煙氣制酸自動控制系統(tǒng)綜合改造實踐

劉 歡，劉昌麟，柴瑾瑜，遲棧洋

（金川集團股份有限公司鎳冶煉廠，甘肅金昌 737100）

金川集團股份有限公司鎳冶煉廠（以下簡稱鎳冶煉廠）的2套冶煉煙氣制酸裝置硫酸產(chǎn)能分別為480 kt/a和700 kt/a，DCS控制系統(tǒng)的硬件均使用和利時FM系列，軟件開發(fā)環(huán)境為MACSV1.1.0版本，均屬于和利時公司早期產(chǎn)品。經(jīng)過十余年的長周期不間斷運行，同時伴隨著現(xiàn)場工況的復(fù)雜性，控制系統(tǒng)已經(jīng)達到了使用壽命的極限，故障率高，同時系統(tǒng)的負荷已經(jīng)達到了臨界值，CPU帶載能力趨于下降，無法滿足擴容需求，系統(tǒng)的運行速率緩慢，給生產(chǎn)操作造成了一定的困擾。DCS控制系統(tǒng)采用C/S冗余網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，由于通訊設(shè)備的性能下降，使網(wǎng)絡(luò)經(jīng)常處于單網(wǎng)運行，可靠性下降，同時客戶端對服務(wù)器的依賴性較大，一旦服務(wù)器出現(xiàn)故障，系統(tǒng)將會癱瘓。隨著集團公司數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級逐步開展實施，控制系統(tǒng)的通訊設(shè)施、軟硬件版本已不能滿足轉(zhuǎn)型升級的需求，且面臨著備件已停產(chǎn)，存在備件緊缺導(dǎo)致維護難度加大的問題，亟待對目前的控制系統(tǒng)進行優(yōu)化改造。

1 DCS控制系統(tǒng)問題分析

1.1 主控制器高負荷運行

700 kt/a制酸裝置有3個控制站，掛載卡件共計154塊，其中模擬量卡件121塊，DP通訊卡件4塊。正常生產(chǎn)的情況下，F(xiàn)M801主控制器負荷在13%～25%。廠家明確每對控制器掛載卡件不超過80塊，主控制器負荷不超過30%，而該裝置的DCS控制系統(tǒng)已長期處于高負荷運行狀態(tài)，嚴重威脅到DCS控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

480 kt/a制酸裝置裝有3個控制站，16#站掛載卡件60塊，19#站掛載卡件60塊，24#站掛載卡件35塊，共計掛載卡件155塊，其中模擬量卡件111塊。FM801主控制器負荷在8%～10%。由于控制站現(xiàn)場環(huán)境惡劣，控制器背板氧化嚴重，經(jīng)常在正常生產(chǎn)過程中出現(xiàn)故障，不僅影響正常生產(chǎn)，還會帶來安全隱患。

1.2 通道卡件存在漂移

通過現(xiàn)場實際檢測，AI、RTD和AO通道卡件均有漂移，且AI通道卡件不合格率達25%，RTD通道卡件不合格率達25%，AO通道卡件不合格率達12.5%，卡件數(shù)據(jù)準確率下降，影響DCS系統(tǒng)的控制精度。

1.3 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備老化

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備老化嚴重，造成網(wǎng)絡(luò)延時過大，丟包率超過安全標準。而FM系列模塊目前只接受訂單式生產(chǎn)，后續(xù)備件價格將會非常昂貴，技術(shù)支持不能保證。

1.4 電腦主機故障頻發(fā)

兩套制酸裝置的操作系統(tǒng)均使用Windows XP，而微軟公司已于2014年宣布對Windows XP操作系統(tǒng)停止更新及相關(guān)技術(shù)服務(wù)，目前市場主流電腦供應(yīng)商也已不再生產(chǎn)和銷售基于Windows XP系統(tǒng)的計算機，如此以來，當后續(xù)操作員站、服務(wù)器、工程師站的電腦出現(xiàn)問題時，將無法及時更換和維修，影響生產(chǎn)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

1.5 控制系統(tǒng)部分功能缺失

由于控制系統(tǒng)版本較低，部分功能缺失，中控室調(diào)度人員在填寫報表時使用人工抄寫的方式，大量重復(fù)勞動影響生產(chǎn)效率，且操作過程中容易出現(xiàn)人為錯誤，影響車間生產(chǎn)安全。

1.6 信息孤島嚴重，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜

兩套制酸裝置的操作系統(tǒng)各自運行，由于控制系統(tǒng)版本不同，信息孤島嚴重，且網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，信息安全風(fēng)險極高[1]。工程師站、服務(wù)器以及操作員站都未安裝防毒軟件進行防護，經(jīng)常出現(xiàn)電腦中毒現(xiàn)象，而且網(wǎng)絡(luò)信息的交換無任何防護措施，很容易遭遇黑客的攻擊。

2 解決措施

2.1 硬件升級改造

硫酸風(fēng)機屬于制酸系統(tǒng)中非常重要的大型關(guān)鍵設(shè)備，其自動化程度高，控制聯(lián)鎖復(fù)雜，對儀控系統(tǒng)和電氣設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性要求很高，一旦儀控系統(tǒng)或電氣設(shè)備發(fā)生故障，將導(dǎo)致硫酸風(fēng)機跳車或發(fā)生設(shè)備安全事故，嚴重影響火法冶煉系統(tǒng)和制酸系統(tǒng)的正常生產(chǎn)。此外，由于現(xiàn)場儀控設(shè)備存在前期設(shè)計選型不合理、安全系數(shù)低、高負荷運行周期長等問題，逐漸對生產(chǎn)系統(tǒng)造成擾動，影響生產(chǎn)系統(tǒng)長周期安全穩(wěn)定運行。

對硫酸風(fēng)機控制系統(tǒng)的硬件進行如下升級改造：

1）將硫酸風(fēng)機控制柜內(nèi)的控制系統(tǒng)卡件和電氣元件及柜體全部進行硬件升級并重新進行柜體成套?？紤]到硫酸風(fēng)機的重要性以及節(jié)省改造后風(fēng)機控制系統(tǒng)的調(diào)試時間，升級改造后的風(fēng)機控制系統(tǒng)仍采用AB 1756系列的PLC控制系統(tǒng)，電氣元件和空氣開關(guān)采用進口電子元器件，其中控制系統(tǒng)的卡件升級為AB 1756系列的高版本卡件，控制器由現(xiàn)有的1756-L61升級為1756-L72。

2）對顯示終端和通訊網(wǎng)絡(luò)進行改造。將硫酸風(fēng)機控制系統(tǒng)現(xiàn)有的上位顯示終端由觸摸屏顯示改造為工控機顯示，分別在風(fēng)機房和硫酸中控室各增設(shè)1臺工控機監(jiān)控風(fēng)機的運行狀態(tài)。其中風(fēng)機房配置的工控機為防腐型，作為風(fēng)機控制系統(tǒng)的操作員站使用，主要負責風(fēng)機開車時儀控、電氣測點的現(xiàn)場確認和崗位人員的現(xiàn)場點巡檢；硫酸中控室的工控機作為風(fēng)機控制系統(tǒng)的工程師站使用，主要負責風(fēng)機控制系統(tǒng)的組態(tài)、維護、報警和趨勢查詢。改造后2臺工控機與硫酸風(fēng)機控制系統(tǒng)采用以太網(wǎng)通訊，故在硫酸風(fēng)機控制系統(tǒng)硬件改造時將1656-CNB通訊網(wǎng)卡更換為1756-ENBT通訊網(wǎng)卡。

2.2 軟件升級改造

硫酸風(fēng)機控制系統(tǒng)的上位顯示終端改造為工控機后，必須對現(xiàn)有硫酸風(fēng)機控制系統(tǒng)的上位軟件進行升級改造，即將控制系統(tǒng)上位軟件由觸摸屏內(nèi)的ME升級改造為工控機內(nèi)的SE。

2.3 現(xiàn)場儀表設(shè)備改進

現(xiàn)場儀表設(shè)備存在以下問題：①檢測介質(zhì)腐蝕性強，前期儀表選型要求較高，后期維護工作困難較大；②儀表設(shè)備大部分安裝于室外，由于長期受環(huán)境因素的影響，儀控設(shè)備老化周期縮短，導(dǎo)致出現(xiàn)測點檢測波動較大、儀表設(shè)備誤動作頻率增高等問題；③部分紅區(qū)測點前期設(shè)計時安全性考慮不全面，存在安全隱患；④由于工藝改動，部分現(xiàn)場儀控設(shè)備已不能完全滿足生產(chǎn)數(shù)據(jù)與控制的需要。

采取以下措施對現(xiàn)場儀控設(shè)備進行優(yōu)化改造：

1）紅區(qū)測點檢測優(yōu)化控制。針對干吸工序循環(huán)槽液位測量受測點故障影響較大的問題，對循環(huán)槽液位增加雙測點聯(lián)鎖，由2個不同測量原理的液位計進行液位檢測，當雙測點同時滿足聯(lián)鎖條件時，聯(lián)鎖動作，保證液位與泵聯(lián)鎖動作的準確性和安全性。

2）重要測點監(jiān)測優(yōu)化。增加轉(zhuǎn)化工序冷激線閥門反饋裝置，避免閥門動作時不可檢測而導(dǎo)致的生產(chǎn)非計劃停工事故。

3）二氧化硫分析儀預(yù)處理裝置優(yōu)化改進。對取樣管路的敷設(shè)線路進行優(yōu)化，縮短取樣管路的長度，降低取樣管路堵塞的故障率。對預(yù)處理裝置進行清理和改進，增加多個氣體凈化裝置，提高氣體中雜質(zhì)的過濾效率和裝置的預(yù)處理能力。

4）加裝信號隔離裝置防止電氣設(shè)備被擊穿燒損。2019年11月，700 kt/a制酸裝置的硫酸干吸泵發(fā)生故障，強電流串入溫度測量信號電纜導(dǎo)致11塊I/O卡件、交換機、繼電器等設(shè)備被擊穿燒損。為防止類似事故再次發(fā)生，將安裝在電氣設(shè)備上的儀表、電氣信號接入控制系統(tǒng)時加裝信號隔離裝置。

5）余熱鍋爐以硬接線方式進入DCS控制系統(tǒng)，不建議采用第三方通訊，應(yīng)預(yù)留余熱鍋爐I/O點數(shù)。

3 實施效果

鎳冶煉廠首先對700 kt/a制酸裝置DCS控制系統(tǒng)進行了優(yōu)化改進，硬件和軟件條件都得到了提升，其結(jié)構(gòu)示意見圖1。

圖1 700 kt/a制酸裝置DCS控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

改造后的DCS控制系統(tǒng)已穩(wěn)定運行近7個月，從根本上解決了700 kt/a制酸裝置DCS控制系統(tǒng)頻繁死機、卡件故障等問題，確保DCS控制系統(tǒng)保持長期穩(wěn)定運行。各制酸系統(tǒng)能夠保持相對獨立，互不影響，有利于制酸系統(tǒng)的維護、檢修及問題處理，有利于制酸系統(tǒng)與冶煉系統(tǒng)匹配化生產(chǎn)。技術(shù)改造后通過OPC技術(shù)接入集團公司煙氣制酸網(wǎng)絡(luò)后非常穩(wěn)定，為公司提供了可靠數(shù)據(jù)。

4 結(jié)語

鎳冶煉廠對700 kt/a制酸裝置的DCS控制系統(tǒng)進行技術(shù)革新后，運行更加安全、穩(wěn)定，不但在一定程度上提高了作業(yè)率，節(jié)約了成本，更為重要的是解決了生產(chǎn)系統(tǒng)對安全、環(huán)保和自動化控制的迫切需求。通過完善和優(yōu)化聯(lián)鎖控制，制酸系統(tǒng)的自動化控制水平明顯提高，降低了崗位勞動強度，節(jié)約了勞動力成本，同時能夠避免冒酸和二氧化硫超標排放帶來的環(huán)保壓力和經(jīng)濟損失，社會效益和經(jīng)濟效益顯著。