié)合完成。拆除原現(xiàn)場控制箱，更換為不銹鋼控制箱，箱體面板布局與原來的控制箱一樣，不改變操作人員習(xí)慣，新控制箱內(nèi)只安裝按鈕、指示燈等簡單元件，這樣一來就簡化了現(xiàn)場控制箱。而關(guān)鍵控制功能都轉(zhuǎn)移到了室內(nèi)環(huán)境較好的DCS系統(tǒng)中，用以大幅提高設(shè)備的可靠性。

2.1硬件部分

原電動機(jī)由安裝在控制箱內(nèi)的接觸器-熱繼電器來控制和保護(hù)，現(xiàn)在將它改造為由接觸器和PMC550型電動機(jī)綜合保護(hù)器控制，放置在環(huán)境較好的電氣低壓配電室抽屜柜內(nèi)。安裝在現(xiàn)場控制箱上的啟停按鈕上的控制電壓均為24V(DC)，避免按鈕漏電傷人。

如圖2所示，由于原來的調(diào)速電位器故障頻繁，現(xiàn)更換為增速和降速按鈕輸入到DCS的DI點(diǎn)，由DCS運(yùn)算后，AO通道SC-51401輸出模擬量4～20mA信號，再經(jīng)過MSC306E-C0G0型隔離器放大為0～150mA信號，去驅(qū)動EDC電位移控制器。操作人員在現(xiàn)場按一次增速或降速按鈕，轉(zhuǎn)速變化5%。也可以在DCS的操作界面直接輸入數(shù)值來控制轉(zhuǎn)速。

控制箱上真空過濾機(jī)的正轉(zhuǎn)、停止和反轉(zhuǎn)按鈕接入DCS的DI輸入點(diǎn)，由DCS進(jìn)行邏輯運(yùn)算后經(jīng)DO點(diǎn)輸出給安裝在DCS柜內(nèi)的兩個(gè)繼電器KA2和KA3，它們分別接通即可控制正反轉(zhuǎn)的方向。反轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速通過DCS程序限制為20%，不再需要限流電阻進(jìn)行轉(zhuǎn)速限制。

圖2 轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速控制硬件原理

將油箱油位低報(bào)警、油箱油溫和油泵出口油壓均接入DCS，在DCS上設(shè)計(jì)顯示、報(bào)警和聯(lián)鎖保護(hù)。當(dāng)油箱油位低報(bào)警、油箱油溫不小于65℃、油泵出口油壓不大于130psi、現(xiàn)場急停、中控室急停、工藝聯(lián)鎖停真空過濾機(jī)信號中，任意一個(gè)信號觸發(fā)聯(lián)鎖時(shí)，油泵電動機(jī)將保護(hù)跳閘。其中油泵出口油壓是低壓力保護(hù)，因此在啟動油泵15s待油壓建立后，再自動投入聯(lián)鎖。

2.2DCS程序組態(tài)

如圖3所示，主程序由輸入信號處理部分、真空過濾機(jī)轉(zhuǎn)速控制計(jì)算、真空過濾機(jī)油泵及其轉(zhuǎn)向和聯(lián)鎖保護(hù)控制，以及油溫油壓轉(zhuǎn)速計(jì)算顯示等功能塊組成。

圖3 主程序

輸入信號處理部分。將現(xiàn)場控制箱送入DCS的開關(guān)量輸入點(diǎn)(如升速、降速、油泵運(yùn)行狀態(tài)、正轉(zhuǎn)及反轉(zhuǎn)等)，用TON/TOFF功能塊進(jìn)行預(yù)處理，變?yōu)樯仙鼗蛳陆笛兀瑸镃ALCU計(jì)算塊或LC64邏輯功能塊調(diào)用做準(zhǔn)備。

真空過濾機(jī)轉(zhuǎn)速控制計(jì)算由CALCU計(jì)算塊FS_CALC實(shí)現(xiàn)，程序代碼如下：

1|PROGRAM

2|ALIAS FSINC INC_ONS. CFV !現(xiàn)場升速按鈕上升沿；

3|ALIAS FS_INC_CC FS_INC_C. PV !中控室升速按鈕脈沖；

4|ALIAS FSDEC DEC_ONS. CPV !現(xiàn)場降速按鈕上升沿；

5|ALIAS FS_DEC_CC FS_DEC_C. PV !中控室降速按鈕脈沖；

6|ALIAS FS_AO FS_CTRL.MV

7|ALIAS PUMP10 LUBE_10_ONS.CPV

8|ALIAS PUMP01 LUBE_01_ONS.CPV

9|ALIAS REV FLTR_REV.PV

10|

11|IF (FSINC==1 OR FS_INC_CC==1 ) THEN!現(xiàn)場或中控升速按鈕，一次加5%；

12| FS_AO=FS_AO+5.0

13|END IF

14|

15|IF (FSDEC==1 OR FS_DEC_CC==1)THEN ！現(xiàn)場或中控降速按鈕，一次減5%；

16| FS_AO=FS_AO-5.0

17|END IF

18|

19|IF (PUMP10==1 OR PUMP01==1 OR FWD_ONS. CPV==1 OR REV_ONS.CPV==1 OR STP_ONS.CPV==1)THEN

20| !油泵電機(jī)狀態(tài)變化，或正反轉(zhuǎn)方向變化，調(diào)速信號回零；

21| FS_AO=0.0

22|END IF

23|

24|IF (REV==1) THEN !若為反轉(zhuǎn)狀態(tài)，則轉(zhuǎn)速限幅為20%；

25| IF (FS_AO>=20) THEN

26| FS_AO=20.0

27| END IF

28|END IF

29|

30|CPV=FS_AO

31|

32|END

該程序主要實(shí)現(xiàn)了升速和降速控制，在現(xiàn)場控制箱上按一下按鈕，DCS輸出的真空過濾機(jī)轉(zhuǎn)速驅(qū)動電流會相應(yīng)上升或下降5%。當(dāng)油泵或轉(zhuǎn)向狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，程序?qū)⑥D(zhuǎn)速控制信號自動拉到零，防止真空過濾機(jī)立即轉(zhuǎn)動傷人。當(dāng)真空過濾機(jī)反向轉(zhuǎn)動時(shí)，按工藝要求，程序?qū)⑥D(zhuǎn)速控制信號限幅為20%。

真空過濾機(jī)轉(zhuǎn)向和聯(lián)鎖保護(hù)控制由LC64邏輯圖功能塊51401CTRL實(shí)現(xiàn)，原理如圖4所示。真空過濾機(jī)的正-停-反控制主要由兩個(gè)SR觸發(fā)器構(gòu)成，圖中兩條虛線信號是互鎖作用，保證正反兩個(gè)輸出繼電器只有一個(gè)能閉合，防止輸出給伺服閥的驅(qū)動電流回路短路。真空過濾機(jī)停止時(shí)，斷開伺服閥的驅(qū)動電流，但液壓站的油泵電動保持轉(zhuǎn)動。當(dāng)工藝聯(lián)鎖保護(hù)、急停、油溫、油壓、油

圖4 真空過濾機(jī)轉(zhuǎn)向和聯(lián)鎖保護(hù)控制邏輯

位保護(hù)動作時(shí)，油泵電動機(jī)也會一并停止，保證設(shè)備和人身安全。圖中，中控室升速、降速、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止按鈕都在DCS上設(shè)計(jì)了軟操作面板，由于CENTUM VP DCS系統(tǒng)操作面板不能自動復(fù)位，故在此邏輯圖中用2、3、4、5、6號時(shí)間繼電器分別做了延時(shí)2s的復(fù)位程序，讓面板上的ON/OFF按鈕自動復(fù)位。

2.3DCS操作界面

筆者設(shè)計(jì)的真空過濾機(jī)操作界面如圖5所示。界面中直觀地顯示出了真空過濾機(jī)和液壓站的操作與運(yùn)行數(shù)據(jù)。虛線下方為聯(lián)鎖保護(hù)顯示畫面，當(dāng)某個(gè)聯(lián)鎖回路動作時(shí)，會變紅閃爍，讓操作人員和維修人員對真空過濾機(jī)的故障快速定位，節(jié)約了故障判斷時(shí)間和維修時(shí)間。

3 結(jié)束語

甕福(集團(tuán))有限責(zé)任公司的Bird-Prayon 30EH型翻盤式真空過濾機(jī)控制系統(tǒng)經(jīng)改造、調(diào)試和試運(yùn)行后，徹底擺脫了原來現(xiàn)場儀表、繼電器和調(diào)速電位器故障頻發(fā)帶來的困擾，DCS系統(tǒng)在穩(wěn)定性方面的優(yōu)勢得以充分發(fā)揮。同時(shí)，驗(yàn)證了在控制精度要求不高的情況下，用定制的隔離器來替代昂貴的專用伺服控制器是可行的。目前，工藝人員在現(xiàn)場和中控室都可以操作真空過濾機(jī)，故障狀態(tài)也一目了然。系統(tǒng)投運(yùn)后，穩(wěn)定、安全、可靠，為整個(gè)磷酸裝置的正常生產(chǎn)提供了有力保障。

圖5 真空過濾機(jī)操作界面

[1] 趙瑾.CENTUM CS1000集散控制系統(tǒng)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2001:4.

[2] 宋錦春,陳建文.液壓伺服與比例控制[M].北京:高等教育出版社,2013:62～64.

2016-06-03(修改稿)

TH862+.6

B

1000-3932(2016)08-0868-05