烟气制酸自动控制系统综合改造探讨

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摘要：介绍了金川集团股份有限公司镍冶炼厂冶炼烟气制酸装置DCS控制系统存在的问题及优化改造情况。针对DCS控制系统在运行过程中存在的主控制器高负荷运行、通道卡件存在漂移、电脑主机故障频发、控制系统部分功能缺失等问题，运用仪表、电气、工艺等专业理论结合现场实际，对DCS控制系统进行整体优化，提出了更加合理、有效的控制系统改造方案，DCS控制系统运行安全、稳定，最终实现了公司数字化转型升级的目的。

关键词：烟气制酸；控制系统；优化升级

金川集团股份有限公司镍冶炼厂（以下简称镍冶炼厂）的2套冶炼烟气制酸装置硫酸产能分别为480kt/a和700kt/a，DCS控制系统的硬件均使用和利时FM系列，软件开发环境为MACSV1.1.0版本，均属于和利时公司早期产品。经过十余年的长周期不间断运行，同时伴随着现场工况的复杂性，控制系统已经达到了使用寿命的极限，故障率高，同时系统的负荷已经达到了临界值，CPU带载能力趋于下降，无法满足扩容需求，系统的运行速率缓慢，给生产操作造成了一定的困扰。DCS控制系统采用C/S冗余网络架构，由于通讯设备的性能下降，使网络经常处于单网运行，可靠性下降，同时客户端对服务器的依赖性较大，一旦服务器出现故障，系统将会瘫痪。随着集团公司数字化转型升级逐步开展实施，控制系统的通讯设施、软硬件版本已不能满足转型升级的需求，且面临着备件已停产，存在备件紧缺导致维护难度加大的问题，亟待对目前的控制系统进行优化改造。

1DCS控制系统问题分析

1.1主控制器高负荷运行

700kt/a制酸装置有3个控制站，挂载卡件共计154块，其中模拟量卡件121块，DP通讯卡件4块。正常生产的情况下，FM801主控制器负荷在13%~25%。厂家明确每对控制器挂载卡件不超过80块，主控制器负荷不超过30%，而该装置的DCS控制系统已长期处于高负荷运行状态，严重威胁到DCS控制系统的稳定运行。480kt/a制酸装置装有3个控制站，16#站挂载卡件60块，19#站挂载卡件60块，24#站挂载卡件35块，共计挂载卡件155块，其中模拟量卡件111块。FM801主控制器负荷在8%~10%。由于控制站现场环境恶劣，控制器背板氧化严重，经常在正常生产过程中出现故障，不仅影响正常生产，还会带来安全隐患。

1.2通道卡件存在漂移

通过现场实际检测，AI、RTD和AO通道卡件均有漂移，且AI通道卡件不合格率达25%，RTD通道卡件不合格率达25%，AO通道卡件不合格率达12.5%，卡件数据准确率下降，影响DCS系统的控制精度。

1.3网络设备老化

网络设备老化严重，造成网络延时过大，丢包率超过安全标准。而FM系列模块目前只接受订单式生产，后续备件价格将会非常昂贵，技术支持不能保证。

1.4电脑主机故障频发

两套制酸装置的操作系统均使用WindowsXP，而微软公司已于2014年宣布对WindowsXP操作系统停止更新及相关技术服务，目前市场主流电脑供应商也已不再生产和销售基于WindowsXP系统的计算机，如此以来，当后续操作员站、服务器、工程师站的电脑出现问题时，将无法及时更换和维修，影响生产系统的安全稳定运行。

1.5控制系统部分功能缺失

由于控制系统版本较低，部分功能缺失，中控室调度人员在填写报表时使用人工抄写的方式，大量重复劳动影响生产效率，且操作过程中容易出现人为错误，影响车间生产安全。

1.6信息孤岛严重，网络结构复杂

两套制酸装置的操作系统各自运行，由于控制系统版本不同，信息孤岛严重，且网络结构复杂，信息安全风险极高[1]。工程师站、服务器以及操作员站都未安装防毒软件进行防护，经常出现电脑中毒现象，而且网络信息的交换无任何防护措施，很容易遭遇黑客的攻击。

2解决措施

2.1硬件升级改造

硫酸风机属于制酸系统中非常重要的大型关键设备，其自动化程度高，控制联锁复杂，对仪控系统和电气设备的可靠性和稳定性要求很高，一旦仪控系统或电气设备发生故障，将导致硫酸风机跳车或发生设备安全事故，严重影响火法冶炼系统和制酸系统的正常生产。此外，由于现场仪控设备存在前期设计选型不合理、安全系数低、高负荷运行周期长等问题，逐渐对生产系统造成扰动，影响生产系统长周期安全稳定运行。对硫酸风机控制系统的硬件进行如下升级改造：1）将硫酸风机控制柜内的控制系统卡件和电气元件及柜体全部进行硬件升级并重新进行柜体成套。考虑到硫酸风机的重要性以及节省改造后风机控制系统的调试时间，升级改造后的风机控制系统仍采用AB1756系列的PLC控制系统，电气元件和空气开关采用进口电子元器件，其中控制系统的卡件升级为AB1756系列的高版本卡件，控制器由现有的1756-L61升级为1756-L72。2）对显示终端和通讯网络进行改造。将硫酸风机控制系统现有的上位显示终端由触摸屏显示改造为工控机显示，分别在风机房和硫酸中控室各增设1台工控机监控风机的运行状态。其中风机房配置的工控机为防腐型，作为风机控制系统的操作员站使用，主要负责风机开车时仪控、电气测点的现场确认和岗位人员的现场点巡检；硫酸中控室的工控机作为风机控制系统的工程师站使用，主要负责风机控制系统的组态、维护、报警和趋势查询。改造后2台工控机与硫酸风机控制系统采用以太网通讯，故在硫酸风机控制系统硬件改造时将1656-CNB通讯网卡更换为1756-ENBT通讯网卡。

2.2软件升级改造

硫酸风机控制系统的上位显示终端改造为工控机后，必须对现有硫酸风机控制系统的上位软件进行升级改造，即将控制系统上位软件由触摸屏内的ME升级改造为工控机内的SE。

2.3现场仪表设备改进

现场仪表设备存在以下问题：①检测介质腐蚀性强，前期仪表选型要求较高，后期维护工作困难较大；②仪表设备大部分安装于室外，由于长期受环境因素的影响，仪控设备老化周期缩短，导致出现测点检测波动较大、仪表设备误动作频率增高等问题；③部分红区测点前期设计时安全性考虑不全面，存在安全隐患；④由于工艺改动，部分现场仪控设备已不能完全满足生产数据与控制的需要。采取以下措施对现场仪控设备进行优化改造：1）红区测点检测优化控制。针对干吸工序循环槽液位测量受测点故障影响较大的问题，对循环槽液位增加双测点联锁，由2个不同测量原理的液位计进行液位检测，当双测点同时满足联锁条件时，联锁动作，保证液位与泵联锁动作的准确性和安全性。2）重要测点监测优化。增加转化工序冷激线阀门反馈装置，避免阀门动作时不可检测而导致的生产非计划停工事故。3）二氧化硫分析仪预处理装置优化改进。对取样管路的敷设线路进行优化，缩短取样管路的长度，降低取样管路堵塞的故障率。对预处理装置进行清理和改进，增加多个气体净化装置，提高气体中杂质的过滤效率和装置的预处理能力。4）加装信号隔离装置防止电气设备被击穿烧损。2019年11月，700kt/a制酸装置的硫酸干吸泵发生故障，强电流串入温度测量信号电缆导致11块I/O卡件、交换机、继电器等设备被击穿烧损。为防止类似事故再次发生，将安装在电气设备上的仪表、电气信号接入控制系统时加装信号隔离装置。5）余热锅炉以硬接线方式进入DCS控制系统，不建议采用第三方通讯，应预留余热锅炉I/O点数。

3实施效果

镍冶炼厂首先对700kt/a制酸装置DCS控制系统进行了优化改进，硬件和软件条件都得到了提升，其结构示意见图1。改造后的DCS控制系统已稳定运行近7个月，从根本上解决了700kt/a制酸装置DCS控制系统频繁死机、卡件故障等问题，确保DCS控制系统保持长期稳定运行。各制酸系统能够保持相对独立，互不影响，有利于制酸系统的维护、检修及问题处理，有利于制酸系统与冶炼系统匹配化生产。技术改造后通过OPC技术接入集团公司烟气制酸网络后非常稳定，为公司提供了可靠数据。

4结语

镍冶炼厂对700kt/a制酸装置的DCS控制系统进行技术革新后，运行更加安全、稳定，不但在一定程度上提高了作业率，节约了成本，更为重要的是解决了生产系统对安全、环保和自动化控制的迫切需求。通过完善和优化联锁控制，制酸系统的自动化控制水平明显提高，降低了岗位劳动强度，节约了劳动力成本，同时能够避免冒酸和二氧化硫超标排放带来的环保压力和经济损失，社会效益和经济效益显著。

参考文献：

[1]王志翔.硫酸生产加工与设备安装新工艺新技术及生产过程分析质量检测新标准实用手册第2卷[M].长春:吉林音像出版社,2005:8.

作者：刘欢 刘昌麟 柴瑾瑜 迟栈洋 单位：金川集团股份有限公司镍冶炼厂