卤水采集控制系统设计

刘志伟，王晓燕

(中国天辰工程有限公司，天津 300400)

中国天辰工程有限公司承担的某国外天然碱项目包含卤水采集装置和碱加工装置，卤水采集矿区环境温度在-25～55 ℃。该项目处于地质条件复杂的丘陵地区，海拔900～1 100 m，地下的天然碱储量约448 Mt，在项目范围内有187口矿井，被分成74组，采用钻井方式实施水溶采矿。

天然碱卤水采集矿区为碱加工装置提供1 893 m3/h的卤水质量分数为17.5%的合格原料，以保证2.50 Mt/a的纯碱生产规模。2口直井和1口水平井联通后形成1个采矿(溶采)单元，利用碱加工装置的废液作为溶解水，经注井泵站加压后通过长输管线向1口直井注入，用于溶解天然碱的矿床；产出合格的卤水后，再从另外1口直井排出；通过管道把卤水送往碱加工装置，加工、精制成纯碱和小苏打。

1 卤水采集控制系统

卤水采集矿区地处地质条件复杂的山区，高度落差较大，有悬崖沟壑，因此设置了远程监控系统，用于实时监控进入矿井的溶解水及矿井产出卤水的工艺参数。

在卤水采集矿区，每口矿井的地面管线均配有以下设备： 1台质量流量计，用于测量介质的温度、密度、质量流量；1台电动控制阀，用于调节介质的质量流量；1台压力变送器，用于测量介质的压力。在中心控制室的操作站可监控矿区187口矿井的卤水参数及系统网络运行状况。

在设计过程中，根据矿区地形、地势分散布置了49套远程IO站，187口矿井出口天然碱卤水的温度、压力、流量、密度、阀门信号，由远程IO站进行信号采集，采集的所有仪表信号通过硬线接入远程IO站；49套远程IO站采用Modbus TCP/IP协议，分别通过冗余光纤接入布置在矿区的9对冗余交换机，再通过9对冗余光纤连接至矿区交换机，实现与中心控制室内DCS的通信，该项目使用光纤118根，总长约1×105m。

2 卤水采集控制系统解决方案

2.1 系统配置

远程IO站配有冗余直流电源、通信网关、IO卡、光电转换器等，远程IO站应选择耐低温型，能满足-25 ℃的环境要求；整个矿区配有9组冗余交换机，就近连接远程IO站，有效地分散了通信风险，每个交换机有8个光口，连接远程IO站数量不超过6个；9组冗余交换机通过冗余光纤连接中心控制室内的1套冗余交换机；中心控制室内1套冗余交换机通过网线连接DCS的冗余CPU；同时，配备了1台工程师站用于组态调试，2台操作员站用于监控187口矿井出口天然碱卤水的温度、压力、流量、密度、阀门信号等，卤水采集控制系统结构如图1所示。

图1 卤水采集控制系统结构示意

2.2 现场仪表配置

矿井出口管线内的介质除卤水外，还含有气体，属于典型的气液两相流，因此选用气液两相型质量流量计，该质量流量计可输出介质的质量流量、温度、密度3路信号；电动控制阀与质量流量计组成闭环调节回路，调节矿井入口介质的质量流量；配备了压力变送器用于测量管线压力。

2.3 系统网络设置

该项目中，卤水采集控制系统的通信网络可靠性至关重要，每套远程IO站网关有2个网口，采用“1进1出”方式与冗余交换机及冗余CPU建立环网以实现网络冗余，假如网络中任一节点故障，信号均能从环网中其他路由传至中心控制室，有效地提高了网络安全性。

2.4 网络故障监控

该系统有近300个网络节点，网络安全至关重要，在工程师站安装了交换机网络管理软件，用于监控矿区全部网络状况，一旦某个网络节点通信故障，可在网管软件上监控交换机接口状态信息；网管软件把网络状态数据通过OPC通信到WINCC，通过PCS7软件的二次开发，在操作站上可显示网络状态预警，以方便操作人员及时得知矿区网络状况及具体故障节点位置，提高了维护效率。

2.5 电源故障监控

每套远程IO站内配有24 V直流冗余电源，每个电源故障报警信号通过硬线接入临近远程IO站，再传输至中心控制室，在DCS上实现电源状态监控。

2.6 软件开发

在软件组态过程中，采用西门子PCS7软件平台进行了二次开发，实现了1对CPU与第三方的49套IO站同时通信，编制相应程序，通过Modbus TCP/IP协议读取49套远程IO站中的AI，AO，DI卡中数据。

2.7 工艺操作模式组态

编制的监控程序，对每口矿井具有5种可选择的监控模式：

1)模式0。该模式为未启用，选择0时，该矿井的相应参数信息为灰色，表示该矿井未投用。

2)模式1。该模式为手动控制，选择1时，该矿井相应参数信息为绿色，表示该井管线控制阀只能手动调节，该模式用于溶解水注井。

3)模式2。该模式为自动控制，选择2时，该矿井相应参数信息为蓝色，表示该井管线控制阀只能通过流量调节回路自动调节，该模式用于溶解水注井。

4)模式3。该模式为全开模式，选择3时，该矿井相应参数信息为粉色，表示该井管线控制阀只能全开，不能接收其他调节信息，该模式用于卤水回水。

5)模式4。该模式为故障模式，选择4时，该矿井相应参数信息为红色，表示该井处于故障模式。

在PCS7上选择累加程序，把处于模式1与模式2状态的全部流量计数值累加，即可得到全部注井溶解水量；把模式3的全部流量数值累加，即可得到全部卤水产量。通过注井溶解水量与卤水产量的差值，可以得知溶解水在矿井下的损耗量，该累加程序可替代完成1台回水总管的大口径质量流量计累积工作，从而有效降低了设备投资。

3 主要创新点

该项目卤水采集控制系统设计及软件开发过程中，主要创新点体现在以下几个方面：

1)针对地质条件恶劣的矿区，卤水采集采用远程IO站方式实时监视、控制。

2)采用Modbus TCP/IP协议，解决了1对CPU与49套远程IO站同时通信的难题。

3)采用“1进1出”方式，使IO站网关与交换机及CPU建立环网，保障了网络的安全性。

4)开发了网络监控程序，实时监控矿区每个网络节点的运行状况，对网络故障及时进行预警。

5)解决了每套远程IO站电源故障监控问题。

6)通过WINCC软件，把矿井状况组态为5种操作模式： 未启用、手动控制、自动控制、全开模式、故障模式，满足了用户的操作需求。

4 结束语

该项目卤水采集控制系统投用以来，运行稳定、技术可靠，应用效果良好，取得了显著的经济效益和社会效益。实际应用表明，卤水采集控制系统满足了该类工艺装置生产过程的控制要求，可以在地质苛刻的卤水采集矿区进行推广应用，对于其他类似项目的远程控制、网络配置及网络故障监控有借鉴意义。

DCS在化工项目中是“两化融合”的重要组成部分，系统组态及现场调试一般由DCS供货商完成，核心技术掌握在供货商手中，同时DCS厂家需要派技术人员长期在现场服务，现场服务费往往高于设备购置费。该项目全部DCS硬件配置、软件组态开发、开车调试，均由天辰公司自控工程师自主完成，可以节省大量资金，有利于企业提升自己的创新能力，同时能更好地为项目提供可靠及时的服务，更有助于提高国外用户对工程公司的认可度，在加快项目建设进度、提高经济效益等方面具有重要的意义。