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現(xiàn)場(chǎng)總線在硝銨裝置中的控制
現(xiàn)場(chǎng)總線在硝銨裝置中的控制
FF基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線是一種全數(shù)字式的串行雙向通信系統(tǒng)，它將各種現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備如傳感器、執(zhí)行器、控制器等連接在一起，形成一個(gè)局域網(wǎng)（LAN），通過這樣一個(gè)通信系統(tǒng)可向整個(gè)網(wǎng)絡(luò)提供應(yīng)用程序。
經(jīng)多方面考慮后，我們?cè)陉兾魇∨d平化肥股份有限公司二期硝鍍、硝酸改造工程中成功地采用了Fisher-Rosemount公司的FF現(xiàn)場(chǎng)總線型Delta V控制系統(tǒng)及現(xiàn)場(chǎng)儀表。經(jīng)過設(shè)計(jì)、開發(fā)、使用幾方面的共同努力，該系統(tǒng)于2000年5月12日一次開車成功。經(jīng)過考核，系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，各種指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。我們確實(shí)體會(huì)了到這一現(xiàn)場(chǎng)總線型控制系統(tǒng)的*性及*性，性能價(jià)格比也很突出。北京貝斯機(jī)電工程有限公司參與并承擔(dān)了該工程中的儀表選型、系統(tǒng)的開發(fā)組態(tài)及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試與技運(yùn)等全過程工作。
二、工藝要求與配置特點(diǎn)
1、工藝要求
工程分為兩個(gè)部分，其中硝銨裝置采用法國KT（kalterlbach-Thudng S.A）公司的工藝技術(shù)。裝置組成分為中和、蒸發(fā)造粒、冷卻包裝3個(gè)主要工序。裝置規(guī)模為18萬t/a。
其工藝框圖如圖l所示。
全裝置要求控制系統(tǒng)具有34套調(diào)節(jié)回路（以單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)為主），其中l(wèi)套比值串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，2套單比值調(diào)節(jié)，l套手操器；160點(diǎn)開關(guān)量（DI、DO），55點(diǎn)FF（Input），27點(diǎn)FF（Output），32點(diǎn)AI（4~20mA），12點(diǎn)AO（4~20mA）。根據(jù)法國KT公司的工藝技術(shù)要求，控制系統(tǒng)具備緊急停車系統(tǒng)（ESD），即當(dāng)管式反應(yīng)器的溫度超過185℃或流量調(diào)節(jié)無效等工藝危險(xiǎn)條件成立時(shí)，緊急停車系統(tǒng)動(dòng)作，以便起到安全及保護(hù)裝置的作用。
其控制點(diǎn)分布如表l所示。
硝酸裝置屬于改造工程，現(xiàn)場(chǎng)儀表為現(xiàn)有的DDZ-III型儀表，要求系統(tǒng)兼顧4~20mA信號(hào)。Fisher-Rosemount公司的FF現(xiàn)場(chǎng)總線型Delta V控制系統(tǒng)具有4~20mA的I/O卡件，這是硝鍍、硝酸改造工程選用的Delta V的主要原因之一。
2、配置特點(diǎn)
在硝鍍裝置中并未采用具有HART協(xié)議的傳感器，而是直接采用現(xiàn)場(chǎng)總線智能儀表及執(zhí)行機(jī)構(gòu)，PID控制模塊下裝到現(xiàn)場(chǎng)總線智能儀表及執(zhí)行機(jī)構(gòu)中執(zhí)行，實(shí)行了真正意義的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)。
三、系統(tǒng)配置
1、系統(tǒng)配置圖
系統(tǒng)配置圖，如圖2所示。
2、控制室配置
本系統(tǒng)包括1個(gè)工程師站、4個(gè)操作員站、3對(duì)冗余控制器及I/O卡件。
（1）工程師站配置及主要功能
硬件配置：Intel PIII 450MHz CPU、6.4GB硬盤、128MB內(nèi)存、14/32倍速光驅(qū)、Travan磁帶機(jī)、冗余的網(wǎng)絡(luò)控制接口、21"CRT及外接喇叭、鼠標(biāo)、鍵盤、56kb/s Modem。
軟件配置：Windows WT4.0+SP4.0；Fisher-Rosemount Delta V4.2 Professional Plus版。
主要功能：對(duì)控制系統(tǒng)組態(tài)、畫圖、建立控制模塊；對(duì)總線儀表組態(tài)、查看儀表數(shù)據(jù)（如法蘭尺寸、閥芯類型、環(huán)境溫度、報(bào)警、自診斷等）。可采集歷史數(shù)據(jù)及歷史事件，并提供強(qiáng)大的檢索功能。工程師站具有操作員站的全部功能。
（2）操作員站配置及主要功能
硬件配置：Intel PIII 450MHz CPU、6.4GB硬盤、128MB內(nèi)存、14/32倍速光驅(qū)、冗余的網(wǎng)絡(luò)控制接口、21"CRT及外接喇叭、鼠標(biāo)、鍵盤。
軟件配置：Windows NT4.0+SP4.0；Fisher-Rosemount Delta V4.2 Operator版。
主要功能：供操作員使用，顯示帶控制點(diǎn)PID工藝流程圖、報(bào)警圖、趨勢(shì)圖、歷史曲線等，操作員監(jiān)視現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，操作閥門、電動(dòng)機(jī)等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。
（3）冗余控制器及I/O卡件
Delta V控制器采用Motorola Power 860 50MHz處理器。其特點(diǎn)為：自動(dòng)確定地址，不需跳線開關(guān)，自動(dòng)識(shí)別I/O模塊；能實(shí)現(xiàn)從簡單PID控制、模糊控制到復(fù)雜的順序控制、聯(lián)鎖控制；控制器為1：1熱備份冗余，自動(dòng)診斷故障并自動(dòng)切換。
控制系統(tǒng)共使用了8種I/O卡件，如表2所示。
3、現(xiàn)場(chǎng)配置
在這套控制系統(tǒng)中既有總線式儀表和閥門，又有DDZ-III型儀表設(shè)備，這里對(duì)總線式儀表和閥門現(xiàn)場(chǎng)接線作介紹。
總線系統(tǒng)的配置如下：H1 Card（2口現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備接口卡）共8塊；Fieldbus Power Supply （現(xiàn)場(chǎng)總線電源）16個(gè)；6-Spur Fieldbus Junction Block（6分支現(xiàn)場(chǎng)總線接線盒）32個(gè)；現(xiàn)場(chǎng)總線儀表55臺(tái)；現(xiàn)場(chǎng)總線閥門27臺(tái)；現(xiàn)場(chǎng)總線電纜5600m，其中干線3740m，支線1860m。
四、控制方案及系統(tǒng)組態(tài)
根據(jù)工藝的要求和系統(tǒng)的硬件配置，軟件組態(tài)共分3個(gè)控制區(qū)域：
（1）AREA-AN-1F：
用于硝酸裝置的控制，屬于改造部分，該部分現(xiàn)場(chǎng)儀表為DDZ-III型常規(guī)儀表。共有57個(gè)數(shù)據(jù)監(jiān)視點(diǎn)，18個(gè)PID調(diào)節(jié)回路，2個(gè)聯(lián)鎖停車。
（2）AREA-AN-2F：
用于控制硝銨裝置中的壓力、溫度、流量等工藝參數(shù)的監(jiān)控。共有56個(gè)數(shù)據(jù)監(jiān)控點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)都具有報(bào)警，歷史曲線記錄、累積（流量點(diǎn)）、設(shè)備狀態(tài)診斷。33個(gè)PID控制點(diǎn)，其中比值串級(jí)l套，比值調(diào)節(jié)2套，手操器1套。所有PID模塊均下裝到總線式調(diào)節(jié)閥中運(yùn)行（常規(guī)調(diào)節(jié)閥除外）。
（3）AREA-ANJF：
用于控制硝鍍裝置中所有開關(guān)量設(shè)備工作狀態(tài)的監(jiān)控，如電動(dòng)機(jī)、雙位閥等。工藝中的聯(lián)鎖控制也在這個(gè)控制區(qū)內(nèi)實(shí)現(xiàn)。
電動(dòng)機(jī)44臺(tái)：每臺(tái)電動(dòng)機(jī)設(shè)有1個(gè)DI點(diǎn)，用于反饋電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)。1個(gè)DO點(diǎn)，用于控制聯(lián)鎖停電動(dòng)機(jī)或操作員停電動(dòng)機(jī)。
雙位閥6臺(tái)：每個(gè)閥有1個(gè)或2個(gè)DI反饋，用于監(jiān)視閥門的工作狀態(tài)。1個(gè)DO點(diǎn)，用于驅(qū)動(dòng)電磁閥。
三通閥2臺(tái)：每個(gè)閥有1個(gè)DI，用于監(jiān)視閥門的工作狀態(tài)。1個(gè)DO點(diǎn)，用于驅(qū)動(dòng)電磁閥。
根據(jù)法國KT公司的邏輯圖，每個(gè)電動(dòng)機(jī)和電磁閥都設(shè)有聯(lián)鎖停和聯(lián)鎖切除，管式反應(yīng)器緊急停車在這個(gè)區(qū)域中實(shí)現(xiàn)。
聯(lián)鎖中共有3個(gè)控制按鈕：
STOP：使管式反應(yīng)器緊急停車；
RESET：使管式反應(yīng)器緊急停車聯(lián)鎖處于有效狀態(tài)；
START：啟動(dòng)管式器緊急停車聯(lián)鎖。
由于反應(yīng)剛開始時(shí)氣氨的流量、壓力及硝酸的流量不能馬上達(dá)到正常反應(yīng)的控制范圍。所以，在聯(lián)鎖中FSLL101（氣氨流量低低限報(bào)警）、FSLL102（硝酸流量低低限報(bào)警）、PSLL101（氣氨壓力低低限報(bào)警）這3個(gè)聯(lián)鎖條件在啟動(dòng)管式器緊急停車聯(lián)鎖后20min內(nèi)（時(shí)間可根據(jù)工藝具體情況調(diào)整）不起作用。20min后其中任何一個(gè)報(bào)警產(chǎn)生時(shí)聯(lián)鎖就會(huì)使管式反應(yīng)器緊急停車。聯(lián)鎖停車時(shí)首先關(guān)閉氣氨管線上的雙位閥HV101、硝酸管線上的雙位閥HV102；停氣氨壓縮機(jī)C2101、C2102；5s之后關(guān)閉氣氨流量調(diào)節(jié)閥FY101B、硝酸流量調(diào)節(jié)閥FY102B；10s之后關(guān)閉工藝蒸汽pH值調(diào)節(jié)閥AY101B。其他聯(lián)鎖條件如FSHH101（氣氨流量高高限報(bào)警）、FSHH102（硝酸流量高高限報(bào)警）、LSH102（管式反應(yīng)器分離器液位高限報(bào)警）、PSH102（硝酸壓力高限報(bào)警）等工藝參數(shù)產(chǎn)生報(bào)警時(shí)，聯(lián)鎖同樣使管式反應(yīng)器緊急停車。
五、控制功能
該系統(tǒng)除對(duì)工藝過程中各種工藝參數(shù)如壓力、溫度、流量、液位、成分等進(jìn)行過程控制與監(jiān)視外，還具有如下控制功能。
1、報(bào)警
Delta V系統(tǒng)對(duì)每一個(gè)系統(tǒng)卡件、工作站等硬件設(shè)備及監(jiān)控點(diǎn)都設(shè)有狀態(tài)報(bào)警及報(bào)警記錄，用戶不需進(jìn)行組態(tài)。對(duì)于監(jiān)控點(diǎn)的過程變量報(bào)警，需用戶自己定義報(bào)警限及報(bào)警等級(jí)。報(bào)警種類有低低報(bào)、低報(bào)、高報(bào)、高高報(bào)和偏差低報(bào)和偏差高報(bào)。報(bào)警等級(jí)有Critical、warning、Advisory、Log，其中Critical級(jí)別高，Log級(jí)別根據(jù)工藝的要求來決定采用哪一級(jí)報(bào)警。
2、監(jiān)控操作畫面
本監(jiān)控系統(tǒng)是以興化II期硝鍍、硝酸帶控制點(diǎn)工藝流程圖為基本框架，將整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控畫面分成工藝流程總貌畫面，工藝流程圖畫面，控制分組畫面，聯(lián)鎖流程圖畫面，儀表邏輯圖畫面，全廠報(bào)警表畫面，各檢測(cè)參數(shù)的實(shí)時(shí)、歷史曲線圖畫面等多幅畫面。其中硝鍍裝置的工藝流程圖畫面有12幅，硝酸裝置有70畫。它們分段顯示整套硝鏡、硝酸系統(tǒng)的工藝流程狀況，因此整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)具有畫面生動(dòng)、活潑、容易理解及操作的特點(diǎn)。
3、趨勢(shì)圖
本系統(tǒng)中有歷史趨勢(shì)記錄的功能，用戶購買了300點(diǎn)權(quán)限，每個(gè)點(diǎn)的采樣周期可從1s-5min。此項(xiàng)目中采樣周期設(shè)為10s。系統(tǒng)中還有實(shí)時(shí)趨勢(shì)圖顯示，只是實(shí)時(shí)趨勢(shì)圖在窗口關(guān)閉后數(shù)據(jù)就會(huì)丟失。而歷史趨勢(shì)圖的數(shù)據(jù)存在硬盤中，操作人員可以隨時(shí)查看以前的數(shù)據(jù)和趨勢(shì)圖。
4、歷史事件記錄
Delta V可以詳細(xì)記錄操作員的每一個(gè)操作，包括操作時(shí)間、操作員所用的操作站名、操作前后的數(shù)據(jù)。Delta V還可以記錄過程數(shù)據(jù)報(bào)警、儀表故障報(bào)警、系統(tǒng)硬件故障報(bào)警等。
5、報(bào)表
報(bào)表種類有月報(bào)表、日?qǐng)?bào)表和班報(bào)表。報(bào)表采用Delta V中的Report Manager。報(bào)表打印的同時(shí)可產(chǎn)生報(bào)表文件，存在用戶目錄中，供用戶長期保存和檢索。同時(shí)在操作站也有相應(yīng)的顯示畫面，以供操作員隨時(shí)查看和記錄。
六、系統(tǒng)特點(diǎn)與分析
1、利用總線式控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精確的摩爾比控制
硝酸與氣氨反應(yīng)生成硝酸錢是硝鍍這個(gè)工藝中重要的反應(yīng)過程，這個(gè)反應(yīng)控制的好壞直接影響硝鍍的質(zhì)量。而硝酸加入量與氣氨加入量的控制又是反映過程的關(guān)鍵。這是一個(gè)比值串級(jí)控制回路。
（1）傳統(tǒng)的控制方案
硝酸與氣氨反應(yīng)的傳統(tǒng)控制方式是采用質(zhì)量比控制，即：濃度為48%的硝酸溶液流量（t/h）：氣氨流量（t/h）=7：l；硝酸溶液流量（th）=7x氣氨流量（th）。
此控制方案要求硝酸濃度應(yīng)保持在48%。濃度高會(huì)使參加反應(yīng)的硝酸過量，濃度低會(huì)使參加反應(yīng)的氣氨過量，影響產(chǎn)品質(zhì)量。
（2）Delta V+總線式質(zhì)量流量計(jì)實(shí)現(xiàn)摩爾比控制
總線式質(zhì)量流量計(jì)不同于常規(guī)模擬式質(zhì)量流量計(jì)，它可同時(shí)采集到4個(gè)測(cè)量參數(shù)，包括被測(cè)介質(zhì)的密度、溫度、質(zhì)量流量、體積流量。
根據(jù)法國KT公司提供的公式：
公式1：硝酸濃度=f（溫度，密度）
硝酸與氣氨反應(yīng)生成硝酸錢的理論公式：NH3+HNO3→NH4NO3
公式2：1摩爾硝酸鍍=l摩爾硝酸+1摩爾氣氨
公式3：氣氨流量（t/h）×63=濃度為硝酸溶液流量（t/h）x17（其中63為HNO3分子量，17為NH3分子量）
公式4：硝酸溶液流量（t/h）=（氣氨流量（t/h）×63）/（硝酸濃度（%）×17）
根據(jù)法國KT公司提供的公式，可實(shí)時(shí)計(jì)算出管道中硝酸的濃度。用公式4作為比值串級(jí)控制系統(tǒng)的比值公式，當(dāng)濃度變化時(shí)硝酸流量調(diào)節(jié)回路的設(shè)定點(diǎn)也會(huì)改變。使100%的純硝酸量保持恒定，所以此控制方案克服了硝酸濃度變化對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響。
之所以能采用摩爾比控制是由于總線式儀表的多點(diǎn)參數(shù)采集。而傳統(tǒng)的質(zhì)量流量計(jì)雖然能測(cè)出密度、質(zhì)量流量、體積流量等數(shù)據(jù)，但由于采用4~20mA二線制傳送信號(hào)，過程控制器只能采集到一個(gè)過程參數(shù)。在傳統(tǒng)DCS中如一定要用精確的摩爾比控制就必須增加儀表設(shè)備。至少要增加溫度和密度的測(cè)量儀表，故總線式儀表的多點(diǎn)參數(shù)采集節(jié)省了儀表的投入，提高了控制精確度。
2、AMS Inside*的設(shè)備管理及維護(hù)方案
AMS Inside（Asset Management Solution Inside）是一種嵌入在Delta V中的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備管理軟件。它可實(shí)時(shí)提供現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的硬件信息、狀態(tài)和診斷信息；可使現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的維護(hù)更快捷，更方便；預(yù)測(cè)故障發(fā)生，減少非計(jì)劃停運(yùn)，縮短調(diào)試時(shí)間。
系統(tǒng)維護(hù)工程師可以從控制室中查到存儲(chǔ)在現(xiàn)場(chǎng)儀表及閥門中的各種技術(shù)參數(shù)，如儀表型號(hào)、規(guī)格、尺寸、材質(zhì)、介質(zhì)、出廠日期、儀表量程、標(biāo)定記錄、自診斷等。以下是在硝鍍裝置調(diào)試時(shí)兩個(gè)AMS Inside具體應(yīng)用的事例。
例1：在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試過程中，我們?cè)l(fā)現(xiàn)1臺(tái)電磁流量計(jì)指示為負(fù)值。在組態(tài)工作站上打開AMS Inside發(fā)現(xiàn)儀表自診斷指示流體反向流動(dòng)。與工藝工程師核實(shí)，當(dāng)設(shè)備由技運(yùn)到停止過程中由于液位差的原因，會(huì)出現(xiàn)短時(shí)的反向流動(dòng)。由此證明此現(xiàn)象并不是儀表有故障?？偩€式儀表具有詳細(xì)的自診斷信息，使維護(hù)人員能更加準(zhǔn)確地判斷是儀表故障還是工藝實(shí)際狀況。如使用常規(guī)電磁流量計(jì)，在控制室內(nèi)只能測(cè)出非正常的電流信號(hào)。維修人員只有去現(xiàn)場(chǎng)才能判斷是儀表故障還是工藝實(shí)際狀況。
例2：由AMS Inside可知現(xiàn)場(chǎng)儀表的詳細(xì)狀態(tài)。由于總線式調(diào)節(jié)閥具有閥門開度反饋的功能，當(dāng)操作人員從控制室輸出75%的閥門開度時(shí)，幾秒鐘后就可在操作畫面上看到閥門的實(shí)際開度。在裝置技運(yùn)過程中，再熔槽的液位控制不穩(wěn)定。檢查再熔槽液位調(diào)節(jié)閥LV301時(shí)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)調(diào)節(jié)閥的開度大于8%時(shí)輸出與反饋保持一致，而輸出小于8%時(shí)反饋保持在8%不變。通過這個(gè)現(xiàn)象維修人員懷疑閥門有可能被卡住，經(jīng)檢查確實(shí)發(fā)現(xiàn)1塊金屬異物卡在閥中。
另外，總線式調(diào)節(jié)閥通過AMS Inside還可以記錄自閥門出廠后的總行程位移有多少米和當(dāng)前膜頭壓力。根據(jù)位移極限值可判斷閥門是否超過了疲勞和磨損極限，需要哪一級(jí)的維護(hù)；另一方面根據(jù)膜頭壓力和當(dāng)前閥門的位置反饋能判斷閥門是否存在故障。因此，維護(hù)人員利用AMS可在控制室內(nèi)對(duì)總線式調(diào)節(jié)閥進(jìn)行校驗(yàn)。
總線式設(shè)備與AMS Inside的結(jié)合，向用戶提供了大量的設(shè)備數(shù)據(jù)和其現(xiàn)場(chǎng)使用狀況，從一定程度上講可以做到足不出戶解決問題。這大大節(jié)省了人力物力，同時(shí)維護(hù)的目的明確，效果良好，為用戶提供了一個(gè)全新的概念和維護(hù)手段。
3、節(jié)省73.4%的電纜
在硝鍍裝置中控制系統(tǒng)共使用總線電纜5600m，其中干線3740m，支線1860m。系統(tǒng)中有16根干線，82臺(tái)總線設(shè)備。
如采用傳統(tǒng)儀表，則：
傳統(tǒng)方式所需電纜≈支線+（干線/16）×82=1860+3740/16×82=210275（m）
總線所需電纜長度只占傳統(tǒng)方式所需電纜長度的26.6%，所以節(jié)省的電纜為73.4%。
另外，在節(jié)省電纜費(fèi)用的同時(shí)，其敷設(shè)電纜槽板、保護(hù)管及人工費(fèi)都有相應(yīng)的節(jié)約。這也是現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)之一。
總線型Delta V控制系統(tǒng)在興化硝錢、硝酸裝置中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了將控制功能下裝到現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀表與調(diào)節(jié)閥中，直接在現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)成調(diào)節(jié)回路。與傳統(tǒng)的DCS相比，多了現(xiàn)場(chǎng)控制層，提高了系統(tǒng)可靠性。Fisher-Rosemount專為總線主制系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的Delta V，使得控制系統(tǒng)中的軟件與硬件構(gòu)成一個(gè)完整的現(xiàn)場(chǎng)總線控制體系。它具有良好的兼容性，又有很高的可靠性和可擴(kuò)展性。同時(shí)，此系統(tǒng)還兼容傳統(tǒng)的常規(guī)儀表，使用戶的常規(guī)儀表設(shè)備得到充分的利用，這樣既節(jié)約用戶的開支，又使用戶得到了一個(gè)全新的控制系統(tǒng) 。