和利时DCS系统在大型纯碱装置上的应用
巨克选
XXXX有限公司 电气仪表处 
摘要：本文主要介绍国产和利时DCS SmartProTM系统在青海碱业一期120万吨/年纯碱工程项目上的成功应用。本项目为DCS系统在国内纯碱行业运用规模最大的DCS系统,物理I/O点数超过万点,系统及网络采用100Mbps工业以太网和光缆进行数据传输。通过DCS系统实现了整个纯碱主装置及配套热电站的各种生产工艺指标的监视、控制,并实现安全联锁功能和生产调度管理功能,达到了正常生产的目的,使我公司各种生产指标、安全指标和环境保护指标均达到国家标准。
关键词：和利时DCS；SmartProTM系统；纯碱装置；应用
1 引言
青海碱业一期120万吨/年纯碱工程项目,该项目属于化工行业重大项目,是国务院投资体制改革首批核准的5个重点工程之一,这一项目是西部大开发以来东西部合作的典范,有效地结合了西部的资源以及东部的经济、人才和管理经验,可以加速西部大开发的实施,加速西部经济的大发展,也是青海省的重点项目和东部民营企业参与西部投资建设的最大项目。目前是采用索尔维制碱法（氨碱法）国内纯碱行业单套规模最大的生产装置。青海碱业有限公司依托柴达木盆地得天独厚的石灰石、原盐、煤炭等优势资源,大力发展盐化工业,制定了年产270万吨纯碱、60万吨烧碱和60万吨PVC项目的总体规划。其中分三期建设的年产270万吨纯碱项目,一期于2005年9月已经建成投产,采用和利时DCS SmartProTM系统,该系统自投用以来一直运行稳定,生产达标,装置超负荷运行。
青海碱业作为柴达木盆地循环经济发展的重点企业,四年来在党和政府的密切关注及大力支持下取得了较快发展。通过2007企业以发展循环经济为主线,构建和谐社会为中心,按照矿产资源“综合开发、有效配置、循环利用”的科学发展观,紧紧围绕“节能降耗、科学环保、减量化、再使用和再循环”的循环经济原则。我公司高标准、高起点实施项目建设,采用清洁生产工艺, 注重技术创新,注重资源的充分利用和节能减排工作,推进产业升级延伸产业链, 推进工业集群集约发展,增加企业国际竞争力和走可持续发展的道路。
2 系统概况
纯碱生产共分9个工段：盐水工段、石灰工段、蒸吸工段、碳化工段、轻灰工段、重灰工段、压缩工段、包装工段和热电站,需监测的现场点数多达一万多点,采用DCS系统大大提高了生产现场的自动控制水平,减轻了操作人员的劳动强度,提高了过程控制精度,同时能实现统一调度,统一生产管理,并实现生产的安全联锁,确保生产异常情况下财产及人身安全。工艺流程简图如下图1所示：


图1
2.1项目系统规模及配置：
本项目为DCS系统在国内纯碱行业运用规模最大的DCS系统,物理I/O点数超过万点、现场控制站配置30对冗余控制器、多达50台操作员站、5对冗余数据服务器、机柜70余面。采用了目前世界上先进的现场总线技术（ProfiBus-DP总线）,成熟先进的控制算法,集成了DMS系统、实时信息系统、ERP系统、SCM和CRM系统等。整个纯碱生产主装置及配套热电站装置分为两个DCS系统,共为4个域,分别为：1：热电域；2：压缩、石灰域；3：碳化、蒸吸、盐水域；4：轻灰、重灰、成品域。在4个域里分别设立独立的冗余数据服务器,4个域通过冗余的光缆与中控室连接并通讯,整个系统中任何一台计算机均可通过不同权限的登录完成对系统其他3个域的监视与操作,真正做到分散控制、集中管理。
2.1.1系统硬件配置
2.1.1.1化工区系统配置
化工区DCS SmartProTM系统控制层网络分为10#－－29#,共20个现场控制站,配备34台操作员站。分别配置在三个域中：压缩、石灰域（10#、11#、22#、23#、24#、26#、27#）, 碳化、蒸吸、盐水域（12#、13#、14#、15#、19#、25#、29#）, 轻灰、重灰、成品域（16#、17#、18#、20#、21#、28#）。三个域各自独立，通过冗余光缆连至中央控制室数据服务器相互通讯并实现统一调度。碳化、蒸吸、盐水域，系统网络拓扑结构如下图2所示：


图2
2.1.1.2热电区系统配置
热电区DCS SmartProTM系统控制层网络分为10#－－17#,共8个现场控制站,配备18台操作员站。10#控制站对应1#锅炉、11#控制站对应2#锅炉、12#控制站对应3#锅炉、13#控制站对应4#锅炉、14#控制站对应5#锅炉、15#控制站对应1#汽机、16#控制站对应2#汽机、17#控制站对应公共部分。通过光缆连至中央控制室。网络拓扑结构如下图3所示：

图3
2.1.1.3系统操作层配置

操作员站采用客户机/服务器（即：C/S）结构,服务器双路冗余,任意一台操作员站客户端都可以实现全装置的工艺过程监控。整个操作层采用冗余100Mbps工业以太网与控制层连接,可以提供操作界面千余幅,有总画面和分画面,根据设计意图和操作人员习惯及现场工业特点来进行划分,画面的数量由设计方、业主方、供货方一起确定。提供键盘、鼠标、模拟键盘三种操作手段,操作站计算机采用戴尔（DELL）Optiplex GX270系列,服务器采用戴尔（DELL）大型数据服务器系列。各分车间控制层网络与操作层网络之间进行数据连接并采用单独冗余的光缆与中控室服务器相互通讯,且服务器全部采用千兆网卡。各域之间分别独立敷设冗余光缆到中央控制室,中间不与任何车间相连。公司化工装置区考虑现场环境,统一将数据服务器放置在中央控制室,提高系统安全性和可靠性。
装置内任意一台操作员站均可监测、控制装置内任一工段数据（需输入相应的权限密码）。在中央控制室工程师站上即可完成SmartProTM系统全部的组态,调试,下装等工作,不用到各分车间。
2.1.1.4系统控制层配置
1)现场控制站完成下列功能：I/O处理,数据采集,模拟控制和顺序控制等。各工艺单元仪控部分配置DCS控制站, 电控部分配置PLC控制站, 所有现场控制站挂接在主干网上, 具有相同的通讯速率。为了保证系统的可靠性,DCS现场控制站主控制器、电源单元均按1:1冗余配置。PLC控制站也都按1:1冗余配置。备用通道、卡件、端子板和连接电缆,其数量都已按系统配置数量的10%配置。
2)控制层采用嵌入式、低功耗Inter 486DX4—100处理器,CPU主频100M HZ,基于QNX实时操作系统,完成各类控制算法,控制运算包括信号采集和处理、控制策略计算、控制输出处理等。现场控制与操作员站、工程师站采用冗余100Mbps工业以太网相互通讯连接。
3)现场信号处理层,采用1.5-12Mbps的冗余的PROFIBUS-DP国际标准现场总线连接中央控制单元和各现场信号处理模块。I/O单元全部采用智能化和模块化结构,由通讯电缆连接至模块通讯端子。
此外,SmartProTM系统还提供标准的OPC接口,能够与二期系统无缝连接,完成全厂的统一管理调度,还提供Modbus通讯接口、DP接口,以便同其它智能单元、第三方设备（如PLC、智能仪表、总线仪表）等连接。系统网络结构如图4所示：

图4
2.1.2系统软件配置
1)和利时DCS SmartProTM系统软件由两个部分组成,分别包括ConMaker应用程序软件及FacView应用程序软件。
① ConMaker应用程序软件提供了丰富的控制算法库,包括算术运算函数库、类型转换函数库、控制策略函数库、定时器/计数器/触发器等函数库,同时组态人员还可以采用标准的五种编程语言：SFC、FBD、LD、ST、IL,灵活高效的自定义函数功能块,在任何应用程序中灵活方便的调用。
② FacView应用程序软件主要用于实现人机界面的设计、操作、调试、维护。FacView软件由FacView Explorer、工程编辑器、图形编辑器、代码编辑器,以及FacView Runtime共5个部分组成。
③ 控制器算法组态：使用SmartProTM系统的Conmaker控制器组态软件,全部采用IEC61131-3标准进行控制器软件组态设计。添加控制算法的中间变量会直接添加到MACSV的组态数据库当中,实现了组态数据库的统一。
④ 离线组态软件：使用SmartProTM系统离线组态的所有功能,使用设备组态功能对I/O设备进行组态,经过编译后生成包含设备和I/O转换功能的Conmaker控制器组态文件。
2)每台系统操作站能容纳(处理)5000个位号,500幅流程显示画面和100个报表,以及过程趋势和PID参数整定等。操作员站的显示器分辨率达到1280x1024以上,可以支持多窗口显示。
操作系统平台：中文Windows2000 professional及Pack4；
报表支撑软件：Microsoft Office 2000。
3 系统主要控制对象
氨碱法是一种复杂的化学制造工艺,主要包括一系列连续的化工单元操作,共分为九个工段进行集中监视和控制：盐水精制工序、盐水吸氨工序、石灰工序、蒸氨工序、碳化工序、过滤工序、压缩工序、煅烧工序、包装工序。
3.1系统控制方式及实现功能
3.1.1系统控制方式
全厂由调度统一调配,主要通过DCS系统集中进行生产工艺参数监测、自动调节控制和人工监视及人工辅助操作（如手动阀门等）。
3.1.2系统功能及主要控制
SmartProTM系统是用以完成大中型分布式控制DCS,大型数据采集监控SCADA的计算机系统。该系统提供了完善、强大的组态、调试和监控功能,包括数据采集、开环控制、闭环控制、设备状态监视、报警服务、实时数据处理和显示、趋势服务、操作日志记录、事故追忆、图形显示、报表服务等多项内容来满足各种工况操作要求,使各工段操作保证安全并方便维护。
3.1.3系统主要监视和控制回路
1)盐水精制工序主要控制内容：粗盐水流量和压力监控；苛化罐石灰乳流量、液位、洗泥桶液位、澄清桶液位、杂水罐液位监控；粗盐水集中槽PH值的在线监测；石灰纯碱法纯碱液与石灰乳比值控制；电机运行状态监控等。主要工艺流程图5所示：

图5
2)石灰工序主要控制内容：石灰窑的进出石料量及出灰温度监控；石灰窑的进出气的温度及流量和压力监控；洗涤塔进出气的温度及流量和压力监控；电除尘器的进出水流量及温度监控；化灰机进出料量及温度监控；灰乳桶液位、灰乳流量和压力监控；电机运行状态监控等。石灰窑出灰螺旋逻辑结构图6所示：

图6
3)蒸吸氨工序主要控制内容：母液蒸量监控；蒸氨塔进汽量监控；蒸氨塔上中下三段的温度及压力监控；蒸氨塔出汽的温度及压力监控；吸氨塔的进淡氨盐水流量监控；吸氨塔上中下三段的温度及压力监控；吸氨塔出汽的温度及压力监控；桶区液位监控等。如石灰乳流量、母液流量优化控制原理图7所示：

图7
4)碳化工序的主要操作控制内容：碳化塔进气温度及流量和压力监控；碳化塔中段气和下段气及清洗气的流量及压力监控；碳化塔出液的温度及流量监控；碳化塔尾气净氨塔的进气量及洗水流量监控；电机运行状态监控等。
5)过滤工序主要控制内容：真空过滤机进碱液流量及液位监控；真空度、吹风压力、过滤机转速、洗水桶液位、洗水流量及温度监控；冷母液桶液位监控等。
6)压缩工序主要控制内容：中段气、下段气、清洗气排气温度及出口压力的控制；驱动用汽轮机、大型双螺杆压缩机的轴振动、轴位移在线监测及联锁控制；压缩机驱动蒸汽的温度及流量和压力监控；压缩机的转速监控及伍德沃德Peak150联锁控制；润滑油站油泵电机运行状态监控等。压缩机连锁逻辑结构图8所示：

图8
7)煅烧工序主要控制内容为：煅烧炉进出料量及温度监控；煅烧炉进出汽量及温度和压力监控；洗涤冷凝塔液位、洗涤冷凝塔进出汽量及温度和压力监控；炉气洗涤塔进出气流量及温度和压力监控；煅烧炉加热蒸汽的流量及温度和压力监控；贮水槽液位和压力监控；闪发器压力监控；各运碱设备电流大小、电机运行状态在线监视等。煅烧炉进料流量逻辑结构图9所示：

图9
4 在同行业中的影响力
一期项目乃是目前国内外制碱行业自动化控制最全面的生产线,生产能力已居国内领先地位。纯碱生产装置工艺复杂,控制难度大,属于DCS行业的高端领域。加之我公司地处高原、高海拔（海拔3000多米）、干旱、多风沙及多静电环境,条件十分恶劣,所以对DCS控制系统的可靠性、安全性、稳定性、先进性、方便性和系统功能要求极高,也很严格。在经过系统工程技术人员和DCS系统厂家多次技术论证,反复权衡国内、国外的系统方案,综合各方面意见和以前使用类似系统的经验后,我公司最终选定了北京和利时公司的DCS SmartProTM系统,一举打破了国外产品在此市场的垄断局面,这就意味着国产系统的科技水平将会为传统产业技术改造以及新建项目设计和应用提供更加有力的服务和技术支持,将国产化的DCS系统水平推向一个崭新的高度。
该项目的实施也表明了和利时公司在纯碱行业DCS系统应用已处于领先地位,对于开拓纯碱行业、盐湖化工、能源化工、电子信息产业等领域的DCS系统有着重要意义。通过DCS系统在我公司120万吨/年纯碱工程生产中成功的应用,使资源能充分利用,能耗大大下降,生产效率大大提高,从而促使本企业在市场的竞争力大大提升。
5 结语
　　本文叙述了基于国产和利时DCS SmartProTM系统在青海碱业大型纯碱装置上过程监控的设计与实现。本控制系统已在青海碱业纯碱生产装置上得到实际使用, 使我公司生产实现在线监视,集中控制和管理,提高了纯碱装置的生产能力,同时也提高了装置的稳定性和安全性,使整个生产过程的自动控制投运率达90%以上,有效的降低了公司各项原、燃材料的消耗。大大的降低了操作人员的劳动强度,节能降耗为企业带来了可观的经济效益和良好的社会效益。
应用计算机自动控制技术促进了工业生产的技术进步,实现了信息化促进工业化的发展,为同行业实现工业自动化发展奠定了良好基础,使DCS系统在纯碱行业得到广泛推广和应用。

参考文献：
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