粒碱生产装置的集中控制

陈军,王明杰

(天辰化工有限公司，新疆 石河子 832000)

天辰化工有限公司(以下简称“天辰化工”)粒碱生产采用的是瑞士博特化工装置有限公司的装置，采用膜式法生产工艺。装置分为3期，控制室各自单独设置(其中1期和3期为一个控制室，2期为一个控制室)，两个控制室通信线缆距离大于200 m，操作人员比较分散；其控制系统主要包括DCS和熔盐炉加热系统，其中1期和2期各有2套熔盐加热系统，3期有1套熔盐加热系统。

1 控制系统现状

1.1 碱系统DCS

主体碱系统采用横河西仪有限公司提供的CENTUM CS-3000控制系统，设置2个控制域(分别为1期、2期控制系统)。1期和2期DCS各配置了4台工作站：1台工作站作为工程师站，具备设计组态、仿真调试及操作监视功能；另外3台工作站作为操作员站，具备操作监视功能。每台工作站都带有独立的主机，工作站之间互为工作冗余，采用WindowsXP作为操作系统，开放的冗余网络结构，支持DDE/OPC。系统各级网络均采用冗余设计，网络上的各单元为独立单元，其中任意一个节点故障都可安全摘除，不会影响其他单元的正常工作。系统配置实时数据网Vnet/IP ，采用IEEE802.3以太网传输协议，速率为1 000 Mb/s。内部ESB总线通信速率128 Mb/s。DCS网络图如图1所示。

图1 DCS网络图

1.2 燃烧炉控制系统

烧碱蒸发装置配套的燃炉控制单元是独立的子系统(1期和2期的4套装置由博特公司提供的成套设备，3期的1套装置为国产自主开发的系统)，在开停车、升降负荷时需手动操作仪表，控制盘柜与装置的距离受到限制，根据生产装置现场位置，与DCS设置在同一控制室。

燃炉控制系统由燃烧器控制器、PLC控制器、HMI触摸屏人机界面、VMS(VMS为燃烧复合管理控制仪表)、现场测量及控制仪表等组成(如图2所示)，分动力控制及仪表显示控制两部分。动力控制主要控制循环泵，燃烧器等主设备的启、停功能，为保证加热炉正常运行，泵与燃烧器之间设有联锁控制。仪表显示控制中熔盐炉负荷根据燃炉出口熔盐温度的设置，通过负荷控制器控制燃烧器上的电动阀，同步控制风门挡板和燃气蝶阀，燃料输入量与鼓风量形成联动，从而控制负荷的变化。燃烧器控制器按顺控程序自动运行，并与PLC共同完成联锁报警控制。HMI触摸屏提供人机交互界面，并记录异常报警历史。在系统中，燃料和空气量的变化经由数字式燃烧管理器VMS进行精确控制，同时，它还具有负荷比及氧量调节功能。

图2 燃炉控制系统框图

2 集中控制的实施

2.1 集中控制的优势

通过共享数据，对粒碱生产装置1期、2期和3期过程控制进行智能化集中；通过布置在生产现场的专用设备，对整个生产过程实现数据实时采集、控制和跟踪；通过控制设备、操作人员、工艺品质控制、流程指令和其他设施等工厂资源来提高生产效率，实现精益生产，且为后期智能化、信息化改造打下基础。

2.2 设计方案

集中控制的核心是实现DCS的集中、燃炉HMI触摸屏的远程控制和VMS智能仪表的远程控制(3期燃炉控制已经改造为由1期DCS进行控制)。设计思路是通过光缆信号传输，将各类信号远距离传送至2期控制室，最终在2期控制室集中控制粒碱装置1期、2期和3期的生产。燃炉远程控制方案如图3所示。

图3 燃炉远程控制方案示意图

2.2.1 燃炉HMI触摸屏远程控制的实现

现场控制柜人机界面HMI为ProFace AGT3600型，具有远程监控的功能。GP-Viewer EX 是一款用于显示、操作远程人机界面的应用程序。两者结合使用，可执行远距离日常操作及维护，并可实现故障恢复及监控故障排除等操作。使用HMI的远程监控功能，计算机和人机界面HMI必须在同一网络中，且计算机上必须安装 GP-Viewer EX软件，人机界面HMI上必须设置相应授权。

2.2.2 VMS远程控制的实现

VMS控制器是燃气负荷调节的关键仪表，设有电脑(PC)接口RS-232与PC进行通信连接。RS-232接口也称标准串口，是常用的一种串行通信接口，使用9芯D型插座(DB9)。RS-232采取不平衡传输方式，即所谓单端通信。由于其发送电平与接收电平的差仅为2 ～3 V，所以其共模抑制能力差，再加上双绞线上的分布电容，其传送距离最大约15 m，最高速率为20 kb/s。RS-232是为点对点(即只用一对收、发设备)通信而设计的，其驱动器负载为3～7 kΩ。所以RS-232一般适合本地设备之间的通信。

为了实现远距离通信，天辰化工采用光缆及串口光猫转换模块，连接VMS控制器至2期控制室PC,通过远程监控软件FmsVms进行操作，可保存内部参数和控制曲线，并实现远程控制和燃烧曲线的图形化显示，如图4 VMS4监控画面。

图4 VMS4监控画面

2.2.3 DCS的实现

通过Vnet/IP网传输，介质采用光纤，通信距离最远可达20 km。光纤是极为方便的一种传输讯号工具，缆线其中一根纤细的光纤，就可以取代上千条以上的实体的通信线路，完成大量及长距离的通信工作。

光纤传输有如下8大优势：①灵敏度高，不受电磁噪声的干扰;②体积小、质量轻、寿命长、价格低廉;③绝缘、耐高压、耐高温、耐腐蚀，适用于特殊环境;④几何形状可依环境要求调整，信号传输容易;⑤高带宽，通信量大，衰减小，传输距离远;⑥信号串音少，传输质量高;⑦保密性高;⑧便于敷设及搬运原料。

将1期控制室中3台工作站迁移至2期控制室，通过交换机、光缆及光电收发器与1期控制室机柜间的DCS控制站进行通信，并将1期、3期现场效体自循环阀及部分动作频率较高的手动阀门更换为自控阀门，便于中控人员及时调节，降低劳动强度。

2.3 具体实施

2.3.1 燃炉触摸屏程序修改

利用PROFACE GP-Viewer-EX软件，通过独立的LAN网络将触摸屏上的LAN接口与现场燃炉控制柜间的光电转换器直接相连，并通过单模跳纤、盘纤盒、光缆连接至2期中控室PC端接收,将燃炉控制柜触摸屏操作界面同步传送至PC端显示器；通过修改燃炉触摸屏工程程序，实现就地盘柜与远端PC同步监控与操作。PC与触摸屏的通信如图5所示。

图5 控制室PC与触摸屏的连接

Fig.5 Link between PC and touch screen in control room

2.3.2 VMS控制器实现燃气负荷调节远程控制

使用串口光猫，将RS-232/422/485串口数据通过光纤媒质传输的通信产品实现远程控制。光纤接口采用双SC、FC、ST等(FIBER-TX、FIBER-RX)接口，串口端物理接口为12孔接线柱形式。同时提供RS-232/422/485接口，可实现RS-232/422/485串行数据通过光纤的远距离传输，可以有效延长串行通信信号的传输距离，克服了传统串行通信的距离短、抗干扰能力差的缺点，也解决了电磁干扰、地环干扰以及雷击和浪涌的难题，极大地提高了数据通信的可靠性、安全性和保密性。串口端同时提供RS-232、RS-422和RS-485 3种接口，串口端自适应RS-232、RS-422和RS-485接口，使用简单、方便。VMS4远程数据传输示意图如图6所示。

通过使用VMS - Remote Control Software软件、串口光猫通信模块及敷设缆线，实现远端PC与控制柜端VMS智能仪表进行通信，实现两地控制。图6中，VMS远程数据传输，实现燃炉负荷的手动/自动调节及空燃比的调节。

图6 VMS4远程数据传输示意图

Fig.6 Diagram of VMS4 remote data transmission

2.3.3 DCS的实现

从1期控制室迁移至2期控制室的工作站通过光缆连入1期Vnet/IP网与控制站通信，实现远程控制。实施后DCS结构图如图7所示。

图7 实施后DCS结构图

Fig.7 Structural diagram of implemented DCS

通过编写DCS程序，将燃炉控制柜上部分温度信号及燃炉状态信号接入DCS显示，对燃炉控制系统的现场信号实现监控和趋势记录。

碱系统自循环阀是手动阀门，需人工控制开度，保持效体内碱液成膜效果，现更换为自控阀门；同时，将浓碱稀释系统自循环手动阀、现场操作较频繁的部分手动阀更换为自控阀，由DCS控制，方便中控人员及时调节，保证系统正常运行，也降低了操作人员劳动强度。

3 应用效果

该项目在天辰化工实施后，自2017年7月开车以来，运行效果良好，达到了预期的目标：实现了远程、就地同步监控和操作DCS及燃炉控制系统，大大提高了工作效率，提高了信息集成度；实现了减员增效，中控岗位由16人减至13人；起到了示范作用，同行企业已计划逐步实施该项目。