杜 勇 薛軼明 謝 磊 馬 龍 宇仁茂

(中國石油蘭州石化公司電儀事業(yè)部)

橫河CS系統(tǒng)在離心機(jī)自動控制中的應(yīng)用①

杜 勇 薛軼明 謝 磊 馬 龍 宇仁茂

(中國石油蘭州石化公司電儀事業(yè)部)

通過對高密度聚乙烯裝置M-2301離心機(jī)工藝流程、設(shè)備運(yùn)行狀況進(jìn)行分析和數(shù)據(jù)采集，利用橫河CS系統(tǒng)的組態(tài)功能，實(shí)現(xiàn)M-2301離心機(jī)的轉(zhuǎn)鼓和螺旋自動啟?？刂啤櫥瑖婌F系統(tǒng)定時潤滑動作及氮?dú)獗Ｗo(hù)系統(tǒng)在線自動巡檢等功能。

控制系統(tǒng) 離心機(jī) 轉(zhuǎn)鼓 螺旋 CS系統(tǒng)

M-2301離心機(jī)是某高密度聚乙烯裝置的關(guān)鍵機(jī)組，其可靠運(yùn)行直接關(guān)系到裝置的穩(wěn)定生產(chǎn)。來自高密度聚合崗位的聚合物淤漿(SL)進(jìn)入M-2301離心機(jī)，經(jīng)過離心分離后，產(chǎn)生濕含量為25%～30%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))己烷的粉料聚乙烯濕餅，送入后系統(tǒng)進(jìn)一步加工。利用橫河CS系統(tǒng)設(shè)計自控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)M-2301離心機(jī)各部分設(shè)備的正常運(yùn)行，完成油泵、轉(zhuǎn)鼓、螺旋、扭矩、功率、進(jìn)料、差速的指示、控制、報警和聯(lián)鎖功能。

1 離心機(jī)機(jī)組工藝設(shè)備介紹

如圖1所示，將需要分離的淤漿通過進(jìn)料管進(jìn)入M-2301離心機(jī)內(nèi)，在離心力的作用下，密度大的固體粉料沉降到轉(zhuǎn)鼓壁上，輕相的澄清液(母液)流向液相排出口，經(jīng)由可調(diào)節(jié)液池深度的堰板排出離心機(jī)轉(zhuǎn)筒，進(jìn)入母液罐D(zhuǎn)-2301。沉積在轉(zhuǎn)筒壁上的固體粉料由螺旋輸送器傳送到轉(zhuǎn)鼓體的錐體端，從排料口將粉料濕餅排入Z-2302螺旋加料器中。

M-2301離心機(jī)由兩臺潤滑油泵、潤滑噴霧、氮?dú)獗Ｗo(hù)、轉(zhuǎn)鼓電機(jī)、螺旋電機(jī)及進(jìn)料控制閥等部分組成。正常的啟動順序，可以確保機(jī)組長周期運(yùn)行。啟動順序如圖1所示。

圖1 M-2301離心機(jī)啟動順序

機(jī)組自動化程度高，啟停運(yùn)行等邏輯復(fù)雜。橫河CS系統(tǒng)中，通過機(jī)組各部分的狀態(tài)指示燈，在上位實(shí)現(xiàn)一目了然的啟停操作和數(shù)據(jù)監(jiān)測。結(jié)合工藝操作人員需求，簡化操作畫面，使監(jiān)控操作簡易方便直觀。

2 系統(tǒng)供電、I/O點(diǎn)數(shù)和聯(lián)鎖配置

為提高系統(tǒng)供電的可靠性，實(shí)現(xiàn)冗余供電配置，引入電氣UPS供電和市電供電，實(shí)現(xiàn)雙電源供電。電氣UPS和市電供電引自電氣的不同兩段，在一段供電丟失時可確保系統(tǒng)供電可靠，運(yùn)行穩(wěn)定。系統(tǒng)220V(AC)用電設(shè)備供電，需在其上級對來自電氣UPS和市電供電的兩路交流電源加電源切換裝置(Power Switch)，實(shí)現(xiàn)一路輸出供電，完成電源模塊冗余供電配置。系統(tǒng)24V(DC)用電設(shè)備供電，需將來自電氣UPS和市電供電的兩路交流電源分別引入兩塊冗余220V(AC)/24V(DC)轉(zhuǎn)換電源，完成冗余供電配置。系統(tǒng)電源配置須符合HG/T 20509-2000《儀表供電設(shè)計規(guī)定》和HG/T 20513-2000《儀表系統(tǒng)接地設(shè)計規(guī)定》。電源配置如圖2所示。

圖2 離心機(jī)供電配置

離心機(jī)機(jī)組的儀表I/O點(diǎn)數(shù)(共80個)如下：

AI 9個

AO 5個

DI 44個

DO 22個

3 潤滑噴霧系統(tǒng)及其組態(tài)

轉(zhuǎn)鼓和螺旋的主軸承由一個單獨(dú)的潤滑噴霧系統(tǒng)潤滑。在橫河CS系統(tǒng)操作畫面上設(shè)定潤滑間隔時間后，潤滑油由主輔油泵驅(qū)動，通過加液裝置，由持續(xù)穩(wěn)定的壓縮空氣運(yùn)送到主軸承。潤滑油液滴由連續(xù)穩(wěn)定的壓縮空氣輸送到各個需要潤滑軸承的潤滑加油點(diǎn)，潤滑油停留在軸承的摩擦點(diǎn)，氣體自然逸走。

在橫河CS系統(tǒng)操作畫面上設(shè)定潤滑間隔為4min，每次噴霧潤滑15s。儀表空氣進(jìn)入系統(tǒng)，由控制閥調(diào)節(jié)至4.0～4.5bar(1bar=100kPa)，再經(jīng)減壓過濾器調(diào)節(jié)空氣壓力至3.9bar，配置空氣壓力開關(guān)聯(lián)鎖儀表和潤滑油壓力開關(guān)聯(lián)鎖儀表。通過壓縮空氣分配器頂部的調(diào)節(jié)螺栓，調(diào)節(jié)壓縮空氣的流量(最少的空氣流量)。整個潤滑噴霧過程，由DCS系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的時間間隔，控制噴氣電磁閥和注油電磁閥。正常運(yùn)行過程中，空氣壓力開關(guān)和潤滑油壓力開關(guān)聯(lián)鎖動作，先停止進(jìn)料，再停止轉(zhuǎn)鼓電機(jī)和螺旋電機(jī)，確保機(jī)組安全運(yùn)行。潤滑噴霧系統(tǒng)組態(tài)邏輯如圖3所示。

4 氮?dú)獗Ｗo(hù)系統(tǒng)及其組態(tài)

4.1 氮?dú)獗Ｗo(hù)系統(tǒng)控制

因進(jìn)料淤漿中含有大量己烷等危險物料，氮?dú)獗Ｗo(hù)系統(tǒng)阻止外部空氣滲透到離心機(jī)內(nèi)部,同時也防止離心機(jī)內(nèi)部己烷等危險物料“逃逸”到周圍環(huán)境中。為確保密封效果，加注的氮?dú)鈮毫Ω哂陔x心機(jī)內(nèi)部與外部環(huán)境空氣壓力。用離心機(jī)罩殼內(nèi)與氮?dú)饧幼Ⅻc(diǎn)之間的壓差來檢測密封效果，若壓差信號低于聯(lián)鎖值，系統(tǒng)故障停機(jī)。氮?dú)獗Ｗo(hù)系統(tǒng)在正常運(yùn)行時，因工藝設(shè)備環(huán)境易造成堵塞等異常情況，致使氮?dú)獗Ｗo(hù)系統(tǒng)失效。在故障狀態(tài)，若氣體逃逸、物料泄漏、氣密封失效及堵塞管線等情況出現(xiàn)，先停止進(jìn)料，再停止轉(zhuǎn)鼓電機(jī)和螺旋電機(jī)，防止任何物料泄漏“逃逸”。

圖3 潤滑噴霧系統(tǒng)邏輯

氮?dú)庀到y(tǒng)相關(guān)工藝設(shè)備和儀表的可靠穩(wěn)定運(yùn)行，對安全生產(chǎn)至關(guān)重要。在離心機(jī)和氮?dú)獗Ｗo(hù)系統(tǒng)正常運(yùn)行時，工藝設(shè)備、管線和儀表在線運(yùn)行狀況無從獲知。需通過橫河CS系統(tǒng)，在線自動對氮?dú)獗Ｗo(hù)系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)鎖儀表進(jìn)行自動回路巡檢，依據(jù)差壓儀表的檢測結(jié)果，判斷管線和儀表的運(yùn)行狀況，防止機(jī)體內(nèi)毒性物料“逃逸”到周圍環(huán)境中。依靠工藝和儀表崗位人員的每日定期巡檢，只能反映設(shè)備的外觀、潤滑及泄漏等情況，無法了解在線運(yùn)行狀況。

4.2 氮?dú)獗Ｗo(hù)系統(tǒng)在線自動巡檢組態(tài)

在轉(zhuǎn)鼓和螺旋電機(jī)運(yùn)行前，需先啟動氮?dú)獗Ｗo(hù)系統(tǒng)。工藝操作人員現(xiàn)場打開氮?dú)膺M(jìn)口球閥，DCS控制系統(tǒng)程序打開氮?dú)馊肟陔姶砰y，使氮?dú)庾⑷牍芫€。工藝操作人員現(xiàn)場調(diào)節(jié)各路注入管線控制針形閥，設(shè)置減壓器壓力為0.3bar。通過針形閥調(diào)整氮?dú)庾⑷刖€(A1、A2、A3)的氣體壓力直到差壓壓力表(M1、M2、M3)達(dá)到30～100mbar設(shè)定點(diǎn)。差壓壓力表為聯(lián)鎖儀表，若壓力絕對值低導(dǎo)致差壓壓力表低于30mbar，周圍環(huán)境的空氣就可能滲入到離心機(jī)內(nèi)，則氣密封效果就無法實(shí)現(xiàn)。壓力聯(lián)鎖儀表檢測離心機(jī)罩殼內(nèi)壓力，最大設(shè)定值為100mbar，罩殼內(nèi)壓力不得低于20mbar。DCS控制系統(tǒng)程序控制罩殼清洗“S”線電磁閥，對離心機(jī)進(jìn)行吹掃清洗操作，確保無管線堵塞等異常情況。若罩殼清洗 “S” 線流量開關(guān)在清洗期間未檢測到流量注入，系統(tǒng)故障停機(jī)。

橫河CS系統(tǒng)組態(tài)中，在離心機(jī)正常運(yùn)行1h后，氮?dú)獗Ｗo(hù)系統(tǒng)在線自動巡檢程序運(yùn)行。每隔24h，DCS控制系統(tǒng)程序關(guān)閉氮?dú)馊肟陔姶砰y，停止供氮?dú)鈺r間不大于50s。打開罩殼清洗“S”線電磁閥，對離心機(jī)進(jìn)行吹掃清洗操作，消除管線堵塞等異常情況。同時，檢測氮?dú)庾⑷刖€(A1、A2、A3)的差壓壓力表(M1、M2、M3)低聯(lián)鎖是否觸發(fā)。若注入線差壓壓力表(M1、M2、M3)低聯(lián)鎖觸發(fā)，自動巡檢邏輯檢測氮?dú)庾⑷胂到y(tǒng)運(yùn)行正常，低聯(lián)鎖信號自動控制打開氮?dú)馊肟陔姶砰y，關(guān)閉罩殼清洗“S”線電磁閥，完成自檢功能。若注入線差壓壓力表(M1、M2、M3)低聯(lián)鎖未觸發(fā)，自動巡檢邏輯檢測氮?dú)庾⑷胂到y(tǒng)運(yùn)行故障，延時50s后程序自動控制打開氮?dú)馊肟陔姶砰y，關(guān)閉罩殼清洗“S”線電磁閥，完成自檢功能。并發(fā)出故障報警，通過DCS控制系統(tǒng)上位報警畫面和報警信息提示工藝操作人員，氮?dú)獗Ｗo(hù)系統(tǒng)故障失效，需進(jìn)行故障檢查處理。

5 轉(zhuǎn)鼓和螺旋系統(tǒng)及其組態(tài)

離心機(jī)最基本的功能是連續(xù)不斷地對進(jìn)料進(jìn)行分離，實(shí)現(xiàn)“分離-排料-繼續(xù)分離-繼續(xù)排料”的自動過程。排料是通過螺旋與離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓之間的相對旋轉(zhuǎn)運(yùn)行而實(shí)現(xiàn)的，形成離心機(jī)的差速。通過調(diào)節(jié)離心機(jī)螺旋電機(jī)的速度，實(shí)現(xiàn)工藝滿意的分離效果。針對高密度聚乙烯物料性質(zhì)，差速通常控制在-65～-47r/min之間。螺旋在運(yùn)行過程中能夠“感覺”固體粉料的干度，這是通過螺旋運(yùn)行的負(fù)荷來反映的，即螺旋的扭矩。當(dāng)轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速固定時，降低螺旋的差速，可以生產(chǎn)較為干燥的固體粉料，且產(chǎn)量較多，但螺旋的扭矩較大，扭矩不小于75%時聯(lián)鎖停車。反之，增加螺旋的差速，螺旋推出的物料較潮濕，此時螺旋的扭矩較小。離心機(jī)設(shè)備在大扭矩工況下長時間生產(chǎn)運(yùn)行，對設(shè)備損傷較大，縮短了設(shè)備的檢修周期和使用壽命，增加了生產(chǎn)成本。

離心機(jī)運(yùn)行的關(guān)鍵是調(diào)節(jié)螺旋電機(jī)的轉(zhuǎn)速，工藝操作人員現(xiàn)場啟動離心機(jī)后，螺旋電機(jī)和轉(zhuǎn)鼓電機(jī)同時運(yùn)行。轉(zhuǎn)鼓電機(jī)順時針(正方向)以5r/s加速至1 550～1 650r/min，控制轉(zhuǎn)速，穩(wěn)定運(yùn)行。同時，螺旋電機(jī)先逆時針(反方向)加速到330r/min左右，清理轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁的固體粉料。螺旋電機(jī)再從逆時針減速，至順時針，再加速到設(shè)定差速控制要求，完成正常啟動過程，具備進(jìn)料條件。橫河CS系統(tǒng)中，通過自動不斷調(diào)節(jié)螺旋的差速和扭矩控制，實(shí)現(xiàn)工藝滿意的分離效果。通過組態(tài)差速和扭矩PID控制方案，實(shí)現(xiàn)對螺旋電機(jī)的控制。在機(jī)組運(yùn)行過程中，主要關(guān)注的參數(shù)是螺旋差速。當(dāng)測量的扭矩值高于控制的設(shè)定值時，控制系統(tǒng)會增加差速降低扭矩。當(dāng)測量的扭矩值低于控制的設(shè)定值時，控制系統(tǒng)會降低差速升高扭矩，從而使固體粉料的干度達(dá)到穩(wěn)定值。

6 結(jié)束語

利用橫河CS系統(tǒng)邏輯組態(tài)功能，實(shí)現(xiàn)某高密度裝置M-2301離心機(jī)的轉(zhuǎn)鼓和螺旋自動啟?？刂啤櫥瑖婌F系統(tǒng)定時潤滑動作及氮?dú)獗Ｗo(hù)系統(tǒng)在線自動巡檢等功能。確保了機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行，聯(lián)鎖動作可靠，杜絕儀表誤動作故障，提供預(yù)知檢修依據(jù)?？梢詫⒙?lián)鎖儀表在線自動巡檢功能推廣衍生，應(yīng)用于其他工藝控制過程中，對人工日常設(shè)備巡檢提供補(bǔ)充參考，為儀表的穩(wěn)定運(yùn)行和設(shè)備的預(yù)知檢修提供較好的設(shè)計思路。

Considering both features and requirements of the control system for heating medium furnace in a Yulin-based company, a communication system based on redundant S7-400H was designed. Having functions of this communication system introduced briefly and the communication mode thereof determined through comparing the performance were implemented, including the description of the hardware network structure and software communication programming between PLC and touch screen, among PLCs and those between PLC DCS. The successfully tested and application of this communication provides a reference for other similar projects in industry.

redundant S7- 400H, industrial Ethernet, heating medium furnace, heating medium system, Modbus TCP, TCP/IP

TH865

B

1000-3932(2017)08-0805-04

2017-03-20)

杜勇(1980-),高級工程師，從事自動化儀表的管理工作，740180167@qq.com。

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