磷酸装置翻盘式真空过滤机控制系统的改造

2016-11-24祁春伟

化工自动化及仪表 2016年8期

关键词：降速过滤机控制箱

祁春伟

(瓮福(集团)有限责任公司，贵州福泉 550501)

磷酸装置翻盘式真空过滤机控制系统的改造

祁春伟

(瓮福(集团)有限责任公司，贵州福泉 550501)

将年产30万吨湿法磷酸装置真空过滤机的原现场继电器控制系统，升级改造为基于CENTUM VP DCS的控制系统。硬件部分给出了油泵电动机控制回路、转向和转速控制以及联锁保护系统的改造方案；软件部分则给出了DCS程序组态的主程序、真空过滤机转速控制的计算程序以及真空过滤机的转向和联锁保护逻辑，最后展示了DCS操作界面的设计画面。

CENTUM VP DCS 真空过滤机控制系统升级硬件软件组态

瓮福(集团)有限责任公司于20世纪90年代中期引进比利时普莱昂湿法磷酸生产工艺，建成年产30万吨磷酸装置。Bird-Prayon 30EH型翻盘式真空过滤机是该装置过滤工序的关键设备，其控制系统由现场仪表、接触器及继电器等构成。真空过滤机的控制箱安装在真空过滤机旁边，控制元件被酸性气体严重腐蚀，故障率很高，调速电位器经常接触不良或损坏。仪表、继电器等都采用110V(AC)电源，备件不通用，维修困难，导致多次真空过滤机停车，影响生产。为此，瓮福(集团)有限责任公司组织技术人员，将Bird-Prayon 30EH型翻盘式真空过滤机的控制系统，升级改造为基于CENTUM VP DCS的控制系统。CENTUM VP DCS采用冗余容错技术，多微处理机分散控制结构，各单元都具有自诊断、自检查、修复和故障报警功能，系统利用率达99.9999%[1]。

1 翻盘式真空过滤机

Bird-Prayon 30EH型翻盘式真空过滤机由30个滤盘组成，主要材料为904L、317L、316L不锈钢，总过滤面积220.00m2，有效面积198.75m2，其转速可根据生产需要在2～10r/min进行调整。整个滤盘一周被分为加料区、初滤区、过滤区、一洗区、二洗区、反吹、翻盘倒渣区及滤布吸干区等。中央分配器由动静错气盘组成，它内部的隔室与滤盘分区一一对应，滤盘和分配器用软管连接。

真空过滤机周边有一个大齿圈，由呈120°均匀布置的3个液压马达小齿轮驱动并带动整个真空过滤机转动。液压马达控制系统的工作原理如图1所示。

液压马达控制系统的关键执行部分为安装在轴向柱塞变量泵上的伺服阀电位移控制单元，由两个线圈串联组成，实际上是一种完成电气-机械信号转换的力矩马达。伺服阀中的电气-机械转换器分为力矩马达(输出摆角)和力马达(输出直线位移)两种。力矩马达利用载流导体(线圈)所受磁场的作用力，通过弹性扭力元件把电流信号转换成机械摆角(偏转角)，从而实现电气-机械信号的转换。力矩马达机械摆角的变化会控制喷嘴挡板式伺服阀的阀芯位移量，使它与电流信号成比例[2]。通过改变流过线圈电流的大小，变量泵输出给液压马达的液压油流量会变化，从而改变真空过滤机的转速。改变线圈电流的方向，变量泵输出给液压马达的液压油流方向会发生改变，从而改变真空过滤机的转动方向。

当控制继电器KA不带电时12V(DC)电源通过电阻R3(150Ω)进入EDC，A正D负，真空过滤机顺时针正转，转动速度由电位器RP(100Ω)调节，正转最大驱动电流为12V/(150Ω+20Ω+16Ω)≈64.5mA。当控制继电器KA得电时12V(DC)电源通过电阻R1(950Ω)和R2(50Ω)进入EDC，D正A负，真空过滤机逆时针反转，转动速度由电位器RP(100Ω)调节，反转最大驱动电流为12V/(900Ω+50Ω+16Ω+20Ω)≈12.2mA。经上述分析计算，得出反转速度驱动电流约为正转转速电流的20%，这是由于真空过滤机反转是用于清理和检修维护用的，故原厂家通过限流电阻进行了转速限制。另外，当油箱油位低报警、油温不小于65℃、出口油压不大于130psi(1psi=6.895kPa)时，油泵电动机将保护跳闸。

图1 液压马达控制系统工作原理

2 升级改造

由于现场环境恶劣，常有腐蚀性气体和酸性料浆喷溅，因此控制系统必须远离生产现场。同时，采用具有高可靠性的CENTUM VP DCS系统来替代原来由仪表和继电器控制的方式。将电气类控制元件安装在低压配电室内，仪表控制类元件由DCS软硬件结合完成。拆除原现场控制箱，更换为不锈钢控制箱，箱体面板布局与原来的控制箱一样，不改变操作人员习惯，新控制箱内只安装按钮、指示灯等简单元件，这样一来就简化了现场控制箱。而关键控制功能都转移到了室内环境较好的DCS系统中，用以大幅提高设备的可靠性。

2.1硬件部分

原电动机由安装在控制箱内的接触器-热继电器来控制和保护，现在将它改造为由接触器和PMC550型电动机综合保护器控制，放置在环境较好的电气低压配电室抽屉柜内。安装在现场控制箱上的启停按钮上的控制电压均为24V(DC)，避免按钮漏电伤人。

如图2所示，由于原来的调速电位器故障频繁，现更换为增速和降速按钮输入到DCS的DI点，由DCS运算后，AO通道SC-51401输出模拟量4～20mA信号，再经过MSC306E-C0G0型隔离器放大为0～150mA信号，去驱动EDC电位移控制器。操作人员在现场按一次增速或降速按钮，转速变化5%。也可以在DCS的操作界面直接输入数值来控制转速。

控制箱上真空过滤机的正转、停止和反转按钮接入DCS的DI输入点，由DCS进行逻辑运算后经DO点输出给安装在DCS柜内的两个继电器KA2和KA3，它们分别接通即可控制正反转的方向。反转的转速通过DCS程序限制为20%，不再需要限流电阻进行转速限制。

图2 转向与转速控制硬件原理

将油箱油位低报警、油箱油温和油泵出口油压均接入DCS，在DCS上设计显示、报警和联锁保护。当油箱油位低报警、油箱油温不小于65℃、油泵出口油压不大于130psi、现场急停、中控室急停、工艺联锁停真空过滤机信号中，任意一个信号触发联锁时，油泵电动机将保护跳闸。其中油泵出口油压是低压力保护，因此在启动油泵15s待油压建立后，再自动投入联锁。

2.2DCS程序组态

如图3所示，主程序由输入信号处理部分、真空过滤机转速控制计算、真空过滤机油泵及其转向和联锁保护控制，以及油温油压转速计算显示等功能块组成。

图3 主程序

输入信号处理部分。将现场控制箱送入DCS的开关量输入点(如升速、降速、油泵运行状态、正转及反转等)，用TON/TOFF功能块进行预处理，变为上升沿或下降沿，为CALCU计算块或LC64逻辑功能块调用做准备。

真空过滤机转速控制计算由CALCU计算块FS_CALC实现，程序代码如下：

1|PROGRAM

2|ALIAS FSINC INC_ONS. CFV !现场升速按钮上升沿；

3|ALIAS FS_INC_CC FS_INC_C. PV !中控室升速按钮脉冲；

4|ALIAS FSDEC DEC_ONS. CPV !现场降速按钮上升沿；

5|ALIAS FS_DEC_CC FS_DEC_C. PV !中控室降速按钮脉冲；

6|ALIAS FS_AO FS_CTRL.MV

7|ALIAS PUMP10 LUBE_10_ONS.CPV

8|ALIAS PUMP01 LUBE_01_ONS.CPV

9|ALIAS REV FLTR_REV.PV

10|

11|IF (FSINC==1 OR FS_INC_CC==1 ) THEN!现场或中控升速按钮，一次加5%；

12| FS_AO=FS_AO+5.0

13|END IF

14|

15|IF (FSDEC==1 OR FS_DEC_CC==1)THEN ！现场或中控降速按钮，一次减5%；

16| FS_AO=FS_AO-5.0

17|END IF

18|

19|IF (PUMP10==1 OR PUMP01==1 OR FWD_ONS. CPV==1 OR REV_ONS.CPV==1 OR STP_ONS.CPV==1)THEN

20| !油泵电机状态变化，或正反转方向变化，调速信号回零；

21| FS_AO=0.0

22|END IF

23|

24|IF (REV==1) THEN !若为反转状态，则转速限幅为20%；

25| IF (FS_AO>=20) THEN

26| FS_AO=20.0

27| END IF

28|END IF

29|

30|CPV=FS_AO

31|

32|END

该程序主要实现了升速和降速控制，在现场控制箱上按一下按钮，DCS输出的真空过滤机转速驱动电流会相应上升或下降5%。当油泵或转向状态发生变化时，程序将转速控制信号自动拉到零，防止真空过滤机立即转动伤人。当真空过滤机反向转动时，按工艺要求，程序将转速控制信号限幅为20%。

真空过滤机转向和联锁保护控制由LC64逻辑图功能块51401CTRL实现，原理如图4所示。真空过滤机的正-停-反控制主要由两个SR触发器构成，图中两条虚线信号是互锁作用，保证正反两个输出继电器只有一个能闭合，防止输出给伺服阀的驱动电流回路短路。真空过滤机停止时，断开伺服阀的驱动电流，但液压站的油泵电动保持转动。当工艺联锁保护、急停、油温、油压、油

图4 真空过滤机转向和联锁保护控制逻辑

位保护动作时，油泵电动机也会一并停止，保证设备和人身安全。图中，中控室升速、降速、正转、反转和停止按钮都在DCS上设计了软操作面板，由于CENTUM VP DCS系统操作面板不能自动复位，故在此逻辑图中用2、3、4、5、6号时间继电器分别做了延时2s的复位程序，让面板上的ON/OFF按钮自动复位。

2.3DCS操作界面

笔者设计的真空过滤机操作界面如图5所示。界面中直观地显示出了真空过滤机和液压站的操作与运行数据。虚线下方为联锁保护显示画面，当某个联锁回路动作时，会变红闪烁，让操作人员和维修人员对真空过滤机的故障快速定位，节约了故障判断时间和维修时间。

3 结束语

瓮福(集团)有限责任公司的Bird-Prayon 30EH型翻盘式真空过滤机控制系统经改造、调试和试运行后，彻底摆脱了原来现场仪表、继电器和调速电位器故障频发带来的困扰，DCS系统在稳定性方面的优势得以充分发挥。同时，验证了在控制精度要求不高的情况下，用定制的隔离器来替代昂贵的专用伺服控制器是可行的。目前，工艺人员在现场和中控室都可以操作真空过滤机，故障状态也一目了然。系统投运后，稳定、安全、可靠，为整个磷酸装置的正常生产提供了有力保障。