PDF《基于 MFIAS 技术的铅锌烟气综合治理管控一体化技术》

1 基于MFIAS技术的铅锌烟气综合治理管控一体化技术 曹王剑 刘艾琼 齐强

1 李学军 阳小燕 张美阳

2 毛鹏飞

3 (湖南株冶火炬金属股份有限公司

1 ,株洲 412004;

湖南科技大学机电学院

2 ,湘潭 411201) (湘潭市仪器仪表成套制造公司

3 ,湘潭 411104) 摘要本结合铅、锌冶炼烟气综合治理项目阐述了系统设计思路、系统配置与控制功能分配、生产调度过 程模型、现场检测与控制概况等.

关键词 现场总线 MFIAS 管控一体化 烟气治理 工业以太网

0 引言 MFIAS是基于多现场总线及互联网的综合自动化控制系统,是我国 十五 期间批准立 项的工业过程自动化高技术产业化重大专项.湖南株洲冶炼集团是我国大型铅锌冶炼生产与 出口基地,锌沸腾炉产生的SO2烟气(浓度6%)送株化集团制酸,铅的生产则采用铅烧结―鼓 风炉熔炼―电解精炼工艺,产生的低浓度烟气(含SO2~2%)过去未得到有效治理.因此,株 冶新建了WSA湿法制酸系统,为了维持制酸系统自身的热平衡,需要调配适量的锌烟气进行 配比,以使SO2浓度保持在2.5%左右,因此需要根据铅、锌生产的要求实现生产控制与管理. 株冶铅、锌生产与烟气治理包括铅配料、铅烧结、锌配料、锌焙烧、烟气输送、铅锌烟 气配比、动力波烟气净化、WSA湿法制酸、烟气外供等5个工序4大控制区域,涉及的生产流 程复杂、地域分布广、控制工序分散、监控点多、设备装备水平不一致.既有国际先进水平 的WSA制酸与动力波净化系统,也有传统的烧结、焙烧以及供风、烟气处理系统;

既有先进 的现场总线控制系统(FCS) ,也有传统的模拟控制.因此铅、锌生产与烟气综合治理存在较 多的测控难点问题.

1 基于多现场总线的控制系统总体设计 1.1 应考虑的主要问题 在已确定测控点和控制要求的前提下,选择综合性价比高、适于对象过程控制与设备管 理的系统,要考虑的因素有――系统规模、设备投资和运行维护费用、所适用的控制对象类 型、可挂接设备的种类、布线方式、各种控制的对象等.结合烟气综合治理工况与要求,基 于多现场总线的控制系统总体设计关键在于:现场总线选择及布线实现方式;

基于多现场总 线的控制系统设计;

基于多现场总线控制系统的安全联锁技术等. 计算机综合自动化系统设计时主要从运行的可靠性、技术先进性、冗余可扩展性、现场 抗干扰能力、工艺适应性、易维护性与操作性、互联的开放性、整体经济性等诸多方面综合 评价,结合株冶内部在仪、电、计算机维修方面的机构设置、人员水平、地域分布、设备类 型等状况,考虑到控制风险分散、管理信息集中的要求,设计采用了美国Emerson公司的 PlantWeb结构Delta V系统. 1.2 计算机控制网络设计 一个控制系统若只选一种现场总线,构成一个一致性良好的控制网络,将给设备信息交 换和编程工作带来诸多便利.但在一个较大型控制网络中,测控对象复杂、设备选择受多方

2 因素制约,控制对象所要求的条件也多样化,检测精度、控制方式和响应时间上的要求各有 侧重;

同时考虑到控制网络的拓扑结构、检测控制设备的分布情况和网络系统的性能价格等 多种因素,用单一的现场总线结构难以完全满足要求,也不经济.因此,株冶在过程级选用 FF 现场总线仪表;

电气设备控制总线则选用 Profibus-DP 总线,这是考虑到 Profibus-DP 总 线上可挂分散 I/O、智能电气设备和从站型 PLC,给系统的配置带来了更大的灵活性. 监控级可选的网络产品有通用工业控制以太网、高速以太网 HSE、Control-Net 网、 Profibus-FMS 网等,由于对象地域分布较广,因而选择工业控制以太网;

对Profibus-DP 总 线上 PLC 主站控制器和 FF(H1)总线上通信控制器之间的通信,则选用 Modbus(RTU),同时采 用客户机/服务器(Client/Server)模式进行网络服务和管理.在考虑与信息层进行数据交 换时,在服务器内配置了带 OPC 的控制管理软件. 上位监控与管理采用 Emerson Delta V 来实现,其总线控制器与 S7-300PLC 通过 Modbus 通信,各控制站间的通信采用工业以太网及

12 端口双速(10M/100M)光纤通信口 Hub 完成. 多种控制产品的集成是通过操作站软件、现场总线装置数据库以及相应的应用软件等来实 现,并用增强型专业工作站软件进行系统网络服务管理.这样除各子站之间实现相互的联锁 控制之外还可提供操作信息的相互浏览.由于大量采用现场总线设备,使得基础过程设备的 参数可在操作站上实现透明的 Web 浏览和互操作,同时还配有 OPC 远程服务软件实现与上层 网络的通信,向企业管理网提供过程数据与趋势的浏览服务.本项目计算机集散控制系统网 络拓扑结构如图

1 所示. 1.3 控制系统配置与功能分配 1.3.1 控制系统配置设计 从株冶生产、烟气净化和制酸过程工艺、设备及控制室的布置情况看,系统构成时需按 不同工序、集中站点考虑,即按 Web 站思路布局,系统设总监控点

1800 余个,FF 设备

190 台.硬件选用服务器

1 台、工程师站

3 台、操作站

9 台、控制器

3 台.需要控制器组态实现 的功能有数据采集与控制、顺控、调节控制等.输入/输出卡(I/O)包括 RTD 卡、TC 卡, AI/AO,H1 总线卡(一个 H1 卡可挂结

32 个现场总线型设备)和PLC 串接卡等. 1.3.2 控制功能的分配 将具有较复杂运算功能要求的模拟量监控或与工艺控制有关的状态信号由 FF(H1)总线 上的控制来实现;

对具有强联锁关系的电气设备控制,出于速度和可靠性考虑,同时也考虑 到PLC 控制软件的价格远低于 FCS 控制软件的价格,因此选择 PLC 进行控制;

对于少量分散 的不具有总线输入功能的设备,则选择第三方厂家的 FF(H1)总线接口的分散 I/O 或通过 Profibus-DP 总线上 PLC 的分散 I/O 来进行数据采集;

基于电气设备接近动力电源的考虑, 将PLC 的分散 I/O 从站置于现场配电间或主设备处,而将 PLC 主站置于主控室以便于通信调 试等,智能型的电气设备如智能总线型变频器等直接挂接在 Profibus-DP 总线上. 1.3.3 计算机综合自动化系统结构方案设计 铅烟气治理计算机系统设计采用了基于Windows NT的Ethernet结构,下层采用双工、全数 字化通信协议FF控制.根据工艺流程,控制地域分布设置为沸腾焙烧炉、铅配料、铅烧结及 动力波、WSA制酸等4个区域控制系统.除铅配料仅设置1个操作站外,其余3个控制子系统都 设有1个工程师站和2个操作员站.各子系统间通过Delta V系统中FF控制器节点采用通信光 缆进行冗余连接.现场检测大部分采用智能化程度高的FF总线型仪表,充分发挥了系统模块 化软件包功能丰富、适用于恶劣现场环境、抗干扰能力和系统扩展能力强、可靠性高、具备

3 4 设备故障诊断和管理能力及系统调试与维护简单方便的特点,最优地满足了工艺运行、设备 控制的高要求. 1.4 仪、电独立控制,信息共享设计 在每个区域子系统中,为实现仪、电相对独立的控制,电气控制部分选用S7-300 PLC为 主站/S7-200PLC为从站,构成一个基于Profibus DP现场总线协议的PLC控制网络.部分测点 分散的非FF现场总线仪表本着最近、最省、最优的原则进入PLC模拟I/O接口,从而降低系统 重复布线的成本.Profibus DP现场总线PLC控制网络中的S7-300主站和Delta V总线控制系统 通过各自支持的Modbus通信协议的串行接口模块,实现PLC控制网络与DeltaV控制系统的通 信,操作人员可在主控室操作站上调度电气设备的运行数据和状态信息,并可对设备进行操 作,从而构成一个计算机、仪、电一体化的计算机测控系统. 1.5 安全联锁技术 系统中各种设备启停控制、运行状态监测等由 S7-300PLC 完成,PLC 主机通过 Modbus 与FCS 系统的控制器相互交换信息.株冶的 WSA 制酸、烧结及动力波、6#沸腾炉等

4 大工艺 流程之间和各流程内部存在着复杂的保护和联锁关系.联锁控制系统以运行中各设备起着重 要影响的参数和状态信号作为关键作用点,各关键点参数状态对应控制着各工艺流程中的主 要设备.软件系统采用 Delta V 中的逻辑块和定时(计数)功能块设计联锁逻辑程序,大大提 高了联锁控制的可靠性.

2 现场检测与控制设计 2.1 沸腾炉控制系统硬件配置 本控制系统包括

5 个网络节点,设1个工程师站、2 个操作员站、l 个调度监视站和 l 个 控制器.为保证系统的安全运行,采用冗余的控制器电源和控制器.控制器执行本地控制, 管理数据,管理输入输出系统和控制网络之间的通信.控制器下挂有

5 个I/O 卡:l 个AI 卡;

3 个HI 卡;

l 个Serial 卡.3 个HI 卡下挂有

4 条现场总线,现场总线上共有

60 台现场 总线型仪表.Serial 卡下挂有

1 个PLC 主站和

8 个PLC 从站.在第

8 个PLC 从站下挂

1 台 变频器.控制器下的 Serial 卡通过 Modbus 总线与 S7-300 PLC 主站通信, 主站通过 Profibus DP 总线与其他从........