煙氣制酸自動控制系統綜合改造實踐

劉 歡，劉昌麟，柴瑾瑜，遲棧洋

（金川集團股份有限公司鎳冶煉廠，甘肅金昌 737100）

金川集團股份有限公司鎳冶煉廠（以下簡稱鎳冶煉廠）的2套冶煉煙氣制酸裝置硫酸產能分別為480 kt/a和700 kt/a，DCS控制系統的硬件均使用和利時FM系列，軟件開發環境為MACSV1.1.0版本，均屬于和利時公司早期產品。經過十余年的長周期不間斷運行，同時伴隨著現場工況的復雜性，控制系統已經達到了使用壽命的極限，故障率高，同時系統的負荷已經達到了臨界值，CPU帶載能力趨于下降，無法滿足擴容需求，系統的運行速率緩慢，給生產操作造成了一定的困擾。DCS控制系統采用C/S冗余網絡架構，由于通訊設備的性能下降，使網絡經常處于單網運行，可靠性下降，同時客戶端對服務器的依賴性較大，一旦服務器出現故障，系統將會癱瘓。隨著集團公司數字化轉型升級逐步開展實施，控制系統的通訊設施、軟硬件版本已不能滿足轉型升級的需求，且面臨著備件已停產，存在備件緊缺導致維護難度加大的問題，亟待對目前的控制系統進行優化改造。

1 DCS控制系統問題分析

1.1 主控制器高負荷運行

700 kt/a制酸裝置有3個控制站，掛載卡件共計154塊，其中模擬量卡件121塊，DP通訊卡件4塊。正常生產的情況下，FM801主控制器負荷在13%～25%。廠家明確每對控制器掛載卡件不超過80塊，主控制器負荷不超過30%，而該裝置的DCS控制系統已長期處于高負荷運行狀態，嚴重威脅到DCS控制系統的穩定運行。

480 kt/a制酸裝置裝有3個控制站，16#站掛載卡件60塊，19#站掛載卡件60塊，24#站掛載卡件35塊，共計掛載卡件155塊，其中模擬量卡件111塊。FM801主控制器負荷在8%～10%。由于控制站現場環境惡劣，控制器背板氧化嚴重，經常在正常生產過程中出現故障，不僅影響正常生產，還會帶來安全隱患。

1.2 通道卡件存在漂移

通過現場實際檢測，AI、RTD和AO通道卡件均有漂移，且AI通道卡件不合格率達25%，RTD通道卡件不合格率達25%，AO通道卡件不合格率達12.5%，卡件數據準確率下降，影響DCS系統的控制精度。

1.3 網絡設備老化

網絡設備老化嚴重，造成網絡延時過大，丟包率超過安全標準。而FM系列模塊目前只接受訂單式生產，后續備件價格將會非常昂貴，技術支持不能保證。

1.4 電腦主機故障頻發

兩套制酸裝置的操作系統均使用Windows XP，而微軟公司已于2014年宣布對Windows XP操作系統停止更新及相關技術服務，目前市場主流電腦供應商也已不再生產和銷售基于Windows XP系統的計算機，如此以來，當后續操作員站、服務器、工程師站的電腦出現問題時，將無法及時更換和維修，影響生產系統的安全穩定運行。

1.5 控制系統部分功能缺失

由于控制系統版本較低，部分功能缺失，中控室調度人員在填寫報表時使用人工抄寫的方式，大量重復勞動影響生產效率，且操作過程中容易出現人為錯誤，影響車間生產安全。

1.6 信息孤島嚴重，網絡結構復雜

兩套制酸裝置的操作系統各自運行，由于控制系統版本不同，信息孤島嚴重，且網絡結構復雜，信息安全風險極高[1]。工程師站、服務器以及操作員站都未安裝防毒軟件進行防護，經常出現電腦中毒現象，而且網絡信息的交換無任何防護措施，很容易遭遇黑客的攻擊。

2 解決措施

2.1 硬件升級改造

硫酸風機屬于制酸系統中非常重要的大型關鍵設備，其自動化程度高，控制聯鎖復雜，對儀控系統和電氣設備的可靠性和穩定性要求很高，一旦儀控系統或電氣設備發生故障，將導致硫酸風機跳車或發生設備安全事故，嚴重影響火法冶煉系統和制酸系統的正常生產。此外，由于現場儀控設備存在前期設計選型不合理、安全系數低、高負荷運行周期長等問題，逐漸對生產系統造成擾動，影響生產系統長周期安全穩定運行。

對硫酸風機控制系統的硬件進行如下升級改造：

1）將硫酸風機控制柜內的控制系統卡件和電氣元件及柜體全部進行硬件升級并重新進行柜體成套。考慮到硫酸風機的重要性以及節省改造后風機控制系統的調試時間，升級改造后的風機控制系統仍采用AB 1756系列的PLC控制系統，電氣元件和空氣開關采用進口電子元器件，其中控制系統的卡件升級為AB 1756系列的高版本卡件，控制器由現有的1756-L61升級為1756-L72。

2）對顯示終端和通訊網絡進行改造。將硫酸風機控制系統現有的上位顯示終端由觸摸屏顯示改造為工控機顯示，分別在風機房和硫酸中控室各增設1臺工控機監控風機的運行狀態。其中風機房配置的工控機為防腐型，作為風機控制系統的操作員站使用，主要負責風機開車時儀控、電氣測點的現場確認和崗位人員的現場點巡檢；硫酸中控室的工控機作為風機控制系統的工程師站使用，主要負責風機控制系統的組態、維護、報警和趨勢查詢。改造后2臺工控機與硫酸風機控制系統采用以太網通訊，故在硫酸風機控制系統硬件改造時將1656-CNB通訊網卡更換為1756-ENBT通訊網卡。

2.2 軟件升級改造

硫酸風機控制系統的上位顯示終端改造為工控機后，必須對現有硫酸風機控制系統的上位軟件進行升級改造，即將控制系統上位軟件由觸摸屏內的ME升級改造為工控機內的SE。

2.3 現場儀表設備改進

現場儀表設備存在以下問題：①檢測介質腐蝕性強，前期儀表選型要求較高，后期維護工作困難較大；②儀表設備大部分安裝于室外，由于長期受環境因素的影響，儀控設備老化周期縮短，導致出現測點檢測波動較大、儀表設備誤動作頻率增高等問題；③部分紅區測點前期設計時安全性考慮不全面，存在安全隱患；④由于工藝改動，部分現場儀控設備已不能完全滿足生產數據與控制的需要。

采取以下措施對現場儀控設備進行優化改造：

1）紅區測點檢測優化控制。針對干吸工序循環槽液位測量受測點故障影響較大的問題，對循環槽液位增加雙測點聯鎖，由2個不同測量原理的液位計進行液位檢測，當雙測點同時滿足聯鎖條件時，聯鎖動作，保證液位與泵聯鎖動作的準確性和安全性。

2）重要測點監測優化。增加轉化工序冷激線閥門反饋裝置，避免閥門動作時不可檢測而導致的生產非計劃停工事故。

3）二氧化硫分析儀預處理裝置優化改進。對取樣管路的敷設線路進行優化，縮短取樣管路的長度，降低取樣管路堵塞的故障率。對預處理裝置進行清理和改進，增加多個氣體凈化裝置，提高氣體中雜質的過濾效率和裝置的預處理能力。

4）加裝信號隔離裝置防止電氣設備被擊穿燒損。2019年11月，700 kt/a制酸裝置的硫酸干吸泵發生故障，強電流串入溫度測量信號電纜導致11塊I/O卡件、交換機、繼電器等設備被擊穿燒損。為防止類似事故再次發生，將安裝在電氣設備上的儀表、電氣信號接入控制系統時加裝信號隔離裝置。

5）余熱鍋爐以硬接線方式進入DCS控制系統，不建議采用第三方通訊，應預留余熱鍋爐I/O點數。

3 實施效果

鎳冶煉廠首先對700 kt/a制酸裝置DCS控制系統進行了優化改進，硬件和軟件條件都得到了提升，其結構示意見圖1。

圖1 700 kt/a制酸裝置DCS控制系統結構示意

改造后的DCS控制系統已穩定運行近7個月，從根本上解決了700 kt/a制酸裝置DCS控制系統頻繁死機、卡件故障等問題，確保DCS控制系統保持長期穩定運行。各制酸系統能夠保持相對獨立，互不影響，有利于制酸系統的維護、檢修及問題處理，有利于制酸系統與冶煉系統匹配化生產。技術改造后通過OPC技術接入集團公司煙氣制酸網絡后非常穩定，為公司提供了可靠數據。

4 結語

鎳冶煉廠對700 kt/a制酸裝置的DCS控制系統進行技術革新后，運行更加安全、穩定，不但在一定程度上提高了作業率，節約了成本，更為重要的是解決了生產系統對安全、環保和自動化控制的迫切需求。通過完善和優化聯鎖控制，制酸系統的自動化控制水平明顯提高，降低了崗位勞動強度，節約了勞動力成本，同時能夠避免冒酸和二氧化硫超標排放帶來的環保壓力和經濟損失，社會效益和經濟效益顯著。