计算机控制系统在化工生产中的应用

2013-01-29李明艳张志华徐建鑫

中国氯碱 2013年3期

李明艳，张志华，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 年引进山东威德盐水膜法除硝工艺，投产2 套20 万t/a 膜法除硝装置。该装置采用有机纳滤膜，利用膜分离装置，将原盐中带入的硫酸根从淡盐水中除去，保证隔膜、离子膜电解的正常运行；同时，使大量的硫酸根进入浓硝盐水，再利用膜分离系统使浓硝盐水中的硫酸钠进一步浓缩，并将其中部分盐进行回收。膜法除硝工艺主要包括3 个单元：预处理单元、膜过滤单元和盐回收单元。

1 控制系统的选择

根据工艺点数，控制系统采用横河CS3000 系统。选择原因为：（1）开放的网络结构：采用Windows XP 标准操作系统，支持OPC，提供了系统接口和网络接口，便于与公司生产调度监控网MES 系统进行通讯；（2）高可靠性，采用了4CPU 冗余容错技术（pair & spare 成对热后备）的现场控制站，实现了在任何故障及随机错误产生的情况下进行纠错与连续不间断地控制；（3）高效的工程化方法，CENTUM-CS3000 采用CONTROL DRAWING 图进行软件设计及组态，使方案设计及软件组态同步进行，最大限度地简化了软件开发流程。提供动态仿真测试软件，有效地减少了现场软件调试时间。

2 系统构成

2.1 硬件配置

考虑2 套一次盐水精制和膜法除硝装置共计404 点，配置了1 台冗余现场控制站（控制器型号AFV10D），控制站FCS 采用高速RISC 处理器VR5432，可进行64 位浮点运算，具有强大的运算和处理功能。此外，还可以实现诸如多变量控制，模型预测控制，模糊逻辑等多种高级控制功能。配置4 台Dell 工作站（其中，1 台兼作工程师站、3 台作监控操作站）、2 台系统柜及端子板柜、2 台继电器柜。所用卡件类型有：模拟量输入卡（AAI143-S，16 通道）、模拟量输出卡（AAI543-S，16 通道）、状态量输入卡（ADV151-P，32 通道）、状态量输出卡（ADV551-P，32 通道）、温度输入卡（AAR145-S，16 通道）和HART 协议输入卡（AAI141-H，16 通道）。整套系统硬件配置紧凑合理，节省空间和投资。

2.2 网络构成

2.2.1 星型拓扑结构

星型拓扑结构网络连接见图1[1]。

图1 星型拓扑结构网络连接示意图

图1 中，左边交换机为BUS1 对应橙色网线，右边交换机为BUS2 对应黄色网线。

采用星型拓扑结构，通过高速交换机充当中央节点，连接操作站和控制站。星型拓扑结构便于集中控制，因为端用户之间的通信必须经过中心站，某一端用户设备故障而停机时不会影响其他端用户间的通信，同时，星型拓扑结构的网络延迟时间较短，传输误差较低，这也正是所有新设计的以太网都采用物理星型拓扑的原因所在。但这种结构的弊端是，中央节点一旦损坏，整个系统便趋于瘫痪，因此，中央节点通常采用双机热备份，以提高系统的可靠性。

2.2.2 网络（V-net/IP）特点

CS3000 采用横河公司的V-net/IP 控制总线，速度可达1 Gbps，满足了用户对实时性和大规模数据通讯的要求。在保证可靠性的同时，又可以与开放的网络设备直接相连，使系统结构更加简单。 V-net/IP采用符合IEEE802.3 标准的复用控制网络，实现冗余控制。控制网为了确保网络能够在最理想的状态上运作，每个domain 能支持64 个站点，整个系统总共能有16 个域或256 个站点。

网络中BUS1 和BUS2 总线中间不能有任何交叉，必须有各自的路径，即交换机BUS1 只连各操作站VI702 网卡的BUS1 口和控制站处理器CP451 卡的BUS1 口，交换机BUS2 只连各操作站VI702 网卡的BUS2 口和控制站处理器CP451 卡的BUS2口。通信介质采用STP5 类双绞线，带屏蔽层，以防止干扰。

V-net/IP 是冗余网络，但BUS1、BUS2 功能并不是完全对等的。 BUS1 网络：只用于控制数据传输；BUS2 网络：用于控制和开放数据传输，可用于CS3000 与其他系统的开放通讯。因此，如果BUS2网络故障，将无法进行开放数据通讯，也无法进行系统操作站下装，但只要BUS1 正常，则控制数据传输仍正常，可对现场仪表进行监控和操作，不影响生产。如果BUS1 故障、BUS2 正常，可以进行操作站下装，但系统会舍去部分开放数据传输功能，从而优先保证控制数据传输，也不会影响系统稳定运行。

2.2.3 专用网卡及其设置

VI702 网卡为横河专用网卡，使用时需进行拨码设置，用于物理地址区分。 Domain Number（即域名），按照参考手册和实际情况设置。 Station Number（即站名）必须同计算机名一致，设IP 地址时也要一致。如计算机HIS0164 站，站名的八位二进制拨码要拨成01000000 （对应十进制数为64），IP 地址的后2 位为64。域名和站名都采用奇校验。需要注意的是，Setup Action Mode 项，要检查A、B、C、D4 个拨码是否在参考手册的默认位置上，出厂设置应该都在默认项上。如果不在，一定要拨到默认位置，使用系统默认值，否则，系统无法正常启动。在本项目中，工程师站的网卡和软件在设备到货时即已安装好，其他3 台操作站未安装，渤天化工按照说明书自行装完操作站，都能正常启动，自动登录到CENTUM的监控状态，但工程师站却无法登录到监控画面，无法启动测试功能，重装系统也无效。后来换了1 块备用网卡，按照说明设置拨码，再装就正常了。经分析，认为新网卡坏的几率不大，仔细比对这2 块网卡的不同，发现Setup Action Mode 的C 项被打到ON 的位置，系统默认是OFF。将备用网卡拆下，再把原网卡重新设置，则启动正常。因此，不能盲目认为出场设置不会出错，在安装系统时，一定要仔细认真检查网卡的拨码位置。

另外，IP 地址和子网掩码设置也要严格按照参考手册的要求进行，系统才能正常下装到控制器，实现控制功能。

IP 地址设置

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 软件设计

3.1 比值控制功能的实现

预处理单元需要将31%盐酸配比成10%盐酸，供给静态混合器使用。

经过分析探讨，双闭环比值控制系统能达到控制要求。根据介质特点，应该往水中加酸，选纯水作主流量，31%盐酸作副流量。利用比值控制模块,实现纯水与盐酸的自动配比功能。具体实现方式见图2。

正常情况下，根据生产负荷情况，设定合理的纯水流量值，即FICA8101 的SV 值，在未达到设定值之前，FICA8101 的PV 值是变化的，这个值再送入比值块FR8103 中，比值系数0.33。通过比值计算后，作为盐酸流量FICA8103 的设定值（此时该设定值也是变化的），使得纯水与盐酸始终保持3：1 的配比关系。当FICA8101 的PV 值达到SV 值时，阀门FV8101 的开度保持稳定值，则纯水流量达到稳定，此时，FICA8103 的设定值达到稳定，再根据此时FICA8103 的SV 值自动调整阀门FV8103 的开度，最终使FICA8103 的PV 值达到SV 值。需要升降负荷时，只需改变主流量的设定值，比值器则按预先设置好的比值使输出成比例变化，亦即，成比例地改变副流量控制器的给定值，使主、副流量按比例同时增减。此时，副流量闭环系统为一个随动控制系统，使得在新的工况下，盐酸流量与纯水，流量比值保持不变。当主流量没有变化而副流量由于自身干扰发生变化时，此副流量闭环系统相当于一个定值控制系统，通过PID 控制，克服干扰，使工艺要求流量比值仍保持不变[2]。这种控制方式不但可以实现副流量跟随主流量的变化而变化，还可以克服副流量本身干扰对比值的影响。这种双重数据设定保证了配置出的盐酸的最佳浓度值, 为静态混合器加盐酸提供了可靠的保证。

图2 比值控制功能的实现方式

3.2 HART 协议组态

膜过滤单元渗透液出口随设备带来的爱默生质量流量计，是具有HART 通讯功能的智能仪表。可同时测出密度，温度和流量信号。

HART（Highway Addressable Remote Transducer，可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议）是美国ROSEMOUNT 公司于1985 年推出的一种用于现场智能仪表和控制室设备之间的通信协议[3]。 HART装置提供具有相对低的带宽，适度响应时间的通信，该协议现已成为智能仪表事实上的工业标准。未来的技术发展趋势是全数字化的通讯协议，HART 不是真正的现场总线，而是从模拟控制系统向现场总线过渡的一种通讯协议。实现4～20 mA 模拟信号与数字通讯兼容的标准，是现场总线的过渡性标准。HART 通讯协议参照“ISO/OSI”的模型标准，简化并引用其中的1、2、7、3 层（物理层、数据链路层和应用层）制定而成。

HART 协议采用基于Bell202 标准的FSK 频移键控信号，在低频的4～20 mA 模拟信号上叠加幅度为0.5 mA 的音频数字信号进行双向数字通讯，数据传输率为1.2 Mbps。由于FSK 信号的平均值为零，不影响传送给控制系统模拟信号的大小，保证了与现有模拟系统的兼容性。在HART 协议通信中主要的变量和控制信息由4～20 mA 传送，在需要的情况下，另外的测量、过程参数、设备组态、校准、诊断信息通过HART 协议访问。采用屏蔽双绞线电缆，以减少干扰，保证信号正常传输。

选用AAI141-H 卡，4～20 mA，16 通道，带HART通讯功能。具体设置见图3。

图3 HART协议组态调置图

如图3，主变量流量信号FT8301 设置在AAI141-H 卡的第一选项卡Analog data 中，而密度DT8301 和温度TT8301 则设置到第二选项卡HART Variable 中。由于组态定义很容易实现，且只占用1个模拟量通道，就能实现3 个模拟量信号的监控。以1 根带屏蔽的双绞线电缆同时传输3 个信号，节省了电缆用量减轻了仪表工的劳动强度，既节约投资，又缩连短工期。

3.3 高压泵连锁逻辑

为保护昂贵的膜装置，在膜过滤过程中，对一些重要设备设置了连锁保护程序。把运行中的重要参数设计成连锁测点。当这些参数出现异常状态，系统将直接连锁停车。以高压泵连锁逻辑为例，利用系统提供的逻辑图（LOGIC CHART）组态功能，利用LC64 功能块，进行逻辑与逻辑或的搭配，实现连锁功能。流程图见图4。

图4 高压泵连锁流程图

满足任何一个条件，都会连锁停高压泵P9201，同时，打开膜系统渗透液出口阀门DIC9201，以起到保护膜系统的功能，膜装置管路上压力开关PGS9201、9202、9203 超过设定压力；浓缩盐水配水罐液位LIA9102 LL；高压泵出口流量FIAS9201 HH或LL；高压泵出口压力PIAS9201 HH；进口压力PIAS9203 LL；附油泵机封水流量FIAS9205 LL；附油泵P-9202 停机。因为在开车初期，很多条件都得解除，装置才能运行起来，近以，在每一路连锁条件中都设计了旁路按钮，可以解除连锁。当系统运行起来后，在合适的时机投入连锁保护。该系统连锁逻辑虽然简单，但所起的作用非常重要。