ECS-100控制系统在废气回收中的应用

集散控制系统在合成氨生产废气回收中的应用
葛飞
河南心连心化肥有限公司，河南新乡
Henan XLX Fertilizer Co., Ltd., Xinxiang, Henan
刘新运
浙江中控技术股份有限公司，浙江杭州
Zhejiang SUPCON Co., Ltd., Hangzhou, Zhejiang
【摘要】介绍三废炉控制的主要回路，该项目DCS系统由浙江中控技术股份有限公司承担设计和编程调试。

采用ECS-100系统实现三废炉的现场过程数据采集、监视、控制和操作等功能。

[Abstract ]This paper introduces the three wastes furnace control main circuit, the DCS systerm project by the ZHEJIANG SUPCON TECHNOLOGY CO.,LTD commitment to design and programming and debugging. Using the ECS-100system to realize waste furnace field data acquisition, monitoring, controlling and operating functions.
【关键词】DCS 冗余ECS-100控制系统控制方案
[Key word ] DCS ECS-100 redundancy control system control scheme
概述
目前国内中小型氮肥企业主要采用固定床间歇式造气炉制气，生产合成氨、尿素等产品。

在传统的生产合成氨工艺生产中，都是将造气炉热回收步续中的吹风气、PSA脱碳工段中的放空气、合成工段中的放空气等含有大量可燃气体（主要成分是H2、CH4等）直接排入大气，这些气体统称为制氮肥的三废气体，这些排放气不仅对环境造成污染，还使得很多有用气体成分巨大浪费；为了更好的处理三废气体，特增加三废气体回收处理装置，通过燃烧三废气产生中压蒸汽进
行发电或为造气工段提供蒸汽。

由于三废气中可燃气成份较高，相比传统燃煤锅炉具有更加易燃易爆的特点，需要特别设立吹风气回收岗位。

1 ECS-100系统特点
为了回收生产合成氨产生的废气，该吹风气岗位采用了浙江中控的WebFieldECS-100系统来实现现场过程数据采集、监视、控制和操作等功能；该系统具有以下特点：
1.1高性能冗余主控制器
针对化工装置“安、稳、长、满、优”运行的需求，ECS-100控制系统在控制器中预置了通用的系统硬件规则表，软硬件的修改不需要停止控制器运行升级，自动识别不同的模块并采用相应的处理程序，实现软硬件的在线组态和升级。

1.2分散失效风险的多CPU协同工作
高可靠性控制器具备三个嵌入式微处理器，包括SCnet II通讯微处理器、主微处理器以及I/O通讯微处理器，分散硬件失效分析，提高抗网络冲击能力。

1.3基于单周期故障切换的系统冗余
冗余技术是提高系统可靠性的一项重要技术，当处于工作状态的控制器发生故障的情况下，需要将处于正常状态下的备用控制器切换为工作状态。

在冗余切换时会进行主备控制器的故障等级判断，只有在工作控制器比备用控制器故障等级高的情况下，才允许切换。

1.4种类齐全的I/O模块
ECS-100系统具备完整的I/O模块类型，包括AI、AO、DI、DO、RTD、TC等常规的IO模块及非常规的PI、SOE 、PAT等模块。

1.5分布式组态监控软件平台
以AdvanTrol-Pro 为核心的分布式基础自动化软件平台的网络结构是按照数据对等的C/S 模式设计，整体由三层网构成：监控层网络、操作层网络、管理层网。

在上述物理网路的基础上，分布式组态监控软件平台构建了对等的客户机/服务器（C/S ）网络数据服务。

2控制系统结构
整个三废炉控制系统由1个控制站、1个工程师站、2个操作站组成， 控制室之间采用光缆连接；系统重要的公用部件如：控制站电源、主控制卡、数据转发卡、通讯网络均按1:1热冗余配置，配置图如图1所示：
SC6(FW206)
AC6(FW208)
1(08-00)2(08-02)3(08-04)H U B 2B
H U B 2A HUB2A/B (放置SC4前
面)
SUP-2118M
HUB2C (放置SC4背
面)
SUP-2118M
20m*2
20m*2
20m*2
20m
20m
OS140(OP072-S20)
OS139(OP072-S20)
ES138
(OP072-S20)
TB367-GPR(B) 4块；
空开30只；继电器865A 直流电源4只TB253 3只
F-02
F-02
去东造气
20m
图1
3 控制系统方案
三废炉控制的主要回路包括汽包液位给水系统调节、进气量炉温调节、送风系统控制、引风机变频控制等。

3.1 汽包液位给水系统调节
汽包水位三冲量调节系统是指汽包水位、蒸汽流量和给水流量三个信号作用于调节器上，即三个被控变量对应一个调节器而进行的控制方式，其中汽包水位作为主信号，水位变化，调节器输出发生变化，继而改变给水流量，使水位恢复到给定值；蒸汽流量作为前馈信号，防止“虚假水位”使调节器产生错误的动作；给水流量作为反馈信号，使调节器在水位还未变化时就可根据前馈信号消除内扰，使调节过程稳定，起到稳定给水流量的作用，其原理如图2所示：
F(x)
ZT
主给水调节门
D/A △H/L
A/D 2
××××××
××××××
K ∫△
∑T TR ≮≯
A/M LT
给水流量
A/D ××××××
LT
主汽流量
A/D ××××××
K
4
A
5
LC××××
FC××××
K ∫△
∑T TR ≮≯
A/M 4
K ∫△
∑T TR ≮≯
A/M △H/L F(x)
ZT
旁给水调节门
D/A
△
H/L A/D 3
××××××
××××××
△
H/L
1
6
LC××××
LT
汽包水位A
A/D ××××××
SEL
LT
汽包水位B
A/D
××××××
A/M ≯≮
B D/A F(x)
启动给水调节门
A
OFF
LED
图2 3.2三废炉过热段集中控制
吹风气回收三废燃烧炉为可燃气体在炉膛内直接燃烧产生的热量将水冷壁内的水加热从而产生蒸汽，也得到废气回收利用的效果，故保持炉膛内温度处在
合适的数值非常关键，这主要在于对炉膛进口可燃气体进行量的调节来实现，其控制图如图3所示：
FI
减温水流量
A/D
×××××
K
∫△
∑T TR ≮≯
A/M 4
F(x)
ZT
减温调节阀
D/A △H/L A/D
3
××××××
××××××
TE
过热器器出口温度
A/D
×××××
△H/L
4
2
△
H/L 1
A
×××××
××××
K ∫△
∑T TR ≮≯
A/M 5
图3
3.3 送风系统控制
从生产系统来的可燃气体放空气中含氧量很少，对燃烧不利，为了使放空气中的可燃气体燃烧充分，故设置送风系统，由一台185KW 电机带动风机对燃烧炉进行送风，为便于对风量的控制，在风机出口处设置一个调节档板，由智能电动执行器进行调节，送风电机的调节由低压变频器进行控制调节，变频器及智能电动执行器的调节信号均有DCS 系统送出进行调节，并带反馈，其控制如图4所示。

送风机运行
DI
保护按钮
SW &
送风机入口挡板置零
VO
3S
*******
3000
*******
*******
SQ****
ST****
SA****
DS****
启动指令
DO
停止指令
DO
电机状态值
CRT
电机跳闸
VO
TA****
OFF
OFF
OFF OFF OFF SF****SA****
*********************ON
OFF 就地/远控DL MotorBlockB
手动启SR1
自动启SR2联锁启SR3启允许SRP
运行状态RF 手动停SP1
自动停SP2联锁停SP3
停允许SPP 停状态PF 电气故障DF 启指令SRDO 状态字DS 确认指令复位RSA 故障确认SA 禁操SF 强制停SP4手自动AM 操作选择SFS 脉冲时间TPT
启指令复位
RSR 停指令SPDO 停指令复位
RSP 跳闸TA
ST****
SQ****
≥1
××××××
&
≥1
SPT****
≥1
&
××××××
××××××
启动按钮
SW
保护按钮
SW 送机入口调门<5％
VI 锅炉联锁
SW 引风机运行
VI 停止按钮
SW ××××××
轴承温度高
VI
&
*******
SPT****
××××××
炉膛压力低三值
VI &
*******
*******
图4 3.4 引风机变频控制
作为吹风气岗位中最重要的动设备，其作用主要是将燃烧炉内燃烧后的气体吸出来送到烟囱，采用一台450KW 风机来实现，和送风系统一样，也是通过调节设置的风门挡板（通过智能电动执行器完成）来实现风量的调节，在正常生产过程中，由于生产负荷的变化，需要通过对引风机配套的高压变频器对电机进行调节控制，其控制如图5所示。

ST****
SQ****
≥1
SPT****
≥1
&
BOILLOCK
保护按钮
SW 引风机入口调门<5％
AI 停止按钮
SW 炉膛压力低三值
VI 燃烧炉联锁
SW *******
引风机运行
DI
*******
SPT****
保护按钮
SW &
引风机入口挡板置零
VO 轴承温度高
VI &
*******
3000
*******
*******
SQ****
ST****
SA****
DS****
启动指令
DO
停止指令
DO
电机状态值
CRT
启动按钮
SW
电机跳闸
VO
TA****
OFF
OFF
OFF OFF OFF SF****SA***********
**************ON
OFF
就地/远控DL MotorBlockB
手动启SR1
自动启SR2联锁启SR3启允许SRP
运行状态RF 手动停SP1
自动停SP2联锁停SP3
停允许SPP 停状态PF 电气故障DF 启指令
SRDO 状态字DS 确认指令复位RSA 故障确认SA 禁操SF 强制停SP4手自动AM 操作选择SFS 脉冲时间TPT
启指令复位
RSR 停指令SPDO 停指令复位
RSP 跳闸TA
××××××
*******
*******
图5 4 控制系统监控设计
实时监控软件（AdvanTrol）是ECS-100控制系统的上位机监控软件，通过鼠标和操作员键盘的配合使用，可以方便地完成各种监控操作。

实时监控软件的运行界面是操作人员监控生产过程的工作平台。

在这个平台上，操作人员通过各种监控画面监视工艺对象的数据变化情况，发出各种操作指令来干预生产过程，从而保证生产系统正常运行。

4.1美观的流程图及流程图精灵
流程图画面根据组态信息和工艺运行情况，在实时监控过程中动态更新各
个动态对象（如数据点、棒形图、动态旋转、趋势图等），因此，大部分的过程监视和控制操作都可以在流程图画面上完成。

流程图精灵是
AdvanTrol-Pro(V2.65)软件包里制作流程图软件的一个辅助工具，通过流程图精灵的使用可以对同类型的设备界面统一修改，对不同流程图中的同一设备进行统一关联数据修改，这样可以减少流程图的整体组态时间，方便以后流程图的维护，吹风气操作工艺流程图如图6所示：
图6
4.2 简便的趋势查询
趋势画面根据组态信息和工艺运行的情况，以一定的时间间隔记录一个数据点，动态更新历史趋势图，并显示时间轴所在时刻的数据；实时监控软件（AdvanTrol）软件除常规功能外，还支持自由页组态，便于操作人比较生产数据。

另外采用面板窗口显示技术，面板显示是弹出式窗口，与标准显示或自由格式的用户画面同时显示在监视器上。

它可以随意拖动，不用时可关闭，所选的过程点随时可以通过面板来显示或操作；模拟量信号或数字量过程信号随时间的变化过程可以以趋势画面进行显示并归档存储，方便以后操作人员对问题的分析研究及生产过程参数优化控制等。

4.3直观的操作授权
本系统对操作人员主要规定了五种权限，权限由低到高的顺序为观察、操作员、操作员（+）、工程师、特权。

4.4 详实的操作记录
操作记录功能是将监控画面中所有操作进行记录，提供给操作人员查看。

操作记录一览分位号操作记录和系统操作记录两种方式显示。

4.5 准确的故障诊断
故障诊断画面用于显示控制站硬件和软件运行情况的远程诊断结果，以便及时、准确地掌握控制站运行状况。

包括控制站的网络通信情况，工作/备用状态，I/O 控制器（数据转发卡）的工作情况等。

5 结束语
该DCS系统自2009年投运以来，实现来吹风气回收装置的安全、稳定、长周期运行，对于企业降低成本，创造效益做出了突出贡献，现本装置每年可以企业带来至少1000多万元的纯利润。

[ 参考文献 ]
[1] WebField ECS-100控制系统说明书及技术资料[Z]. 浙江中控技术股份有限公司,
[2] 工业过程控制技术—应用篇. 化学工业出版社, 2006
[3] 集散控制系统. 北京大学出版社, 2010。