格灵化工基于SmartPro的DCS系统设计与应用

　　我国各个硫酸装置因规模、原料、工艺、投资等不同差别较大，给工艺参数的检测、控制方案的设计和实施带来不少困难，因此很难做到控制系统的标准化、规范化。硫酸生产过程的腐蚀性对检测、执行机构材质要求十分苛刻，也给硫酸生产自动化技术的发展及推广带来一定的困难。
　　近年来，随着电子及控制技术的高速发展，我国硫酸生产自动化水平已有很大提高，各装置对自动化水平和仪表的要求也越来越高。从根本上说，就是要求提高仪表及自动化水平，及时准确地反映工艺参数的变化，并在此基础上实现对工艺参数的精确控制。
　　由于客观原因，当前我国不少硫酸企业的运作受到资金的束缚，此外，装置自动化水平还涉及到企业的管理水平，所以装置控制系统的设计必须针对具体情况综合考虑。以下笔者将就南京格灵化工有限公司硫酸厂（以下简称格灵化工硫酸厂）一套基于SmartPro的DCS系统的设计与应用情况作一介绍。
1 DOG系统方案设计
　　DCS即集散控制系统，又名分布式计算机控制系统，是利用计算机技术对生产过程进行集中检测、操作、管理和分散控制的一种成熟的高级控制技术。格灵化工硫酸厂选用DCS系统时考虑到以下两个因素：
　　a．国外计算机系统结构偏大，投资也偏高。国外计算机公司对电厂、大型化工企业比较重视，服务较好，但对中、小型化肥厂不太重视，一般由国内代理公司负责处理，因此技术、服务都相对较差。
　　b．随着技术发展，国内计算机厂商有较大发展，特别对中小用户而言其技术已完全成熟，而且服务和价格都有较大优势。
　　基于以上考虑，格灵化工硫酸厂最终选用了北京和利时公司的SmartPro MACSⅢ型DCS系统，该系统在硫酸和其它行业已有大量成功经验，而且价格适中、服务周到。格灵化工硫酸厂通过采用DCS系统，力求达到以下3个目的：
　　a．用一套DCS系统自动控制两套制酸装置和废热发电装置。
　　b．降低劳动强度，实现减员增效。
　　c．保证装置操作稳定，提高产品质量，降低生产成本。
1．1 硬件系统配置方案
　　如图1所示，MACSⅢ硬件系统主要由工程师站（ES）、操作员站（OS）、现场控制站（CS）和ScnetⅡ网络体系组成。
　　工程师站采用Windows 2000 Professional操作系统，运行相应的组态管理程序，对整个系统进行集中控制和管理。
　　操作员站采用Windows 2000 Professional操作系统，运行相应的实时监控程序，对整个系统进行监视和控制。

　　现场控制站由主控单元、智能I／O单元、电源单元、现场总线和专用机柜等部分组成，采用分布式结构设计，扩展性强。
　　Scnet II网络体系由上下两个网络层次组成：监控网络（SNET）和控制网络（CNET）。上层监控网络主要用于工程师站、操作员站和现场控制站的通信连接；下层控制网络存在于各个现场控制站内部，主要用于主控单元和智能I／O单元的通信连接。格灵化工硫酸厂有两套硫铁矿制酸装置，简称硫酸一系统和硫酸二系统，这两套制酸装置相距较远，厂方要求用一整套DCS系统控制两套制酸装置和废热发电装置，而这两套制酸装置的计算机控制要求同级独立且相互联通。因此，对整个DCS系统进行了图2所示的硬件结构配置。

　　如图2所示，按照地理位置分布，硫酸二系统和废热发电装置共用一个控制室，硫酸一系统单独用一个控制室。在两个制酸装置控制室里各设一个现场控制站，均采用多种冗余结构（网络、控制器、电源模件、I／O模件冗余），保证装置安全稳定可靠。计算机通信采用开放式工业以太网结构，两系统在网络中具有同样的级别，各设置一台主服务器，并按各自要求配备了不同数量的终端，可以独立地工作。而两套装置由光纤连接，通过光纤收发器进行系统之间的数据传递，各操作站互为备份、互为冗余，从而在每一个操作员站上均可以实现全厂两套制酸装置和废热发电装置的检测和控制。
　　出于安全考虑，两个装置的控制室都配置了不间断电源UPS，确保突然断电时可独立供电30min，供相关人员进行紧急处理。而考虑到硫酸厂处于雷击区，对计算机的供电及通信线路还采取了相应的防雷击措施。
1．2 软件系统设计
　　SmartPro软件系统由两个软件构成：控制方案组态软件ConMaker和人机界面组态软件Fac-View，系统在Windows2000操作系统下运行。控制方案组态软件ConMaker是针对底层控制器的软件。软件安装在工程师站上，作为控制方案的开发平台，包括控制方案编辑器和仿真调试器两部分。主要用于完成用户控制方案的组态（硬件配置、数据库定义、用不同的算法语言编写用户控制方案）、仿真调试、登录控制器、下装程序到主控单元、运行并在线调试程序。　　　　
ConMaker是在Citect的基础上采用Visual C++语言开发而成的，它提供了ST、IL、FBD、LADDER等多种方式进行工程组态。本套系统采用SmartPro库中自带的功能块（FBD）及ST语言编写，此外还有一些其它的功能块是利用sT语言开发的，定义后的模块就可以像库中的功能模块一样在各子程序中进行调用。
　　人机界面组态软件FacView安装在工程师站和操作员站上，其作用是在操作员站与主控单元之间建立数据联系，方便操作人员对生产过程进行监视与控制操作。主要功能包括图形制作、趋势功能、报表及报警等。软件提供离线组态人机界面的环境和在线实时运行环境，以完成数据分析、数据显示和操作员操作。本套系统采用Fac-View软件实现流程实时监控画面的设计、数据趋势图的显示、数据报表的打印和状态报警的组态等功能。
2 控制功能实现
2．1 单回路控制
　　整个硫铁矿制酸装置包括如下单回路控制系统：
　　a．硫酸二系统废热锅炉液位调节。废热锅炉液位是锅炉运行安全的重要参数，且受蒸汽用量等干扰因素影响较为严重，为使废热锅炉稳定、安全运行，设置废热锅炉液位单变量自动调节系统。废热锅炉液位单变量自动调节系统的目标是锅炉液位，调解手段为锅炉给水量。
　　b．硫酸一系统和硫酸二系统一吸塔循环酸酸浓自动调节。一吸塔循环酸酸浓自动调节目的是保证一吸塔的循环酸 （H2SO4）为98．3％ ，以保证最大吸收率，同时也保证产品酸浓度的稳定，保证产品质量。一吸塔循环酸调节系统以循环酸浓度为目标，以向循环槽加水量为调节手段，进行单回路调节。
　　c．除氧器液面控制。以除氧器液位为目标，以进水量为调节手段，进行单回路调节除氧器温度控制。
2．2 与第三方产品的通信
　　按生产工艺需要，SmartPro软件系统还需与使用第三方产品的发电高配室工控通信管理机810进行通信，接收其传送的“发电机有功功率”等若干数据。通信协议为：MODBUS—RTU，8位数据位，1位停止位，无奇偶校验，波特率2400b／s。该第三方产品提供RS232接口，而SmartPro的通信卡件为RS485协议，故采用转换模块将485接口转变为232接口再进入SmartPro标准MODBUS主站通信模块。SmartPro标准MODBUS主站通信模块遵守标准MODBUS协议，通信模块作为MODBUS主站，运行在SmartPro系统中的工程师站（兼作通信站）上，发电高配室工控通信管理机810作为从站进行串行数据通信。主站可发送模拟量、开关量数据到MODBUS从站设备，并能接受MODBUS从站设备发送来的单个或多个模拟量、开关量。如图3所示，在运行SmartPro系统与从站通信正常的情况下，显示通信报文和通信状态。

2．3 联锁控制
　　废热发电装置在生产过程中会因为某项工艺参数的不满足而导致联锁产生，所有联锁在操作画面中都有显示。如图4所示，点击标题栏中的联锁参数按键，弹出联锁菜单经确认后进行相应操作。
　　该联锁控制功能块由控制方案组态软件ConMaker利用CFC连续功能图块编程语言开发，编程框架如图5所示。


3 系统评价
　　自2004年底正式运行至今，SmartPro系统在格灵化工硫酸厂的制酸控制中充分发挥了总线结构控制系统的优势，控制系统稳定可靠、控制精度高、实用性强、组态灵活、界面友好，从根本上提高了生产过程自动化水平。该系统的使用不仅节约了投资，很理想地完成了数据采集与监控，达到了降低劳动强度、减员增效的目的，而且使得硫酸产品质量有了显著的提高，大幅度降低了生产成本。