自动控制在80万吨联碱项目中的应用探讨

刘亚旗，庞栓林，杨 力，闫晶辰

（天津渤化永利化工有限公司，天津 300452）

联碱项目是天津碱厂的优势项目，拥有悠久的历史和成熟的工艺。基于天津碱厂多年来累积的稳定的客户源及优质品牌资源，天津碱厂在搬迁改造过程联碱的产品规模为联碱80万t／a、小苏打10万t／a、氯化铵（农铵、工铵）80万t／a、重灰60万t／a。在整个项目的设计、规划及工程建设当中大量的使用了国内外先进的设备，自动控制过程和质量得到优化和提升。现就天津碱厂联碱项目自动控制运行及整体情况进行总结以达到“抛砖引玉”的作用，提升纯碱工业自动化水平。

1 联碱项目的自动控制系统

1.1 联碱控制系统配置

联碱生产控制系统采用和利时DCS（集散控制系统）和西门子PLC（逻辑控制器）控制。二者既独立工作又互为串联，通过基于微软COM／DCOM技术的OPC服务器将PLC控制器与DCS控制站相连，以实现两者之间的数据交换。

其中DCS为整个联碱生产装置的主要控制系统。分为企业决策层、管理层、生产控制层和数据采集处理层。整个联碱DCS控制系统共设1个工程师站室、1个中央控制室、10个现场操作站室、7个DCS主控机柜室和两个远程机柜室。其中，工程师站包含冗余服务器、OPC服务器、工程师站；中央控制室设有操作员级别计算机16台；10个现场操作站室内各设操作员级别计算机1台；7个DCS主控机柜室分别设在碳化过滤工序、煅烧工序、重灰工序、结晶工序、干铵工序、精铵工序、真空制盐工序；两个远程机柜室分别在小苏打和包装工序，均为重灰主控控制站的从站。工程师站室设有DCS终端，通过光缆实现数据实时通讯，各操作站分别控制生产各过程的所有测量参数，并对其进行显示、记录、累计和参数调节。

除了DCS控制系统外，针对其工序自身的控制特点，联碱工序还包含有全自动包装机PLC控制系统22套、码垛机PLC控制系统13套、冰机PLC控制系统1套和螺杆压缩机组（含鼓风机）PLC控制系统7套。

1.2 现场仪表及控制

联碱工序现场共有近4000仪表点位，其中阀门310台，智能变送器600台，热电阻感温器1000套，流量计（不包含智能变送器）310台，液位计（不包含智能变送器）260台，分析仪器20套。在整体运行中，现场维护至关重要：①每天由系统工程师当班，依照点检路线进行巡检；②对重要点位——关键点重点关注。我们每天进行两次巡检，及时处理、维修或更换故障仪表。对于高故障率仪表进行了改造、换型等工作，使得联碱的生产趋于稳定、优化。此外，联碱工序还有52套随机设备自带控制柜（包含控制器及随机仪表），分别为精铵、干铵、粒铵布袋除尘系统，压滤控制系统、碳化带式过滤机控制系统、重灰鼓风机控制系统、螺杆鼓风机控制系统、制盐球磨机控制系统、制盐离心机控制系统、冰机制冷控制系统等。这些随机设备的控制系统都自带控制器（PLC），程序固化，独立工作。随机仪表种类繁多，包含压力开关、接近开关、行程开关、温度变送器、小型电磁阀等，是我们维护的难点。

2 控制仪表仪器的改造和优化

2010年开工以来，随着投产及系统、工艺优化，我们对参数精度的情况进行系统的升级。联碱工序正式开工以来，仪控专业在维保过程中陆续改造和完善一些设计和施工不合理的地方，例如部分阀门的整改、液位计的换型、流量计的更换、重要设备联锁的添加等等。下面按照仪表的类型依次进行阐述。

2.1 现场压力仪表的改造

我厂联碱工序所有的压力仪表均采用智能型压力变送器，其具有远程通信的特点，利用手操器即可对现场变送器进行各种运行参数的选择和标定，精度高，使用与维护方便。在开工近四年的时间里，压力仪表整体上运行稳定、指示准确，部分仪表存在缺陷、对运行及操作造成不利影响，维修不便，我们进行了改造。

2.1.1 碳化塔压仪表的换型

碳化塔压原设计是压力测点通过φ14引压管线与压力变送器相连接，其引压管线较细，经常会被工艺管道中的杂质堵塞，而且温度低易结晶，需要在冬季做保温、伴热，维护不方便。此处已逐步更换为直连式压力变送器，同时将根底阀门改装成1／2球阀。通过换型，不仅仪表显示准确无误，而且一旦发生故障，拆装仪表、疏通测点方便、简捷，能够及时排除故障，不耽误生产。

2.1.2 干铵炉顶部压力表的换型

干铵炉顶部压力为负压，其实际压力较小，在生产过程中经常出现压力表显示不准确或显示最大值的现象。此测点在最初的仪表选型上选用了横河EJA210EM型仪表，其压力范围为0～100kPa，虽然可以进行100%全迁移，且满足测点的应用量程（－1.2～0kPa），但由于应用量程过小而影响了仪表的精度，所以经常发生故障。更换为罗斯蒙特3051TG0A型仪表，其压力范围是0～6.37kPa，安装后将量程迁移至－1.2～0kPa，重新投入使用后，仪表显示准确，精度大大提高。

2.1.3 减温减压随设备自带压力表的换型

减温减压后蒸汽压力是联碱系统中非常重要的仪表点位，但随设备自带的3块压力表选用的是老型的压力变送器，没有现场表头，PLC均无显示，处理问题时不便观察，无法随时监测压力变化，由于其管道内压力过高，极易发生安全事故。因此我们改用了3051TG3A智能型压力变送器。换型后，精度等级提高的同时也方便了仪表人员平时的巡查和现场检修维护工作。

2.2 现场流量仪表的改造

联碱装置Ⅰ、Ⅱ过程物料品种多，气、固、液三相测量难度大，生产过程效率和水平的提高，首先依据准确测量。我们根据不同生产工况大致选用了五种类型流量计，即电磁流量计、质量流量计、涡街流量计、超声波流量计和差压式流量计。

2.2.1 电磁流量计

电磁流量计的测量与流动介质、温度、流体是否布满管道、流量大小等密切相关。联碱工序共有电磁流量计123台，以碳化、苏打、结晶工序最为集中，由于与老厂区的生产工况（管道材质、介质等）略有差别，因此对仪表参数的设定有影响，导致原仪表测量结果不准确。我们通过测算，重新出具仪表参数数据表，并结合实际现场工况重新选型。现已将碳化出碱流量、苏打出碱流量、结晶AII流量等与老厂工况差异较大而造成流量不准确的电磁流量计进行了更换，更换后流量显示准确，便于操作人员控制工艺指标。

2.2.2 质量流量计

联碱工序进界区液氨流量是生产成本核算的重要参数之一，计量要求精度0.25%，计量人员在进行阶段统计时，发现经常与合成氨出口的液氨流量有偏差。经过仪器现场实际测量，发现原来选用的超声波流量计并不适用于该工况，且其精度等级1%不能满足测量要求，所以我们选用了质量流量计替代了原来的超声波流量计。由于介质密度受温度、压力、黏度等因素影响很大，因此直接选用质量流量计从根本上提高了测量精度，省去了繁琐的换算和修正，这对物料平衡、生产成本的核算提供了方便，而且显示更为精确，故障率几乎为零。

2.2.3 涡街流量计

联碱工序共有59台涡街流量计，其中碳化中、下段气流量各18台，为主要使用涡街流量计的装置测点。使用过程中，还应关注介质中杂质可能造成结疤，影响测量结果。

2.2.4 超声波流量计

超声波流量计用于导声流体的测量，可以测量非导电性介质，是对电磁流量计的一种补充，可用于特大型管道，安装时需要严格遵照规范进行。例如除盐水的电导率低，电磁流量计指示波动大，且时常无显示，现改为超声波流量计，使用效果良好，抗干扰性相对很好，流量趋势平稳。

2.2.5 差压式流量计

煅烧入炉蒸汽流量节流件的更换是差压式流量计在联碱工序的一个改造典型，由于新厂区的煅烧生产工艺与老厂的生产工艺有着较大的区别，原设计的孔板节流装置使用日久后，导致节流装置的形状和尺寸发生变化，孔板入口边缘的尖锐度由于冲击、磨损和腐蚀而变钝，这样在相等数量的流体经过时所产生的压差将变小，引起仪表指示不准确（多数偏低）。我们选用了A＋K平衡流量计代替，A＋K品牌是目前仪表市场上较为准确的节流装置，换型后，仪表指示准确，从而确保了操作人员能够精确控制煅烧炉的用气量。

2.3 现场温度仪表的改造

联碱工序共有温度仪表1 000多台，分布于各个工序之中，包含温度变送器和热电阻感温器。温度的测量与控制有着重要的作用，其测量与控制是保证化学反应过程正常进行与安全运行的重要环节。

对于温度仪表的改造，联碱工序大致分为两大类型。一类是感温器保护套材质不适用于生产环境，另一类是温度仪表的换型。

结晶外冷工序液氨循环罐出口温度原设计是插入深度750mm，保护套材质为钛合金的感温器，由于管道内介质是液氨，低温情况下钛材质保护套容易发生断裂，导致频繁更换，从而提高了维保成本。在工艺条件允许的情况下，逐步改为插入深度300 mm，不锈钢材质保护套的感温器。长度变短了，不易弯折，材质改变了，更加耐用，不易损坏，从而也提高了仪表测量的精确度。同样的改造工作也应用在了煅烧出碱温测点上，只是出碱温的环境更适用于硬度大、耐高温的保护套材质。

另一类关于温度测点的改造是仪表的换型。例如重灰鼓风机的定子温度、轴承温度全部由铂电阻感温器替代了原设备自带的温度变送器，这样既降低了故障率，也便于维护、更换和备件型号的统一。（另外关注环境情况，要注意解决抗振问题）。

2.4 现场液位仪表的改造

联碱工序所应用的液位仪表大致有三种，即雷达液位计、磁翻板液位计、差压式液位计。其中以雷达液位计的应用最为广泛。

雷达液位计：在联碱工序包装仓、压滤盐泥罐和结晶桶区等都应用了此类液位仪表。其中，结晶桶区包括母II桶、冷AⅠ桶和热AⅠ桶各两个。在工艺生产中，桶内母液随着母液交换密度随时发生变化，因此原设计所使用的测量结果与被测介质密度息息相关的差压式液位计便不适用于该装置中，导致液位的测量结果随之偏差。雷达液位计不会因为密度的改变而影响测量结果了，也降低了生产和维保成本，不会发生因为冒液而造成的母液损失和仪表损坏现象。

磁翻板液位计：在联碱工序循环水池液位和冰机制冷的经济器液位测量应用了此类仪表。此类仪表投用后基本稳定，偶有小故障也比较容易解决。

差压式（压力式）液位计：在联碱工序结晶滤液桶、AⅡ桶、半Ⅱ桶、外冷液氨循环罐上应用了此类仪表，显示基本准确，但在投用前要注意对其量程进行迁移。

2.5 现场阀门的改造

我厂联碱工序主要应用了气动和电动执行器。联碱工序共有仪表阀门342台。开工以来，针对碳化出碱阀、煅烧炉气自调阀、压缩循环阀、重灰流化床冷却段自调阀等频繁出现问题的地方，我们对其进行了改造或换型，解决了原来的力矩小、容易电气短路和机械卡死的故障问题。

碳化出碱阀因碳化塔出碱管道内介质易形成结晶和结疤，致使阀门卡死和阀门定位器损坏现象。首先，将智能定位器改为了机械定位器，这样不仅增强了定位器的耐用性，也节约了成本。智能定位器虽然在控制上更为精确，但在恶劣的环境中并不耐用。然后，根据控制系统的特点和工艺生产的特点将执行机构由原来的膜片作用形式更换为单汽缸双作用形式。通过改造，阀门故障率明显下降，保证了生产的连续性。

2.6 现场点位的增加

为了方便操作控制和结算生产成本，增加了许多现场仪表点位。如各工序生活用水流量计、制冷工序液氨流量调节阀、结晶澄清桶管线流量计、精铵离心机除盐水流量计、压滤盐泥／AⅡ泥桶液位计等。

2.7 机房控制系统（DCS／PLC）的优化

我厂联碱工序主要采用的控制系统是杭州和利时DCS集散控制系统，其主要特征是集中管理和分散控制的先进理念。采用危险分散、控制分散，操作和管理集中的基本设计思想，多层分级、合作自治的结构形式，同时也为正在发展的先进过程控制系统提供了必要的工具和手段。卡件控制点有30%余量，升级扩展空间需要在设计时提前考虑到。在开工的四年里，我们随时根据工艺分厂对工艺提出的要求进行增减点位、增设联锁和系统完善工作，到目前为止大小项目已达100余项，下面举几个有代表性的实例：

1）联碱工程师站关于光纤通讯设备的整改。由于原设计的光电收发器的供电电源是220V转5V的变压器，无法长时间不间断工作，且集中在控制柜内不利于散热，因此并不符合工业要求，极易损坏。现改为了220V直接供电方式，将电源直接接入接线箱，这样既可以长时间不间断工作，也节省了机柜内部的空间。

2）程序的更改与联锁的增设：煅烧重碱皮带与碳化带式过滤机之间的联锁增设；球磨机联锁停车与允许开车的增设；粒铵压实机联锁停车的增设；包装计数器的增设；外冷切断阀系统装置的增设，碳化带式过滤机开车允许的更改，等等。

3）系统操作画面的改动与完善。随时根据工艺要求进行在线更改和操作站下装，方便了工艺人员的监视和操作。

4）压缩工序螺杆程序与鼓风机程序的分离。由于新厂区刚开工阶段，老厂区7＃螺杆还在运行生产中，因此起初将2＃鼓风机的程序和点位都接入了2＃螺杆控制器和机柜中，螺杆是联碱生产的“煤气化”，如果程序不分开，极易导致下装误操作，维护起来十分不方便。在老厂区停产后，7＃螺杆柜搬运至新区，作为2＃鼓风机控制柜使用，我们将原来的现场接线全部接入新柜子，程序也重新下装到新控制器中。这样将鼓风机、螺杆的控制系统分开，不会互相影响，也便于日常维护。

5）根据工艺分厂要求，部分车间增设、转移操作站。开工以来，碳化、煅烧、重灰、结晶、制盐（洗盐）等工序由于其控制点位较多，工艺复杂等原因，在现场操作室内原有配置的基础上又分别增加了1～2台操作站。

2.8 现场随机控制柜的改造

压滤工序控制机柜离油站太近，且机柜外皮已被腐蚀，密封性差，导致机柜内部电路经常短路，电气元件也经常出现故障。现将机柜远离了油站，并增设仪表接线箱，重新定做机柜，将外皮材质换成了316不锈钢，现在压滤5套系统均运行稳定，具备长周期运行条件。

3 联碱自动化控制的体会及认识

联碱生产由于其自身的特点，在自动化水平软件开发上还有待提高，尤其是要改变老厂区的操作方法与控制理念，向现代煤气化项目学习，借鉴他们DCS及ESD系统集控经验，实现联碱项目的自动控制水平再提升，这样既可以减少人力、方便生产，又是未来化工生产的趋势。接下来的工作，我们就是要在立足生产的基础上，通过改造，实现联碱系统的先进控制。

首先，外冷工序增加液氨循环系统切断阀是2013年联碱工序的一个重要技措项目。它的设计初衷是由仪表切断阀代替工艺手阀，以实现远程操作，并逐步实现自动化控制。根据现场环境和工艺自身特点，需要我们在选择阀门时要充分考虑其密封、结晶等问题，在阀门选择无误的基础上，做好系统相关的组态和调试工作，在实现外冷系统倒换阀门由手动操作改为自动控制的基础上，实现外冷系统阀门切换的DCS时序有效控制目标。

第二，在联碱工序中，集中控制管理的思想理念有待提升。所谓集中控制管理就是在分散控制的基础上，告别以往只是通过调度员电话通知操作的老模式，而是通过不同级别的体系完成各自的工作。由于联碱项目有着片大、分散、工序多等特点，传统操作模式和控制思想根深蒂固。起初，依照原设计的控制理念，80万吨联碱项目自动控制系统的建成，是为了使联碱所有工序的生产操作都集中在中央控制室，实现仪表控制的自动化。但是在投入生产后，我们发现前期的人员培训覆盖不够全面，部分人员对新工艺掌握不够深入，操作人员对控制理解不深，在进一步进行人员培训的同时，为了方便工艺人员的就近操作和相互联系，逐步将中央控制室内部分操作站又如老厂模式转移到了各现场操作室内，这样虽然暂时方便了岗位间的联系和操作，可以维持生产，完成产量，但是大大增加了操作人员和维保人员的工作强度和工作量，与现代自动化工生产发展趋势相悖。现阶段我们通过细化设置其操作权限和操作级别以实现集中管理控制。以后如果条件允许，在优化现场操作的基础上，我们还是希望将部分现场操作站转移到中央控制室内。所以人员培训应在项目前期得到重视，避免走“回头路”。

第三，现场随机设备控制器的维护和管理也是现阶段仪控专业的一项攻关难题。我们虽然已将压滤系统、布袋除尘系统、制盐离心机系统的PLC程序导出，但是由于其自带控制器独立工作，程序固化，有些程序只能读，不能写，因此在程序的修改上并不是很方便，对于工艺提出的要求并不能立刻实现。通过我们与设备厂家的沟通交流，并加强串口技术和PLC控制系统的学习，现已将随机设备的控制器与PLC S7 200运行平台相结合，能够将程序读写和下装。现在我仪控人员正在研究将随机PLC控制器系统通过串口技术引入到DCS控制系统中去，将不同控制系统串联在一起，能够更方便、有效地监控随机设备的仪表参数。

第四，实现所有阀门的自动调整功能。一个自动控制系统的过渡过程或者控制质量，与被控对象、干扰形式与大小、控制方案的确定及控制参数整定密切相关。在控制方案、被控对象及控制规律已然确定的情况下，控制质量就取决于控制器参数的整定了，即PID，它是控制质量最重要的环节。现阶段由于部分工况不理想、操作人员手动的操作习惯，部分阀门还并没有习惯性地投入自动，我们在随时与工艺人员了解工况的同时，加强对系统自身和控制器PID参数整定的学习。不同情况不同分析，比如：液氨循环罐进液流量调节阀的PID调整就要通过衰减曲线法来进行调试；而螺杆安全放空阀就要根据其是否并入系统而随时调整，应用的是经验凑试法；碳化出碱阀根据其出碱流量的大小，可采用临界比例度法。我们希望在仪控专业的配合下，随时优化PID参数指标，实现联碱所有阀门的自动控制，进而实现整套控制系统的自动控制。