WSA制酸工艺主要过程控制系统设计与开发

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WSA 制酸工艺主要过程控制系统设计与开发

曹王剑，郭跃平

（湖南株洲冶炼集团股份有限公司,湖南 株洲 412004）

摘　　要：WSA 制酸工艺中熔盐系统温度控制直接影响到SO 2→SO 3的转化率和烟气净化效果。本文在简介了WSA 制酸工艺、Delta

V 系统之后重点描述了熔盐温度、烧嘴燃烧、风机控制与系统连锁等控制流程设计、策略与实现方法以及软件设计的情况。

关键词：WSA 制酸;Delta V 系统;熔盐温度控制;烧嘴控制

中图分类号:TP29 文献标识码:B 文章编号:1003-7241(2010)03-0115-03

WSA Acid Process Control System Design and Development

CAO Wang-jian, GUO Yue-ping

( Hunan Zhuzhou Smelter Group Co., Ltd. Zhuzhou 412004 China )

Abstract: WSA acid process in molten salt system, temperature control directly affects the SO2->SO3 conversion rate and flue gas

purification effect. In this paper, WSA acid technology, Delta V system is introduced. Then molten salt temperature,burner combustion, fan control and system control process chain such as design, strategy and implementation of methods and software designs are described.

Key words: WSA acid; Delta V systems; molten salt temperature control; burner control

收稿日期：２００９－１１－１３

１　　引言

WSA 制酸工艺是先对烟气进行洗涤净化、不经干燥直接进行湿式转化,湿转化气冷凝成酸。该工艺优点是不论烟气中SO 2浓度高低都能产出质量浓度大于96%的浓硫酸,同时不使用任何化学吸附剂,不会产生任何污染环境的三废物,尾气中的SO 2浓度稳定达标。株冶在近年引进了该工艺,在生产管理过程和监控层的硬、软件采用了美国艾默生公司的Delta V 系统、FF 现场总线仪表以及Profibus-DP 总线电控设备等。

２　　Delta V 系统

Delta V 系统是基于FF 技术的现场总线控制系统,其规模可变,支持H1和HSE 现场总线标准,能与各种符合FF 协议的智能现场设备衔接;其控制网络是一个隔离的10M 以太局域网,为控制器和工作站之间提供通讯;控制器集成了许多标准化模块,如ODBC 数据库、ActiveX 显示、MFC 以及S88.01批量控制、OPC 和IEC1131-3

图形控制语言和Foundation Fieldbus 功能块等。

采用Delta V 系统构成过程控制系统具有很好的灵活性和可扩展性,其I/O 子系统除了符合H1和HSE 标准的现场总线接口卡件和传统的I/O 卡-AI 、AO 、RTD 、TC 、DI 、DO 等以外,还提供了一种串行通讯SI 接口卡。该卡支持RS232和RS422、RS485链路全双工或半双工通讯,配置了数十种通讯协议,为Delta V 系统与已有设备的互连互通、处理现场布线问题和提高系统的性价比提供了很好的解决方案。Delta V 系统对FF 总线的解决方案极其简单-系统通过FF 卡件完成对现场总线的支持,每个FF 卡件可支持两条H1总线,每条现场总线可最多支持16个FF 总线设备。总线的拓扑结构可轻松构建如总线形,菊花形,树形,环形,星形等;另外,Delta V 系统的总线卡件均可进行冗余配置,同时也提供了本安解决方案,只要采用中继器和FF 认证的安全栅即可实现FF 总线的本安设计,一条FF 总线上采用4个FF 安全栅仍可支持最多16个现场总线设备;同时,Delta V 系统还允许一条总线上的不同设备服务于不同区域棗安全区域和危险区域,设计应用非常灵活[2]。

《自动化技术与应用》２０１０年第２９卷第３期

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Delta V 系统图形化的人机操作界面,可以观察所有测点的实时测量数据及其对应关系,判断系统的当前状态是否与要求的工况相符、各测点的工作是否正常;通过系统的趋势显示窗口,可以观察任意测点的数据变化趋势;系统能自动检索接入现场总线的每台仪表,自动分配设备的地址,实现即插即用的功能,组态和调试极为简便,并可以通过诊断窗口随时了解仪表的当前状态和故障,实现在线设备的日常维护管理。

３　　WSA 熔盐温度循环控制方案设计

熔盐是热交换的载体,通过熔盐泵使熔盐流体在SO 2转化器、冷却器、加热器、热交换器之间循环,实现工艺气体与熔盐之间的热交换。熔盐系统温度控制直接影响到SO 2→SO 3的转化率和烟气的净化效果[1]。熔盐系统温度控制流程如图1所示,利用Delta V 系统控制工作室开发了以下温控模块:

T IC-10/27两个温度分程控制模块分别控制T V -10A/B 和TV-27A/B 阀门的开度,TV-10A/B 调节进入加热器内部V 段中的熔盐流量使工艺烟气预热升温,TV-27A/B 控制流过SO2转化器内Ⅱ段冷却器的熔盐流量,调节第三层催化剂入口的工艺气体温度(TIC-27)。开发分程控制回路时采用了“PID ”主模块和“SPLTR ”信号分配控制器从模块,“SPLTR ”的输出信号分两路输入A 、B 调节阀中“AO ”模块的“CAS-IN ”串级输入端。

TIC-22、TIC-35和TIC-26温控模块分别控制相应阀门的开度,调节阀TV-22、TV-10A/B 分别控制放热量Q IV 、Q V ,TV-26、TV-27A/B 、TV-35分别控制吸热量Q 1、Q Ⅱ、Q Ⅲ,只有当Q 吸(Q 1+Q Ⅱ+Q Ⅲ)=Q 放(Q IN +Q V )时,熔盐槽中TIC-22测点的温度才会达到稳定值。TV-35调节阀通过控制熔盐循环的总流量来调节SO 2转化器

图１　　温度循环控制流程图

出口工艺气体的温度(TIC-35)。TIC-22和TIC-35测点的温度能够反映出整个熔盐系统的热平衡状况,而各个熔盐温度控制回路都会影响热平衡。通过采用现场总线型变送器和调节阀,实现就地自控,并使用定位器PID 算法对阀杆定位执行内环控制,补偿了滞环,再利用外环(如温度)对调节阀执行串级调节,从而消除了阀门定位误差,实现了精确控制,使系统获得较好的热平衡[3]。

４　　烧嘴控制开发

WSA 系统启动初期或烟气中SO 2浓度很低无法靠反应热维持系统工作时,需要启动烧嘴,通过燃烧液化气来提供热量,维持系统正常工作。

烧嘴控制策略如下:燃烧空气/工艺气体的差压设定为7.5kPa,当差压值减少(增大)时,Delta V 将自动跟踪设定值,并通过Profibus-DP 总线控制ACS600变频器,使燃烧空气鼓风机转速增大(减小),使差压值回到7.5kPa 。烧嘴温度控制开发了TIC-16温控模块,调节燃烧空气流量,使烧嘴专用空气/液化气比例调节器按最佳比例自动调节空气和液化气的燃烧比,使烧嘴的温度控制在TIC-16的设定值上。烧嘴升温过程中,必须按照一条预先设定好的升温曲线升温,因此,控制策略组态采用了“SGCR ”特性化功能模块进行设定,曲线的斜率由“RAMP ”斜率变化功能模块设定。PID 组态成PI 方式,其中参数P 取0.9～1,Ｉ取18S 左右。升温初期,采用手动方式适当加快升温速度,当温度达到一定高度时,再投入自动方式。控制回路从手动到自动的无扰动切换,是通过主模块(PID)和从模块(AO)之间的反馈参数“BKCAL ”实现,这个参数有两个作用:①实现主从模块之间的通信;②实现串级初始化。TIC-16模块控制策略组态如图2。

５　　鼓风机控制与连锁控制

图２　　TIC-16模块控制策略组态

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WSA 系统三台高压鼓风机,其高压电力系统的保护采用具有Modbus 协议的RTU 微机保护装置,使Delta V 系统通过串口与高压电力系统进行通信。WSA 冷凝器出口的工艺气体温度和冷却风机鼓风流量组成串级调节回路,通过控制风机转速来调节冷却空气流量,使冷凝器出口的工艺气体温度得到有效控制。开发该控制回路,采用了“RAMP ”斜率变化、“MLTY ”乘法、“AND ”与、“OND ”延时、“OR ”或、“RS ”寄存器等功能块,组成复合流量模块来实现逻辑及控制功能。烧结机出口的烟气压力信号进入Delta V 系统,由PLC 控制鼓风机的智能液力耦合器,调节W SA 系统入口烟气鼓风机的转速,使烧结机出口烟气保持一定微负压。鼓风机本体的油压、油温、轴承和电机绕组温度以及振动值则由风机配套的Ｓ7-200PLC 进行监控,并在Delta V 系统上集中监控管理示。

６　　软件系统设计与开发

系统设计时主要从运行的可靠性、技术先进性、冗余性与系统可扩展性、现场抗干扰性、工艺适应性、工人易维护性、互联的开发性、整体经济性等诸多方面综合考虑。

系统软件设计主要内容包括四个子系统使用的统一系统主界面和全貌图;各控制子系统显示界面及互相切换、浏览数据与调阅历史记录;电气设备实时监测与多因素联锁控制、工作状态限值报警;工艺动态流程显示图、各监测参数显示画面、联锁系统控制画面;方便快捷的图画直接调用与切换;工艺关键或重要参数的实时、历史趋势分析功能;系统和设备故障、过程参数越限等条件的声光报警、报警一览表等;生产流程控制与管理用生产数据、过程参数的打印报表等功能,完成技术文档资料的输出等。

系统的管理软件采用了基于De lta V 的浏览器软件、控制工作室和配方工作室软件、诊断软件、历史趋势观测软件、历史事件记录软件、AMS 设备管理软件以及Sytech Report Manager 报表软件等。应用软件之间进行数据和信息交换以及计算机内部应用程序对现场信息的共享与交互都是通过一台OPC(OL E for Process Control)服务器实现,OPC 技术提供了客户程序与服务程序进行交互的标准,从而实现了各应用软件的集成,提高了现场总线控制系统的互操作性和适应性。

Delta V 控制系统是基于模块的控制系统,模块是

其中最小的逻辑控制实体,它包含了显示、历史趋势、报警、状态、算法和其它定义过程设备的特征。功能块是生成连续和离散算法的基本结构,而算法执行过程控制和监控操作。算法可以进行输入变换,也能组成复合功能块,实现复合算法;参数是用户定义的数据,用来执行计算和逻辑[4]。

FF 现场总线通信模型由物理层、通信层和用户应用层组成。在用户应用层采用自顶向下的方法对Delta V 进行开发,开发过程和内容如图3所示。

７　　结束语

该系统投入运行多年来,稳定可靠、反应良好,以现场为基础的Plant Web TM 框架可轻松地在了解现场设备状况,并有针对性地在主控室校对现场设备,这对工艺危险度高、设备多而分散的WSA 制酸工艺来说其优越性更加明显。

参考文献：

[1] 彭建国.WSA 制酸系统在株冶的应用及改进[J].硫酸工业,2004,(5):46-48.

[2] Jonas Berge 著,陈小枫等译,魏英民审校.过程控制现场总线-工程、运行与维护[M].北京:清华大学出版社,2003.

[3] 曹王剑等.基于MFIAS 技术的铅锌烟气综合治理管控一体化技术[A].第六届工业仪表与自动化学术会议论文集[C].上海,2005,551-552.

[4] 朱晓青,曹王剑等编著.过程检测与控制技术[M].北京:冶金工业出版社,2002.

图３　　软件系统设计层次图

作者简介：曹王剑（１９６４－），男，高级工程师，主要从事企业计量、仪器仪表、计算机系统、信息化等领域的设计与应用技术及其管理工作。