先进控制系统的优化升级

李炳倩，罗 杨

（山东海化股份有限公司纯碱厂，山东 潍坊 262737）

1 项目概述

山东海化股份有限公司纯碱厂新线先控系统项目（以下称先控系统），是2004年与浙江中控软件公司共同合作（60万吨的先控系统的实施范围为：石灰工序、蒸吸工序、碳化工序、煅烧工序、压缩工序）开发完成的，项目于2005年5月完成验收。到2008年，海化纯碱厂由于产能扩大，再一次与中控软件合作，2009年完成新增装置的先控系统实施，2010年完成新老装置的先控系统整合及软件的升级，并完成项目的验收工作。

先控系统投用以来，解决了常规控制中不能解决的各种难题，有效的克服了干扰和滞后影响，稳定了装置工艺参数的平稳性，大提高了装置的自动化程度，统一了操作人员的操作方法，降低了操作人员的劳动强度，在保证装置工况良好的情况下，实现产量最大化，品质最优化。

但经过多年的运行，由于基础仪表和自调阀性能变差、OPC通信异常、生产工艺改变及工艺指标更改等情况，导致当时的控制策略跟现有的工艺、控制条件偏差较大，从而使各工序的先控系统不能很好解决相关的控制过程。

2 先控系统问题分析

先控系统目前存在的硬件问题大多与基础仪表和自调阀有关。软件方面存在部分先控挂不上，程序反调，先控自掉，参数修正不及时等问题。具体情况分析如下：

2.1 基础仪表和自调阀性能变差

通过操作工反映及现场测试，我们发现碳化塔中段气流量、下段气流量、出碱液流量共约20个调节阀不能投用自调。不能投用的主要原因是自调阀PID参数不合适，也有部分是流量计不准，或是自调阀非线性严重等问题。另外，有近一半的碳化塔中段气流量显示值偏小（正常情况下应该显示4 000～6 500m3／h，但是实际显示为3 000m3／h左右，有些甚至只显示1 500m3／h左右，偏离实际值太大）。

2.2 OPC通信异常

纯碱厂新线西门子系统OPC服务器是西门子公司DCS系统的数据扩展应用站，用于支持DCS系统与其它网络完成信息通讯，完成DCS系统过程信息数据与其它应用软件的集成。目前该装置生产线有2套DCS系统，其中100万吨／年的老装置用1套、新增60万吨／年的新装置用1套。每套DCS系统配置4台服务器，1个工程师站，1台OPC服务器。我厂的先控系统上位机通过网卡与OPC服务器联接，实现先控系统对DCS系统的数据采集。硬件结构原理见图1所示。

随着我厂生产规模的不断扩大和自动化水平的不断提高，以上两套装置的OPC服务器配置和现有的数据点越来越不能满足生产的要求（生产规模扩大、设备增加、系统需扩展等），再加上OPC服务器运行多年，电脑核心部件老化，故障率增多，稳定性越来越差，制约了先控系统的投用，因此首先要对OPC服务器进行升级。

图1 系统采集硬件结构原理图

2.3 生产工艺改造及工艺指标更改

部分工段由于更改了管线和控制阀门，导致原有的先进控制策略与现有工艺条件不符；比如：碳化塔尾气压力控制，当时的工艺指标在60～70kPa，如今4＃、5＃组尾气压力都控制在70kPa以上，先控系统的参数设定与现有工艺指标不相符。

2.4 先控系统多年未进行控制策略改变

由于以上支撑先控系统的基础条件发生了改变，但是先控系统控制策略却没有跟进改变，直接影响了先控系统的使用。

3 先控系统优化升级方案

先控系统优化的方案主要包括3部分的内容，基础仪表和自调阀的的维护、OPC服务器的升级和先控系统的过程优化。

3.1 基础仪表和自调阀的的维护

首先由仪表技术人员根据工艺人员提出的相关仪表和自调阀的问题，逐一查找排查，对不能投用自调的控制阀进行PID参数整定、阀门检修、更换等维护工作。

3.2 解决OPC通信问题

对两台OPC服务器进行更新升级，具体步骤如下：

1）将装好系统的新OPC服务器摆放到正确位置，整个系统的安装全部使用光盘，杜绝了U盘病毒的传播，每台服务器都进行了GHOST镜像封装，可以快速进行系统恢复；

2）确认切换不会对生产造成影响；

3）将老OPC服务器的网线按照顺序插到新的OPC服务器上；

4）从ES站对新OPC服务器进行下载，包括站下载和监控画面下载；

5）测试新OPC服务器的监控画面是否全部与PLC进行了连接，有无未连接的点；

6）测试新OPC服务器是否可以给浙大中控及其他计算机提供数据；

7）测试完成，将老OPC服务器的1613网卡安装到新OPC服务器；

8）一切数据通讯正常，OPC服务器升级完成。

3.3 先控系统的过程优化

1）石灰工序先进控制优化

物料平衡控制方面：维持了石灰仓料位稳定，实现了上料量与石灰出料平衡，即保证了生石灰满足后续工序的生产需要，同时维持石灰窑料位稳定；在能量平衡控制方面：合理调整配焦比和窑底送风量，稳定煅烧区位置及窑顶、窑底温度，保证窑气浓度合格。

2）蒸吸工序先进控制优化

蒸吸工序预热母液温度控制的补充蒸汽，更改了管线和控制阀门，导致原有的先进控制策略与现有工艺条件不符，优化主要是修改控制变量和参数，通过实时动态调节进塔乏汽流量，并克服乏汽压力和母液进塔流量波动的影响，实现对预热段出口母液温度的平稳控制。

从运行效果来看，在系统相对平稳状态下，加热段出口母液温度平稳性有了更好的提高，降低了氨耗，减少了蒸汽消耗，同时也降低了操作人员的劳动强度，提高了自动化水平。

下面以2＃蒸氨塔为例介绍热母液温度在先控系统投运前后的变化趋势对比情况。（单位：℃；采样时间：5S／点；数据长度：5 000点）

图2 2＃蒸氨塔先控投运前母液温度变化趋势

图3 2＃蒸氨塔先控投运后母液温度变化趋势

表1 2＃蒸氨塔先控投运前后母液温度变化

从以上数据比较看出，其平均波动幅度较系统投运前有了明显改善，波动幅度平均降低35%以上。不过由于煅烧停炉较为频繁，同时蒸汽阀自身的非线性较严重等问题，影响了对先进控制的连续投运。除此之外，在生产正常状态下，先控系统基本可以代替人工操作，能够有效抑制系统的波动，降低氨耗。

3）碳化工序先进控制优化

碳化塔尾气压力控制，当时的工艺指标在60～70kPa，如今4＃、5＃组尾气压力都控制在70kPa以上，先控系统的参数设定与现有工艺指标不相符。我们现场调研，与工艺操作人员交流之后，将4＃、5＃组尾气压力的工艺控制指标定为70～75kPa。

碳化工序先控系统主要通过对碳化塔各关键工艺指标（尾气压力、塔底压力、中部温度、中和水温度、出碱温度等）的平稳控制及控制目标的优化设置，提高碳化工序的整体自动化控制水平。此先控系统以产品质量为第一优先级控制目标，以产品产量为第二优先级控制目标，即通过改善碳化过程控制的及时性和平稳性的方法，在保证碳化塔中部温度的前提下，根据生产实际情况，实现各塔出碱放量的动态调整，并尽可能满足总出碱量的要求。此先控系统集成了海化碱厂的生产需求和实际生产经验总结，符合碳化工序的实际生产工况和操作要求。

在工艺指标控制方面，经过逐步细化和改进，目前已取得明显控制效果，并在生产相对平稳阶段实现了连续投运，系统提高了碳化过程综合自动化水平，减少了人为干扰，在目前25座碳化塔运行情况下，只有一个司塔操作，并能轻松应对，可见系统的运行大大降低了劳动强度，减少了人力成本。

下面简要介绍碳化塔关键工艺指标在先控系统投运前后的对比情况（以一个塔举例说明）。

碳化塔塔底压力运行曲线（单位：MPa；采样时间：5s；数据长度：5 000点）

图4 1＃塔先控投运前塔底压力变化趋势

图5 1＃塔先控投运后塔底压力变化趋势

表2 1＃塔先控投运前后后塔底压力变化

表3 12＃先控投运前后后23圈温度变化

从以上数据来看，碳化塔的塔底压力、23圈温度等关键工艺指标变化趋势较系统投运前有了明显改善，波动幅度平均降低30%以上。但由于生产中需要定期倒塔，并且经常随机出现其它工序发生故障如煅烧炉非计划停炉、压缩机故障等原因造成尾气压力的较大波动等不正常情况，对碳化塔的平稳运行产生一定的影响。除此之外，在生产正常状态下，先控系统基本可以代替人的操作，有效抑制系统波动，保持碳化生产平稳，从而稳定了产品质量。

图6 12＃塔先控投运前23圈温度变化趋势

图7 12＃塔先控投运后23圈温度变化趋势

4）煅烧工序先进控制优化

煅烧炉出碱温度的控制：由于轻灰煅烧工序存在湿重碱刮刀不好用，需要利用专家控制策略进行完善。

由于轻灰煅烧工序存在湿重碱刮刀不好用、皮带秤称量不准、蒸汽调节阀非线性等问题，制约了先控系统的控制效果。经过一段时间的投运调试，主要调节蒸汽压力对出碱温度进行控制，利用专家控制策略，当皮带“跑偏”，刮刀定位不准的干扰因素下，提前改变蒸汽压力的设定值，克服煅烧炉大滞后难题，实现出碱温度的平稳控制，保证产品质量指标，平衡各炉的蒸汽用量，降低蒸汽消耗。

5）压缩工序先进控制优化

新线压缩车间的三段气总管无流量仪表，操作人员无法获知压缩机的出气量，而在碳化工段每台碳化塔安装下段气流量计、中段气流量计和清洗气支管流量计，在压缩工段无法监控三段气总管流量，为此我们制定了以下解决方法：

①将碳化工段的1＃～25＃碳化塔的下段气流量、中段气流量和清洗气支管流量进行累加求和，作为三段气总管流量值；

②将碳化三段气流量的总量实时值传送到先控系统的OPC服务器，在OPC服务器上编制程序块将碳化三段气流量的总量实时值写入压缩控制器，在压缩工段的DCS系统上组态三段气总量模块，实现了压缩工段共享碳化工段的三段气流量总量实时值；

③在压缩DCS系统编制三段气流量总量实时值的显示模块。

优化后解决了压缩工段无法检测出口气量的难题。实现了压缩工段共享碳化工段的三段气流量总量实时值，便于压缩工段操作人员根据三段气量及时调整压缩机的运行，能及时发现生产波动并将生产波动控制在最小范围，并便于工艺对压缩机的优化操作和生产控制。

压缩工序先进控制优化效果：

①三段气量平衡控制

建立压缩机转速与中段气、下段气、清洗气的平衡控制，在满足煅烧负压的同时，实时在线修正碳化对三段气的需求平衡，为碳化工序的平稳运行创造良好的工艺条件。同时，当压缩机出口压力超过允许的范围时，或者压缩机径向、轴向温度过高时，压缩机转速大幅降低，实现更高级别的安全保护。

②真空机的智能储水排水及汽水分离器的自动排水控制。

真空机的智能储水排水功能的实现，从目前投运效果来看，大大减少了操作人员的劳动强度，基本杜绝了人工操作时真空机“带水”事故；对汽水分离器的智能排水控制，大大降低了操作人员的劳动强度，改变了分离器排污阀“常排”的不合理现象，减少了三段气排污损失。