濃硫酸銷(xiāo)售裝車(chē)自動(dòng)控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

吳長(zhǎng)品 吳長(zhǎng)普

摘要：本文主要講述使用浙大中控 GCS-G3系列PLC控制系統(tǒng)對(duì)冶煉煙氣成品濃硫酸銷(xiāo)售裝車(chē)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，重點(diǎn)講述對(duì)現(xiàn)有傳統(tǒng)操作工藝進(jìn)行改造，并根據(jù)控制系統(tǒng)特點(diǎn)做硬件和軟件的組態(tài)編程和設(shè)計(jì)，通過(guò)人機(jī)界面的操作通訊實(shí)現(xiàn)控制功能。

關(guān)鍵詞：PLC控制系統(tǒng)? 冶煉煙氣成品酸裝酸? ?閥位開(kāi)度PID調(diào)節(jié)? 瞬時(shí)流量累計(jì)

Abstract：This paper mainly describes the application of GCS-G3 SERIES PLC control system in the automatic control of the sale and loading of concentrated sulphuric acid from smelter flue gas， according to the characteristics of the control system， the hardware and software configuration programming and design， through the man-machine Interface Operation Communication to achieve control functions.

Keywords：PLC control system? ? Acid charging of smelter off-gas? ?PID Control of valve opening

Instantaneous flow accumulation

1、引言

濃硫酸（98%）作為冶煉煙氣制酸工藝的成品，具有強(qiáng)腐蝕性，在裝載過(guò)程中形成酸霧對(duì)人體呼吸道具有強(qiáng)烈的刺激性，危害人員健康。酸庫(kù)是成品濃硫酸的儲(chǔ)存及裝載的尾工序，主要工作任務(wù)是將生產(chǎn)崗位產(chǎn)出的成品酸經(jīng)取樣分析合格后，裝入硫酸運(yùn)輸槽車(chē)內(nèi)進(jìn)行銷(xiāo)售。在售酸裝車(chē)過(guò)程中，操作工手動(dòng)裝酸存在實(shí)際裝酸量與酸車(chē)核載量之間計(jì)量誤差大的現(xiàn)象。當(dāng)實(shí)際裝酸量大于酸車(chē)核載量時(shí)需返回將超載部份的酸放回地下槽，需重復(fù)過(guò)磅，超載過(guò)多時(shí)曾經(jīng)出現(xiàn)冒頂情況，造成地面潑灑污染等安全環(huán)保隱患;當(dāng)實(shí)際裝酸量小于酸車(chē)核載量時(shí)，運(yùn)輸酸車(chē)空損加大，導(dǎo)致運(yùn)輸成本增加，損害客戶(hù)利益。因此，有必要對(duì)售酸工藝進(jìn)行改造，通過(guò)PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行控制邏輯的編寫(xiě)，實(shí)現(xiàn)裝酸的自動(dòng)控制。

GCS-G3又稱(chēng)分布式RTU控制系統(tǒng)，主要面向面向分布式遠(yuǎn)程裝置，即點(diǎn)數(shù)規(guī)模小于100點(diǎn)的控制對(duì)象，具有網(wǎng)絡(luò)特性強(qiáng)大、安裝結(jié)構(gòu)靈活、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特征。此外，該系列產(chǎn)品還具有優(yōu)先級(jí)功能的分時(shí)多任務(wù)控制策略，可以實(shí)現(xiàn)5ms完成重要設(shè)備的聯(lián)鎖響應(yīng)，并能適用于有防腐和寬溫要求的應(yīng)用場(chǎng)合，在-40℃～75℃的環(huán)境中仍能正常運(yùn)行。

2、系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

GCS-G3控制系列產(chǎn)品作為一套面向設(shè)備的分布式控制產(chǎn)品，模塊高度集成了控制、通信和數(shù)據(jù)采集功能，為用戶(hù)提供一個(gè)一體化就地的控制方案;同時(shí)其強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能和快速的數(shù)據(jù)采集能力，也為用戶(hù)提供了網(wǎng)絡(luò)化的數(shù)據(jù)采集方案。GCS-G3控制系列產(chǎn)品可廣泛用于石化行業(yè)的油氣傳輸、罐區(qū)監(jiān)控工程，節(jié)能減排工程，環(huán)境監(jiān)測(cè)、水處理工程，能源計(jì)量管理工程以及新能源如風(fēng)力發(fā)電等測(cè)控點(diǎn)數(shù)分布較廣的領(lǐng)域。GCS-G3控制系列產(chǎn)品針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)嚴(yán)酷環(huán)境進(jìn)行了專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)，能夠運(yùn)行在更為寬廣的溫度范圍，并符合ANSI/ISA標(biāo)準(zhǔn)G3、IEC和EMC標(biāo)準(zhǔn)3A，從而使其非常適合腐蝕性或強(qiáng)電磁干擾的極端現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境。作為集成WebField GCS控制平臺(tái)的一部分，GCS-G3控制系列產(chǎn)品與GCS-G5控制系列產(chǎn)品使用相同的編程軟件、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和信息功能，從而有助于節(jié)省集成成本。GCS-G3控制系列產(chǎn)品采用柔性以太網(wǎng)技術(shù)，能夠根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)裝置和設(shè)備的分布，靈活的變換網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可根據(jù)用戶(hù)方便性和安全性的需求構(gòu)成星形、菊花鏈、樹(shù)狀、環(huán)網(wǎng)等多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，?duì)于需要就地控制的裝置或設(shè)備，可通過(guò)G3系列一體化控制模塊實(shí)現(xiàn)就地控制、快速響應(yīng);對(duì)于需要就地監(jiān)視的裝置或設(shè)備，可通過(guò)網(wǎng)橋連接器GW313方便的連接觸摸屏、就地監(jiān)視站;對(duì)于遠(yuǎn)程相對(duì)集中的采集信號(hào)，可通過(guò)機(jī)架式 I/O接入，最低成本的實(shí)現(xiàn)快速采集。GCS-G3控制系列產(chǎn)品提供強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)診斷能力，所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)均能夠通過(guò)設(shè)備管理軟件進(jìn)行在線(xiàn)管理維護(hù)構(gòu)成可視化工廠(chǎng)，所有設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)一目了然。

冶煉煙氣成品酸裝酸自動(dòng)控制系統(tǒng)由GCS-G3控制站、操作站節(jié)點(diǎn)及系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)等構(gòu)成，整個(gè)自動(dòng)裝酸控制系統(tǒng)由1臺(tái)工程師站/操作員站及相應(yīng)的過(guò)程控制網(wǎng)絡(luò)等組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)框架見(jiàn)圖1。

工程師站/操作員站是為專(zhuān)業(yè)工程技術(shù)人員設(shè)計(jì)的，機(jī)內(nèi)裝有相應(yīng)的組態(tài)平臺(tái)和系統(tǒng)維護(hù)工具，可通過(guò)系統(tǒng)組態(tài)及編程生成適合于生產(chǎn)工藝要求的應(yīng)用系統(tǒng)，并提供給操作人員完成過(guò)程監(jiān)控管理任務(wù)的環(huán)境 ，機(jī)內(nèi)裝有經(jīng)工程師站組態(tài)、編程，編譯無(wú)誤后傳送過(guò)來(lái)的流程圖、應(yīng)用軟件等，有多窗口畫(huà)面顯示功能，十分方便地實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程信息集中顯示、集中操作和集中管理。現(xiàn)場(chǎng)控制站是系統(tǒng)直接與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備交換信息的I/O處理單元，完成整個(gè)系統(tǒng)在實(shí)時(shí)運(yùn)行過(guò)程中的信息采集、控制輸出、現(xiàn)場(chǎng)儀表24VDC電源供給等任務(wù)。

3、實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)工藝開(kāi)發(fā)與應(yīng)用改造

3.1現(xiàn)場(chǎng)工藝改造

我公司酸庫(kù)是冶煉煙氣成品濃硫酸的儲(chǔ)存及銷(xiāo)售酸車(chē)裝載的尾工序，主要由成品酸泵將濃硫酸罐進(jìn)行儲(chǔ)存，放酸裝載點(diǎn)位于儲(chǔ)酸罐下方，裝載時(shí)通過(guò)自流方式流至放酸點(diǎn)，由酸車(chē)進(jìn)入放酸點(diǎn)進(jìn)行裝載，工藝示意見(jiàn)圖2。

改造方面包括：新增一套PLC及上位機(jī)，將每個(gè)放酸點(diǎn)開(kāi)關(guān)型電動(dòng)閥后面的手動(dòng)閥更換為調(diào)節(jié)型電動(dòng)閥，并在總管加裝測(cè)溫點(diǎn)，在每個(gè)放酸點(diǎn)增加電磁流量計(jì)，在每個(gè)售酸點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)增加當(dāng)前酸車(chē)裝酸量顯示儀表，在每個(gè)售酸點(diǎn)加裝液位開(kāi)關(guān)。

改造前裝酸操作簡(jiǎn)述：酸車(chē)就位具備裝酸條件后，打開(kāi)酸罐手動(dòng)放酸閥、打開(kāi)放酸平臺(tái)對(duì)應(yīng)放酸點(diǎn)電動(dòng)開(kāi)關(guān)閥及前后手動(dòng)放酸閥，遠(yuǎn)程打開(kāi)酸罐電動(dòng)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行裝酸作業(yè)，見(jiàn)圖3。

改造后裝酸操作簡(jiǎn)述：PLC通過(guò)檢測(cè)流量計(jì)體積流量，流量計(jì)流量經(jīng)酸溫、酸濃補(bǔ)償計(jì)算后轉(zhuǎn)換成質(zhì)量，并在控制系統(tǒng)中進(jìn)行累計(jì)，控制系統(tǒng)通過(guò)對(duì)給定放酸量及累計(jì)量進(jìn)行比較，當(dāng)放酸量接近給定放酸量時(shí)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際壓力、流量，自動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)閥開(kāi)度的調(diào)整，當(dāng)自動(dòng)放酸結(jié)束后，電動(dòng)開(kāi)關(guān)閥自動(dòng)關(guān)閉，見(jiàn)圖4。

3.2儀表選型

3.2.1電動(dòng)調(diào)節(jié)閥

電動(dòng)調(diào)節(jié)閥采用對(duì)夾式襯氟蝶閥，由于該閥內(nèi)腔及蝶板均采用高壓注塑工藝襯有耐腐蝕、耐老化的氟塑料FEP（簡(jiǎn)稱(chēng)F46）或PTFE（簡(jiǎn)稱(chēng)F4），故具有可靠的耐腐蝕性和密封性。襯氟調(diào)節(jié)蝶閥能廣泛適用于化工、石油、冶金、醫(yī)藥、電力等工業(yè)部門(mén)，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中酸、堿等強(qiáng)腐蝕介質(zhì)的調(diào)節(jié)或切斷，控制精度選用1%，可精準(zhǔn)根據(jù)4-20mA給定信號(hào)控制閥位開(kāi)度，主要選型規(guī)格參數(shù)如下：

公稱(chēng)通徑：DN100

公稱(chēng)壓力：PN16

閥體材質(zhì)：WCB

連接方式：法蘭連接

3.2.2電磁流量計(jì)

采用法蘭式電磁流量計(jì)傳感器，流量計(jì)內(nèi)襯四氟，流量計(jì)精度決定著裝載精度，這里選用流量計(jì)精度為0.2%，4-20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出，220VAC電源，LCD顯示，主要選型規(guī)格參數(shù)如下：

公稱(chēng)通徑：DN100

公稱(chēng)壓力：PN16

量程：流量0-100m3/h

連接方式：法蘭連接

4、系統(tǒng)控制軟件設(shè)計(jì)和人機(jī)界面通訊

在Windows2007操作系統(tǒng)平臺(tái)下安裝GCSContrix、VxSCADA 軟件軟件包，進(jìn)入授GCSContrix對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行下位機(jī)變量及控制邏輯程序的編寫(xiě)（包括圖形化編程和SCLang語(yǔ)言編程）。通過(guò)進(jìn)入VxSCADA系統(tǒng)組態(tài)軟件完成對(duì)系統(tǒng)的組態(tài)、流程圖制作、報(bào)表制作、二次計(jì)算組態(tài)經(jīng)保存編譯后下載到控制站運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)控點(diǎn)分散的過(guò)程或設(shè)備進(jìn)行本地或遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、測(cè)量、參數(shù)調(diào)節(jié)以及各類(lèi)信號(hào)報(bào)警等各項(xiàng)功能，并為安全生產(chǎn)、調(diào)度、管理、優(yōu)化和故障診斷提供必要和完整的數(shù)據(jù)及技術(shù)支持等。

4.1人機(jī)界面操作通訊

通過(guò)工程師站/操作員站可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控操作，酸車(chē)在放酸點(diǎn)就緒后，操作人員根據(jù)酸車(chē)駕駛員需要的裝載量輸入系統(tǒng)，控制系統(tǒng)通過(guò)裝載量打開(kāi)電動(dòng)閥及電動(dòng)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行放酸，當(dāng)達(dá)到裝載量后自動(dòng)關(guān)閉閥門(mén)停止放酸作業(yè)。也可以結(jié)合操作人員的實(shí)際操作情況，可選擇手動(dòng)控制和自動(dòng)控制模式對(duì)裝酸進(jìn)行控制，人機(jī)界面見(jiàn)圖5。

4.2? 控制系統(tǒng)對(duì)酸車(chē)裝載控制程序的軟件設(shè)計(jì)

4.2.1酸車(chē)定量（質(zhì)量）自動(dòng)放酸

PLC檢測(cè)流量計(jì)體積流量，流量計(jì)流量經(jīng)酸溫、酸濃補(bǔ)償計(jì)算后轉(zhuǎn)換成質(zhì)量，并在系統(tǒng)中進(jìn)行累計(jì)，酸裝載量與給定裝載量的比較及流量的大小反饋給調(diào)節(jié)閥，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度的PID 算法控制，當(dāng)裝載量達(dá)到給定裝載量（質(zhì)量）時(shí)，電動(dòng)開(kāi)關(guān)閥關(guān)閉，調(diào)節(jié)閥開(kāi)度輸出為零，程序見(jiàn)圖6。

放酸量根據(jù)質(zhì)量計(jì)算公式：，式中為裝載量，為經(jīng)酸溫、酸濃補(bǔ)償計(jì)算后濃硫酸密度，為濃硫酸累積體積。

其中使用累積功能模塊ACCUM，符號(hào)：

算法說(shuō)明：

TS：該功能塊的運(yùn)行間隔，單位為 s。使用該模塊時(shí)，程序中模塊EN及ENO進(jìn)行隱藏，輸入引角IN為電磁流量積瞬時(shí)流量（因其采集信號(hào)為m3/h，應(yīng)用進(jìn)模塊前需要對(duì)其處理為m3/S）;引角RST與上位機(jī)累積清零控件變量關(guān)聯(lián)，用于累積的清零;OUT作為累積輸出，與補(bǔ)償后的密度進(jìn)行計(jì)算。

電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度的算法控制使用了PID功能模塊，符號(hào)：

算法說(shuō)明：

當(dāng) SWTR = ON 時(shí)，功能塊處于跟蹤模式，輸出等于跟蹤輸入值 TV。 跟蹤狀態(tài)時(shí)，輸出 MV 仍具有限幅作用，若 TV 值超出限幅范圍則被強(qiáng)制在限幅值。當(dāng) SWTR = OFF，SWAM = OFF 時(shí)，功能塊處于手動(dòng)模式，輸出跟蹤手動(dòng)值。當(dāng) SWTR = OFF，SWAM = ON，SWSV = OFF 時(shí)功能塊處于自動(dòng)模式時(shí)。由 PV 和 SV 值得到偏差，從而得到最終輸出值。當(dāng) SWTR = OFF，SWAM = ON，SWSV = ON 時(shí)功能塊處于串級(jí)模式時(shí)。由 PV 和 CSV 值得到偏差，從而得到最終輸出值。所以功能塊的模式優(yōu)先級(jí)為：跟蹤>手動(dòng)>自動(dòng)>串級(jí)。在使用該模塊時(shí)，程序中模塊EN及ENO進(jìn)行隱藏，SWTR引角與浮子液位開(kāi)關(guān)、上位機(jī)上自動(dòng)/手動(dòng)投切控件連接;TV引腳酸裝載量與給定裝載量的比較及流量大小閥位調(diào)節(jié)連接;MV輸出給電動(dòng)調(diào)節(jié)閥作為閥門(mén)的給定信號(hào)。

4.2.2酸車(chē)液位控制

放酸量給定后，PLC檢測(cè)酸車(chē)液位到達(dá)上限后，電動(dòng)開(kāi)關(guān)閥自動(dòng)關(guān)閉，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度自動(dòng)為零。確保電動(dòng)放酸閥出現(xiàn)故障時(shí)，裝酸量不超載，降低放酸閥故障時(shí)風(fēng)險(xiǎn)及安全隱患。

4.2.3故障報(bào)警

出現(xiàn)以下任一情況，觸發(fā)電鈴進(jìn)行報(bào)警提醒崗位人員檢查處置：放酸閥關(guān)到位，超過(guò)延時(shí)時(shí)間后但流量計(jì)仍有流量輸出;裝酸量達(dá)給定值后超過(guò)正常閥門(mén)關(guān)閉所需時(shí)間，流量計(jì)仍有流量輸出;無(wú)論是質(zhì)量還是液位，只要其中一個(gè)超出設(shè)定值，控制系統(tǒng)輸出報(bào)警。

4.2.4聯(lián)鎖保護(hù)

當(dāng)崗位人員通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢查，放酸管位置及酸車(chē)?yán)走_(dá)液位計(jì)擺放無(wú)誤后，將現(xiàn)場(chǎng)檢查開(kāi)關(guān)打到準(zhǔn)備就緒方可放酸;當(dāng)放酸量達(dá)到給定放酸量時(shí)或當(dāng)酸車(chē)?yán)走_(dá)液位計(jì)檢測(cè)液位大于或等于酸車(chē)高限液位時(shí)，電動(dòng)開(kāi)關(guān)閥自動(dòng)關(guān)閉，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度自動(dòng)為零。

4.2.5程序算法優(yōu)化

根據(jù)硫酸在不同溫度理論密度，構(gòu)建計(jì)量硫酸質(zhì)量溫度補(bǔ)償算法的數(shù)學(xué)模型，將檢測(cè)的酸濃從上位機(jī)輸入，將酸溫信號(hào)引入PLC，比對(duì)系統(tǒng)計(jì)量放酸質(zhì)量與實(shí)際過(guò)磅質(zhì)量，調(diào)整補(bǔ)償算法，通過(guò)控制系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)，完善修改程序算法，計(jì)量結(jié)果與過(guò)磅質(zhì)量對(duì)比驗(yàn)證，使控制系統(tǒng)計(jì)量精度達(dá)0.15%。

4.2.6手動(dòng)控制程序

在監(jiān)控畫(huà)面流程圖點(diǎn)手動(dòng)控制，在調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)控制中在MV中直接輸入閥門(mén)開(kāi)度，程序中調(diào)節(jié)閥門(mén)控直接將MV值作為控制輸出量輸出到調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)度;電動(dòng)開(kāi)關(guān)閥直接根據(jù)需要手動(dòng)選擇開(kāi)/關(guān)閥沒(méi)，從而改變裝酸的流量。

5、 結(jié)語(yǔ)

本文所介紹的自動(dòng)控制系統(tǒng)自2018年11月投用以來(lái)運(yùn)行穩(wěn)定，檢測(cè)儀表及控制儀表測(cè)量準(zhǔn)確、運(yùn)行平穩(wěn)。該系統(tǒng)的實(shí)施采用關(guān)聯(lián)現(xiàn)場(chǎng)放酸點(diǎn)酸濃、酸溫、酸壓等外在影響因數(shù)對(duì)濃硫酸密度的影響，完善程序算法在PLC內(nèi)進(jìn)行編程組態(tài)，使控制系統(tǒng)計(jì)量精度在0.15%內(nèi)。同時(shí)，電磁流量計(jì)的累計(jì)及電動(dòng)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)控制回路的PID參數(shù)的設(shè)定也是至關(guān)重要，找到最佳的參數(shù)設(shè)定值是濃硫酸銷(xiāo)售裝車(chē)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的關(guān)鍵。

參考文獻(xiàn)

[1]SUPCON GCSContrix系統(tǒng)使用手冊(cè)

[2]SUPCONVxSCADA系統(tǒng)使用手冊(cè)

[3]歷玉鳴.化工儀表及自動(dòng)化.第三版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1997

[4]鄭鳳翼，鄭丹丹.PLC 控制系統(tǒng)梯形圖和語(yǔ)句表.人民郵電出版社，2006

作者簡(jiǎn)介：

吳長(zhǎng)品 （1982-10）男? 漢族 籍貫：云南省昭通市鎮(zhèn)雄縣 省市：云南省楚雄彝族自治州 研究方向：儀表控制? 單位名稱(chēng)：楚雄滇中有色金屬有限責(zé)任公司。

吳長(zhǎng)普（1989-05）男? 漢族 籍貫：云南省昭通市鎮(zhèn)雄縣 省市：云南省楚雄彝族自治州 研究方向：儀表控制? 單位名稱(chēng)：楚雄滇中有色金屬有限責(zé)任公司。