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STRENGTHEN ENTERPRISES WITH SCIENCE AND TECHNOLOGY
把握大勢 · 以科技強企業摘要：介紹了天津堿廠聯堿裝置中自動控制系統的構成及運行情況.聯堿工序正式開車后，儀控專業根據現場運行情況，陸續改造和完善設計施工不合理之處，進行了部分閥門的整改、測量儀表的改型、重要設備增加聯鎖等。作者結合聯堿生產的特點，提出自動化水平軟件還有待提高，尤其是改變老廠區的操作方法和控制理念。
關鍵詞：聯堿；自動控制；改造；優化；體會
聯堿項目是天津堿廠的優勢項目，擁有悠久的歷史和成熟的工藝。基于天津堿廠多年來累積的穩定的客戶源及優質品牌資源，天津堿廠在搬遷改造過程聯堿的產品規模為聯堿80萬t/a、小蘇打10萬t/a、氯化銨（農銨、工銨）80萬t/a、重灰60萬t/a。在整個項目的設計、規劃及工程建設當中大量的使用了國內外先進的設備，自動控制過程和質量得到優化和提升。現就天津堿廠聯堿項目自動控制運行及整體情況進行總結以達到“拋磚引玉”的作用，提升純堿工業自動化水平。
1聯堿項目的自動控制系統
1.1聯堿控制系統配置
聯堿生產控制系統采用和利時DCS（集散控制系統）和西門子PLC（邏輯控制器）控制。二者既獨立工作又互為串聯，通過基于微軟COM/DCOM技術的OPC服務器將PLC控制器與DCS控制站相連，以實現兩者之間的數據交換。
其中DCS為整個聯堿生產裝置的主要控制系統。分為企業決策層、管理層、生產控制層和數據采集處理層。整個聯堿DCS控制系統共設1個工程師站室、1個中央控制室、10個現場操作站室、7個DCS主控機柜室和兩個遠程機柜室。其中，工程師站包含冗余服務器、OPC服務器、工程師站；中央控制室設有操作員級別計算機16臺：10個現場操作站室內各設操作員級別計算機1臺：7個DCS主控機柜室分別設在碳化過濾工序、煅燒工序、重灰工序、結晶工序、干銨工序、精銨工序、真空制鹽工序：兩個遠程機柜室分別在小蘇打和包裝工序，均為重灰主控控制站的從站。工程師站室設有DCS終端，通過光纜實現數據實時通訊，各操作站分別控制生產各過程的所有測量參數，并對其進行顯示、記錄、累計和參數調節。除了DCS控制系統外，針對其工序自身的控制特點，聯堿工序還包含有全自動包裝機PLC控制系統22套、碼垛機PLC控制系統13套、冰機PLC控制系統1套和螺桿壓縮機組（含鼓風機）PLC控制系統7套。
1.2現場儀表及控制
聯堿工序現場共有近4000儀表點位，其中閥門310臺，智能變送器600臺，熱電阻感溫器1000套，流量計（不包含智能變送器）310臺，液位計（不包含智能變送器）260臺，分析儀器20套。在整體運行中，現場維護至關重要：①每天由系統工程師當班，依照點檢路線進行巡檢：②對重要點位一一關鍵點重點關注。我們每天進行兩次巡檢，及時處理、維修或更換故障儀表。對于高故障率儀表進行了改造、換型等工作，使得聯堿的生產趨于穩定、優化。此外，聯堿工序還有52套隨機設備自帶控制柜（包含控制器及隨機儀表），分別為精銨、干銨、粒銨布袋除塵系統，壓濾控制系統、碳化帶式過濾機控制系統、重灰鼓風機控制系統、螺桿鼓風機控制系統、制鹽球磨機控制系統、制鹽離心機控制系統、冰機制冷控制系統等。這些隨機設備的控制系統都自帶控制器（PLC），程序固化，獨立工作。隨機儀表種類繁多，包含壓力開關、接近開關、行程開關、溫度變送器、小型電磁閥等，是我們維護的難點。
2控制儀表儀器的改造和優化
2010年開工以來，隨著投產及系統、工藝優化，我們對參數精度的情況進行系統的升級。聯堿工序正式開工以來，儀控專業在維保過程中陸續改造和完善一些設計和施工不合理的地方，例如部分閥門的整改、液位計的換型、流量計的更換、重要設備聯鎖的添加等等。下面按照儀表的類型依次進行闡述。
2.1現場壓力儀表的改造
我廠聯堿工序所有的壓力儀表均采用智能型壓力變送器，其具有遠程通信的特點，利用手操器即可對現場變送器進行各種運行參數的選擇和標定，精度高，使用與維護方便。在開工近四年的時間里，壓力儀表整體上運行穩定、指示準確，部分儀表存在缺陷、對運行及操作造成不利影響，維修不便，我們進行了改造。
2.1.1碳化塔壓儀表的換型碳化塔壓原設計是壓力測點通過中14引壓管線與壓力變送器相連接，其引壓管線較細，經常會被工藝管道中的雜質堵塞，而且溫度低易結晶，需要在冬季做保溫、伴熱，維護不方便。此處已逐步更換為直連式壓力變送器，同時將根底閥門改裝成1/2球閥。通過換型，不僅儀表顯示準確無誤，而且一旦發生故障，拆裝儀表、疏通測點方便、簡捷，能夠及時排除故障，不耽誤生產。
2.1.2干銨爐頂部壓力表的換型干銨爐頂部壓力為負壓，其實際壓力較小，在生產過程中經常出現壓力表顯示不準確或顯示最大值的現象。此測點在最初的儀表選型上選用了橫河EJA210EM型儀表，其壓力范圍為0~100kPa，雖然可以進行100%全遷移，且滿足測點的應用量程（-1.2~OkPa），但由于應用量程過小而影響了儀表的精度，所以經常發生故障。更換為羅斯蒙特3051TG0A型儀表，其壓力范圍是0~6.37kPa，安裝后將量程遷移至1.2~0kPa，重新投入使用后，儀表顯示準確，精度大大提高。
2.1.3減溫減壓隨設備自帶壓力表的換型減溫減壓后蒸汽壓力是聯堿系統中非常重要的儀表點位，但隨設備自帶的3塊壓力表選用的是老型的壓力變送器，沒有現場表頭，PLC均無顯示，處理問題時不便觀察，無法隨時監測壓力變化，由于其管道內壓力過高，極易發生安全事故。因此我們改用了3051TG3A智能型壓力變送器。換型后，精度等級提高的同時也方便了儀表人員平時的巡查和現場檢修維護工作。
2.2現場流量儀表的改造
聯堿裝置I、Ⅱ過程物料品種多，氣、固、液三相測量難度大，生產過程效率和水平的提高，首先依據準確測量。我們根據不同生產工況大致選用了五種類型流量計，即電磁流量計、質量流量計、渦街流量計、超聲波流量計和差壓式流量計。
2.2.1電磁流量計
電磁流量計的測量與流動介質、溫度、流體是否布滿管道、流量大小等密切相關。聯堿工序共有電磁流量計123臺，以碳化、蘇打、結晶工序最為集中，由于與老廠區的生產工況（管道材質、介質等）略有差別，因此對儀表參數的設定有影響，導致原儀表測量結果不準確。我們通過測算，重新出具儀表參數數據表，并結合實際現場工況重新選型。現已將碳化出堿流量、蘇打出堿流量、結晶AII流量等與老廠工況差異較大而造成流量不準確的電磁流量計進行了更換，更換后流量顯示準確，便于操作人員控制工藝指標。
2.2.2質量流量計
聯堿工序進界區液氨流量是生產成本核算的重要參數之一，計量要求精度0.25%，計量人員在進行階段統計時，發現經常與合成氨出口的液氨流量有偏差。經過儀器現場實際測量，發現原來選用的超聲波流量計并不適用于該工況，且其精度等級1%不能滿足測量要求，所以我們選用了質量流量計替代了原來的超聲波流量計。由于介質密度受溫度、壓力、黏度等因素影響很大，因此直接選用質量流量計從根本上提高了測量精度，省去了繁瑣的換算和修正，這對物料平衡、生產成本的核算提供了方便，而且顯示更為精確，故障率幾乎為零。
2.2.3渦街流量計
聯堿工序共有59臺渦街流量計，其中碳化中、下段氣流量各18臺，為主要使用渦街流量計的裝置測點。使用過程中，還應關注介質中雜質可能造成結疤，影響測量結果。
2.2.4超聲波流量計
超聲波流量計用于導聲流體的測量，可以測量非導電性介質，是對電磁流量計的一種補充，可用于特大型管道，安裝時需要嚴格遵照規范進行。例如除鹽水的電導率低，電磁流量計指示波動大，且時常無顯示，現改為超聲波流量計，使用效果良好，抗干擾性相對很好，流量趨勢平穩。
2.2.5差壓式流量計
煅燒入爐蒸汽流量節流件的更換是差壓式流量計在聯堿工序的一個改造典型，由于新廠區的煅燒生產工藝與老廠的生產工藝有著較大的區別，原設計的孔板節流裝置使用日久后，導致節流裝置的形狀和尺寸發生變化，孔板入口邊緣的尖銳度由于沖擊、磨損和腐蝕而變鈍，這樣在相等數量的流體經過時所產生的壓差將變小，引起儀表指示不準確（多數偏低）。我們選用了A+K平衡流量計代替，A+K品牌是目前儀表市場上較為準確的節流裝置，換型后，儀表指示準確，從而確保了操作人員能夠精確控制煅燒爐的用氣量。
2.3現場溫度儀表的改造
聯堿工序共有溫度儀表1000多臺，分布于各個工序之中，包含溫度變送器和熱電阻感溫器。溫度的測量與控制有著重要的作用，其測量與控制是保證化學反應過程正常進行與安全運行的重要環節。
對于溫度儀表的改造，聯堿工序大致分為兩大類型。一類是感溫器保護套材質不適用于生產環境，另一類是溫度儀表的換型。結晶外冷工序液氨循環罐出口溫度原設計是插入深度750mm，保護套材質為鈦合金的感溫器，由于管道內介質是液氨，低溫情況下鈦材質保護套容易發生斷裂，導致頻繁更換，從而提高了維保成本。在工藝條件允許的情況下，逐步改為插入深度300mm，不銹鋼材質保護套的感溫器。長度變短了，不易彎折，材質改變了，更加耐用，不易損壞，從而也提高了儀表測量的精確度。同樣的改造工作也應用在了煅燒出堿溫測點上，只是出堿溫的環境更適用于硬度大、耐高溫的保護套材質。
另一類關于溫度測點的改造是儀表的換型。例如重灰鼓風機的定子溫度、軸承溫度全部由鉑電阻感溫器替代了原設備自帶的溫度變送器，這樣既降低了故障率，也便于維護、更換和備件型號的統一。（另外關注環境情況，要注意解決抗振問題）。
2.4現場液位儀表的改造
聯堿工序所應用的液位儀表大致有三種，即雷達液位計、磁翻板液位計、差壓式液位計。
其中以雷達液位計的應用最為廣泛。
雷達液位計：在聯堿工序包裝倉、壓濾鹽泥罐和結晶桶區等都應用了此類液位儀表。其中，結晶桶區包括母Ⅱ桶、冷AI桶和熱AI桶各兩個。在工藝生產中，桶內母液隨著母液交換密度隨時發生變化，因此原設計所使用的測量結果與被測介質密度息息相關的差壓式液位計便不適用于該裝置中，導致液位的測量結果隨之偏差。雷達液位計不會因為密度的改變而影響測量結果了，也降低了生產和維保成本，不會發生因為冒液而造成的母液損失和儀表損壞現象。
磁翻板液位計：在聯堿工序循環水池液位和冰機制冷的經濟器液位測量應用了此類儀表。此類儀表投用后基本穩定，偶有小故障也比較容易解決。
差壓式（壓力式）液位計：在聯堿工序結晶濾液桶、AⅡ桶、半Ⅱ桶、外冷液氨循環罐上應用了此類儀表，顯示基本準確，但在投用前要注意對其量程進行遷移。
2.5現場閥門的改造
我廠聯堿工序主要應用了氣動和電動執行器。聯堿工序共有儀表閥門342臺。開工以來，針對碳化出堿閥、煅燒爐氣自調閥、壓縮循環閥、重灰流化床冷卻段自調閥等頻繁出現問題的地方，我們對其進行了改造或換型，解決了原來的力矩小、容易電氣短路和機械卡死的故障問題。
碳化出堿閥因碳化塔出堿管道內介質易形成結晶和結疤，致使閥門卡死和閥門定位器損壞現象。首先，將智能定位器改為了機械定位器，這樣不僅增強了定位器的耐用性，也節約了成本。智能定位器雖然在控制上更為精確，但在惡劣的環境中并不耐用。然后，根據控制系統的特點和工藝生產的特點將執行機構由原來的膜片作用形式更換為單汽缸雙作用形式。通過改造，閥門故障率明顯下降，保證了生產的連續性。
2.6現場點位的增加
為了方便操作控制和結算生產成本，增加了許多現場儀表點位。如各工序生活用水流量計、制冷工序液氨流量調節閥、結晶澄清桶管線流量計、精銨離心機除鹽水流量計、壓濾鹽泥/AⅡ泥桶液位計等。
2.7機房控制系統（DCS/PLC）的優化我廠聯堿工序主要采用的控制系統是杭州和利時DCS集散控制系統，其主要特征是集中管理和分散控制的先進理念。采用危險分散、控制分散，操作和管理集中的基本設計思想，多層分級、合作自治的結構形式，同時也為正在發展的先進過程控制系統提供了必要的工具和手段。卡件控制點有30%余量，升級擴展空間需要在設計時提前考慮到。在開工的四年里，我們隨時根據工藝分廠對工藝提出的要求進行增減點位、增設聯鎖和系統完善工作，到目前為止大小項目已達100余項，下面舉幾個有代表性的實例：
1）聯堿工程師站關于光纖通訊設備的整改。由于原設計的光電收發器的供電電源是220V轉5V的變壓器，無法長時間不間斷工作，且集中在控制柜內不利于散熱，因此并不符合工業要求，極易損壞。現改為了220V直接供電方式，將電源直接接入接線箱，這樣既可以長時間不間斷工作，也節省了機柜內部的空間。
2）程序的更改與聯鎖的增設：煅燒重堿皮帶與碳化帶式過濾機之間的聯鎖增設；球磨機聯鎖停車與允許開車的增設；粒銨壓實機聯鎖停車的增設；包裝計數器的增設；外冷切斷閥系統裝置的增設，碳化帶式過濾機開車允許的更改，等等。
3）系統操作畫面的改動與完善。隨時根據工藝要求進行在線更改和操作站下裝，方便了工藝人員的監視和操作。
4）壓縮工序螺桿程序與鼓風機程序的分離。由于新廠區剛開工階段，老廠區7螺桿還在運行生產中，因此起初將2鼓風機的程序和點位都接入了2螺桿控制器和機柜中，螺桿是聯堿生產的“煤氣化”，如果程序不分開，極易導致下裝誤操作，維護起來十分不方便。在老廠區停產后，7螺桿柜搬運至新區，作為2鼓風機控制柜使用，我們將原來的現場接線全部接入新柜子，程序也重新下裝到新控制器中。這樣將鼓風機、螺桿的控制系統分開，不會互相影響，也便于日常維護。
5）根據工藝分廠要求，部分車間增設、轉移操作站。開工以來，碳化、煅燒、重灰、結晶、制鹽（洗鹽）等工序由于其控制點位較多，工藝復雜等原因，在現場操作室內原有配置的基礎上又分別增加了1~2臺操作站。
2.8現場隨機控制柜的改造
壓濾工序控制機柜離油站太近，且機柜外皮己被腐蝕，密封性差，導致機柜內部電路經常短路，電氣元件也經常出現故障。現將機柜遠離了油站，并增設儀表接線箱，重新定做機柜，將外皮材質換成了316不銹鋼，現在壓濾5套系統均運行穩定，具備長周期運行條件。
3聯堿自動化控制的體會及認識
聯堿生產由于其自身的特點，在自動化水平軟件開發上還有待提高，尤其是要改變老廠區的操作方法與控制理念，向現代煤氣化項目學習，借鑒他們DCS及ESD系統集控經驗，實現聯堿項目的自動控制水平再提升，這樣既可以減少人力、方便生產，又是未來化工生產的趨勢。接下來的工作，我們就是要在立足生產的基礎上，通過改造，實現聯堿系統的先進控制。
首先，外冷工序增加液氨循環系統切斷閥是2013年聯堿工序的一個重要技措項目。它的設計初衷是由儀表切斷閥代替工藝手閥，以實現遠程操作，并逐步實現自動化控制。根據現場環境和工藝自身特點，需要我們在選擇閥門時要充分考慮其密封、結晶等問題，在閥門選擇無誤的基礎上，做好系統相關的組態和調試工作，在實現外冷系統倒換閥門由手動操作改為自動控制的基礎上，實現外冷系統閥門切換的DCS時序有效控制目標。
第二，在聯堿工序中，集中控制管理的思想理念有待提升。所謂集中控制管理就是在分散控制的基礎上，告別以往只是通過調度員電話通知操作的老模式，而是通過不同級別的體系完成各自的工作。由于聯堿項目有著片大、分散、工序多等特點，傳統操作模式和控制思想根深蒂固。起初，依照原設計的控制理念，
80萬噸聯堿項目自動控制系統的建成，是為了使聯堿所有工序的生產操作都集中在中央控制室，實現儀表控制的自動化。但是在投入生產后，我們發現前期的人員培訓覆蓋不夠全面，部分人員對新工藝掌握不夠深入，操作人員對控制理解不深，在進一步進行人員培訓的同時，為了方便工藝人員的就近操作和相互聯系，逐步將中央控制室內部分操作站又如老廠模式轉移到了各現場操作室內，這樣雖然暫時方便了崗位間的聯系和操作，可以維持生產，完成產量，但是大大增加了操作人員和維保人員的工作強度和工作量，與現代自動化工生產發展趨勢相悖。現階段我們通過細化設置其操作權限和操作級別以實現集中管理控制。以后如果條件允許，在優化現場操作的基礎上，我們還是希望將部分現場操作站轉移到中央控制室內。所以人員培訓應在項目前期得到重視，避免走“回頭路”。
第三，現場隨機設備控制器的維護和管理也是現階段儀控專業的一項攻關難題。我們雖然已將壓濾系統、布袋除塵系統、制鹽離心機系統的PLC程序導出，但是由于其自帶控制器獨立工作，程序固化，有些程序只能讀，不能寫，因此在程序的修改上并不是很方便，對于工藝提出的要求并不能立刻實現。通過我們與設備廠家的溝通交流，并加強串口技術和PLC控制系統的學習，現已將隨機設備的控制器與PLCS7200運行平臺相結合，能夠將程序讀寫和下裝。現在我儀控人員正在研究將隨機PLC控制器系統通過串口技術引入到DCS控制系統中去，將不同控制系統串聯在一起，能夠更方便、有效地監控隨機設備的儀表參數。
第四，實現所有閥門的自動調整功能。一個自動控制系統的過渡過程或者控制質量，與被控對象、干擾形式與大小、控制方案的確定及控制參數整定密切相關。在控制方案、被控對象及控制規律己然確定的情況下，控制質量就取決于控制器參數的整定了，即PID，它是控制質量最重要的環節。現階段由于部分工況不理想、操作人員手動的操作習慣，部分閥門還并沒有習慣性地投入自動，我們在隨時與工藝人員了解工況的同時，加強對系統自身和控制器PID參數整定的學習。不同情況不同分析，比如：液氨循環罐進液流量調節閥的PID調整就要通過衰減曲線法來進行調試：而螺桿安全放空閥就要根據其是否并入系統而隨時調整，應用的是經驗湊試法：碳化出堿閥根據其出堿流量的大小，可采用臨界比例度法。我們希望在儀控專業的配合下，隨時優化PID參數指標，實現聯堿所有閥門的自動控制，進而實現整套控制系統的自動控制
