集散控制系统在盐硝联产工程中的应用

集散控制系统在盐硝联产工程中的应用  
阅览次数：106 作者：孟书进 单位：江苏井神盐业有限公司  

[摘要]本文介绍了在盐硝联产生产装置中用集散控制(即DCS)系统的具体实现方法,并详细介绍了DCS系统组成结构、功能特点及控制方案的实施等，此系统在过程控制与集中管理 中起到了重要的作用。
[关键词]盐硝联产、集散控制、组态、网络、冗余

前言
集散控制系统（Distributed Control System--DCS），是一种以微处理器为基础的分散型综合控制系统;它是计算机（Computer）、通信(Communication) 、CRT显示和控制(Control)技术（简称四C技术）发展的产物。它自1975年问世以来，经过二十多年的发展与完善，成为电厂、化工、环保等行业最普通的控制工具。DCS系统以高度的可靠性、方便的组态软件、丰富的控制算法和开放的联网能力等优点，得以迅速的发展。
1．盐硝联产的工艺简介：
卤水净化工序(距盐硝联产主装置300米)将真空制盐(我公司制盐车间的I、II组罐)的洗盐母液通过”两碱法”(NaOH、Na2CO3)连续净化，再加酸调节PH值制成精卤。精卤由加料泵送至EV-304(盐蒸发罐)加料,老卤在EV-304内沸腾蒸发结晶，析盐后其母液经溢流管在循环母液泵加压后，控制好循环量的大小按顺序进入HE-305、HE-306两预热器，经预热升温后进入EV-301(硝蒸发罐)进行沸腾蒸发结晶，析硝后其母液由气动阀根据本罐液位高低控制，依次进入EV-302、EV-303两闪发罐，进行两级闪发降温，再转入EV-304蒸发结晶析盐、母液不断循环，实现盐硝联产。

2．控制要求：
工艺上对重要控制点的要求有：母液循环量要与泵进行联锁、定时冲洗装置（指对液位变送器的上、下取压口及二次蒸汽的捕抹器）能进行手、自动两种状态并且自动时由程序执行；液位与流量串级控制并且控制输出与加料泵联锁即泵停阀门关闭；根据回水电导率表的高低判断冷凝水外排还是回收等；其余为单回路PID控制如加酸PH值调节等。
3．控制系统：
对一套年产18万吨盐和2万吨硝的盐硝联产生产装置，其I/O点数近200（卤水净化工序有40）个，具体点数为：模拟量输入AI(包括热电阻信号)为：110，模拟量输出AO为：35，开关量输入DI为：10，开关量输出DO为：35 。根据上面提出的具体要求和符合招、投标技术规范等，采用浙江浙大中控的JX-300X集散控制系统来完成整个的控制方案的实施与设备的投运等工作。在该系统中设立一个远程I/O机笼（共用一主控制卡）与远程操作站，它们与主控制室设备分别通过RS485总线及TCP/IP协议的细缆相连接。正因为设立了远程I/O机笼，节省了大量的变送器电缆及其它材料费用，也为系统日后的维护减轻工作量等。

3．1 DCS系统的组成：
　　DCS的核心结构可以简单地归为“三点一线”式的结构。“一线”是指DCS的骨架计算机网络；“三点”则是指连接在网络上的三种不同类型的节点：面向被控现场的现场I/O控制站(也称为下位机)；面向操作人员的操作站(也称作为上位机)；面向DCS监督管理人员的工程师站(可由操作员站兼做)。如图示:


3．1．1 控制站的构成
现场控制站由主控制卡、数据转发卡、电源单元、I/O卡件、通迅处理单元等组成。为了保证下位机的性能稳定、安全可靠对主控制卡、通迅网络、数据转发卡、重要的I/O卡件、电源模块实现热备份冗余设计，互为冗余的卡件之间高速交换数据，使工作/备用卡件运行状态同步；当某一个卡件出现异常时，能自动的切换至备份的卡件上，维护人员可通过卡件上的工作指示灯或上位机上的系统故障诊断画面清楚地判断问题所在，并且更换卡件时，可带电热插拔而不会损坏其它卡件的正常工作。I/O卡件功能丰富有模入、模出、热电阻（偶）等。对SP313模拟量输入卡件能根据需要提供隔离的二线制变送器工作电源，从而节省了另外为现场仪表供电源的费用等。
3．1．2 操作站的构成
由工控计算机、网卡、专用键盘、打印机等组成。在操作站上安装Sckey组态软件和进行实时监控，通过在该软件上设置不同的登录权限，将操作站兼作工程师站用。
3．1．3 网络的构成
分过程控制网络Scnet II 和 SBUS总线；过程控制网络是连接工程师站、操作员站、控制站及通迅处理单元。它采用1：1热冗余的工业以太网，符合TCP/IP的传输协议及IEEE802.3标准。控制站作为控制网络的节点，其通迅由主控制卡担当；网络通迅接口有两个且该网络支持实时的网络故障诊断，它的网络拓扑结构为总线型或星形结构；其通迅速迅达10Mbps。SBUS总线为两层，第一层为双重化的现场总线，符合EIA-RS485标准、采用令牌式通信协议，它连接了主控制卡与数据转发卡并交换信息。第二层的总线符合TTL标准的通迅协议,由印刷电路板传输；它连接数据转发卡与各块I/O卡件并交换信息。

3．2 DCS系统的特点
3．2．1系统的扩展方便，增加控制站、操作站及I/O卡件，只须在工程师站(由操作站兼做)上进行添加节点（控制站最多达15个、操作站多达32个）和增加所须要类型的I/O卡件（一个控制站最多达128个）并对该点进行相应的组态。
3．2．2高速、可靠的通迅网络系统
该系统网络连接工程师站、操作员站、控制站及通迅处理单元。它采用1：1热冗余的工业以太网，符合TCP/IP的传输协议及IEEE802.3标准。
3．2．3 操作站上监控软件组态方便及界面友好
可按照工艺要求绘制出美观大方的流程图，辅以动态的流量、压力等数据的变化和变色报警，开关量变色状态的显示及风机、泵等设备的模拟仿真运行，增加了动态效果。
日报表的生成只须在报表制作缉编器中填写位号与事件及打印触发时间，当系统运行时能实时准确打印；历史曲线的生成更方便，将位号或变量引用之后，根据保存曲线时间需要，视硬盘容量大小可设定最长达2年以上，足够查询与事故分析用。
3．2．4 多冗余配置
控制站的电源、主控制卡、数据转发卡和重要的模拟量卡件按冗余配置，保证了系统安全性和可靠性等。

3．3 DCS系统的控制方案实施
JX-300X组态工作通过SCKey来完成的，它运用了面向对象的程序设计和对象链接与嵌入技术，让工程人员有序地完成信号类型与控制方案、操作手段的组态实施。对复杂控制方案的实施，它提供了的两种控制编程语言即SCX语言和SCControl图形化语言,详细如下:
3．3．1 SCControl图形化编程语言，它是以国际上通用的IEC1131-3标准，提供具有四种编程语言即梯形图LD、功能块图FBD、结构化文本语言ST、顺控图SFC，可以相互嵌套使用,功能扩展性强。在LD或FBD语言编辑器中，可以任意的引用高性能的功能模块以及用ST语言编写的自定义模块，方便程序的编写与控制方案的实施等。另外，编好的程序在进行编译时，可用来检查语法结构与变量引用等正确与否。比如，在做冲洗手、自动控制与串级联锁的控制时，根据工艺上要求泵停（开入状态改变）气动阀关（对气开阀而言，输出控制信号为4毫安），我们就用ST结构化语言编写，串级控制时用到的PID模块应在自定义回路中将引用PID模块资源的序号等组态好，在此引用。然后在LD编辑语言中直接调用刚才定义的自定义功能块，在通过编译并下装到下位机的主控制卡之后，我们可通过在线仿真、强制赋给变量的某个值，来验证程序执行的结果、动作的对否，方便了程序的调试与控制方案的实施等。程序部分的语言如下：

ST语言为：
在LD梯形图中调用为：

对定时冲洗的手、自动控制及母液循环量联锁控制也用上面的方法编写。
3．3．2 另一种编程语言为：SCX语言。它是类似C语言的高级语言，它也提供了多种库函数与控制模块供选择，能实现高级控制算法；所有的程序入口都是从main()开始的。我们在做以电导率为某一值时，决定是外排还是回电厂的控制，用SCX语言编写。直接引用电导率位号并与某值比较；当小于该值时，去执行回电厂用的控制回路，并将外排阀输出赋为0；当大于该值时，去执行外排用的控制回路，并将回电厂阀输出赋为0，程序略。

4. 结论
DCS系统在井神公司的盐硝联产项目的应用很成功，从刚开始的系统上电调试到整个系统的正常运行，所用的时间仅几天，所有的现场信号能准确、快速的采集与控制，各个控制回路都能投入自动状态、联锁保护能及时动作等。DCS系统正以成熟的技术、可靠的稳定性、功能丰富的优越性以及日后的维护量几乎很小的优点，在井神公司的过程控制自动化与生产管理等方面发挥重要的作用，提高了企业的工作效率,也必将给企业带来更多的经济效益。

［参考文献］
1.《DCS集散控制系统选型与应用》,王常力,清华大学出版社，1999年。
2.《浙大中控JX-300X说明书及培训手册》，2002年。