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現場總線在硝銨裝置中的控制
現場總線在硝銨裝置中的控制
FF基金會現場總線是一種全數字式的串行雙向通信系統，它將各種現場設備如傳感器、執行器、控制器等連接在一起，形成一個局域網（LAN），通過這樣一個通信系統可向整個網絡提供應用程序。
經多方面考慮后，我們在陜西省興平化肥股份有限公司二期硝鍍、硝酸改造工程中成功地采用了Fisher-Rosemount公司的FF現場總線型Delta V控制系統及現場儀表。經過設計、開發、使用幾方面的共同努力，該系統于2000年5月12日一次開車成功。經過考核，系統運行平穩，各種指標均滿足設計要求。我們確實體會了到這一現場總線型控制系統的*性及*性，性能價格比也很突出。北京貝斯機電工程有限公司參與并承擔了該工程中的儀表選型、系統的開發組態及現場調試與技運等全過程工作。
二、工藝要求與配置特點
1、工藝要求
工程分為兩個部分，其中硝銨裝置采用法國KT（kalterlbach-Thudng S.A）公司的工藝技術。裝置組成分為中和、蒸發造粒、冷卻包裝3個主要工序。裝置規模為18萬t/a。
其工藝框圖如圖l所示。
全裝置要求控制系統具有34套調節回路（以單回路調節系統為主），其中l套比值串級調節系統，2套單比值調節，l套手操器；160點開關量（DI、DO），55點FF（Input），27點FF（Output），32點AI（4~20mA），12點AO（4~20mA）。根據法國KT公司的工藝技術要求，控制系統具備緊急停車系統（ESD），即當管式反應器的溫度超過185℃或流量調節無效等工藝危險條件成立時，緊急停車系統動作，以便起到安全及保護裝置的作用。
其控制點分布如表l所示。
硝酸裝置屬于改造工程，現場儀表為現有的DDZ-III型儀表，要求系統兼顧4~20mA信號。Fisher-Rosemount公司的FF現場總線型Delta V控制系統具有4~20mA的I/O卡件，這是硝鍍、硝酸改造工程選用的Delta V的主要原因之一。
2、配置特點
在硝鍍裝置中并未采用具有HART協議的傳感器，而是直接采用現場總線智能儀表及執行機構，PID控制模塊下裝到現場總線智能儀表及執行機構中執行，實行了真正意義的現場總線控制系統。
三、系統配置
1、系統配置圖
系統配置圖，如圖2所示。
2、控制室配置
本系統包括1個工程師站、4個操作員站、3對冗余控制器及I/O卡件。
（1）工程師站配置及主要功能
硬件配置：Intel PIII 450MHz CPU、6.4GB硬盤、128MB內存、14/32倍速光驅、Travan磁帶機、冗余的網絡控制接口、21"CRT及外接喇叭、鼠標、鍵盤、56kb/s Modem。
軟件配置：Windows WT4.0+SP4.0；Fisher-Rosemount Delta V4.2 Professional Plus版。
主要功能：對控制系統組態、畫圖、建立控制模塊；對總線儀表組態、查看儀表數據（如法蘭尺寸、閥芯類型、環境溫度、報警、自診斷等）。可采集歷史數據及歷史事件，并提供強大的檢索功能。工程師站具有操作員站的全部功能。
（2）操作員站配置及主要功能
硬件配置：Intel PIII 450MHz CPU、6.4GB硬盤、128MB內存、14/32倍速光驅、冗余的網絡控制接口、21"CRT及外接喇叭、鼠標、鍵盤。
軟件配置：Windows NT4.0+SP4.0；Fisher-Rosemount Delta V4.2 Operator版。
主要功能：供操作員使用，顯示帶控制點PID工藝流程圖、報警圖、趨勢圖、歷史曲線等，操作員監視現場數據，操作閥門、電動機等現場設備。
（3）冗余控制器及I/O卡件
Delta V控制器采用Motorola Power 860 50MHz處理器。其特點為：自動確定地址，不需跳線開關，自動識別I/O模塊；能實現從簡單PID控制、模糊控制到復雜的順序控制、聯鎖控制；控制器為1：1熱備份冗余，自動診斷故障并自動切換。
控制系統共使用了8種I/O卡件，如表2所示。
3、現場配置
在這套控制系統中既有總線式儀表和閥門，又有DDZ-III型儀表設備，這里對總線式儀表和閥門現場接線作介紹。
總線系統的配置如下：H1 Card（2口現場總線設備接口卡）共8塊；Fieldbus Power Supply （現場總線電源）16個；6-Spur Fieldbus Junction Block（6分支現場總線接線盒）32個；現場總線儀表55臺；現場總線閥門27臺；現場總線電纜5600m，其中干線3740m，支線1860m。
四、控制方案及系統組態
根據工藝的要求和系統的硬件配置，軟件組態共分3個控制區域：
（1）AREA-AN-1F：
用于硝酸裝置的控制，屬于改造部分，該部分現場儀表為DDZ-III型常規儀表。共有57個數據監視點，18個PID調節回路，2個聯鎖停車。
（2）AREA-AN-2F：
用于控制硝銨裝置中的壓力、溫度、流量等工藝參數的監控。共有56個數據監控點，每個點都具有報警，歷史曲線記錄、累積（流量點）、設備狀態診斷。33個PID控制點，其中比值串級l套，比值調節2套，手操器1套。所有PID模塊均下裝到總線式調節閥中運行（常規調節閥除外）。
（3）AREA-ANJF：
用于控制硝鍍裝置中所有開關量設備工作狀態的監控，如電動機、雙位閥等。工藝中的聯鎖控制也在這個控制區內實現。
電動機44臺：每臺電動機設有1個DI點，用于反饋電動機的工作狀態。1個DO點，用于控制聯鎖停電動機或操作員停電動機。
雙位閥6臺：每個閥有1個或2個DI反饋，用于監視閥門的工作狀態。1個DO點，用于驅動電磁閥。
三通閥2臺：每個閥有1個DI，用于監視閥門的工作狀態。1個DO點，用于驅動電磁閥。
根據法國KT公司的邏輯圖，每個電動機和電磁閥都設有聯鎖停和聯鎖切除，管式反應器緊急停車在這個區域中實現。
聯鎖中共有3個控制按鈕：
STOP：使管式反應器緊急停車；
RESET：使管式反應器緊急停車聯鎖處于有效狀態；
START：啟動管式器緊急停車聯鎖。
由于反應剛開始時氣氨的流量、壓力及硝酸的流量不能馬上達到正常反應的控制范圍。所以，在聯鎖中FSLL101（氣氨流量低低限報警）、FSLL102（硝酸流量低低限報警）、PSLL101（氣氨壓力低低限報警）這3個聯鎖條件在啟動管式器緊急停車聯鎖后20min內（時間可根據工藝具體情況調整）不起作用。20min后其中任何一個報警產生時聯鎖就會使管式反應器緊急停車。聯鎖停車時首先關閉氣氨管線上的雙位閥HV101、硝酸管線上的雙位閥HV102；停氣氨壓縮機C2101、C2102；5s之后關閉氣氨流量調節閥FY101B、硝酸流量調節閥FY102B；10s之后關閉工藝蒸汽pH值調節閥AY101B。其他聯鎖條件如FSHH101（氣氨流量高高限報警）、FSHH102（硝酸流量高高限報警）、LSH102（管式反應器分離器液位高限報警）、PSH102（硝酸壓力高限報警）等工藝參數產生報警時，聯鎖同樣使管式反應器緊急停車。
五、控制功能
該系統除對工藝過程中各種工藝參數如壓力、溫度、流量、液位、成分等進行過程控制與監視外，還具有如下控制功能。
1、報警
Delta V系統對每一個系統卡件、工作站等硬件設備及監控點都設有狀態報警及報警記錄，用戶不需進行組態。對于監控點的過程變量報警，需用戶自己定義報警限及報警等級。報警種類有低低報、低報、高報、高高報和偏差低報和偏差高報。報警等級有Critical、warning、Advisory、Log，其中Critical級別高，Log級別根據工藝的要求來決定采用哪一級報警。
2、監控操作畫面
本監控系統是以興化II期硝鍍、硝酸帶控制點工藝流程圖為基本框架，將整個系統的監控畫面分成工藝流程總貌畫面，工藝流程圖畫面，控制分組畫面，聯鎖流程圖畫面，儀表邏輯圖畫面，全廠報警表畫面，各檢測參數的實時、歷史曲線圖畫面等多幅畫面。其中硝鍍裝置的工藝流程圖畫面有12幅，硝酸裝置有70畫。它們分段顯示整套硝鏡、硝酸系統的工藝流程狀況，因此整個監控系統具有畫面生動、活潑、容易理解及操作的特點。
3、趨勢圖
本系統中有歷史趨勢記錄的功能，用戶購買了300點權限，每個點的采樣周期可從1s-5min。此項目中采樣周期設為10s。系統中還有實時趨勢圖顯示，只是實時趨勢圖在窗口關閉后數據就會丟失。而歷史趨勢圖的數據存在硬盤中，操作人員可以隨時查看以前的數據和趨勢圖。
4、歷史事件記錄
Delta V可以詳細記錄操作員的每一個操作，包括操作時間、操作員所用的操作站名、操作前后的數據。Delta V還可以記錄過程數據報警、儀表故障報警、系統硬件故障報警等。
5、報表
報表種類有月報表、日報表和班報表。報表采用Delta V中的Report Manager。報表打印的同時可產生報表文件，存在用戶目錄中，供用戶長期保存和檢索。同時在操作站也有相應的顯示畫面，以供操作員隨時查看和記錄。
六、系統特點與分析
1、利用總線式控制系統實現精確的摩爾比控制
硝酸與氣氨反應生成硝酸錢是硝鍍這個工藝中重要的反應過程，這個反應控制的好壞直接影響硝鍍的質量。而硝酸加入量與氣氨加入量的控制又是反映過程的關鍵。這是一個比值串級控制回路。
（1）傳統的控制方案
硝酸與氣氨反應的傳統控制方式是采用質量比控制，即：濃度為48%的硝酸溶液流量（t/h）：氣氨流量（t/h）=7：l；硝酸溶液流量（th）=7x氣氨流量（th）。
此控制方案要求硝酸濃度應保持在48%。濃度高會使參加反應的硝酸過量，濃度低會使參加反應的氣氨過量，影響產品質量。
（2）Delta V+總線式質量流量計實現摩爾比控制
總線式質量流量計不同于常規模擬式質量流量計，它可同時采集到4個測量參數，包括被測介質的密度、溫度、質量流量、體積流量。
根據法國KT公司提供的公式：
公式1：硝酸濃度=f（溫度，密度）
硝酸與氣氨反應生成硝酸錢的理論公式：NH3+HNO3→NH4NO3
公式2：1摩爾硝酸鍍=l摩爾硝酸+1摩爾氣氨
公式3：氣氨流量（t/h）×63=濃度為硝酸溶液流量（t/h）x17（其中63為HNO3分子量，17為NH3分子量）
公式4：硝酸溶液流量（t/h）=（氣氨流量（t/h）×63）/（硝酸濃度（%）×17）
根據法國KT公司提供的公式，可實時計算出管道中硝酸的濃度。用公式4作為比值串級控制系統的比值公式，當濃度變化時硝酸流量調節回路的設定點也會改變。使100%的純硝酸量保持恒定，所以此控制方案克服了硝酸濃度變化對產品質量的影響。
之所以能采用摩爾比控制是由于總線式儀表的多點參數采集。而傳統的質量流量計雖然能測出密度、質量流量、體積流量等數據，但由于采用4~20mA二線制傳送信號，過程控制器只能采集到一個過程參數。在傳統DCS中如一定要用精確的摩爾比控制就必須增加儀表設備。至少要增加溫度和密度的測量儀表，故總線式儀表的多點參數采集節省了儀表的投入，提高了控制精確度。
2、AMS Inside*的設備管理及維護方案
AMS Inside（Asset Management Solution Inside）是一種嵌入在Delta V中的現場設備管理軟件。它可實時提供現場設備的硬件信息、狀態和診斷信息；可使現場設備的維護更快捷，更方便；預測故障發生，減少非計劃停運，縮短調試時間。
系統維護工程師可以從控制室中查到存儲在現場儀表及閥門中的各種技術參數，如儀表型號、規格、尺寸、材質、介質、出廠日期、儀表量程、標定記錄、自診斷等。以下是在硝鍍裝置調試時兩個AMS Inside具體應用的事例。
例1：在現場調試過程中，我們曾發現1臺電磁流量計指示為負值。在組態工作站上打開AMS Inside發現儀表自診斷指示流體反向流動。與工藝工程師核實，當設備由技運到停止過程中由于液位差的原因，會出現短時的反向流動。由此證明此現象并不是儀表有故障。總線式儀表具有詳細的自診斷信息，使維護人員能更加準確地判斷是儀表故障還是工藝實際狀況。如使用常規電磁流量計，在控制室內只能測出非正常的電流信號。維修人員只有去現場才能判斷是儀表故障還是工藝實際狀況。
例2：由AMS Inside可知現場儀表的詳細狀態。由于總線式調節閥具有閥門開度反饋的功能，當操作人員從控制室輸出75%的閥門開度時，幾秒鐘后就可在操作畫面上看到閥門的實際開度。在裝置技運過程中，再熔槽的液位控制不穩定。檢查再熔槽液位調節閥LV301時，發現當調節閥的開度大于8%時輸出與反饋保持一致，而輸出小于8%時反饋保持在8%不變。通過這個現象維修人員懷疑閥門有可能被卡住，經檢查確實發現1塊金屬異物卡在閥中。
另外，總線式調節閥通過AMS Inside還可以記錄自閥門出廠后的總行程位移有多少米和當前膜頭壓力。根據位移極限值可判斷閥門是否超過了疲勞和磨損極限，需要哪一級的維護；另一方面根據膜頭壓力和當前閥門的位置反饋能判斷閥門是否存在故障。因此，維護人員利用AMS可在控制室內對總線式調節閥進行校驗。
總線式設備與AMS Inside的結合，向用戶提供了大量的設備數據和其現場使用狀況，從一定程度上講可以做到足不出戶解決問題。這大大節省了人力物力，同時維護的目的明確，效果良好，為用戶提供了一個全新的概念和維護手段。
3、節省73.4%的電纜
在硝鍍裝置中控制系統共使用總線電纜5600m，其中干線3740m，支線1860m。系統中有16根干線，82臺總線設備。
如采用傳統儀表，則：
傳統方式所需電纜≈支線+（干線/16）×82=1860+3740/16×82=210275（m）
總線所需電纜長度只占傳統方式所需電纜長度的26.6%，所以節省的電纜為73.4%。
另外，在節省電纜費用的同時，其敷設電纜槽板、保護管及人工費都有相應的節約。這也是現場總線系統的優點之一。
總線型Delta V控制系統在興化硝錢、硝酸裝置中的應用，實現了將控制功能下裝到現場檢測儀表與調節閥中，直接在現場構成調節回路。與傳統的DCS相比，多了現場控制層，提高了系統可靠性。Fisher-Rosemount專為總線主制系統而設計的Delta V，使得控制系統中的軟件與硬件構成一個完整的現場總線控制體系。它具有良好的兼容性，又有很高的可靠性和可擴展性。同時，此系統還兼容傳統的常規儀表，使用戶的常規儀表設備得到充分的利用，這樣既節約用戶的開支，又使用戶得到了一個全新的控制系統 。