鹵水采集控制系統(tǒng)設(shè)計

劉志偉，王曉燕

(中國天辰工程有限公司，天津 300400)

中國天辰工程有限公司承擔的某國外天然堿項目包含鹵水采集裝置和堿加工裝置，鹵水采集礦區(qū)環(huán)境溫度在-25～55 ℃。該項目處于地質(zhì)條件復雜的丘陵地區(qū)，海拔900～1 100 m，地下的天然堿儲量約448 Mt，在項目范圍內(nèi)有187口礦井，被分成74組，采用鉆井方式實施水溶采礦。

天然堿鹵水采集礦區(qū)為堿加工裝置提供1 893 m3/h的鹵水質(zhì)量分數(shù)為17.5%的合格原料，以保證2.50 Mt/a的純堿生產(chǎn)規(guī)模。2口直井和1口水平井聯(lián)通后形成1個采礦(溶采)單元，利用堿加工裝置的廢液作為溶解水，經(jīng)注井泵站加壓后通過長輸管線向1口直井注入，用于溶解天然堿的礦床；產(chǎn)出合格的鹵水后，再從另外1口直井排出；通過管道把鹵水送往堿加工裝置，加工、精制成純堿和小蘇打。

1 鹵水采集控制系統(tǒng)

鹵水采集礦區(qū)地處地質(zhì)條件復雜的山區(qū)，高度落差較大，有懸崖溝壑，因此設(shè)置了遠程監(jiān)控系統(tǒng)，用于實時監(jiān)控進入礦井的溶解水及礦井產(chǎn)出鹵水的工藝參數(shù)。

在鹵水采集礦區(qū)，每口礦井的地面管線均配有以下設(shè)備： 1臺質(zhì)量流量計，用于測量介質(zhì)的溫度、密度、質(zhì)量流量；1臺電動控制閥，用于調(diào)節(jié)介質(zhì)的質(zhì)量流量；1臺壓力變送器，用于測量介質(zhì)的壓力。在中心控制室的操作站可監(jiān)控礦區(qū)187口礦井的鹵水參數(shù)及系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)運行狀況。

在設(shè)計過程中，根據(jù)礦區(qū)地形、地勢分散布置了49套遠程IO站，187口礦井出口天然堿鹵水的溫度、壓力、流量、密度、閥門信號，由遠程IO站進行信號采集，采集的所有儀表信號通過硬線接入遠程IO站；49套遠程IO站采用Modbus TCP/IP協(xié)議，分別通過冗余光纖接入布置在礦區(qū)的9對冗余交換機，再通過9對冗余光纖連接至礦區(qū)交換機，實現(xiàn)與中心控制室內(nèi)DCS的通信，該項目使用光纖118根，總長約1×105m。

2 鹵水采集控制系統(tǒng)解決方案

2.1 系統(tǒng)配置

遠程IO站配有冗余直流電源、通信網(wǎng)關(guān)、IO卡、光電轉(zhuǎn)換器等，遠程IO站應選擇耐低溫型，能滿足-25 ℃的環(huán)境要求；整個礦區(qū)配有9組冗余交換機，就近連接遠程IO站，有效地分散了通信風險，每個交換機有8個光口，連接遠程IO站數(shù)量不超過6個；9組冗余交換機通過冗余光纖連接中心控制室內(nèi)的1套冗余交換機；中心控制室內(nèi)1套冗余交換機通過網(wǎng)線連接DCS的冗余CPU；同時，配備了1臺工程師站用于組態(tài)調(diào)試，2臺操作員站用于監(jiān)控187口礦井出口天然堿鹵水的溫度、壓力、流量、密度、閥門信號等，鹵水采集控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 鹵水采集控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

2.2 現(xiàn)場儀表配置

礦井出口管線內(nèi)的介質(zhì)除鹵水外，還含有氣體，屬于典型的氣液兩相流，因此選用氣液兩相型質(zhì)量流量計，該質(zhì)量流量計可輸出介質(zhì)的質(zhì)量流量、溫度、密度3路信號；電動控制閥與質(zhì)量流量計組成閉環(huán)調(diào)節(jié)回路，調(diào)節(jié)礦井入口介質(zhì)的質(zhì)量流量；配備了壓力變送器用于測量管線壓力。

2.3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)置

該項目中，鹵水采集控制系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)可靠性至關(guān)重要，每套遠程IO站網(wǎng)關(guān)有2個網(wǎng)口，采用“1進1出”方式與冗余交換機及冗余CPU建立環(huán)網(wǎng)以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)冗余，假如網(wǎng)絡(luò)中任一節(jié)點故障，信號均能從環(huán)網(wǎng)中其他路由傳至中心控制室，有效地提高了網(wǎng)絡(luò)安全性。

2.4 網(wǎng)絡(luò)故障監(jiān)控

該系統(tǒng)有近300個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，網(wǎng)絡(luò)安全至關(guān)重要，在工程師站安裝了交換機網(wǎng)絡(luò)管理軟件，用于監(jiān)控礦區(qū)全部網(wǎng)絡(luò)狀況，一旦某個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通信故障，可在網(wǎng)管軟件上監(jiān)控交換機接口狀態(tài)信息；網(wǎng)管軟件把網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)數(shù)據(jù)通過OPC通信到WINCC，通過PCS7軟件的二次開發(fā)，在操作站上可顯示網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)預警，以方便操作人員及時得知礦區(qū)網(wǎng)絡(luò)狀況及具體故障節(jié)點位置，提高了維護效率。

2.5 電源故障監(jiān)控

每套遠程IO站內(nèi)配有24 V直流冗余電源，每個電源故障報警信號通過硬線接入臨近遠程IO站，再傳輸至中心控制室，在DCS上實現(xiàn)電源狀態(tài)監(jiān)控。

2.6 軟件開發(fā)

在軟件組態(tài)過程中，采用西門子PCS7軟件平臺進行了二次開發(fā)，實現(xiàn)了1對CPU與第三方的49套IO站同時通信，編制相應程序，通過Modbus TCP/IP協(xié)議讀取49套遠程IO站中的AI，AO，DI卡中數(shù)據(jù)。

2.7 工藝操作模式組態(tài)

編制的監(jiān)控程序，對每口礦井具有5種可選擇的監(jiān)控模式：

1)模式0。該模式為未啟用，選擇0時，該礦井的相應參數(shù)信息為灰色，表示該礦井未投用。

2)模式1。該模式為手動控制，選擇1時，該礦井相應參數(shù)信息為綠色，表示該井管線控制閥只能手動調(diào)節(jié)，該模式用于溶解水注井。

3)模式2。該模式為自動控制，選擇2時，該礦井相應參數(shù)信息為藍色，表示該井管線控制閥只能通過流量調(diào)節(jié)回路自動調(diào)節(jié)，該模式用于溶解水注井。

4)模式3。該模式為全開模式，選擇3時，該礦井相應參數(shù)信息為粉色，表示該井管線控制閥只能全開，不能接收其他調(diào)節(jié)信息，該模式用于鹵水回水。

5)模式4。該模式為故障模式，選擇4時，該礦井相應參數(shù)信息為紅色，表示該井處于故障模式。

在PCS7上選擇累加程序，把處于模式1與模式2狀態(tài)的全部流量計數(shù)值累加，即可得到全部注井溶解水量；把模式3的全部流量數(shù)值累加，即可得到全部鹵水產(chǎn)量。通過注井溶解水量與鹵水產(chǎn)量的差值，可以得知溶解水在礦井下的損耗量，該累加程序可替代完成1臺回水總管的大口徑質(zhì)量流量計累積工作，從而有效降低了設(shè)備投資。

3 主要創(chuàng)新點

該項目鹵水采集控制系統(tǒng)設(shè)計及軟件開發(fā)過程中，主要創(chuàng)新點體現(xiàn)在以下幾個方面：

1)針對地質(zhì)條件惡劣的礦區(qū)，鹵水采集采用遠程IO站方式實時監(jiān)視、控制。

2)采用Modbus TCP/IP協(xié)議，解決了1對CPU與49套遠程IO站同時通信的難題。

3)采用“1進1出”方式，使IO站網(wǎng)關(guān)與交換機及CPU建立環(huán)網(wǎng)，保障了網(wǎng)絡(luò)的安全性。

4)開發(fā)了網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控程序，實時監(jiān)控礦區(qū)每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的運行狀況，對網(wǎng)絡(luò)故障及時進行預警。

5)解決了每套遠程IO站電源故障監(jiān)控問題。

6)通過WINCC軟件，把礦井狀況組態(tài)為5種操作模式： 未啟用、手動控制、自動控制、全開模式、故障模式，滿足了用戶的操作需求。

4 結(jié)束語

該項目鹵水采集控制系統(tǒng)投用以來，運行穩(wěn)定、技術(shù)可靠，應用效果良好，取得了顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。實際應用表明，鹵水采集控制系統(tǒng)滿足了該類工藝裝置生產(chǎn)過程的控制要求，可以在地質(zhì)苛刻的鹵水采集礦區(qū)進行推廣應用，對于其他類似項目的遠程控制、網(wǎng)絡(luò)配置及網(wǎng)絡(luò)故障監(jiān)控有借鑒意義。

DCS在化工項目中是“兩化融合”的重要組成部分，系統(tǒng)組態(tài)及現(xiàn)場調(diào)試一般由DCS供貨商完成，核心技術(shù)掌握在供貨商手中，同時DCS廠家需要派技術(shù)人員長期在現(xiàn)場服務(wù)，現(xiàn)場服務(wù)費往往高于設(shè)備購置費。該項目全部DCS硬件配置、軟件組態(tài)開發(fā)、開車調(diào)試，均由天辰公司自控工程師自主完成，可以節(jié)省大量資金，有利于企業(yè)提升自己的創(chuàng)新能力，同時能更好地為項目提供可靠及時的服務(wù)，更有助于提高國外用戶對工程公司的認可度，在加快項目建設(shè)進度、提高經(jīng)濟效益等方面具有重要的意義。