現(xiàn)場總線在硝銨裝置中的控制

FF基金會現(xiàn)場總線是一種全數(shù)字式的串行雙向通信系統(tǒng)，它將各種現(xiàn)場設備如傳感器、執(zhí)行器、控制器等連接在一起，形成一個局域網(wǎng)（LAN），通過這樣一個通信系統(tǒng)可向整個網(wǎng)絡提供應用程序。

經(jīng)多方面考慮后，我們在陜西省興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)場總線型Delta V控制系統(tǒng)及現(xiàn)場儀表。經(jīng)過設計、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)運行平穩(wěn)，各種指標均滿足設計要求。我們確實體會了到這一現(xiàn)場總線型控制系統(tǒng)的*性及*性，性能價格比也很突出。北京貝斯機電工程有限公司參與并承擔了該工程中的儀表選型、系統(tǒng)的開發(fā)組態(tài)及現(xiàn)場調(diào)試與技運等全過程工作。

二、工藝要求與配置特點

1、工藝要求

工程分為兩個部分，其中硝銨裝置采用法國KT（kalterlbach-Thudng S.A）公司的工藝技術。裝置組成分為中和、蒸發(fā)造粒、冷卻包裝3個主要工序。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)套比值串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)，2套單比值調(diào)節(jié)，l套手操器；160點開關量（DI、DO），55點FF（Input），27點FF（Output），32點AI（4~20mA），12點AO（4~20mA）。根據(jù)法國KT公司的工藝技術要求，控制系統(tǒng)具備緊急停車系統(tǒng)（ESD），即當管式反應器的溫度超過185℃或流量調(diào)節(jié)無效等工藝危險條件成立時，緊急停車系統(tǒng)動作，以便起到安全及保護裝置的作用。

其控制點分布如表l所示。

硝酸裝置屬于改造工程，現(xiàn)場儀表為現(xiàn)有的DDZ-III型儀表，要求系統(tǒng)兼顧4~20mA信號。Fisher-Rosemount公司的FF現(xiàn)場總線型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

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)場總線智能儀表及執(zhí)行機構，PID控制模塊下裝到現(xiàn)場總線智能儀表及執(zhí)行機構中執(zhí)行，實行了真正意義的現(xiàn)場總線控制系統(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個工程師站、4個操作員站、3對冗余控制器及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、Travan磁帶機、冗余的網(wǎng)絡控制接口、21"CRT及外接喇叭、鼠標、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：對控制系統(tǒng)組態(tài)、畫圖、建立控制模塊；對總線儀表組態(tài)、查看儀表數(shù)據(jù)（如法蘭尺寸、閥芯類型、環(huán)境溫度、報警、自診斷等）?？刹杉瘹v史數(shù)據(jù)及歷史事件，并提供強大的檢索功能。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、冗余的網(wǎng)絡控制接口、21"CRT及外接喇叭、鼠標、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PID工藝流程圖、報警圖、趨勢圖、歷史曲線等，操作員監(jiān)視現(xiàn)場數(shù)據(jù)，操作閥門、電動機等現(xiàn)場設備。

（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。其特點為：自動確定地址，不需跳線開關，自動識別I/O模塊；能實現(xiàn)從簡單PID控制、模糊控制到復雜的順序控制、聯(lián)鎖控制；控制器為1：1熱備份冗余，自動診斷故障并自動切換。

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型儀表設備，這里對總線式儀表和閥門現(xiàn)場接線作介紹。

總線系統(tǒng)的配置如下：H1 Card（2口現(xiàn)場總線設備接口卡）共8塊；Fieldbus Power Supply （現(xiàn)場總線電源）16個；6-Spur Fieldbus Junction Block（6分支現(xiàn)場總線接線盒）32個；現(xiàn)場總線儀表55臺；現(xiàn)場總線閥門27臺；現(xiàn)場總線電纜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)場儀表為DDZ-III型常規(guī)儀表。共有57個數(shù)據(jù)監(jiān)視點，18個PID調(diào)節(jié)回路，2個聯(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個數(shù)據(jù)監(jiān)控點，每個點都具有報警，歷史曲線記錄、累積（流量點）、設備狀態(tài)診斷。33個PID控制點，其中比值串級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量設備工作狀態(tài)的監(jiān)控，如電動機、雙位閥等。工藝中的聯(lián)鎖控制也在這個控制區(qū)內(nèi)實現(xiàn)。

電動機44臺：每臺電動機設有1個DI點，用于反饋電動機的工作狀態(tài)。1個DO點，用于控制聯(lián)鎖停電動機或操作員停電動機。

雙位閥6臺：每個閥有1個或2個DI反饋，用于監(jiān)視閥門的工作狀態(tài)。1個DO點，用于驅動電磁閥。

三通閥2臺：每個閥有1個DI，用于監(jiān)視閥門的工作狀態(tài)。1個DO點，用于驅動電磁閥。

根據(jù)法國KT公司的邏輯圖，每個電動機和電磁閥都設有聯(lián)鎖停和聯(lián)鎖切除，管式反應器緊急停車在這個區(qū)域中實現(xiàn)。

聯(lián)鎖中共有3個控制按鈕：

STOP：使管式反應器緊急停車；

RESET：使管式反應器緊急停車聯(lián)鎖處于有效狀態(tài)；

START：啟動管式器緊急停車聯(lián)鎖。

由于反應剛開始時氣氨的流量、壓力及硝酸的流量不能馬上達到正常反應的控制范圍。所以，在聯(lián)鎖中FSLL101（氣氨流量低低限報警）、FSLL102（硝酸流量低低限報警）、PSLL101（氣氨壓力低低限報警）這3個聯(lián)鎖條件在啟動管式器緊急停車聯(lián)鎖后20min內(nèi)（時間可根據(jù)工藝具體情況調(diào)整）不起作用。20min后其中任何一個報警產(chǎn)生時聯(lián)鎖就會使管式反應器緊急停車。聯(lián)鎖停車時首先關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C2101、C2102；5s之后關閉氣氨流量調(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（氣氨流量高高限報警）、FSHH102（硝酸流量高高限報警）、LSH102（管式反應器分離器液位高限報警）、PSH102（硝酸壓力高限報警）等工藝參數(shù)產(chǎn)生報警時，聯(lián)鎖同樣使管式反應器緊急停車。

五、控制功能

該系統(tǒng)除對工藝過程中各種工藝參數(shù)如壓力、溫度、流量、液位、成分等進行過程控制與監(jiān)視外，還具有如下控制功能。

1、報警

Delta V系統(tǒng)對每一個系統(tǒng)卡件、工作站等硬件設備及監(jiān)控點都設有狀態(tài)報警及報警記錄，用戶不需進行組態(tài)。對于監(jiān)控點的過程變量報警，需用戶自己定義報警限及報警等級。報警種類有低低報、低報、高報、高高報和偏差低報和偏差高報。報警等級有Critical、warning、Advisory、Log，其中Critical級別高，Log級別根據(jù)工藝的要求來決定采用哪一級報警。

2、監(jiān)控操作畫面

本監(jiān)控系統(tǒng)是以興化II期硝鍍、硝酸帶控制點工藝流程圖為基本框架，將整個系統(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，全廠報警表畫面，各檢測參數(shù)的實時、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，因此整個監(jiān)控系統(tǒng)具有畫面生動、活潑、容易理解及操作的特點。

3、趨勢圖

本系統(tǒng)中有歷史趨勢記錄的功能，用戶購買了300點權限，每個點的采樣周期可從1s-5min。此項目中采樣周期設為10s。系統(tǒng)中還有實時趨勢圖顯示，只是實時趨勢圖在窗口關閉后數(shù)據(jù)就會丟失。而歷史趨勢圖的數(shù)據(jù)存在硬盤中，操作人員可以隨時查看以前的數(shù)據(jù)和趨勢圖。

4、歷史事件記錄

Delta V可以詳細記錄操作員的每一個操作，包括操作時間、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)報警、儀表故障報警、系統(tǒng)硬件故障報警等。

5、報表

報表種類有月報表、日報表和班報表。報表采用Delta V中的Report Manager。報表打印的同時可產(chǎn)生報表文件，存在用戶目錄中，供用戶長期保存和檢索。同時在操作站也有相應的顯示畫面，以供操作員隨時查看和記錄。

六、系統(tǒng)特點與分析

1、利用總線式控制系統(tǒng)實現(xiàn)精確的摩爾比控制

硝酸與氣氨反應生成硝酸錢是硝鍍這個工藝中重要的反應過程，這個反應控制的好壞直接影響硝鍍的質量。而硝酸加入量與氣氨加入量的控制又是反映過程的關鍵。這是一個比值串級控制回路。

（1）傳統(tǒng)的控制方案

硝酸與氣氨反應的傳統(tǒng)控制方式是采用質量比控制，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保持在48%。濃度高會使參加反應的硝酸過量，濃度低會使參加反應的氣氨過量，影響產(chǎn)品質量。

（2）Delta V+總線式質量流量計實現(xiàn)摩爾比控制

總線式質量流量計不同于常規(guī)模擬式質量流量計，它可同時采集到4個測量參數(shù)，包括被測介質的密度、溫度、質量流量、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，可實時計算出管道中硝酸的濃度。用公式4作為比值串級控制系統(tǒng)的比值公式，當濃度變化時硝酸流量調(diào)節(jié)回路的設定點也會改變。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產(chǎn)品質量的影響。

之所以能采用摩爾比控制是由于總線式儀表的多點參數(shù)采集。而傳統(tǒng)的質量流量計雖然能測出密度、質量流量、體積流量等數(shù)據(jù)，但由于采用4~20mA二線制傳送信號，過程控制器只能采集到一個過程參數(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備。至少要增加溫度和密度的測量儀表，故總線式儀表的多點參數(shù)采集節(jié)省了儀表的投入，提高了控制精確度。

2、AMS Inside*的設備管理及維護方案

AMS Inside（Asset Management Solution Inside）是一種嵌入在Delta V中的現(xiàn)場設備管理軟件。它可實時提供現(xiàn)場設備的硬件信息、狀態(tài)和診斷信息；可使現(xiàn)場設備的維護更快捷，更方便；預測故障發(fā)生，減少非計劃停運，縮短調(diào)試時間。

系統(tǒng)維護工程師可以從控制室中查到存儲在現(xiàn)場儀表及閥門中的各種技術參數(shù)，如儀表型號、規(guī)格、尺寸、材質、介質、出廠日期、儀表量程、標定記錄、自診斷等。以下是在硝鍍裝置調(diào)試時兩個AMS Inside具體應用的事例。

例1：在現(xiàn)場調(diào)試過程中，我們曾發(fā)現(xiàn)1臺電磁流量計指示為負值。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。與工藝工程師核實，當設備由技運到停止過程中由于液位差的原因，會出現(xiàn)短時的反向流動。由此證明此現(xiàn)象并不是儀表有故障。總線式儀表具有詳細的自診斷信息，使維護人員能更加準確地判斷是儀表故障還是工藝實際狀況。如使用常規(guī)電磁流量計，在控制室內(nèi)只能測出非正常的電流信號。維修人員只有去現(xiàn)場才能判斷是儀表故障還是工藝實際狀況。

例2：由AMS Inside可知現(xiàn)場儀表的詳細狀態(tài)。由于總線式調(diào)節(jié)閥具有閥門開度反饋的功能，當操作人員從控制室輸出75%的閥門開度時，幾秒鐘后就可在操作畫面上看到閥門的實際開度。在裝置技運過程中，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，發(fā)現(xiàn)當調(diào)節(jié)閥的開度大于8%時輸出與反饋保持一致，而輸出小于8%時反饋保持在8%不變。通過這個現(xiàn)象維修人員懷疑閥門有可能被卡住，經(jīng)檢查確實發(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，需要哪一級的維護；另一方面根據(jù)膜頭壓力和當前閥門的位置反饋能判斷閥門是否存在故障。因此，維護人員利用AMS可在控制室內(nèi)對總線式調(diào)節(jié)閥進行校驗。

總線式設備與AMS Inside的結合，向用戶提供了大量的設備數(shù)據(jù)和其現(xiàn)場使用狀況，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，同時維護的目的明確，效果良好，為用戶提供了一個全新的概念和維護手段。

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臺總線設備。
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)省電纜費用的同時，其敷設電纜槽板、保護管及人工費都有相應的節(jié)約。這也是現(xiàn)場總線系統(tǒng)的優(yōu)點之一。

總線型Delta V控制系統(tǒng)在興化硝錢、硝酸裝置中的應用，實現(xiàn)了將控制功能下裝到現(xiàn)場檢測儀表與調(diào)節(jié)閥中，直接在現(xiàn)場構成調(diào)節(jié)回路。與傳統(tǒng)的DCS相比，多了現(xiàn)場控制層，提高了系統(tǒng)可靠性。Fisher-Rosemount專為總線主制系統(tǒng)而設計的Delta V，使得控制系統(tǒng)中的軟件與硬件構成一個完整的現(xiàn)場總線控制體系。它具有良好的兼容性，又有很高的可靠性和可擴展性。同時，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全新的控制系統(tǒng) 。