劉燕江 徐乙天

（云南云天化紅磷化工有限公司）

變壓吸附（PSA）是一種氣體分離技術(shù)，是使用分子篩進行加壓吸附、減壓脫附的循環(huán)操作過程。 真空變壓吸附制氧（VPSA）是先通過常壓解吸，再經(jīng)過抽真空，達到一定真空度，使吸附塔內(nèi)所吸附的雜質(zhì)徹底脫附、再生的制氧流程［1］。

云南云天化紅磷化工有限公司（以下簡稱紅磷公司） 于2013 年建成投用了一套兩塔真空變壓吸附制氧系統(tǒng)，在原固定床間歇式氣化爐上實施富氧氣化，以達到提高單爐生產(chǎn)能力、降低原料消耗和合成氨生產(chǎn)成本的目的［2］。 控制系統(tǒng)采用西門子412-5H CPU+300 系列I/O 模塊+組態(tài)王的配置，控制系統(tǒng)從投用以來就故障不斷。 在一些老舊化工生產(chǎn)裝置中，建筑布局、功能分區(qū)與布線多不合理， 惡劣環(huán)境中的腐蝕性氣體、導(dǎo)電性粉塵使電子元器件發(fā)生電化學(xué)腐蝕（氯、硫）和物質(zhì)遷移，從而導(dǎo)致模塊損壞和控制系統(tǒng)故障［3］；外部干擾嚴重，干擾變量具有動態(tài)性、非線性及強耦合性等特點，給系統(tǒng)故障判斷與處理帶來了困難［4］。合理的系統(tǒng)集成、可靠的安裝方式以及良好的運行環(huán)境是控制系統(tǒng)穩(wěn)定運行的必要條件，受多種因素制約，老舊化工生產(chǎn)裝置要從根本上改善控制系統(tǒng)運行環(huán)境是非常困難的。 紅磷公司對制氧工序控制系統(tǒng)采取了多種可能的改造措施，但收效甚微。 因此，筆者針對這個具體情況提出了控制系統(tǒng)的“環(huán)境適應(yīng)性”問題［5］。

1 制氧工藝流程

紅磷公司制氧工序采用兩塔吸附器流程（圖1），一個吸附器進行吸附產(chǎn)氧，另一個吸附器再生，再生結(jié)束后，該吸附器進空氣吸附產(chǎn)氧，另一個吸附器再生。

圖1 兩塔吸附器制氧工藝流程

2 控制系統(tǒng)配置

兩塔流程吸附產(chǎn)氧和再生過程主要是由順控程序控制8 臺切換閥開關(guān)和3 臺調(diào)節(jié)閥的開度來完成的。 控制系統(tǒng)I/O 設(shè)計為：

AI 22 點

AO 4 點

DI 20 點

DO 15 點

RTD 24 點

控制系統(tǒng)卡件配置列于表1。可以看出，系統(tǒng)I/O 總計85 點，控制系統(tǒng)硬件、模塊配置和余量，完全滿足制氧工序的運行要求。

表1 控制系統(tǒng)卡件配置

控制方案除分子篩的順控程序外，還有3 個單回路手操、1 個單回路PID 控制和簡單聯(lián)鎖邏輯回路， 相對于412-5H 控制器的性能而言，是“大馬拉小車”的配置［5］。

3 控制系統(tǒng)出現(xiàn)的問題分析與結(jié)論

3.1 控制系統(tǒng)出現(xiàn)的問題

頻繁燒壞外配通道保險管。 4～20 mA 測量模塊I/O 通道外配保險管頻繁隨機燒壞， 但現(xiàn)場變送器正常。 在系統(tǒng)開、停車時損壞頻率最高，極端情況時出現(xiàn)集中燒壞的情況，兩年內(nèi)燒壞保險管百余顆。

系統(tǒng)硬件隨機損壞頻繁。 在近6 年的時間里僅控制器就損壞了3 塊， 第4 塊控制器也是帶“病”運行，損壞的系統(tǒng)部件和I/O 模塊有數(shù)十臺/件。 僅這一小系統(tǒng)，每年需投入數(shù)萬元的維護費用。

模擬量信號易受干擾。 模擬量信號常出現(xiàn)大幅波動和尖峰值，頻繁觸發(fā)聯(lián)鎖跳車，為保證系統(tǒng)開車需要，切除聯(lián)鎖保護。

分子篩順控程序頻繁異常停運。 操作員進行程序復(fù)位后可重新運行，有時需要自控人員對控制器進行復(fù)位操作后才能重啟順控程序。

3.2 原因分析及原維保措施

制氧工序控制系統(tǒng)機柜和操作臺安裝在氣化系統(tǒng)操作室。 由于氣化系統(tǒng)實際操作需要及一些歷史原因， 室內(nèi)操作員和系統(tǒng)機柜共處一室，室內(nèi)平面布局如圖2 所示，1#～9#位為各系統(tǒng)機柜安裝位置：1#位為各控制系統(tǒng)電源柜；2#位為制氧工序控制系統(tǒng)柜；3#位為氣化系統(tǒng)各現(xiàn)場電磁閥24 V（DC）電源柜，220 V（AC）來自電氣專業(yè)配電室；4#、5#位為氣化系統(tǒng)各電磁閥站與氣化控制系統(tǒng)的二次隔離繼電器柜；7#～9#位為氣化系統(tǒng)的S7-200 PLC 集成控制系統(tǒng)柜。 室內(nèi)各系統(tǒng)曾經(jīng)過多次改造， 如原1#～3#位為氣化系統(tǒng)上位DeltaV系統(tǒng)，4#、5#位為氣化系統(tǒng)下位單爐PLC 集成控制系統(tǒng)柜。 制氧工序控制系統(tǒng)機柜安裝在原DeltaV 系統(tǒng)機柜安裝底座上。

圖2 室內(nèi)平面布局

氣化操作室位于三樓，而正下面的二樓為氣化系統(tǒng)及制氧工序配電室，室內(nèi)裝有幾十臺各型變頻器。 室內(nèi)各系統(tǒng)歷經(jīng)多次改造，室內(nèi)電纜只進不出，幾經(jīng)折返、相互纏繞、各機柜背面與墻壁間的電纜堆積，防靜電蓋板都蓋不上，大量電纜間分布的電容和電感與周圍磁場相互作用，形成了復(fù)雜的電氣、電磁環(huán)境［6］。 室內(nèi)操作人員、機柜不分離，人員活動、含碳粉塵和含硫腐蝕性氣體對各控制系統(tǒng)影響非常大，特別在雨季，系統(tǒng)故障及模塊損壞概率大幅上升。 因此，這兩方面的相互作用是制氧工序控制系統(tǒng)故障頻繁的主要原因。

改善室內(nèi)復(fù)雜的電氣、電磁環(huán)境是非常困難的。 控制系統(tǒng)按保護、屏蔽、邏輯三地分離的原則單獨設(shè)計了一個接地系統(tǒng)［7］。 機柜與原安裝底座間實現(xiàn)可靠絕緣隔離，與接地系統(tǒng)可靠連接。 4～20 mA 模擬信號加裝隔離器。 改造措施實施后，頻繁燒壞通道外配保險管的問題基本解決，而其他問題則沒有明顯改善。

改善含碳粉塵和含硫腐蝕性氣體對系統(tǒng)的影響。 通過封堵機柜眼孔，通入由精密過濾器再處理后的壓縮空氣進行微正常壓密封。

系統(tǒng)集成商及紅磷公司邀請的技術(shù)人員多次到現(xiàn)場調(diào)研并商討解決辦法，但收效甚微。

3.3 問題的結(jié)論

由于氣化系統(tǒng)原料組成改變，解決制氧工序控制系統(tǒng)存在問題已迫在眉睫，因此不得不從另一個角度和時間維度上來審視問題。

安裝在7#～9#位機柜內(nèi)的氣化爐S7-200 PLC 系統(tǒng)的運行狀況也不理想，CP243-1 以太網(wǎng)通信模塊也頻繁損壞或頻繁造成數(shù)據(jù)堵塞（斷電復(fù)位解決），而且損壞的I/O 模塊也不少。 對氣化爐S7-200 PLC 系統(tǒng)及CP243-1 以太網(wǎng)模塊采取的技術(shù)措施也收效甚微。

DeltaV 系統(tǒng)在紅磷公司的運行狀況總體良好， 但原安裝在1#～3#位的DeltaV 系統(tǒng)的運行狀況也差強人意，在后來的改造中被氣化爐專用系統(tǒng)替換。

綜合紅磷公司多年來對各型DCS、PLC 系統(tǒng)的應(yīng)用維護經(jīng)驗，采納內(nèi)、外技術(shù)建議和所能采取的措施，問題解決的時間跨度，以及收效甚微的實際情況來看，原制氧工序控制系統(tǒng)已不適宜在這一環(huán)境中繼續(xù)使用或選用，這一結(jié)論也為幾年來技術(shù)上的爭論劃上了句號。

4 ECS-700 系統(tǒng)的選用

在實際工程應(yīng)用中，同一套控制系統(tǒng)在不同企業(yè)、 不同工況環(huán)境中會有不同的運行效果，其原因主要涉及具體運行工況環(huán)境與人員兩個方面，即系統(tǒng)“環(huán)境適應(yīng)性”［8］，不利于控制系統(tǒng)運行的工況環(huán)境一旦形成，后繼改善非常困難。

基于紅磷公司多年來對國內(nèi)外多型控制系統(tǒng)運行維護的經(jīng)驗和技術(shù)積累，以及對同類型裝置和運行工況環(huán)境的調(diào)查，制氧工序控制系統(tǒng)選用浙江中控技術(shù)股份有限公司的ECS-700 系統(tǒng)。

4.1 ECS-700 系統(tǒng)的技術(shù)特點

ECS-700 系統(tǒng)是2007 年中控在ECS-100 系統(tǒng)的基礎(chǔ)上推出的WebField 系列控制系統(tǒng)之一，作為大規(guī)模聯(lián)合控制系統(tǒng)，目前已廣泛應(yīng)用于石油、化工及電力等生產(chǎn)過程［9］。該系統(tǒng)具有如下技術(shù)特點：

a. 全冗余系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可靠性高。供電系統(tǒng)、控制站、I/O 模塊及通信網(wǎng)絡(luò)等采用全冗余設(shè)計，任意一路電源或單一部件故障都不會影響系統(tǒng)和生產(chǎn)的正常運行。 系統(tǒng)硬件模塊都經(jīng)過嚴苛的可靠性設(shè)計，具有Ⅲ級EMC 防護能力，取得CE 認證，所有部件都可以在G3 惡劣環(huán)境運行。所有模塊支持熱插拔、在線更換或增減I/O 模塊。

b. 多人協(xié)同技術(shù)，在線擴容與升級。 多人協(xié)同技術(shù)允許多個工程師在統(tǒng)一組態(tài)平臺同時開展組態(tài)和維護工作，保證大型系統(tǒng)組態(tài)的一致性和完整性，縮短項目實施周期。 支持在線擴容與升級，通過分域管理、協(xié)同多人組態(tài)、單點在線下載及在線發(fā)布等技術(shù)，實現(xiàn)了系統(tǒng)的無擾動在線擴容與升級。

c. 便捷的工程工具和在線下載。 可以通過Excel 導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫信息、批量修改，從而提高工程組態(tài)效率。 采用基于固定地址的內(nèi)存管理技術(shù)和對等雙組態(tài)緩沖技術(shù)，實現(xiàn)可靠的在線無擾下載［10］。

d. 開放式應(yīng)用環(huán)境與信息安全。在不同層次上可通過Excel、VBA、OPC 數(shù)據(jù)交互協(xié)議及TCP/IP 等與DCS 進行數(shù)據(jù)交互。 無縫整合PROFIBUS、FF、HART 及EPA 等國際標準現(xiàn)場總線，并在統(tǒng)一的設(shè)備管理平臺上管理多種現(xiàn)場總線設(shè)備。 控制器內(nèi)置網(wǎng)絡(luò)防火墻、協(xié)議解析并接入設(shè)備論證， 具有一定的防病毒能力， 獲得了AchillesLevel2 安全認證［11］。

4.2 ECS-700 系統(tǒng)項目實施

4.2.1 硬件配置優(yōu)化

4～20 mA 信號通道加裝輸入、輸出隔離式安全柵，RTD 加裝溫度變送型隔離式安全柵，DI/DO采用繼電器隔離。隔離式安全柵的輸入/輸出信號和電源三端口隔離，構(gòu)成完全浮空的系統(tǒng)，有效消除現(xiàn)場復(fù)雜的工頻、共模干擾等影響，提高系統(tǒng)的抗干擾性和可靠性［12］。 系統(tǒng)與操作站之間的通信通過光纖交換機隔離。

系統(tǒng)機柜的安裝選在圖2 的6#位，安裝底座獨立。 系統(tǒng)電源為中控推薦的一路市電， 一路UPS 供電，供電采用屏蔽電纜，屏蔽和UPS 在電氣側(cè)接地。 系統(tǒng)接地嚴格按中控的要求實施。 改變電纜進入室內(nèi)的位置以減少交叉干擾（圖2 虛線）。 系統(tǒng)完成接線調(diào)試后，將機柜內(nèi)的孔洞和縫隙及時封堵，原配置的散熱風(fēng)扇不送電，出風(fēng)口用膠帶封堵，只留頂部出氣口，由精密過濾器二次處理的壓縮空氣經(jīng)恒流器從機柜底部進入，實現(xiàn)機柜的微正壓密封。

4.2.2 分子篩順控程序優(yōu)化

每個吸附塔需經(jīng)歷抽空、均壓、回氧、升壓、產(chǎn)氧和清洗6 個步驟， 兩塔之間的步序又有交叉，因此一個完整的兩塔吸附流程需經(jīng)歷12 個步序， 主要由8 臺程控閥和3 臺調(diào)節(jié)閥按順控時序以不同的開關(guān)組合和調(diào)節(jié)閥設(shè)定開度實現(xiàn)。

原系統(tǒng)順控程序的啟/停、 設(shè)備啟/停組態(tài)在同一操作界面，而順控時序時間參數(shù)調(diào)整又在另一個操作界面，界面上各按鈕間的相互關(guān)系復(fù)雜且操作順序繁瑣，時間參數(shù)的調(diào)整不能明確表現(xiàn)出與順控步序間的必然聯(lián)系，給工藝操作與優(yōu)化帶來困難。

在進行原控制系統(tǒng)組態(tài)轉(zhuǎn)換時，對順控程序和操作界面進行了相應(yīng)的優(yōu)化：結(jié)合工藝系統(tǒng)的實際運行需求，梳理優(yōu)化邏輯關(guān)系，減少、合并操作界面上的按鈕，使操作界面簡潔明了，當按下時序停止按鈕后，原順控程序直接跳到第1 步并處于備用狀態(tài)，而優(yōu)化后的順控程序?qū)⒗^續(xù)順序運行到第1 步才停止，避免了原時序停止時直接跳到第1 步易使開關(guān)切換蝶閥“憋死”的情況發(fā)生。 優(yōu)化后的分子篩順控程序彈出式操作面板如圖3 所示。

圖3 優(yōu)化后的分子篩順控操作面板

5 ECS-700 系統(tǒng)投運效果

系統(tǒng)為中文界面，組態(tài)更符合國人的思維習(xí)慣。 專業(yè)技能年度測試表明，在紅磷公司運行的多型號DCS 中，達到同樣功能要求的組態(tài)，運營人員在ECS-700 系統(tǒng)需要付出的學(xué)習(xí)時間最短。

運行維護簡便。 一套DCS 完成組態(tài)并投運后，技術(shù)人員的主要日常工作是系統(tǒng)巡檢，工程師站和操作站的計算機維護，以及根據(jù)生產(chǎn)需要增加測量點的組態(tài)。 在工況環(huán)境下，部分操作站計算機運行環(huán)境惡劣，重裝操作站系統(tǒng)和恢復(fù)操作站計算機是系統(tǒng)維護人員的一大工作。 ECS-700 系統(tǒng)操作站恢復(fù)簡單，設(shè)置好IP 地址、計算機名、工作組和組態(tài)服務(wù)器地址后，操作站會自動連到組態(tài)服務(wù)器完成操作站界面數(shù)據(jù)的下載工作，而不需要對操作站進行繁瑣的配置及到工程師站上進行發(fā)布或下裝。 相比在用的部分系統(tǒng)，ECS-700 系統(tǒng)恢復(fù)一臺操作站所需的時間也是最短的，這一點深受維護人員喜愛。 修改組態(tài)或新增測量點后需下載到控制器，ECS-700 系統(tǒng)在線下載風(fēng)險相對于紅磷公司在線運行的系統(tǒng)（除DeltaV 系統(tǒng)）來說是最小的，當然對于順控和聯(lián)鎖系統(tǒng)，則需要采取相應(yīng)的措施才能下載。

ECS-700 系統(tǒng)自正式投入運行以來， 原系統(tǒng)頻繁出現(xiàn)的燒保險管、模塊損壞、測量信號受干擾以及找不到原因的順控程序異常所致的停運等問題再未出現(xiàn)過。 投運當年，在同等條件下，通過操作優(yōu)化，制氧工序出口氧氣濃度比改造前增加了3.7%，增加氨產(chǎn)量約105 t，產(chǎn)生的經(jīng)濟效益及原控制系統(tǒng)所需的維護費用就與項目的改造費用相當，即一年就收回了項目投資。 更重要的是,制氧工序長期穩(wěn)定運行，給氣化系統(tǒng)優(yōu)化操作創(chuàng)造了有利條件。

6 結(jié)束語

紅磷公司從25 年前投運第1 套Rosemount RS3DCS， 積累了多種型號DCS 的應(yīng)用與維護經(jīng)驗，對于控制系統(tǒng)的選用越加成熟和理性。 各種品牌、 型號的DCS 除具有普遍的技術(shù)特點外，還有其自身內(nèi)在的特性， 在具體應(yīng)用中則體現(xiàn)為“環(huán)境適應(yīng)性”，同一型號系統(tǒng)在不同應(yīng)用環(huán)境下會有不同的運行效果，因此在一些特定工況條件下，適合的控制系統(tǒng)選用會更加困難與曲折。 制氧工序ECS-700 系統(tǒng)的成功投運，為紅磷公司今后DCS 的升級改造、項目系統(tǒng)選用和復(fù)雜環(huán)境下的工程實施提供了參考案例。