計算機控制系統在化工生產中的應用

李明艷，張志華，徐建鑫

（天津渤天化工有限公司，天津300480）

天津渤天化工有限公司2011 年引進山東威德鹽水膜法除硝工藝， 投產2 套20 萬t/a 膜法除硝裝置。 該裝置采用有機納濾膜，利用膜分離裝置，將原鹽中帶入的硫酸根從淡鹽水中除去，保證隔膜、離子膜電解的正常運行；同時，使大量的硫酸根進入濃硝鹽水， 再利用膜分離系統使濃硝鹽水中的硫酸鈉進一步濃縮，并將其中部分鹽進行回收。膜法除硝工藝主要包括3 個單元：預處理單元、膜過濾單元和鹽回收單元。

1 控制系統的選擇

根據工藝點數， 控制系統采用橫河CS3000 系統。 選擇原因為：（1）開放的網絡結構：采用Windows XP 標準操作系統，支持OPC，提供了系統接口和網絡接口，便于與公司生產調度監控網MES 系統進行通訊；（2）高可靠性，采用了4CPU 冗余容錯技術（pair & spare 成對熱后備）的現場控制站，實現了在任何故障及隨機錯誤產生的情況下進行糾錯與連續不間斷地控制；（3）高效的工程化方法，CENTUM-CS3000 采用CONTROL DRAWING 圖 進行軟件設計及組態， 使方案設計及軟件組態同步進行，最大限度地簡化了軟件開發流程。提供動態仿真測試軟件，有效地減少了現場軟件調試時間。

2 系統構成

2.1 硬件配置

考慮2 套一次鹽水精制和膜法除硝裝置共計404 點， 配置了1 臺冗余現場控制站 （控制器型號AFV10D）， 控 制 站FCS 采 用 高 速RISC 處 理 器VR5432，可進行64 位浮點運算，具有強大的運算和處理功能。 此外，還可以實現諸如多變量控制，模型預測控制，模糊邏輯等多種高級控制功能。配置4 臺Dell 工作站（其中，1 臺兼作工程師站、3 臺作監控操作站）、2 臺系統柜及端子板柜、2 臺繼電器柜。 所用卡件類型有：模擬量輸入卡（AAI143-S，16 通道）、模擬量輸出卡 （AAI543-S，16 通道）、 狀態量輸入卡（ADV151-P，32 通道）、狀態量輸出卡（ADV551-P，32 通道）、 溫度輸入卡 （AAR145-S，16 通道）和HART 協議輸入卡（AAI141-H，16 通道）。 整套系統硬件配置緊湊合理，節省空間和投資。

2.2 網絡構成

2.2.1 星型拓撲結構

星型拓撲結構網絡連接見圖1[1]。

圖1 星型拓撲結構網絡連接示意圖

圖1 中，左邊交換機為BUS1 對應橙色網線，右邊交換機為BUS2 對應黃色網線。

采用星型拓撲結構， 通過高速交換機充當中央節點，連接操作站和控制站。星型拓撲結構便于集中控制，因為端用戶之間的通信必須經過中心站，某一端用戶設備故障而停機時不會影響其他端用戶間的通信，同時，星型拓撲結構的網絡延遲時間較短，傳輸誤差較低， 這也正是所有新設計的以太網都采用物理星型拓撲的原因所在。但這種結構的弊端是，中央節點一旦損壞，整個系統便趨于癱瘓，因此，中央節點通常采用雙機熱備份，以提高系統的可靠性。

2.2.2 網絡（V-net/IP）特點

CS3000 采用橫河公司的V-net/IP 控制總線，速度可達1 Gbps，滿足了用戶對實時性和大規模數據通訊的要求。在保證可靠性的同時，又可以與開放的網絡設備直接相連，使系統結構更加簡單。 V-net/IP采用符合IEEE802.3 標準的復用控制網絡， 實現冗余控制。 控制網為了確保網絡能夠在最理想的狀態上運作，每個domain 能支持64 個站點，整個系統總共能有16 個域或256 個站點。

網絡中BUS1 和BUS2 總線中間不能有任何交叉，必須有各自的路徑，即交換機BUS1 只連各操作站VI702 網卡的BUS1 口和控制站處理器CP451 卡的BUS1 口， 交換機BUS2 只連各操作站VI702 網卡的BUS2 口和控制站處理器CP451 卡的BUS2口。 通信介質采用STP5 類雙絞線，帶屏蔽層，以防止干擾。

V-net/IP 是冗余網絡，但BUS1、BUS2 功能并不是完全對等的。 BUS1 網絡：只用于控制數據傳輸；BUS2 網絡： 用于控制和開放數據傳輸， 可用于CS3000 與其他系統的開放通訊。 因此， 如果BUS2網絡故障，將無法進行開放數據通訊，也無法進行系統操作站下裝，但只要BUS1 正常，則控制數據傳輸仍正常， 可對現場儀表進行監控和操作， 不影響生產。如果BUS1 故障、BUS2 正常，可以進行操作站下裝，但系統會舍去部分開放數據傳輸功能，從而優先保證控制數據傳輸，也不會影響系統穩定運行。

2.2.3 專用網卡及其設置

VI702 網卡為橫河專用網卡， 使用時需進行撥碼設置，用于物理地址區分。 Domain Number（即域名），按照參考手冊和實際情況設置。 Station Number（即站名）必須同計算機名一致，設IP 地址時也要一致。 如計算機HIS0164 站，站名的八位二進制撥碼要撥成01000000 （對應十進制數為64），IP 地址的后2 位為64。 域名和站名都采用奇校驗。 需要注意的是，Setup Action Mode 項，要檢查A、B、C、D4 個撥碼是否在參考手冊的默認位置上， 出廠設置應該都在默認項上。 如果不在，一定要撥到默認位置，使用系統默認值，否則，系統無法正常啟動。在本項目中，工程師站的網卡和軟件在設備到貨時即已安裝好，其他3 臺操作站未安裝， 渤天化工按照說明書自行裝完操作站，都能正常啟動，自動登錄到CENTUM的監控狀態，但工程師站卻無法登錄到監控畫面，無法啟動測試功能，重裝系統也無效。后來換了1 塊備用網卡，按照說明設置撥碼，再裝就正常了。經分析，認為新網卡壞的幾率不大， 仔細比對這2 塊網卡的不同， 發現Setup Action Mode 的C 項被打到ON 的位置，系統默認是OFF。 將備用網卡拆下，再把原網卡重新設置，則啟動正常。 因此，不能盲目認為出場設置不會出錯，在安裝系統時，一定要仔細認真檢查網卡的撥碼位置。

另外，IP 地址和子網掩碼設置也要嚴格按照參考手冊的要求進行，系統才能正常下裝到控制器，實現控制功能。

IP 地址設置

Control Bus Network：172.16.dd.ss，Subnet Mask：255.255.0.0

Open communication Network： 192.168.＜128+dd＞.＜129+ss＞，Subnet Mask：255.255.255.0

其中，dd 表示域名，ss 表示站名。

3 軟件設計

3.1 比值控制功能的實現

預處理單元需要將31%鹽酸配比成10%鹽酸，供給靜態混合器使用。

經過分析探討，雙閉環比值控制系統能達到控制要求。 根據介質特點，應該往水中加酸，選純水作主流量，31%鹽酸作副流量。 利用比值控制模塊,實現純水與鹽酸的自動配比功能。具體實現方式見圖2。

正常情況下，根據生產負荷情況，設定合理的純水流量值，即FICA8101 的SV 值，在未達到設定值之前，FICA8101 的PV 值是變化的， 這個值再送入比值塊FR8103 中， 比值系數0.33。 通過比值計算后，作為鹽酸流量FICA8103 的設定值（此時該設定值也是變化的），使得純水與鹽酸始終保持3：1 的配比關系。 當FICA8101 的PV 值達到SV 值時，閥門FV8101 的開度保持穩定值， 則純水流量達到穩定，此時，FICA8103 的設定值達到穩定， 再根據此時FICA8103 的SV 值自動調整閥門FV8103 的開度，最終使FICA8103 的PV 值達到SV 值。 需要升降負荷時，只需改變主流量的設定值，比值器則按預先設置好的比值使輸出成比例變化，亦即，成比例地改變副流量控制器的給定值，使主、副流量按比例同時增減。 此時，副流量閉環系統為一個隨動控制系統，使得在新的工況下，鹽酸流量與純水，流量比值保持不變。 當主流量沒有變化而副流量由于自身干擾發生變化時， 此副流量閉環系統相當于一個定值控制系統，通過PID 控制，克服干擾，使工藝要求流量比值仍保持不變[2]。 這種控制方式不但可以實現副流量跟隨主流量的變化而變化， 還可以克服副流量本身干擾對比值的影響。 這種雙重數據設定保證了配置出的鹽酸的最佳濃度值, 為靜態混合器加鹽酸提供了可靠的保證。

圖2 比值控制功能的實現方式

3.2 HART 協議組態

膜過濾單元滲透液出口隨設備帶來的愛默生質量流量計，是具有HART 通訊功能的智能儀表。 可同時測出密度，溫度和流量信號。

HART（Highway Addressable Remote Transducer，可尋址遠程傳感器高速通道的開放通信協議） 是美國ROSEMOUNT 公司于1985 年推出的一種用于現場智能儀表和控制室設備之間的通信協議[3]。 HART裝置提供具有相對低的帶寬，適度響應時間的通信，該協議現已成為智能儀表事實上的工業標準。 未來的技術發展趨勢是全數字化的通訊協議，HART 不是真正的現場總線， 而是從模擬控制系統向現場總線過渡的一種通訊協議。 實現4～20 mA 模擬信號與數字通訊兼容的標準， 是現場總線的過渡性標準。HART 通訊協議參照“ISO/OSI”的模型標準，簡化并引用其中的1、2、7、3 層（物理層、數據鏈路層和應用層）制定而成。

HART 協議采用基于Bell202 標準的FSK 頻移鍵控信號，在低頻的4～20 mA 模擬信號上疊加幅度為0.5 mA 的音頻數字信號進行雙向數字通訊，數據傳輸率為1.2 Mbps。 由于FSK 信號的平均值為零，不影響傳送給控制系統模擬信號的大小， 保證了與現有模擬系統的兼容性。 在HART 協議通信中主要的變量和控制信息由4～20 mA 傳送，在需要的情況下，另外的測量、過程參數、設備組態、校準、診斷信息通過HART 協議訪問。 采用屏蔽雙絞線電纜，以減少干擾，保證信號正常傳輸。

選用AAI141-H 卡，4～20 mA，16 通道，帶HART通訊功能。 具體設置見圖3。

圖3 HART協議組態調置圖

如圖3， 主變量流量信號FT8301 設置在AAI141-H 卡的第一選項卡Analog data 中， 而密度DT8301 和溫度TT8301 則設置到第二選項卡HART Variable 中。 由于組態定義很容易實現，且只占用1個模擬量通道，就能實現3 個模擬量信號的監控。以1 根帶屏蔽的雙絞線電纜同時傳輸3 個信號，節省了電纜用量減輕了儀表工的勞動強度， 既節約投資，又縮連短工期。

3.3 高壓泵連鎖邏輯

為保護昂貴的膜裝置，在膜過濾過程中，對一些重要設備設置了連鎖保護程序。 把運行中的重要參數設計成連鎖測點。當這些參數出現異常狀態，系統將直接連鎖停車。以高壓泵連鎖邏輯為例，利用系統提供的邏輯圖 （LOGIC CHART） 組態功能， 利用LC64 功能塊，進行邏輯與邏輯或的搭配，實現連鎖功能。 流程圖見圖4。

圖4 高壓泵連鎖流程圖

滿足任何一個條件，都會連鎖停高壓泵P9201，同時，打開膜系統滲透液出口閥門DIC9201，以起到保護膜系統的功能， 膜裝置管路上壓力開關PGS9201、9202、9203 超過設定壓力； 濃縮鹽水配水罐液位LIA9102 LL；高壓泵出口流量FIAS9201 HH或LL； 高壓泵出口壓力PIAS9201 HH； 進口壓力PIAS9203 LL；附油泵機封水流量FIAS9205 LL；附油泵P-9202 停機。 因為在開車初期，很多條件都得解除，裝置才能運行起來，近以，在每一路連鎖條件中都設計了旁路按鈕，可以解除連鎖。當系統運行起來后，在合適的時機投入連鎖保護。該系統連鎖邏輯雖然簡單，但所起的作用非常重要。

4 結語

渤天化工有限公司的鹽水除硝項目已于2011年12 月開車成功，目前已運行近1 年，裝置正常，產品合格。通過DCS 控制系統實現了鹽水除硝過程的自動化管理，提高了生產的自動化水平，降低了員工的勞動強度，也降低了生產成本，控制效果理想，達到了環保要求，取得了良好的經濟效益和社會效益。

［1］王兆青主編．計算機網絡．第一版．北京：中央廣播電視大學出版社，2008．

［2］金以慧主編．過程控制．第一版．北京：清華大學出版社，1993．

［3］陽憲惠主編．現場部線技術及其應用．第二版．北京：清華大學出版社，2008．