格靈化工基于SmartPro的DCS系統設計與應用

　　我國各個硫酸裝置因規模、原料、工藝、投資等不同差別較大，給工藝參數的檢測、控制方案的設計和實施帶來不少困難，因此很難做到控制系統的標準化、規范化。硫酸生產過程的腐蝕性對檢測、執行機構材質要求十分苛刻，也給硫酸生產自動化技術的發展及推廣帶來一定的困難。
　　近年來，隨著電子及控制技術的高速發展，我國硫酸生產自動化水平已有很大提高，各裝置對自動化水平和儀表的要求也越來越高。從根本上說，就是要求提高儀表及自動化水平，及時準確地反映工藝參數的變化，并在此基礎上實現對工藝參數的精確控制。
　　由于客觀原因，當前我國不少硫酸企業的運作受到資金的束縛，此外，裝置自動化水平還涉及到企業的管理水平，所以裝置控制系統的設計必須針對具體情況綜合考慮。以下筆者將就南京格靈化工有限公司硫酸廠（以下簡稱格靈化工硫酸廠）一套基于SmartPro的DCS系統的設計與應用情況作一介紹。
1 DOG系統方案設計
　　DCS即集散控制系統，又名分布式計算機控制系統，是利用計算機技術對生產過程進行集中檢測、操作、管理和分散控制的一種成熟的高級控制技術。格靈化工硫酸廠選用DCS系統時考慮到以下兩個因素：
　　a．國外計算機系統結構偏大，投資也偏高。國外計算機公司對電廠、大型化工企業比較重視，服務較好，但對中、小型化肥廠不太重視，一般由國內代理公司負責處理，因此技術、服務都相對較差。
　　b．隨著技術發展，國內計算機廠商有較大發展，特別對中小用戶而言其技術已完全成熟，而且服務和價格都有較大優勢。
　　基于以上考慮，格靈化工硫酸廠最終選用了北京和利時公司的SmartPro MACSⅢ型DCS系統，該系統在硫酸和其它行業已有大量成功經驗，而且價格適中、服務周到。格靈化工硫酸廠通過采用DCS系統，力求達到以下3個目的：
　　a．用一套DCS系統自動控制兩套制酸裝置和廢熱發電裝置。
　　b．降低勞動強度，實現減員增效。
　　c．保證裝置操作穩定，提高產品質量，降低生產成本。
1．1 硬件系統配置方案
　　如圖1所示，MACSⅢ硬件系統主要由工程師站（ES）、操作員站（OS）、現場控制站（CS）和ScnetⅡ網絡體系組成。
　　工程師站采用Windows 2000 Professional操作系統，運行相應的組態管理程序，對整個系統進行集中控制和管理。
　　操作員站采用Windows 2000 Professional操作系統，運行相應的實時監控程序，對整個系統進行監視和控制。

　　現場控制站由主控單元、智能I／O單元、電源單元、現場總線和專用機柜等部分組成，采用分布式結構設計，擴展性強。
　　Scnet II網絡體系由上下兩個網絡層次組成：監控網絡（SNET）和控制網絡（CNET）。上層監控網絡主要用于工程師站、操作員站和現場控制站的通信連接；下層控制網絡存在于各個現場控制站內部，主要用于主控單元和智能I／O單元的通信連接。格靈化工硫酸廠有兩套硫鐵礦制酸裝置，簡稱硫酸一系統和硫酸二系統，這兩套制酸裝置相距較遠，廠方要求用一整套DCS系統控制兩套制酸裝置和廢熱發電裝置，而這兩套制酸裝置的計算機控制要求同級獨立且相互聯通。因此，對整個DCS系統進行了圖2所示的硬件結構配置。

　　如圖2所示，按照地理位置分布，硫酸二系統和廢熱發電裝置共用一個控制室，硫酸一系統單獨用一個控制室。在兩個制酸裝置控制室里各設一個現場控制站，均采用多種冗余結構（網絡、控制器、電源模件、I／O模件冗余），保證裝置安全穩定可靠。計算機通信采用開放式工業以太網結構，兩系統在網絡中具有同樣的級別，各設置一臺主服務器，并按各自要求配備了不同數量的終端，可以獨立地工作。而兩套裝置由光纖連接，通過光纖收發器進行系統之間的數據傳遞，各操作站互為備份、互為冗余，從而在每一個操作員站上均可以實現全廠兩套制酸裝置和廢熱發電裝置的檢測和控制。
　　出于安全考慮，兩個裝置的控制室都配置了不間斷電源UPS，確保突然斷電時可獨立供電30min，供相關人員進行緊急處理。而考慮到硫酸廠處于雷擊區，對計算機的供電及通信線路還采取了相應的防雷擊措施。
1．2 軟件系統設計
　　SmartPro軟件系統由兩個軟件構成：控制方案組態軟件ConMaker和人機界面組態軟件Fac-View，系統在Windows2000操作系統下運行。控制方案組態軟件ConMaker是針對底層控制器的軟件。軟件安裝在工程師站上，作為控制方案的開發平臺，包括控制方案編輯器和仿真調試器兩部分。主要用于完成用戶控制方案的組態（硬件配置、數據庫定義、用不同的算法語言編寫用戶控制方案）、仿真調試、登錄控制器、下裝程序到主控單元、運行并在線調試程序。　　　　
ConMaker是在Citect的基礎上采用Visual C++語言開發而成的，它提供了ST、IL、FBD、LADDER等多種方式進行工程組態。本套系統采用SmartPro庫中自帶的功能塊（FBD）及ST語言編寫，此外還有一些其它的功能塊是利用sT語言開發的，定義后的模塊就可以像庫中的功能模塊一樣在各子程序中進行調用。
　　人機界面組態軟件FacView安裝在工程師站和操作員站上，其作用是在操作員站與主控單元之間建立數據聯系，方便操作人員對生產過程進行監視與控制操作。主要功能包括圖形制作、趨勢功能、報表及報警等。軟件提供離線組態人機界面的環境和在線實時運行環境，以完成數據分析、數據顯示和操作員操作。本套系統采用Fac-View軟件實現流程實時監控畫面的設計、數據趨勢圖的顯示、數據報表的打印和狀態報警的組態等功能。
2 控制功能實現
2．1 單回路控制
　　整個硫鐵礦制酸裝置包括如下單回路控制系統：
　　a．硫酸二系統廢熱鍋爐液位調節。廢熱鍋爐液位是鍋爐運行安全的重要參數，且受蒸汽用量等干擾因素影響較為嚴重，為使廢熱鍋爐穩定、安全運行，設置廢熱鍋爐液位單變量自動調節系統。廢熱鍋爐液位單變量自動調節系統的目標是鍋爐液位，調解手段為鍋爐給水量。
　　b．硫酸一系統和硫酸二系統一吸塔循環酸酸濃自動調節。一吸塔循環酸酸濃自動調節目的是保證一吸塔的循環酸 （H2SO4）為98．3％ ，以保證最大吸收率，同時也保證產品酸濃度的穩定，保證產品質量。一吸塔循環酸調節系統以循環酸濃度為目標，以向循環槽加水量為調節手段，進行單回路調節。
　　c．除氧器液面控制。以除氧器液位為目標，以進水量為調節手段，進行單回路調節除氧器溫度控制。
2．2 與第三方產品的通信
　　按生產工藝需要，SmartPro軟件系統還需與使用第三方產品的發電高配室工控通信管理機810進行通信，接收其傳送的“發電機有功功率”等若干數據。通信協議為：MODBUS—RTU，8位數據位，1位停止位，無奇偶校驗，波特率2400b／s。該第三方產品提供RS232接口，而SmartPro的通信卡件為RS485協議，故采用轉換模塊將485接口轉變為232接口再進入SmartPro標準MODBUS主站通信模塊。SmartPro標準MODBUS主站通信模塊遵守標準MODBUS協議，通信模塊作為MODBUS主站，運行在SmartPro系統中的工程師站（兼作通信站）上，發電高配室工控通信管理機810作為從站進行串行數據通信。主站可發送模擬量、開關量數據到MODBUS從站設備，并能接受MODBUS從站設備發送來的單個或多個模擬量、開關量。如圖3所示，在運行SmartPro系統與從站通信正常的情況下，顯示通信報文和通信狀態。

2．3 聯鎖控制
　　廢熱發電裝置在生產過程中會因為某項工藝參數的不滿足而導致聯鎖產生，所有聯鎖在操作畫面中都有顯示。如圖4所示，點擊標題欄中的聯鎖參數按鍵，彈出聯鎖菜單經確認后進行相應操作。
　　該聯鎖控制功能塊由控制方案組態軟件ConMaker利用CFC連續功能圖塊編程語言開發，編程框架如圖5所示。


3 系統評價
　　自2004年底正式運行至今，SmartPro系統在格靈化工硫酸廠的制酸控制中充分發揮了總線結構控制系統的優勢，控制系統穩定可靠、控制精度高、實用性強、組態靈活、界面友好，從根本上提高了生產過程自動化水平。該系統的使用不僅節約了投資，很理想地完成了數據采集與監控，達到了降低勞動強度、減員增效的目的，而且使得硫酸產品質量有了顯著的提高，大幅度降低了生產成本。