濃硫酸銷售裝車自動控制系統開發與應用

吳長品 吳長普

摘要：本文主要講述使用浙大中控 GCS-G3系列PLC控制系統對冶煉煙氣成品濃硫酸銷售裝車實現自動控制，重點講述對現有傳統操作工藝進行改造，并根據控制系統特點做硬件和軟件的組態編程和設計，通過人機界面的操作通訊實現控制功能。

關鍵詞：PLC控制系統? 冶煉煙氣成品酸裝酸? ?閥位開度PID調節? 瞬時流量累計

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，具有強腐蝕性，在裝載過程中形成酸霧對人體呼吸道具有強烈的刺激性，危害人員健康。酸庫是成品濃硫酸的儲存及裝載的尾工序，主要工作任務是將生產崗位產出的成品酸經取樣分析合格后，裝入硫酸運輸槽車內進行銷售。在售酸裝車過程中，操作工手動裝酸存在實際裝酸量與酸車核載量之間計量誤差大的現象。當實際裝酸量大于酸車核載量時需返回將超載部份的酸放回地下槽，需重復過磅，超載過多時曾經出現冒頂情況，造成地面潑灑污染等安全環保隱患;當實際裝酸量小于酸車核載量時，運輸酸車空損加大，導致運輸成本增加，損害客戶利益。因此，有必要對售酸工藝進行改造，通過PLC控制系統進行控制邏輯的編寫，實現裝酸的自動控制。

GCS-G3又稱分布式RTU控制系統，主要面向面向分布式遠程裝置，即點數規模小于100點的控制對象，具有網絡特性強大、安裝結構靈活、環境適應性強等特征。此外，該系列產品還具有優先級功能的分時多任務控制策略，可以實現5ms完成重要設備的聯鎖響應，并能適用于有防腐和寬溫要求的應用場合，在-40℃～75℃的環境中仍能正常運行。

2、系統硬件結構

GCS-G3控制系列產品作為一套面向設備的分布式控制產品，模塊高度集成了控制、通信和數據采集功能，為用戶提供一個一體化就地的控制方案;同時其強大的網絡功能和快速的數據采集能力，也為用戶提供了網絡化的數據采集方案。GCS-G3控制系列產品可廣泛用于石化行業的油氣傳輸、罐區監控工程，節能減排工程，環境監測、水處理工程，能源計量管理工程以及新能源如風力發電等測控點數分布較廣的領域。GCS-G3控制系列產品針對現場嚴酷環境進行了專門設計，能夠運行在更為寬廣的溫度范圍，并符合ANSI/ISA標準G3、IEC和EMC標準3A，從而使其非常適合腐蝕性或強電磁干擾的極端現場環境。作為集成WebField GCS控制平臺的一部分，GCS-G3控制系列產品與GCS-G5控制系列產品使用相同的編程軟件、網絡協議和信息功能，從而有助于節省集成成本。GCS-G3控制系列產品采用柔性以太網技術，能夠根據現場裝置和設備的分布，靈活的變換網絡拓撲結構，可根據用戶方便性和安全性的需求構成星形、菊花鏈、樹狀、環網等多種網絡拓撲，對于需要就地控制的裝置或設備，可通過G3系列一體化控制模塊實現就地控制、快速響應;對于需要就地監視的裝置或設備，可通過網橋連接器GW313方便的連接觸摸屏、就地監視站;對于遠程相對集中的采集信號，可通過機架式 I/O接入，最低成本的實現快速采集。GCS-G3控制系列產品提供強大的網絡診斷能力，所有網絡節點均能夠通過設備管理軟件進行在線管理維護構成可視化工廠，所有設備的運行狀態一目了然。

冶煉煙氣成品酸裝酸自動控制系統由GCS-G3控制站、操作站節點及系統網絡等構成，整個自動裝酸控制系統由1臺工程師站/操作員站及相應的過程控制網絡等組成，系統結構網絡框架見圖1。

工程師站/操作員站是為專業工程技術人員設計的，機內裝有相應的組態平臺和系統維護工具，可通過系統組態及編程生成適合于生產工藝要求的應用系統，并提供給操作人員完成過程監控管理任務的環境 ，機內裝有經工程師站組態、編程，編譯無誤后傳送過來的流程圖、應用軟件等，有多窗口畫面顯示功能，十分方便地實現生產過程信息集中顯示、集中操作和集中管理?，F場控制站是系統直接與現場設備交換信息的I/O處理單元，完成整個系統在實時運行過程中的信息采集、控制輸出、現場儀表24VDC電源供給等任務。

3、實施現場工藝開發與應用改造

3.1現場工藝改造

我公司酸庫是冶煉煙氣成品濃硫酸的儲存及銷售酸車裝載的尾工序，主要由成品酸泵將濃硫酸罐進行儲存，放酸裝載點位于儲酸罐下方，裝載時通過自流方式流至放酸點，由酸車進入放酸點進行裝載，工藝示意見圖2。

改造方面包括：新增一套PLC及上位機，將每個放酸點開關型電動閥后面的手動閥更換為調節型電動閥，并在總管加裝測溫點，在每個放酸點增加電磁流量計，在每個售酸點現場增加當前酸車裝酸量顯示儀表，在每個售酸點加裝液位開關。

改造前裝酸操作簡述：酸車就位具備裝酸條件后，打開酸罐手動放酸閥、打開放酸平臺對應放酸點電動開關閥及前后手動放酸閥，遠程打開酸罐電動調節閥進行裝酸作業，見圖3。

改造后裝酸操作簡述：PLC通過檢測流量計體積流量，流量計流量經酸溫、酸濃補償計算后轉換成質量，并在控制系統中進行累計，控制系統通過對給定放酸量及累計量進行比較，當放酸量接近給定放酸量時，通過現場實際壓力、流量，自動進行調節閥開度的調整，當自動放酸結束后，電動開關閥自動關閉，見圖4。

3.2儀表選型

3.2.1電動調節閥

電動調節閥采用對夾式襯氟蝶閥，由于該閥內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（簡稱F46）或PTFE（簡稱F4），故具有可靠的耐腐蝕性和密封性。襯氟調節蝶閥能廣泛適用于化工、石油、冶金、醫藥、電力等工業部門，實現對生產過程中酸、堿等強腐蝕介質的調節或切斷，控制精度選用1%，可精準根據4-20mA給定信號控制閥位開度，主要選型規格參數如下：

公稱通徑：DN100

公稱壓力：PN16

閥體材質：WCB

連接方式：法蘭連接

3.2.2電磁流量計

采用法蘭式電磁流量計傳感器，流量計內襯四氟，流量計精度決定著裝載精度，這里選用流量計精度為0.2%，4-20mA標準信號輸出，220VAC電源，LCD顯示，主要選型規格參數如下：

公稱通徑：DN100

公稱壓力：PN16

量程：流量0-100m3/h

連接方式：法蘭連接

4、系統控制軟件設計和人機界面通訊

在Windows2007操作系統平臺下安裝GCSContrix、VxSCADA 軟件軟件包，進入授GCSContrix對系統進行下位機變量及控制邏輯程序的編寫（包括圖形化編程和SCLang語言編程）。通過進入VxSCADA系統組態軟件完成對系統的組態、流程圖制作、報表制作、二次計算組態經保存編譯后下載到控制站運行，實現對測控點分散的過程或設備進行本地或遠程監視和控制，實現數據采集、設備控制、測量、參數調節以及各類信號報警等各項功能，并為安全生產、調度、管理、優化和故障診斷提供必要和完整的數據及技術支持等。

4.1人機界面操作通訊

通過工程師站/操作員站可以對系統進行實時的監控操作，酸車在放酸點就緒后，操作人員根據酸車駕駛員需要的裝載量輸入系統，控制系統通過裝載量打開電動閥及電動調節閥進行放酸，當達到裝載量后自動關閉閥門停止放酸作業。也可以結合操作人員的實際操作情況，可選擇手動控制和自動控制模式對裝酸進行控制，人機界面見圖5。

4.2? 控制系統對酸車裝載控制程序的軟件設計

4.2.1酸車定量（質量）自動放酸

PLC檢測流量計體積流量，流量計流量經酸溫、酸濃補償計算后轉換成質量，并在系統中進行累計，酸裝載量與給定裝載量的比較及流量的大小反饋給調節閥，實現電動調節閥開度的PID 算法控制，當裝載量達到給定裝載量（質量）時，電動開關閥關閉，調節閥開度輸出為零，程序見圖6。

放酸量根據質量計算公式：，式中為裝載量，為經酸溫、酸濃補償計算后濃硫酸密度，為濃硫酸累積體積。

其中使用累積功能模塊ACCUM，符號：

算法說明：

TS：該功能塊的運行間隔，單位為 s。使用該模塊時，程序中模塊EN及ENO進行隱藏，輸入引角IN為電磁流量積瞬時流量（因其采集信號為m3/h，應用進模塊前需要對其處理為m3/S）;引角RST與上位機累積清零控件變量關聯，用于累積的清零;OUT作為累積輸出，與補償后的密度進行計算。

電動調節閥開度的算法控制使用了PID功能模塊，符號：

算法說明：

當 SWTR = ON 時，功能塊處于跟蹤模式，輸出等于跟蹤輸入值 TV。 跟蹤狀態時，輸出 MV 仍具有限幅作用，若 TV 值超出限幅范圍則被強制在限幅值。當 SWTR = OFF，SWAM = OFF 時，功能塊處于手動模式，輸出跟蹤手動值。當 SWTR = OFF，SWAM = ON，SWSV = OFF 時功能塊處于自動模式時。由 PV 和 SV 值得到偏差，從而得到最終輸出值。當 SWTR = OFF，SWAM = ON，SWSV = ON 時功能塊處于串級模式時。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先級為：跟蹤>手動>自動>串級。在使用該模塊時，程序中模塊EN及ENO進行隱藏，SWTR引角與浮子液位開關、上位機上自動/手動投切控件連接;TV引腳酸裝載量與給定裝載量的比較及流量大小閥位調節連接;MV輸出給電動調節閥作為閥門的給定信號。

4.2.2酸車液位控制

放酸量給定后，PLC檢測酸車液位到達上限后，電動開關閥自動關閉，電動調節閥開度自動為零。確保電動放酸閥出現故障時，裝酸量不超載，降低放酸閥故障時風險及安全隱患。

4.2.3故障報警

出現以下任一情況，觸發電鈴進行報警提醒崗位人員檢查處置：放酸閥關到位，超過延時時間后但流量計仍有流量輸出;裝酸量達給定值后超過正常閥門關閉所需時間，流量計仍有流量輸出;無論是質量還是液位，只要其中一個超出設定值，控制系統輸出報警。

4.2.4聯鎖保護

當崗位人員通過現場檢查，放酸管位置及酸車雷達液位計擺放無誤后，將現場檢查開關打到準備就緒方可放酸;當放酸量達到給定放酸量時或當酸車雷達液位計檢測液位大于或等于酸車高限液位時，電動開關閥自動關閉，電動調節閥開度自動為零。

4.2.5程序算法優化

根據硫酸在不同溫度理論密度，構建計量硫酸質量溫度補償算法的數學模型，將檢測的酸濃從上位機輸入，將酸溫信號引入PLC，比對系統計量放酸質量與實際過磅質量，調整補償算法，通過控制系統采集的數據，完善修改程序算法，計量結果與過磅質量對比驗證，使控制系統計量精度達0.15%。

4.2.6手動控制程序

在監控畫面流程圖點手動控制，在調節閥調節控制中在MV中直接輸入閥門開度，程序中調節閥門控直接將MV值作為控制輸出量輸出到調節閥，調節閥門開度;電動開關閥直接根據需要手動選擇開/關閥沒，從而改變裝酸的流量。

5、 結語

本文所介紹的自動控制系統自2018年11月投用以來運行穩定，檢測儀表及控制儀表測量準確、運行平穩。該系統的實施采用關聯現場放酸點酸濃、酸溫、酸壓等外在影響因數對濃硫酸密度的影響，完善程序算法在PLC內進行編程組態，使控制系統計量精度在0.15%內。同時，電磁流量計的累計及電動調節閥調節控制回路的PID參數的設定也是至關重要，找到最佳的參數設定值是濃硫酸銷售裝車實現自動控制的關鍵。

參考文獻

[1]SUPCON GCSContrix系統使用手冊

[2]SUPCONVxSCADA系統使用手冊

[3]歷玉鳴.化工儀表及自動化.第三版.北京：化學工業出版社，1997

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

作者簡介：

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

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