制氧工序控制系統頻繁故障的原因分析與解決方案

劉燕江 徐乙天

（云南云天化紅磷化工有限公司）

變壓吸附（PSA）是一種氣體分離技術，是使用分子篩進行加壓吸附、減壓脫附的循環操作過程。 真空變壓吸附制氧（VPSA）是先通過常壓解吸，再經過抽真空，達到一定真空度，使吸附塔內所吸附的雜質徹底脫附、再生的制氧流程［1］。

云南云天化紅磷化工有限公司（以下簡稱紅磷公司） 于2013 年建成投用了一套兩塔真空變壓吸附制氧系統，在原固定床間歇式氣化爐上實施富氧氣化，以達到提高單爐生產能力、降低原料消耗和合成氨生產成本的目的［2］。 控制系統采用西門子412-5H CPU+300 系列I/O 模塊+組態王的配置，控制系統從投用以來就故障不斷。 在一些老舊化工生產裝置中，建筑布局、功能分區與布線多不合理， 惡劣環境中的腐蝕性氣體、導電性粉塵使電子元器件發生電化學腐蝕（氯、硫）和物質遷移，從而導致模塊損壞和控制系統故障［3］；外部干擾嚴重，干擾變量具有動態性、非線性及強耦合性等特點，給系統故障判斷與處理帶來了困難［4］。合理的系統集成、可靠的安裝方式以及良好的運行環境是控制系統穩定運行的必要條件，受多種因素制約，老舊化工生產裝置要從根本上改善控制系統運行環境是非常困難的。 紅磷公司對制氧工序控制系統采取了多種可能的改造措施，但收效甚微。 因此，筆者針對這個具體情況提出了控制系統的“環境適應性”問題［5］。

1 制氧工藝流程

紅磷公司制氧工序采用兩塔吸附器流程（圖1），一個吸附器進行吸附產氧，另一個吸附器再生，再生結束后，該吸附器進空氣吸附產氧，另一個吸附器再生。

圖1 兩塔吸附器制氧工藝流程

2 控制系統配置

兩塔流程吸附產氧和再生過程主要是由順控程序控制8 臺切換閥開關和3 臺調節閥的開度來完成的。 控制系統I/O 設計為：

AI 22 點

AO 4 點

DI 20 點

DO 15 點

RTD 24 點

控制系統卡件配置列于表1。可以看出，系統I/O 總計85 點，控制系統硬件、模塊配置和余量，完全滿足制氧工序的運行要求。

表1 控制系統卡件配置

控制方案除分子篩的順控程序外，還有3 個單回路手操、1 個單回路PID 控制和簡單聯鎖邏輯回路， 相對于412-5H 控制器的性能而言，是“大馬拉小車”的配置［5］。

3 控制系統出現的問題分析與結論

3.1 控制系統出現的問題

頻繁燒壞外配通道保險管。 4～20 mA 測量模塊I/O 通道外配保險管頻繁隨機燒壞， 但現場變送器正常。 在系統開、停車時損壞頻率最高，極端情況時出現集中燒壞的情況，兩年內燒壞保險管百余顆。

系統硬件隨機損壞頻繁。 在近6 年的時間里僅控制器就損壞了3 塊， 第4 塊控制器也是帶“病”運行，損壞的系統部件和I/O 模塊有數十臺/件。 僅這一小系統，每年需投入數萬元的維護費用。

模擬量信號易受干擾。 模擬量信號常出現大幅波動和尖峰值，頻繁觸發聯鎖跳車，為保證系統開車需要，切除聯鎖保護。

分子篩順控程序頻繁異常停運。 操作員進行程序復位后可重新運行，有時需要自控人員對控制器進行復位操作后才能重啟順控程序。

3.2 原因分析及原維保措施

制氧工序控制系統機柜和操作臺安裝在氣化系統操作室。 由于氣化系統實際操作需要及一些歷史原因， 室內操作員和系統機柜共處一室，室內平面布局如圖2 所示，1#～9#位為各系統機柜安裝位置：1#位為各控制系統電源柜；2#位為制氧工序控制系統柜；3#位為氣化系統各現場電磁閥24 V（DC）電源柜，220 V（AC）來自電氣專業配電室；4#、5#位為氣化系統各電磁閥站與氣化控制系統的二次隔離繼電器柜；7#～9#位為氣化系統的S7-200 PLC 集成控制系統柜。 室內各系統曾經過多次改造， 如原1#～3#位為氣化系統上位DeltaV系統，4#、5#位為氣化系統下位單爐PLC 集成控制系統柜。 制氧工序控制系統機柜安裝在原DeltaV 系統機柜安裝底座上。

圖2 室內平面布局

氣化操作室位于三樓，而正下面的二樓為氣化系統及制氧工序配電室，室內裝有幾十臺各型變頻器。 室內各系統歷經多次改造，室內電纜只進不出，幾經折返、相互纏繞、各機柜背面與墻壁間的電纜堆積，防靜電蓋板都蓋不上，大量電纜間分布的電容和電感與周圍磁場相互作用，形成了復雜的電氣、電磁環境［6］。 室內操作人員、機柜不分離，人員活動、含碳粉塵和含硫腐蝕性氣體對各控制系統影響非常大，特別在雨季，系統故障及模塊損壞概率大幅上升。 因此，這兩方面的相互作用是制氧工序控制系統故障頻繁的主要原因。

改善室內復雜的電氣、電磁環境是非常困難的。 控制系統按保護、屏蔽、邏輯三地分離的原則單獨設計了一個接地系統［7］。 機柜與原安裝底座間實現可靠絕緣隔離，與接地系統可靠連接。 4～20 mA 模擬信號加裝隔離器。 改造措施實施后，頻繁燒壞通道外配保險管的問題基本解決，而其他問題則沒有明顯改善。

改善含碳粉塵和含硫腐蝕性氣體對系統的影響。 通過封堵機柜眼孔，通入由精密過濾器再處理后的壓縮空氣進行微正常壓密封。

系統集成商及紅磷公司邀請的技術人員多次到現場調研并商討解決辦法，但收效甚微。

3.3 問題的結論

由于氣化系統原料組成改變，解決制氧工序控制系統存在問題已迫在眉睫，因此不得不從另一個角度和時間維度上來審視問題。

安裝在7#～9#位機柜內的氣化爐S7-200 PLC 系統的運行狀況也不理想，CP243-1 以太網通信模塊也頻繁損壞或頻繁造成數據堵塞（斷電復位解決），而且損壞的I/O 模塊也不少。 對氣化爐S7-200 PLC 系統及CP243-1 以太網模塊采取的技術措施也收效甚微。

DeltaV 系統在紅磷公司的運行狀況總體良好， 但原安裝在1#～3#位的DeltaV 系統的運行狀況也差強人意，在后來的改造中被氣化爐專用系統替換。

綜合紅磷公司多年來對各型DCS、PLC 系統的應用維護經驗，采納內、外技術建議和所能采取的措施，問題解決的時間跨度，以及收效甚微的實際情況來看，原制氧工序控制系統已不適宜在這一環境中繼續使用或選用，這一結論也為幾年來技術上的爭論劃上了句號。

4 ECS-700 系統的選用

在實際工程應用中，同一套控制系統在不同企業、 不同工況環境中會有不同的運行效果，其原因主要涉及具體運行工況環境與人員兩個方面，即系統“環境適應性”［8］，不利于控制系統運行的工況環境一旦形成，后繼改善非常困難。

基于紅磷公司多年來對國內外多型控制系統運行維護的經驗和技術積累，以及對同類型裝置和運行工況環境的調查，制氧工序控制系統選用浙江中控技術股份有限公司的ECS-700 系統。

4.1 ECS-700 系統的技術特點

ECS-700 系統是2007 年中控在ECS-100 系統的基礎上推出的WebField 系列控制系統之一，作為大規模聯合控制系統，目前已廣泛應用于石油、化工及電力等生產過程［9］。該系統具有如下技術特點：

a. 全冗余系統結構，可靠性高。供電系統、控制站、I/O 模塊及通信網絡等采用全冗余設計，任意一路電源或單一部件故障都不會影響系統和生產的正常運行。 系統硬件模塊都經過嚴苛的可靠性設計，具有Ⅲ級EMC 防護能力，取得CE 認證，所有部件都可以在G3 惡劣環境運行。所有模塊支持熱插拔、在線更換或增減I/O 模塊。

b. 多人協同技術，在線擴容與升級。 多人協同技術允許多個工程師在統一組態平臺同時開展組態和維護工作，保證大型系統組態的一致性和完整性，縮短項目實施周期。 支持在線擴容與升級，通過分域管理、協同多人組態、單點在線下載及在線發布等技術，實現了系統的無擾動在線擴容與升級。

c. 便捷的工程工具和在線下載。 可以通過Excel 導入數據庫信息、批量修改，從而提高工程組態效率。 采用基于固定地址的內存管理技術和對等雙組態緩沖技術，實現可靠的在線無擾下載［10］。

d. 開放式應用環境與信息安全。在不同層次上可通過Excel、VBA、OPC 數據交互協議及TCP/IP 等與DCS 進行數據交互。 無縫整合PROFIBUS、FF、HART 及EPA 等國際標準現場總線，并在統一的設備管理平臺上管理多種現場總線設備。 控制器內置網絡防火墻、協議解析并接入設備論證， 具有一定的防病毒能力， 獲得了AchillesLevel2 安全認證［11］。

4.2 ECS-700 系統項目實施

4.2.1 硬件配置優化

4～20 mA 信號通道加裝輸入、輸出隔離式安全柵，RTD 加裝溫度變送型隔離式安全柵，DI/DO采用繼電器隔離。隔離式安全柵的輸入/輸出信號和電源三端口隔離，構成完全浮空的系統，有效消除現場復雜的工頻、共模干擾等影響，提高系統的抗干擾性和可靠性［12］。 系統與操作站之間的通信通過光纖交換機隔離。

系統機柜的安裝選在圖2 的6#位，安裝底座獨立。 系統電源為中控推薦的一路市電， 一路UPS 供電，供電采用屏蔽電纜，屏蔽和UPS 在電氣側接地。 系統接地嚴格按中控的要求實施。 改變電纜進入室內的位置以減少交叉干擾（圖2 虛線）。 系統完成接線調試后，將機柜內的孔洞和縫隙及時封堵，原配置的散熱風扇不送電，出風口用膠帶封堵，只留頂部出氣口，由精密過濾器二次處理的壓縮空氣經恒流器從機柜底部進入，實現機柜的微正壓密封。

4.2.2 分子篩順控程序優化

每個吸附塔需經歷抽空、均壓、回氧、升壓、產氧和清洗6 個步驟， 兩塔之間的步序又有交叉，因此一個完整的兩塔吸附流程需經歷12 個步序， 主要由8 臺程控閥和3 臺調節閥按順控時序以不同的開關組合和調節閥設定開度實現。

原系統順控程序的啟/停、 設備啟/停組態在同一操作界面，而順控時序時間參數調整又在另一個操作界面，界面上各按鈕間的相互關系復雜且操作順序繁瑣，時間參數的調整不能明確表現出與順控步序間的必然聯系，給工藝操作與優化帶來困難。

在進行原控制系統組態轉換時，對順控程序和操作界面進行了相應的優化：結合工藝系統的實際運行需求，梳理優化邏輯關系，減少、合并操作界面上的按鈕，使操作界面簡潔明了，當按下時序停止按鈕后，原順控程序直接跳到第1 步并處于備用狀態，而優化后的順控程序將繼續順序運行到第1 步才停止，避免了原時序停止時直接跳到第1 步易使開關切換蝶閥“憋死”的情況發生。 優化后的分子篩順控程序彈出式操作面板如圖3 所示。

圖3 優化后的分子篩順控操作面板

5 ECS-700 系統投運效果

系統為中文界面，組態更符合國人的思維習慣。 專業技能年度測試表明，在紅磷公司運行的多型號DCS 中，達到同樣功能要求的組態，運營人員在ECS-700 系統需要付出的學習時間最短。

運行維護簡便。 一套DCS 完成組態并投運后，技術人員的主要日常工作是系統巡檢，工程師站和操作站的計算機維護，以及根據生產需要增加測量點的組態。 在工況環境下，部分操作站計算機運行環境惡劣，重裝操作站系統和恢復操作站計算機是系統維護人員的一大工作。 ECS-700 系統操作站恢復簡單，設置好IP 地址、計算機名、工作組和組態服務器地址后，操作站會自動連到組態服務器完成操作站界面數據的下載工作，而不需要對操作站進行繁瑣的配置及到工程師站上進行發布或下裝。 相比在用的部分系統，ECS-700 系統恢復一臺操作站所需的時間也是最短的，這一點深受維護人員喜愛。 修改組態或新增測量點后需下載到控制器，ECS-700 系統在線下載風險相對于紅磷公司在線運行的系統（除DeltaV 系統）來說是最小的，當然對于順控和聯鎖系統，則需要采取相應的措施才能下載。

ECS-700 系統自正式投入運行以來， 原系統頻繁出現的燒保險管、模塊損壞、測量信號受干擾以及找不到原因的順控程序異常所致的停運等問題再未出現過。 投運當年，在同等條件下，通過操作優化，制氧工序出口氧氣濃度比改造前增加了3.7%，增加氨產量約105 t，產生的經濟效益及原控制系統所需的維護費用就與項目的改造費用相當，即一年就收回了項目投資。 更重要的是,制氧工序長期穩定運行，給氣化系統優化操作創造了有利條件。

6 結束語

紅磷公司從25 年前投運第1 套Rosemount RS3DCS， 積累了多種型號DCS 的應用與維護經驗，對于控制系統的選用越加成熟和理性。 各種品牌、 型號的DCS 除具有普遍的技術特點外，還有其自身內在的特性， 在具體應用中則體現為“環境適應性”，同一型號系統在不同應用環境下會有不同的運行效果，因此在一些特定工況條件下，適合的控制系統選用會更加困難與曲折。 制氧工序ECS-700 系統的成功投運，為紅磷公司今后DCS 的升級改造、項目系統選用和復雜環境下的工程實施提供了參考案例。