摘要： 介绍了杭州电化集团有限公司引进的离子膜碱装置采用国产DCS系统的原由，系统的结构及特点。并详细论述了ECS-100 DCS在装置的特殊控制、顺序控制、联锁等方面的应用情况。
关键词： ECS-100 DCS系统；离子膜碱装置；复杂控制回路；顺控；逻辑；联锁
1 项目背景
我公司于九十年代初全套引进意大利DENORA公司的2万吨/年的离子膜装置及技术，其控制系统亦配套引进，用的是西门子公司的PSS（process supervision system）系统，即由二套均带多个扩展箱的西门子SIMATIC S5 135U PLC、几十套SIPART DR22 调节器、记录仪及COROS LS-B操作站组成，投资较大。COROS操作站的监控平台、上下位机的通讯等采用的是世界上较少采用的flex.os系统，界面全英文，整个系统
为了进一步扩大生产规模，增强市场竞争力，2001年公司又引进了伍迪公司（UH DENORA）2万吨/年的离子膜装置，该工程是国家经贸委重点双加项目。鉴于原控制系统存在的各种问题，公司打算把二个2万吨/年装置的控制引入同一套DCS系统，这样整个系统规模就比较大，有1500多个I/O点，模拟量控制回路80多个，其中包括30多个复杂控制回路，并有5个较大规模的复杂逻辑控制程序及安全连锁控制系统。
由于离子膜碱生产工艺较复杂，且离子膜价格昂贵，安全连锁控制要求高而且多，当时外方提出二套2万吨/年离子膜装置的控制系统必须与工艺装置全部配套引进，并选用了CENTUM CS-3000 DCS系统，报价很高。我公司经多方了解调研，并根据原装置的控制经验，认为浙大中控的Webfield ECS－100 DCS系统能达到离子膜制碱生产工艺的要求。ECS－100现场控制系统具有开放的数据库接口、基于SBUS现场总线的分布式系统结构、负荷控制和故障检测功能的高速冗余过程控制网络、多层次的系统冗余、规模灵活可变（I/O可达8000点）任意扩展、严格EMC（电磁兼容性）指标的测试符合国际规范、支持Windows安全管理机制和多元化的智能安全技术等特点。且其硬件生产的严格生产工艺、元器件的严格筛选、先进的冗余技术、高精度的A/D采样技术和信号点点隔离技术、优越的实时仿真功能、集成性能及功能强大的软件支持（C语言编程、内置完全的VBA编程、图形化编程、强大的数据管理及在线组态在线调试功能、丰富的图像专家等等），使系统的安全可靠性、控制操作功能能符合外方装置的技术要求，且性价比高，价格仅为CENTUM CS-3000的几分之一，可以为国家为企业节约大量的外汇。同时自行配套DCS，今后的调试、运行管理都较由外方配套引进方便得多。为此，我公司向国家经贸委汇报并要求DCS不由外方配套，由中方自行招标确定。国家经贸委同意并在Internet网上发布招标通知，公开在国际国内招标，有多家国际国内的DCS厂商投标。国家经贸委组织了专家组论证，最后确定浙大中控的WebField ECS－100 DCS中标。
尽管当时氯碱行业的行情信息是：全国所有引进的离子膜装置的控制系统几乎全采用进口的DCS或PLC， 但从我公司离子膜装置的ECS－100 DCS自2001年10月成功投运以来的安全稳定运行及高精度的控制、连锁功能来看，国产的DCS完全能胜任引进装置的严格要求。
2 工艺对控制系统的特殊要求
2.1 控制系统规模大
本系统分别控制二个2万吨/年离子膜碱装置的盐水一次精制过滤、盐水二次精制（螯合树脂塔离子交换）、入槽盐水处理、电解槽、阴极液处理、盐水脱氯、氯酸盐分解、氯气氢气与隔膜槽系统（6万吨/年隔膜碱）并网、公用工程等工序的
2.2 对系统的控制、安全联锁的可靠性要求高
由于离子膜价格昂贵，装置对工艺控制和安全联锁的速度及可靠性要求高，一旦某些压力、流量、液位、电压负荷、PH值、泵的运行等参数之一超值必须能及时有效的停整流并启动一些泵、风机、阀门等的相应安全保护程序，而且三种电解槽的氯氢系统的压力不同，而氯氢的并网控制亦由该系统完成，故要求系统有多层次的冗余功能和快速响应功能，运行绝对安全可靠，否则不仅危及离子膜碱的安全生产，而且会殃及6万吨/a隔膜碱及至全厂的安全生产。
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装置有30多路特殊的计算、控制回路，而且许多计算参数需实际摸索、大量的数据采集分析后确定，许多特殊回路的参数可由工艺技术员根据工艺情况任意设置。如多个回路的温度及PH、氧化还原值、真空度等的ramp控制，入电解槽盐酸流量、精盐水流量和NaOH加无离子水流量等根据整流负荷计算、工艺情况优化变给定控制，极化电流、直流功耗计算累积等，故要求系统有开发高级控制算法功能强的编程工具。
2.4 系统要有较强的PLC的程控功能
二套装置中有盐水一次精制、二次精制，电槽电压监控等5个较大规模的控制程序及较复杂的安全连锁程序。为了统一监控和操作，避免异种系统通讯可能会带来不必要的麻烦而影响系统的稳定性，同时为了降低系统成本（包括异种系统之间连接的成本、人员培训，备品备件等的成本），故要求全部功能在一套DCS中实现。
2.5 抗强磁场干扰能力
由于现场条件的限制，控制室环境比较恶劣，有二个近距离的1.25万和1.58万安的大直流电，还有一个离开约5m的5.7万安大直流电流（隔膜槽）的强磁场干扰，故对控制系统的抗强磁场干扰能力、安全稳定性、可靠性、实时控制精度等要求高。
2.6 抗强共模电压干扰
电槽单元电压对于保护昂贵的离子膜是一个很关键的参数，需采集每个单元电压并参加报警、连锁。DD复极槽装置是5台串联，DN复极槽是4台串联，而每台电槽由29个电槽单元组成，正常时每个单元电压约为3.25V，这样电槽单元电压测量信号的共模输入电压最高可达500V以上。若按惯例，每个电压信号要配置一个隔离器以隔离共模干扰信号，费用相当高。我们要求信号直接接入DCS。
2.7 要求系统能按装置的物理位置来设定安全操作区域和控制功能
因二套装置的工艺不同，为安全起见，不同装置的操作人员能监视全部的工艺参数，但不能干预操作对方的装置。
3 系统介绍
3.1 控制系统结构
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点击看原图
另外还配备了二台打印机，一台作为工艺参数报表及即时报警打印用，一台作为彩色屏幕拷贝用。
3.2 典型复杂控制回路介绍
3.2.1盐水精制控制
盐水质量是离子膜法电解正常生产的关键，必须严格净化盐水，去除盐水中的细微硅化物、悬浮物、络合物及各价铁离子、钙镁离子、钡离子等等，如入槽盐水的钙镁离子必须控制在≤20ppb，PH值控制在某个定值。为此盐水需进行一次过滤和二次精制。下面以二次精制为主分别介绍。
1． 二次精制程序
二次精制是用A、B两台螯合树脂塔串联，以离子交换除去盐水中Mg2+、Ca2+ 、Ba2++等离子。自动切换程序10步，自动再生程序43步。整个程控过程包括30只ON/OFF阀及泵的程序连锁控制、加料定量定时控制、分程控制、无离子水/盐酸配比、无离子水/碱配比浓度控制等全自动顺序控制，但又可按工艺的程控要求实现手动遥控（对于误操作有连锁保护功能） 。
当A-B串联运行时，仅可对A塔再生；当B-A串联运行时，仅可对B塔再生。
树脂塔的自动再生操作面板如下图所示：
在树脂塔处于A-B串联或B-A串联时，操作员可以通过手自动选择开关，把树脂塔置为自动控制。此时，在再生自动控制面板上，程序根据当前的阀位状态给出相应的操作提示，即按钮KB1或KB2可选（相应按钮的底色变为淡兰色，只有在此时该按钮才有效）。在操作员作出相应的选择后，KB1或KB2的底色变为蓝色即投运，同时KB3按钮变为淡兰色（可选），且其上的提示变为“A塔再生（A-B串联）”或“B塔再生（B-A串联）”。操作员在根据工艺状况，选择某塔再生后，进入自动准备程序（10步）。在此过程中，如果阀门、泵等发生故障，则程序自动进行联锁处理以确保盐水通路的畅通（因电解槽严禁断盐水、碱液、无离子水等），同时给出故障提示。当准备程序结束后，程序通过再生开始按钮（KB4）的颜色变化来提示操作员可以开始再生。
再生（42步）可手动/自动，在自动再生过程中，再生程序可以被操作员终止或者因相关阀门、泵或模拟量控制回路故障自动连锁终止。此时，再生操作面板下部“再生故障提示”一栏及带控制点的动态工艺流程图中同时报警闪现故障内容，并自动进行故障安全联锁处理。当故障消除后，无论程序被终止在那一步操作员都只能从上示操作面板中提示的相应步K11～K17（该按钮变为淡蓝色）重新开始再生程序。
此外，在该工序的流程图上设置了“参数设置”按钮，点击该按钮弹出一参数表，工艺技术员可根据工艺情况修改程序中各步的时间、流量、配比比率等计算参数。
树脂塔的自动切换和自动再生程序由图形化语言
2． 盐水一次过滤采用德国舒马赫公司的两台并行过滤器，过滤程序也较复杂，涉及大量的开关阀及泵的控制、互锁及进各过滤器盐水调节阀的流量和液位自动设定切换。反洗准备程序有10步，反洗程序61步，可以手/自动选择控制。因篇幅关系，在此不作详细描述。下面给出我们在CRT上做的过滤器的手动和自动操作面板。（说明：因该装置国外引进，工艺开车时由外方专家主持，故CRT上界面做成可中/英文切换
3.2.2 电解槽电压监控程序
电解工序共有9台电解槽，Ⅰ期5台串联，Ⅱ期4台串联，分别由12.5KA和15.8KA二套整流装置供电，每台电解槽均由29个单元槽组成。离子膜制碱装置的电槽运行是否良好、安全，可以通过电解槽电压监控程序得到反映。为此系统须分别对二套装置的单元槽电压全程监控，当任一单元电压≥4V时，触发停整流联锁，同时每台电解槽有独立的电压监控程序，该程序对实测的电槽电压根据当前的整流负荷和阴极液温度进行补偿计算后，与理论电压比较，当其偏差超出某一值后，进行报警处理。工艺人员可以根据电槽的实际情况，调整参数Ko，Dvo以及偏差报警限DVst – DVth。
电压监控程序框图如下：
3.2.3 联锁控制
在离子膜制碱工艺中有较多的联锁控制，如在整流、压力、液位、温度、流量、PH、REDOX、泵、风机、调节阀、ON/OFF阀之间有许多复杂的安全联锁。这里举例介绍紧急停整流联锁和氢气切断阀紧急开关联锁。
1． 紧急停整流和整流停的联锁
紧急停整流和整流停的联锁在离子膜制碱生产中很重要，它同时与多种工艺状况相关联。且工艺有时需根据实际工况切除某些自动联锁或修改某些联锁参数，为了操作方便直观，在CRT上设置了如下联锁图：
图中KLS1～KLS6为连锁切除软开关，操作工可以根据工艺需要在输入密码后进行操作，几个联锁时间亦可根据工艺实际情况在输入密码后进行修改设置。
2. 氢气切断阀紧急开关联锁
电解槽阴阳极中的H2和CL2必须保持一定的压差（H2压力-CL2压力=3000Pa），故设置了H2/CL2随动差压控制系统。但为了确保避免因各种故障紧急连锁整流shutdown时氯氢系统压力混乱而引起的危险，故设置了氢气紧急联锁切断阀。整流工作时，该阀在输入密码时可操作，当电解槽刚投运时，氢气切断阀可由操作员根据氢气纯度分析值控制打开，而当紧急事故连锁整流shutdown时，该阀立即联锁关闭。但整流停后操作员需根据工艺需要对该阀进行操作，故对该阀门设置了整流停时的联锁屏蔽功能，整流停时，操作员可根据工艺需要输入密码后把联锁屏蔽开关置OFF，此时可以对阀门进行操作。而在整流正常运行时，该联锁功能自动投运不能屏蔽。
3.2.4 ramp控制回路描述
为了使整套装置运行安全、稳定、高效，实现离子膜制碱生产的高度自动化，同时最大限度地发挥生产潜能，我们对多个温度及PH、氧化还原值、真空度等控制回路实行ramp给定控制，以下以阴极液温度控制回路为例作一简单介绍。
电解槽对阴极液的温度控制要求比较高，温度变化不能过快，为此我们使用了斜坡控制的方法，即当设定最终控制温度后，要求控制回路设定值按照某一斜坡函数变化，且最终设定点、斜率1、斜率2等可以任意设定。该回路控制原理如图：
该控制回路控制程序框图如下：
点击看原图
3.2.5 计算控制回路
入电解槽盐酸流量、精盐水流量和NaOH加无离子水流量等根据实际整流负荷计算、工艺情况优化变给定控制。现以入槽精盐水流量控制回路为例作简单介绍。
在电解槽生产过程中，入槽盐水的流量主要取决于整流电流负荷，但也受其他一些因素约束，其流量设定值的计算可以通过以下公式获得：
SP = fw ＊（F1 ＊ KA + F2）
注： SP 计算流量控制设定值
KA 实时整流负荷电流检测值
fw 修正因子， 技术人员根据工况及电槽情况可在一定数值范围
内输入的经验修正数。
F1、F2 常量；
该流量控制回路设有回路内给定、外给定开关，当切换开关置外给定时，回路的设定值由计算公式获得；当切换开关置内给定时，回路的设定值由操作员手工给定。在工艺技术员修改fw时，控制回路会自动切至“内给定”并保持其输出在此前的值，只有当输入的值在DCS默认的范围内，并经确认，此时只要实际的整流负荷 >7KA，则控制回路即可切至“外给定”。
当运行中实际的整流负荷降至 <7KA时，控制回路的输出即调节阀的开度自动地被固定在此前的值，且回路自动地由“外给定”切至“内给定”， 同时发出报警信号，操作人员可以根据实际情况进行处理。而当整流负荷升至 >7KA时，控制回路又自动切至“外给定”，并再次发出报警信号。
其他还有一些复杂控制系统，限于篇幅，在此不再一一赘
4. 结束语
ECS-100 DCS系统自2001年10月投运至今，已近四年。运行实践充分证明该系统可靠性高、功能强、操作简单。该系统投运后，确保了生产的常周期、高负荷稳定运行，提高了生产管理水平，同时大大减少了维护工作量及维护费用，取得了明显的经济效益。
作者简介：朱锦生 女 自控教授级高工 注册ASE 杭州电化集团有限公司自控主任工程师
