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高度可靠的化肥生产自适应控制系统的开发和运行

高度可靠的化肥生产自适应控制系统的开发和运行

自动化在20世纪遭遇的坎坷经历已经过去了。国内外用于工业自动化的综合软硬件产品数量众多。最重要的一点是,现在,市场经济需要新技术,以改造陈旧的生产设备。人们相信,在已经到来的新千年,智能自动控制系统将最终占据自己应有的位置,优化控制的理想将要实现。做为这个行业的业内人士,笔者将在这里与读者一起分享开发自动控制系统改造工程的心酸与成绩,介绍我们独特的软硬件产品。生产改造带来了积极效果:产量提高了16.3 %,化肥质量改善。企业的环保部门还发现,氨排放减少了10 %。 历史回顾 Voskresensk化肥厂是俄罗斯最大的一个化学产品生产企业。2001年1月,工厂庆祝建厂70周年。这是一家大规模封闭式循环生产企业。生产各种化肥产品,添加剂,酸,盐,胶石墨试剂,日用消费品。产品销路很广。 1966年,利用“Pusk-3”,“ELRU-2”设备和“UM-1NKH”计算机进行了最初的自动化,但是,由于没有经受住考验,很快失败了。1968年,在很短的时间内,焙烧车间的“UM-1”通用计算机和管理部门的“NAIRI”计算机就投入运行。软件硬件的成功组合,使“UM-1”在控制模式和直接数字控制模式下有效的运行了24年,而“NAIRI”则连续12年解决着各种各样的问题:从最简单的任务到设计产品铁路运输的最优计划。计算机不断的更新换代,企业的基本生产一直由自动控制系统管理。在企业的自动化过程中,起到主要作用的是,CRICA和“Khimavtomatika”科学生产协会哈里科夫实验设计工作室。企业应用和运行自动控制系统的经验说明,科技进步并不总是马上带来所盼望的好的结果。这是一个复杂而矛盾的过程。所以,为了开发可靠而有效的自动控制系统,需要统一的工程开发策略和各个领域的高素质专家的谐调工作。 改造对象――“Ammophos-2”自动控制系统 工艺流程和自动化设备的改造工作按照技术更新规划进行。技术更新的目的是要将车间产量提高16.3 %,同时提高产品质量,创建灵活的技术系统,以尽可能的满足国内外市场的需要。安福粉生产的工艺流程具有复杂,连续,多阶段的特点。使用了典型的小回环电路,快速加氨蒸发器,管状反应器和烘干压碎滚筒。生产中有第三类火灾爆炸危险区。 可靠性高,功能完善的自动控制系统凭借以下技术手段在车间运行了15年:МP-8000М控制台,两台热备冗余计算机ТVSО-1 SМ1634。 参与开发自动控制系统的有(1982年初――1985年末):Kharkov实验设计工作室;国家工程设计研究所“Projectautomatika”;Severodonetsk市SPU;SSPU的工程师开发了MDCS-2(控制、诊断、管理功能)软件包做为系统的软件。软件包利用了保加利亚的“IKAR-04”系统的开发经验,和现代SCADA系统的原型――Angarsk实验设计工作室的FPO-08软件包的开发经验。在整个运行期间,自动控制系统的设计人员积极的参加 了工程算法部分的开发,软件和硬件的维护。为了开发和应用新的功能,提高可靠性,自动控制系统多次更新。最近7年间,系统运行过程中,未发生软件或者硬件的故障引起的任何停工、误工现象。 自动控制系统改造的必要性,应用现代微处理技术和SCADA系统的必要性是由以下因素决定的: § 俄罗斯工业生产的飞跃必定与技术更新密切相关。而提高产品质量,降低化学生产对环境造成的污染,必须使用现代的工艺流程自动化手段; § 现有的与对象通讯的设备能力不足以满足与新增的控制管理参数连接的需要; § 数据再现和记录手段的技术落后,MP-8000M控制台和SM5400硬盘的潜力已经开发殆尽; § 现代的技术手段具备能源消耗少,可靠性指标高的特点。 向使用新的自动化工具转换的过程是在不停产的前提下进行的。控制和管理功能按照一定的次序连接到新的自动化工具上面。整个过程为期9个月。 软件开发 自动控制系统改造的软件开发任务是用户自己(企业)在技术部和计量部的带领下设计的。自动化的硬件开发任务交给“Tulagiprokhim”公司完成。该公司拥有开发化工项目的许可证,经验丰富。主要要求是要提供高质量的PLC(软件硬件综合设备)。对于工程设计,没有什么限制。这为工程师开发出更为经济、合理的方案创造了条件。 企业和投资方为工程开发和改造设定了短暂的期限――1年,并要求进行自动控制系统改造的可行性研究。 主要的开发方案 自动化工程方案在3个月时间内完全协商确定。这是一个高质量的工程。自动控制系统改造工程的各个部分的开发任务包括:建设部分,电工部分,污水排放部分,通讯部分。工程利用俄罗斯国产的,性能可靠的软PLC MFS,TKM52。它们是由11.5年无故障的“TECON”公司制造的。 安福粉的生产在腐蚀性环境中进行。生产伴随有粉尘,毒气和振动。所以,PC机是特意为了在工业中使用而设计的。软PLC和PC机的UPS保证了在网络电压消失后20分钟内,仍能维持必要的工作。为了使反应剂在管状反应器中短暂停留时发生的化学反应达到设定的精确度,定购了昂贵的进口和俄罗斯国产的高精度测量仪器和调节阀门。 用户研究了大量的SCADA系统的生产商的报价。在选择SCADA系统时,主要的标准有: 1. 完全俄化的软件; 2. 具有软PLC和操作站全面编程的系统; 3. 用户可以在短期内独立完成对自动控制系统的功能开发; 4. 具有一整套运行模块和开发的结构,可以轻松的与其它系统集成为一体; 5. 用户可以接收的性价比; 6. SCADA系统应该能够随时更新,提供高质量的技术支持。
表1,SCADA系统各种指标比较表1,SCADA系统各种指标比较
经过仔细研究各个公司的商业报价,对各个版本进行比较,以及考虑到财务上的承受能力,只有俄罗斯本国公司“AdAstra”的TRACE MODE符合用户设定的所有标准。 我们将国外的FIX系列SCADA系统的各项指标与俄罗斯最畅销的TRACE MODE系统进行了比较。自动控制系统改造的相关结果见表1。 改造费用的最优化 工程预算资金是工厂拨出的改造款项的2.8倍。必须在保留基本工程方案和自动控制系统可靠性的同时,将资本投入降至最低。表2显示了这项工作的成果。
表2,改造费用最低化表2,改造费用最低化
费用降低的原因: 1. 放弃系统集成商改造自动控制系统的“交钥匙”服务; 2. 重新确定定购的设备和软件的组合; 3. 在不降低可靠性的前提下,将工业用计算机替换成商用计算机; 4. 在企业现场完成SM1634机柜的MFC软PLC的安装。 自动控制系统的各项指标 经过改造的自动控制系统包括 “TRACE MODE” 分布式实时数据库。有4100条通道, 12个技术模块组合和保护结构图,190个视频信号和音频信号结构图参数64个调节回路结构图, 240个实时趋势参数,110个历史趋势参数,警报记录。 “TRACE MODE”使用简单方便。工程算法部分的开发工作,使用“TRACE MODE”开发工具中编辑器的工作用了9个月时间完成。 · MFC软PLC的一条硬件通道(包括热备冗余)的价格是:31000美元/928条通道=33.4美元 · 使用“TRACE MODE”开发一条软件通道的价格是:(9 + 8)千美元/4100条通道=4.1美元 · MFC软PLC和操作站的保证反应时间为: 550微秒 丰富的“TRACE MODE”内置算法库为解决用户遇到的任何问题创造了条件。在改造过程中,以以往的运行经验为基础,涌现出一些独特的自动控制系统功能的开发方案。
图1,“Ammophos-2自动控制系统”结构图图1,“Ammophos-2自动控制系统”结构图
经济的操作站热备冗余系统 对于车间的工作人员来说,自动控制系统可靠性的标准决不是一个抽象的,而是一个十分具体的概念。它意味着平静工作环境,完成生产计划,生产无污染,节假日不用为了消除故障而被迫工作。 在安福粉的生产过程中,不允许有超过120秒还不能恢复的自动控制系统故障。如果出现了这样的故障,将导致事故和险情的发生。 根据生产的特点,自动控制系统中设计了操作站热备冗余草图(见图2)。
图2,操作站三点交叉热备冗余节能系统的结构图图2,操作站三点交叉热备冗余节能系统的结构图
与“TRACE MODE”DOUBLE FORCE NETLINK RTM服务器的热备冗余相比,这个热备冗余结构更为经济。原因如下: 1. 购买软件的费用减少了9500美元; 2. 工作站占地面积是原来的二分之一; 3. 当1号工作站出现故障时,可以根据操作技术员的决定,改由2号或者3号工作站中的任意一个控制; 4. 在两个工作站同时出现故障时,如果第三个工作站具有工作能力,车间的全部工艺流程控制仍然保持。 热备冗余系统也适用于险情保护结构图,视频信号和音频信号。 热备冗余算法库依靠Techno-IL语言编程的标准FBD模块建立,并装载在最可靠的元件――MFC1软PLC上。操作站对工艺流程的控制通过“mouse”操纵器来实现。 自适应智能控制子系统 现代的自动控制系统是复杂、昂贵的人机综合设备。它的有效性取决于直接数字控制的开发质量,操作的方便程度,操作站系统反应时间,防止操作员的错误操作和非法登录的工艺流程保护程度。自动控制系统应该相当准确的模拟对象,并快速纠正控制错误。 · 在开发和选择直接数字控制算法时,依据以下的人机系统功能分布标准: · 操作技术员利用自动控制系统完成生产计划,保证高质量的产品。 · 由操作员决定是否重新分布生产链条的工作量,在出现意外情况或者紧急情况时,寻找合理的解决办法。 · 自动控制系统完成在自动模式和紧急情况下停止流程时,监控工<
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