国产大型DCSMACSV在盐化工流程控制中的应用Word格式.docx
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这里介绍
修改稿收到日期:
2007-10-31。
第一作者武平丽,女,1967年生,1991年毕业于南京化工学院生产过程自动化专业,获学士学位,副教授;
主要从事化工自动控制工程的设计、安装、调试和维护及过程控制自动化的教学与科研工作。
一种国产MACS_VDCS系统,阐述它在山东滨州海洋化工有限公司产能200kt/a离子膜烧碱、200kt/a氯乙烯及200kt/a乙炔大型盐化工装置中的应用情况,希望能为今后国内同行业自控装置的选型与配置提供借鉴。
1 MACS_V系统简介
MACA_Ⅴ系统是和利时公司在原有MACS和Sm2artpro系统的基础上开发的DCS与FCS相结合的综合
控制系统,具有OPC和ODBC接口,容易与ERP、
CRM、SCM等系统链接,实现企业信息化,已经在上千
个厂家应用,是稳定可靠的定型产品。
该系统最多可
包含32个工程组,每个组可包含8个域(即“工程”
组内的域通过监控网M2Net连接,用来实现规模较大的工程项目。
每个域由独立的服务器、系统网S2Net和多个现场控制站(即I/O站组成,完成相对独立的采集和控制功能。
一个域可带30个操作员站,40个现场控制站,单组现场控制站I/O模块数为126个,系统默认物理点数可达14000点。
系统采用全分散的模块化结构,由监控网、系统网和控制网三个层次组成,如图1所示
[1]
。
22
PROCESSAUTOMATIONINSTRUMENTATIONVol.29No.9September2008
图1Fig.1 StructureofMACS_Vsystem
监控网(M2Net为冗余高速以太网链路,系统网
(S2Net为工业以太网。
监控网中主要的通信节点有
内的数据采集和控制输出;
电源单元为主控单元、智能I/O单元提供稳定的冗余电源;
现场总线为主控单元与智能I/O单元之间进行数据交换提供通信链路。
MACS_V系统具有统一的中央实时数据库,因
工程师站、操作员站、服务站;
系统网中主要的通信节点有服务站、现场控制站。
控制网(C2Net位于现场控制站内部,该网络中的通信节点主要有DP主站(主控单元和DP从站(智能I/O单元———输入/输出模块。
利用总线技术实现主控单元和过程I/O单元间的通信,以完成实时输入/输出数据和从站设备诊断信息的传送,并且通过添加DP重复器模块及光缆,可以实现远距离通信,或者连接更多的智能I/O单元。
工程师站运行相应的组态管理程序,对整个系统进行集中控制和管理;
操作员站运行相应的实时监控程序,操作员通过口令切换到不同的域,对整个系统进行监视和控制;
服务器运行相应的管理程序,对整个系统的实时数据和历史数据进行管理,完成数据管理功能;
通信站负责连接外部设备通信,如PLC等,并直接与服务器通信;
网关机负责与服务器的通信,并将DCS数据上传到管理网。
现场控制站由主控单元、智能I/O单元、电源单元、现场总线和专用机柜等部分组成,采用分布式结构设计,扩展性强。
其中主控单元是一台特殊设计的专用控制器,运行工程师站所下装的控制程序,进行工程单位变换、控制运算;
智能I/O单元完成现场
《自动化仪表》第29卷第9期 2008年9
月
此,从系统任何一台操作站查询到的报警信息、日志信息、趋势曲线数据是完全一致的。
系统所有操作员站、控制站的时钟通过服务器进行周期自动校时,并且服务器具有连接GPS系统进行校时的能力。
2 滨州海洋化工装置规模
滨州海洋化工有限公司上马的200kt/a离子膜烧碱、200kt/a氯乙烯及200kt/a乙炔三套生产装置,是目前国内盐化工行业一次建设规模较大的装置。
各装置的I/O点数如表1所示。
离子膜烧碱:
设计点数为
1422点,实际配置点数为1715+346点,备用余量为21%;
安全栅设计要求230套,实际配置276套,备用
余量为20%;
对氯乙烯:
设计点数为1456点,实际配置点数1698点+378点,备用余量为17%;
安全栅设计要求1258套,实际配置1447套,备用余量为15%;
对乙炔:
设计点数为358点,实际配置点数423+62点,备用余量为18%;
安全栅设计要求258套,实际配置
296套,备用余量为15%。
23
国产大型DCSMACS_V在盐化工流程控制中的应用 武平丽,等
表1 200kt/a生产装置I/O点数统计
Tab.1 StatisticsofI/Olistfor200kt/aplant
序号
信号类型
I/O点数
实用数/点 541
131 154 333 263
1422
实配数/点 649
160 186 400 320
17151064 192
模拟品数/点备用量/点
108
293267572931382424391323816281065
安全栅
实用量/块
7733493635230334641158113121258
实配量/块
9240594342276384737182130141447
备用量/%
202020202020151515151515151515151515
离 子 膜 烧 碱
1AI(检测
2AI(控制 3RTD4AO(控制 5DI 6DO
合 计
1AI(检测 2AI(控制 3RTD4AO(控制 5DI 6DO
合 计
160186
346
氯
乙 烯
926
164 16 185 19
1456
192186
186 224 32
1698
378
105
2770
121
321603230
258761258
71
262910070296
乙 炔
42362
3 MACS_V对滨州海洋化工的控制方案
3.1 控制系统体系结构方案
路为厂用电。
配电柜内均有电源切换装置,任何一路有问题都确保系统正常运行。
每个现场控制站内主控单元和I/O模块的供电采用均流冗余24V电源。
离子膜(0号域和氯乙烯(1号域的UPS均为40kVA,乙炔(2号域UPS为20kVA。
3.3 安全栅的配置
对滨州海洋化工的三套生产装置,原合同共设置三套DCS控制系统,用户要求三套装置能够相互监视,并且任何一个工段操作站若有问题也不影响其他装置,所以该系统选择了MACS_V多域结构,系统共分成离子膜(0号域、氯乙烯(1号域、乙炔(2号域三个域,每个域都有独立的配电柜、服务器、工程师站、系统网S2Net和多个现场控制站,完成相对独立的采集和控制功能,其中服务器、操作员站、系统网络、现场主控单元、系统电源和控制回路的I/O模块均为冗余配置,大大提高了系统的可靠性。
每个域都配有独立的操作站,可以独立使用。
不同操作工可以通过域的切换、操作口令监视以及操作各个工段,来实现整个工厂的分散控制和集中管理。
总的系统体系结构如图2所示。
根据每个域各自I/O点数的不同配有数量不等的控制柜。
其中0号域有4个现场控制站(8个控制柜、1号域有5个现场控制站(10个控制柜、2号域有1个现场控制站(2个控制柜。
3.2 系统电源的冗余配置
本装置选用性能优良的MTL5000系列隔离式安全栅,输入/输出/电源三端隔离,是目前世界上最先进的隔离式安全栅之一。
高度密集夹紧式的安装方法可使其快速装于DIN导轨上,厚度仅为16mm,占用的空间最小,为其它过程控制设备留出了更多的空间,安全区和危险区接线采用简单的插入式接线块,接线快速,减少了接线错误,使系统布置和安装更为简便,是一种工业标准安装系统。
柜内安装有所需的冗余24VDC西门子直流电源
2台,保证两个电源可以直接连接构成冗余供电,外部
接入220VAC(两路电源即可正常工作。
安全栅采用总线方式供电,并充分考虑安全栅供电的安全性,最大限度地减少安全栅大面积失电故障的发生,检修故障安全栅时不影响其它安全栅供电。
每个电源端子为
16个安全栅供电,采用环形供电连接。
原设计方案为现场仪表到端子柜,端子柜到安全栅柜,安全栅柜再到DCSI/O柜。
现在改为现场仪表直接到I/O柜。
改进后省掉了端子柜和安全栅柜,安装时
为确保系统安全稳定运行,系统每个域都设置有独立的配电柜。
配电柜的进线为两路,一路为UPS,一24
图2 系统体系结构图
Fig.2 Systemarchitecture
由于安全栅和I/O模块在同一个柜内,省去了安全栅柜和I/O柜的柜前接线,节省了安装时间,缩短了工期。
现场信号直接进I/O柜,减少了现场信号传输的故障点,提高了系统的可靠性。
维护时安全栅和模块都有指示灯,由于安全栅和I/O模块在一个柜内,便于故障的查找。
3.4 主要复杂控制回路的控制方案
解槽盐水流量的控制相同,只是参数设定不同。
一般来讲,当电解电流超过5000A时,淡盐水开始加入。
根据电解槽电流调整淡盐水流量,使得精制盐水流量与淡盐水流量比为6∶1。
3.4.4 电解槽出口总管氯气、氢气差压控制
电能槽出口总管氯气、氢气差压控制程序如下:
IF01PICZA-226.RM=2THEN
01PICZA-226.SP:
=01PIT-216+DP;
END_IF
本装置的自动控制回路很多,大多为单回路控制,该装置的主要复杂回路控制方案如下。
3.4.1 进电解槽盐水流量的控制
进槽盐水流量为比值控制,当电流小于4105kA时,盐水流量自动设定值为8153m/h;
当电流在4105kA~
18kA时,盐水流量自动设定值为(C×
A×
Xm/h(其
3
即氯气压力(01PIT2216与氢气(01PICZA2226压力的控制为比值控制,氢气压力PID控制回路为串级方式时,其设定值为氯气压力(01PIT2216加上氯氢总管压差设定值DP。
此控制非常重要,氯氢气总管压力差是电解控制的主要参数,直接关系到离子膜的使用寿命及电解槽的安全稳定运行,此PID控制中如何使氢气压力紧跟氯气压力变化保障压差稳定,PID参数整定最关键。
DP=4kPa,可由操作工在线修改。
3.4.5 低沸塔及高沸塔的多变量解偶控制
中A=2111,C=110,X为电解槽实际电流,C的值根据出电解槽淡盐水浓度在线调整。
整流电流4105kA相当于电流密度115kA/m。
3.4.2 电解槽加酸量的控制
根据电解效率确定电解槽电流与盐酸流量设定值,加酸量在不同的电解槽电流效率下与电解电流才有一定的关系。
第一年的电解槽盐酸的加入量约为
50L/H,电解效率为95%;
第二年约为100L/H,电解
在低沸塔控制方案中,选择塔顶温度T1和温度梯
度ΔT1(后者起辅助作用作为产品质量指标,这是因为在一定的压力下,沸点和产品成分之间有对应关系。
因此,如果压力恒定,塔板温度就反映了成分。
塔顶压力P1的通道时间常数很小,采用单参数调节就能达到
25
效率为94%;
第三年约为200L/H,电解效率为93%。
3.4.3 淡盐水循环流量控制
淡盐水循环流量控制也是比值控制,方案与进电
国产大型DCSMACS_V在盐化工流程控制中的应用 武平丽,等压力的恒定。
在此基础上采用解耦控制,协调加热量与回流量,有效解除各通道间的关联,并充分利用扰动观测器及时调整加热量与回流量,最大程度地减少进入塔釜的低组分物,以防低组分物过料到高塔,造成不可逆转的产品质量问题。
在高沸塔控制方案中,选择塔顶温度T2作为产品质量指标的原因同低沸塔,塔顶压力P2的通道时间常数很小,理论上采用单参数调节就能达到压力的恒定,但实际情况远非这样简单,塔顶压力与加热阀、回流阀都有关系。
因此,在高沸塔控制方案中,基于物料平衡、能量平衡及设备能力平衡,也采用了解耦控制,确保塔顶VCM的产品纯度。
3.5 联锁控制
自动化实时数据的方法
[7]
与DCS系统通信的设备
及方式共计28个,如表2所示。
表2 与DCS系统通信的设备及方式
Tab.2 CommunicationequipmentandmethodswithDCS
设 备
烧碱罐区PLC系统
D0108a/b/c/dHVM膜过滤器装置PLC01PA0701a/b/c氯气液化装置PLC
接口数量通信方式
11311231111111
ModbusModbusModbusModbusModbusModbusModbusModbusProfibus2DPProfibus2DPProfibus2DPModbusOPC
液氯灌装系统PLC(双向通信空压制氮装置中空压机、制氮装置PLC嗅化锂冷水机组PLC脱氯真空泵氯气压缩机组净水站PLC脱盐水站PLC污水处理PLC
变压吸附PLC(VCM装置
装置系统
电解槽的联锁分为单槽停车和电解槽全停,电解槽公用联锁条件中任一条件成立所有电解槽全停;
单台电解槽联锁条件中任一条件成立时该电解槽停车。
电解槽的联锁公用条件
[3]
是淡盐水和碱液受糟液位
PLC的通信方式都是根据PLC,Modbus、Profibus2DP用于显示和控制现场PLC数据,OPC用来显示第三方DCS系统的数据。
高,用联锁条件成立,;
4 DCS与PLC及第三方设备的通信
该项目配套设备厂家较多,许多设备厂家都有与其设备配套的PLC。
为了在控制室通过DCS集中显示和控制各现场设备PLC及第三方设备的数据,DCS系统与每个现场PLC及第三方设备都需要进行通信。
通信方式有Modbus、Profibus2DP和OPC。
Modbus是广泛应用于工业控制上的一种通用协
5 结束语
MACA_ⅤDCS系统在国内同行业100kt/a、120kt/a、150kt/a离子膜烧碱装置上已有多套成功运行的经
验,在大型盐化工装置控制上的成功应用,打破了国外
DCS系统在该行业长期的垄断局面,展示了国产DCS
在盐化工行业上的优势和实力。
该项目的实施对国产
DCS控制系统进入盐化工的高端领域具有重大意义。
[5]
议,通过此协议,实现控制器相互的链接和通信。
从
该项目总体技术达到国际先进水平,对我国自主知识产权DCS系统在大型盐化工装置的推广应用具有重要的示范意义和推动作用。
参考文献
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其功能上看,可以认为是一种现场总线。
它通过24种总线命令实现PLC与外界的信息交换。
具有Modbus接口的PLC可以很方便地进行组态。
Profibus是一种国际化、开放式、不依赖于设备生
产商的现产总线标准。
Profibus2DP用于设备级控制系统与分散式I/O的通信。
用Profibus2DP可取代4~
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