鹵水采集控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉志偉，王曉燕

(中國(guó)天辰工程有限公司，天津 300400)

中國(guó)天辰工程有限公司承擔(dān)的某國(guó)外天然堿項(xiàng)目包含鹵水采集裝置和堿加工裝置，鹵水采集礦區(qū)環(huán)境溫度在-25～55 ℃。該項(xiàng)目處于地質(zhì)條件復(fù)雜的丘陵地區(qū)，海拔900～1 100 m，地下的天然堿儲(chǔ)量約448 Mt，在項(xiàng)目范圍內(nèi)有187口礦井，被分成74組，采用鉆井方式實(shí)施水溶采礦。

天然堿鹵水采集礦區(qū)為堿加工裝置提供1 893 m3/h的鹵水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為17.5%的合格原料，以保證2.50 Mt/a的純堿生產(chǎn)規(guī)模。2口直井和1口水平井聯(lián)通后形成1個(gè)采礦(溶采)單元，利用堿加工裝置的廢液作為溶解水，經(jīng)注井泵站加壓后通過(guò)長(zhǎng)輸管線向1口直井注入，用于溶解天然堿的礦床；產(chǎn)出合格的鹵水后，再?gòu)牧硗?口直井排出；通過(guò)管道把鹵水送往堿加工裝置，加工、精制成純堿和小蘇打。

1 鹵水采集控制系統(tǒng)

鹵水采集礦區(qū)地處地質(zhì)條件復(fù)雜的山區(qū)，高度落差較大，有懸崖溝壑，因此設(shè)置了遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，用于實(shí)時(shí)監(jiān)控進(jìn)入礦井的溶解水及礦井產(chǎn)出鹵水的工藝參數(shù)。

在鹵水采集礦區(qū)，每口礦井的地面管線均配有以下設(shè)備： 1臺(tái)質(zhì)量流量計(jì)，用于測(cè)量介質(zhì)的溫度、密度、質(zhì)量流量；1臺(tái)電動(dòng)控制閥，用于調(diào)節(jié)介質(zhì)的質(zhì)量流量；1臺(tái)壓力變送器，用于測(cè)量介質(zhì)的壓力。在中心控制室的操作站可監(jiān)控礦區(qū)187口礦井的鹵水參數(shù)及系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀況。

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，根據(jù)礦區(qū)地形、地勢(shì)分散布置了49套遠(yuǎn)程IO站，187口礦井出口天然堿鹵水的溫度、壓力、流量、密度、閥門信號(hào)，由遠(yuǎn)程IO站進(jìn)行信號(hào)采集，采集的所有儀表信號(hào)通過(guò)硬線接入遠(yuǎn)程IO站；49套遠(yuǎn)程IO站采用Modbus TCP/IP協(xié)議，分別通過(guò)冗余光纖接入布置在礦區(qū)的9對(duì)冗余交換機(jī)，再通過(guò)9對(duì)冗余光纖連接至礦區(qū)交換機(jī)，實(shí)現(xiàn)與中心控制室內(nèi)DCS的通信，該項(xiàng)目使用光纖118根，總長(zhǎng)約1×105m。

2 鹵水采集控制系統(tǒng)解決方案

2.1 系統(tǒng)配置

遠(yuǎn)程IO站配有冗余直流電源、通信網(wǎng)關(guān)、IO卡、光電轉(zhuǎn)換器等，遠(yuǎn)程IO站應(yīng)選擇耐低溫型，能滿足-25 ℃的環(huán)境要求；整個(gè)礦區(qū)配有9組冗余交換機(jī)，就近連接遠(yuǎn)程IO站，有效地分散了通信風(fēng)險(xiǎn)，每個(gè)交換機(jī)有8個(gè)光口，連接遠(yuǎn)程IO站數(shù)量不超過(guò)6個(gè)；9組冗余交換機(jī)通過(guò)冗余光纖連接中心控制室內(nèi)的1套冗余交換機(jī)；中心控制室內(nèi)1套冗余交換機(jī)通過(guò)網(wǎng)線連接DCS的冗余CPU；同時(shí)，配備了1臺(tái)工程師站用于組態(tài)調(diào)試，2臺(tái)操作員站用于監(jiān)控187口礦井出口天然堿鹵水的溫度、壓力、流量、密度、閥門信號(hào)等，鹵水采集控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 鹵水采集控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

2.2 現(xiàn)場(chǎng)儀表配置

礦井出口管線內(nèi)的介質(zhì)除鹵水外，還含有氣體，屬于典型的氣液兩相流，因此選用氣液兩相型質(zhì)量流量計(jì)，該質(zhì)量流量計(jì)可輸出介質(zhì)的質(zhì)量流量、溫度、密度3路信號(hào)；電動(dòng)控制閥與質(zhì)量流量計(jì)組成閉環(huán)調(diào)節(jié)回路，調(diào)節(jié)礦井入口介質(zhì)的質(zhì)量流量；配備了壓力變送器用于測(cè)量管線壓力。

2.3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)置

該項(xiàng)目中，鹵水采集控制系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)可靠性至關(guān)重要，每套遠(yuǎn)程IO站網(wǎng)關(guān)有2個(gè)網(wǎng)口，采用“1進(jìn)1出”方式與冗余交換機(jī)及冗余CPU建立環(huán)網(wǎng)以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)冗余，假如網(wǎng)絡(luò)中任一節(jié)點(diǎn)故障，信號(hào)均能從環(huán)網(wǎng)中其他路由傳至中心控制室，有效地提高了網(wǎng)絡(luò)安全性。

2.4 網(wǎng)絡(luò)故障監(jiān)控

該系統(tǒng)有近300個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)安全至關(guān)重要，在工程師站安裝了交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)管理軟件，用于監(jiān)控礦區(qū)全部網(wǎng)絡(luò)狀況，一旦某個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通信故障，可在網(wǎng)管軟件上監(jiān)控交換機(jī)接口狀態(tài)信息；網(wǎng)管軟件把網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)數(shù)據(jù)通過(guò)OPC通信到WINCC，通過(guò)PCS7軟件的二次開發(fā)，在操作站上可顯示網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)預(yù)警，以方便操作人員及時(shí)得知礦區(qū)網(wǎng)絡(luò)狀況及具體故障節(jié)點(diǎn)位置，提高了維護(hù)效率。

2.5 電源故障監(jiān)控

每套遠(yuǎn)程IO站內(nèi)配有24 V直流冗余電源，每個(gè)電源故障報(bào)警信號(hào)通過(guò)硬線接入臨近遠(yuǎn)程IO站，再傳輸至中心控制室，在DCS上實(shí)現(xiàn)電源狀態(tài)監(jiān)控。

2.6 軟件開發(fā)

在軟件組態(tài)過(guò)程中，采用西門子PCS7軟件平臺(tái)進(jìn)行了二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了1對(duì)CPU與第三方的49套IO站同時(shí)通信，編制相應(yīng)程序，通過(guò)Modbus TCP/IP協(xié)議讀取49套遠(yuǎn)程IO站中的AI，AO，DI卡中數(shù)據(jù)。

2.7 工藝操作模式組態(tài)

編制的監(jiān)控程序，對(duì)每口礦井具有5種可選擇的監(jiān)控模式：

1)模式0。該模式為未啟用，選擇0時(shí)，該礦井的相應(yīng)參數(shù)信息為灰色，表示該礦井未投用。

2)模式1。該模式為手動(dòng)控制，選擇1時(shí)，該礦井相應(yīng)參數(shù)信息為綠色，表示該井管線控制閥只能手動(dòng)調(diào)節(jié)，該模式用于溶解水注井。

3)模式2。該模式為自動(dòng)控制，選擇2時(shí)，該礦井相應(yīng)參數(shù)信息為藍(lán)色，表示該井管線控制閥只能通過(guò)流量調(diào)節(jié)回路自動(dòng)調(diào)節(jié)，該模式用于溶解水注井。

4)模式3。該模式為全開模式，選擇3時(shí)，該礦井相應(yīng)參數(shù)信息為粉色，表示該井管線控制閥只能全開，不能接收其他調(diào)節(jié)信息，該模式用于鹵水回水。

5)模式4。該模式為故障模式，選擇4時(shí)，該礦井相應(yīng)參數(shù)信息為紅色，表示該井處于故障模式。

在PCS7上選擇累加程序，把處于模式1與模式2狀態(tài)的全部流量計(jì)數(shù)值累加，即可得到全部注井溶解水量；把模式3的全部流量數(shù)值累加，即可得到全部鹵水產(chǎn)量。通過(guò)注井溶解水量與鹵水產(chǎn)量的差值，可以得知溶解水在礦井下的損耗量，該累加程序可替代完成1臺(tái)回水總管的大口徑質(zhì)量流量計(jì)累積工作，從而有效降低了設(shè)備投資。

3 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

該項(xiàng)目鹵水采集控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及軟件開發(fā)過(guò)程中，主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1)針對(duì)地質(zhì)條件惡劣的礦區(qū)，鹵水采集采用遠(yuǎn)程IO站方式實(shí)時(shí)監(jiān)視、控制。

2)采用Modbus TCP/IP協(xié)議，解決了1對(duì)CPU與49套遠(yuǎn)程IO站同時(shí)通信的難題。

3)采用“1進(jìn)1出”方式，使IO站網(wǎng)關(guān)與交換機(jī)及CPU建立環(huán)網(wǎng)，保障了網(wǎng)絡(luò)的安全性。

4)開發(fā)了網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控程序，實(shí)時(shí)監(jiān)控礦區(qū)每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行狀況，對(duì)網(wǎng)絡(luò)故障及時(shí)進(jìn)行預(yù)警。

5)解決了每套遠(yuǎn)程IO站電源故障監(jiān)控問(wèn)題。

6)通過(guò)WINCC軟件，把礦井狀況組態(tài)為5種操作模式： 未啟用、手動(dòng)控制、自動(dòng)控制、全開模式、故障模式，滿足了用戶的操作需求。

4 結(jié)束語(yǔ)

該項(xiàng)目鹵水采集控制系統(tǒng)投用以來(lái)，運(yùn)行穩(wěn)定、技術(shù)可靠，應(yīng)用效果良好，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。實(shí)際應(yīng)用表明，鹵水采集控制系統(tǒng)滿足了該類工藝裝置生產(chǎn)過(guò)程的控制要求，可以在地質(zhì)苛刻的鹵水采集礦區(qū)進(jìn)行推廣應(yīng)用，對(duì)于其他類似項(xiàng)目的遠(yuǎn)程控制、網(wǎng)絡(luò)配置及網(wǎng)絡(luò)故障監(jiān)控有借鑒意義。

DCS在化工項(xiàng)目中是“兩化融合”的重要組成部分，系統(tǒng)組態(tài)及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試一般由DCS供貨商完成，核心技術(shù)掌握在供貨商手中，同時(shí)DCS廠家需要派技術(shù)人員長(zhǎng)期在現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)，現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)費(fèi)往往高于設(shè)備購(gòu)置費(fèi)。該項(xiàng)目全部DCS硬件配置、軟件組態(tài)開發(fā)、開車調(diào)試，均由天辰公司自控工程師自主完成，可以節(jié)省大量資金，有利于企業(yè)提升自己的創(chuàng)新能力，同時(shí)能更好地為項(xiàng)目提供可靠及時(shí)的服務(wù)，更有助于提高國(guó)外用戶對(duì)工程公司的認(rèn)可度，在加快項(xiàng)目建設(shè)進(jìn)度、提高經(jīng)濟(jì)效益等方面具有重要的意義。