DeltaV 控制系统在合成氨中的应用

1 引言 随着电子技术和计算机技术的快速发展，DCS控制系统已广泛应用于工艺现场，其是集计算机技术、控制技术、通讯技术和网络技术为一体的综合性高科技产品。DCS通过操作站对整个工艺过程进行集中监视操作、管理，通过控制站对工艺过程各部份进行控制。DCS系统以其高可靠性、灵活性、人机界面友好性及通讯的方便性等特点，目前已大规模应用于各行各业。 2 DeltaV控制系统简介 DeltaV控制系统是在传统的DCS系统上发展起来的，具有90年代国际先进水平的新一代控制系统。DeltaV控制系统即继承了传统DCS系统的结构，有工程师站、操作员站、I/O站，不同的是，它用现场总线的开放性和互操作性思想对DCS的控制网络及控制站中的结构进行了改造，增强了网络的通讯能力，实现了全数字通讯，引入了基于FF协议的现场总线接口，使整个系统与传统的DCS相比更加灵活、开放。真正实现了通讯网络与控制系统的集成，是新一代基于现场总线的工业控制系统，它具有以下特点。 （1） 开放的网络结构和OPC标准。工程师站和操作员及控制器之间采用TCP/IP通讯协议、网络拓扑结构为星型对等网，PC机之间通讯速率为100Mbps，控制器与PC机之间为10Mbps。现场总线则以32.5Kbps速率在网卡与现场仪表之间通讯。对于以上结构的网络可以很方便的进行规模上的扩充，实现真正意义上的硬件的灵活性和开放性。OPC服务器可以使上层企业管理人员方便的获取DeltaV的数据信息。对于企业的产、供、销管理起辅助策略作用，从而改变传统DCS只生产不管理的思想，实现真正的企业管理网。 （2） 基金会现场总线（FF）标准和数据结构。 （3） 模块化结构设计，即插即用，自动识别系统硬件，所有插件均可带电拨插、操作维护简单，实现真正的在线扩展。 （4） DeltaV提供的AMS设备管理系统可以对所有符合HART协议和FF协议的设备进行在线组态，标定、回路检查及测量设备状态。 （5） 系统运行于Windows NT 4.0操作平台上，使控制系统的可靠性和安全性得到保证。 （6） 拥有良好的操作界面和图形用户接口，使得人机交互变得简单轻松；组态简易直观，大大减轻了组态工程师的工作量，最终促成系统尽快投运。 （7） 具有较高的性能价格比，由于采用模块化的设计思想，把选择的权力最大限度地交给用户，用户可以根据自己的生产规模来定制系的大小；另外基于系统本身强大的控制功能，用户只要根据生产实际情况更换控制策略，可以在不增加额外投资的情况下，满足多种应用要求。 由于DeltaV控制系统具有上述的技术优势和特点，从而保证DeltaV系统能够胜任各种复杂的工艺控制任务，其系统构成图如下： DeltaV系统构成简图 在DeltaV控制系统中，系统硬件由以下几部份组成：一个或多个DeltaV工作站、一个用于系统节点通信的控制网络、一个或多个控制器，其功能就是用来执行本地控制，管理数据、管理输入输出和控制网络之间的通迅，每一个控制器都有一个子系统来处理现场设备的信息；系统识别器；不同数量的AI、AO、DI、DO模块；系统电源及模块电源。DeltaV控制系统软件包括多种应用程序，帮助用户进行组态、操作、记录和优化过程。基本的应用程序包括工程工具软件和操作员软件两大类。工程工具软件是组态工具软件，如DeltaV浏览器、控制工作室、图形工作室等，其主要工作就是完成系统组态，控制模块组态和工艺流程图组态。操作员工具软件主要用于过程控制系统的经常性操作，如过程历史趋势图、诊断程序等。 3 DeltaV系统在合成氨中的应用 红磷公司1999年投产的3万吨合成氨是为了解决公司磷铵生产中液氨供给严重不足而新建的一套小型合成氨系统。在合成氨工程中，首次采用了费希尔—罗斯蒙特公司的DeltaV控制系统。根据合成氨的工艺特点和工艺设备分布，把合成氨的整个控制系统组成分成三部份，即造气部份、联合部分及脱硫部分，其结构框图如下： 合成氨控制系统结构框图 在合成氨控制系统中，造气部份和联合部份分别设立单独的工作站，它们之间通过光缆进行通讯连接，而脱硫部份则通过一台Modicon 公司PLC进行数据采集和控制，通过DeltaV的专用通讯接口与造气部份进行通讯连接，从而使整个控制系统连在一起。在合成氨控制系统中，一共配置有4台操作站，一台工程师站。其中在造气工段，配置有两台操作站、M3控制器模块两块、双重化12V、24V电源供给及相应的模拟、数字输入/输出模块。在联合工段，配置有两台操作站、一台工程师站、M3控制器模块两块、双重化12V、24V电源供给及相应的模拟、数字输入/输出模块。各工段的操作站和控制器只能对本工段的数据进行操作和控制，通过通信网络，各工段都能相互调用和察看工艺参数。在脱硫工段中，配置有Modicon 公司PLC一台用于脱硫工段的数据采集和控制，通过通信电缆与造气的通信模块相连，从而使各操作站都能看到脱硫的工艺参数，其通讯方式为半双功，RS485通讯接口、波特率为9600bps。为了操作上的安全，对造气工段及联合工段的操作都设置了操作权限，即各工段只能对本工段的数据进行监控，从而使工艺操作更为安全可靠。 为了提高DeltaV系统的可靠性，保证生产安全与连续、系统在结构上对重要硬件采用了冗余设计。其中包括：（1）控制器冗余；（2）网络冗余（即网络适配器、网络电缆和集线器冗余）。在日常生产中，一但这些部件出现故障可能导致生产事故，造成经济损失。采取冗余后，主、副两者互为“热备份”，即当系统检测到其中某一部件发生故障时，在无人工干预的情况下，会自动从故障部件切换到备用部件，这期间不中断整个系统的运行，从而最大限度地为连续工艺生产提供了可靠的保障。 在DeltaV控制系统中，系统组态工作一般包括数据库的创建，工作站的组态、控制器节点和控制网络及用户账户的组态，输入输出模块组态和工艺流程图的创建等。在物理硬件连接好以后，通过把各种组态信息下装到控制器和工作站后，整个DeltaV控制系统就可以投用于工艺生产了。在平时的生产操作中，工艺操作人员通过系统操作画面对整个装置进行操作及控制。系统操作画面在结构上分为系统标题窗口和主窗口两部分：（1）系统标题窗口位于屏幕窗口上部，在系统标题窗口中包含五个功能按钮：系统口令、用户登录、仪表面板、报警消音和报警查询。（2）系统主窗口位于标题窗口之下，系统启动后，首先在系统主窗口中的一幅厂区总貌画面。通过总貌画面可以调出相应工段的操作画面，供工艺人员对该工段实行实时监控和操作。系统主窗口的底部有六个功能按钮，这六个功能按钮是画面目录、总貌信息、历史查询、事件查询、报表打印、系统维护。在生产过程中，工艺操作人员可以通过这六个功能按钮进行相应的操作。例如，单击历史查询按钮，就可以调出历史查询操作画面，通过相应的工艺参数的历史记录曲线，工艺人员可以对历史曲线作深入、细致的分析。借住DeltaV提供的处理历史记录曲线的工具软件，可以查询及分析系统产生故障和工艺事故的原因；通过分析参数曲线，可以对某段时期内的工艺生产状况进行评估，从而为工艺的高效生产和科学管理提供数据。再如，单击事件查询按钮，可以调出一份系统事件列表，在表中可以查询到一段时期内系统中发生的较大事件。查询事件有助于查找故障、追查非法用户，明确事故责任。 从1999年DeltaV控制系统在合成氨装置投运至今，对合成氨的生产实施监控已取得了较好的效果，不仅生产能够稳定运行，而且对装置的技术管理提供了大量的历史数据，具有较好的控制效果及较高的可靠性。DeltaV控制系统在合成氨系统的应用成功，不仅提高了整个装置的自动化水平，同时降低了操作人员的劳动强度，为工艺稳定、高效的生产创造了良好的操作条件。 4 结束语 随着DeltaV控制系统在合成氨装置中的成功应用，为公司其它装置应用DeltaV控制系统提供了实践经验。在公司6万吨/年二水磷酸装置、NPK技改装置、4万吨/年磷酸装置及合成氨“3改8”的技改工程中都采用了DeltaV控制系统，并且都取得了良好的控制效果，为各装置的稳定生产提供了保障，取得了一定经济效益。随着多套DeltaV控制系统在公司多套装置中的应用成功，不仅提高了各生产装置的自动化水平，也使公司的整个自动化水平提高了一个档次，为公司以后生产实现管控一体化创造了条件。DeltaV控系统作为一种新型的控制系统，既继承了传统DCS的基本结构，为原有系统实现升级和改造提供了方便，同时它吸取了现场总线技术的开放性和互操作性的优点，符合控制系统的发展趋势，为今后向FCS的发展奠定了基础。 参考文献 [1] 徐璐、黄文君、金建祥、褚健．基于现场总线的新型过程控制系统，化工自动化及仪表．2000．3． [2] 陕西兴化集团．FISHER-ROSEMOUNT F．F基金会现场总线系统在兴化集团的应用，国际石油和化工自动化技术发展研讨会论文集．中国石油和化工自动化应用协会，2001．8．北京． [3] 《DeltaV控制系统使用手册》．费希尔-罗斯蒙特公司．