DCS系统在硫酸工序中稳定性提升的研究及应用

DCS系统在硫酸工序中稳定性提升的研究及应用闫淑娟赵小鸽孔进（河南济源河南豫光锌业有限公司459000）摘要：本文主要阐述了某冶炼企业硫酸工序DCS系统在使用过程中频发通讯故障，以及引发通讯故障的原因，针对故障原因，分析了该系统在稳定性提升方面遇到的难题，依据故障原因和稳定性提升难题，提出了该系统稳定性提升的解决方案，以提升方案为前提，进行硬件提升，网络优化，最终完成硫酸工序DCS控制系统提升改造工作，有效降低系统故障率，提高硫酸工序DCS系统的安全性。关键词：通讯故障DCS系统网络架构稳定性提升[作者简介]:闫淑娟，1983年07月生，女，河南省济源市五龙口镇莲东村，河南豫光锌业有限公司,邮编：459000,电话电子邮件：86814866@,稿件字数:3134字,职称：工程师,主要研究方向：仪器仪表、自动化控制。[作者简介]:赵小鸽，1982年10月生，女，河南省济源市五龙口镇莲东村，河南豫光锌业有限公司,邮编：459000,电话电子邮件：23967051@,稿件字数:3134字,职称：助理工程师,主要研究方向：设备、工艺管理。[作者简介]:孔进，1988年10月生，女，河南省济源市五龙口镇莲东村，河南豫光锌业有限公司,邮编：459000,电话电子邮件：157453986@,稿件字数:3134字,助理工程师,主要研究方向：仪器仪表、自动化控制。0前言锌冶炼焙烧是某电解锌生产的第一道关键工艺，原料经过焙烧炉沸腾烧成加工后，为浸出工艺提供焙砂产品。焙砂烧成过程中产生的大量SO2、SO3等有害气体，为烟气综合治理工艺——硫酸系统提供了原料。某锌冶炼焙烧、硫酸两个相互独立又相互关联的工序共用一套英国欧陆的NT6000控制系统，该系统共有硬件采集点2014点，属于大型DCS系统，控制器为T940X，安装在硫酸中控室，焙烧系统为远程工作站，焙烧和硫酸采用通讯模块进行远程数据通讯，该系统于2004年底调试结束，2005年正式投用。该系统在使用过程中，频繁出现故障。故障后，导致系统数据丢失，并使系统控制的电机和变频器突然停机，阀门反向复位动作，类似于一次突然停电事故，给硫酸自动控制及汽包、锅炉的稳定运行造成威胁，并给生产带来了极大的不安全和不稳定因素，所以此问题亟需解决。1该系统使用中存在的问题1.1历年故障情况统计 故障日期故障次数故障现象故障原因处理情况2005年7月1系统数据丢失设计不完善，CPU脱机厂家完善程序2006年9月1数据间歇通讯报警CPU冗余脱落重新调整网络结构2008年7月1系统数据丢失光纤链路器故障更换新备件2009年12月1系统数据丢失通讯模块故障更换通讯模块2010年11月1系统数据丢失CPU冗余脱落冗余重置2012年1月1系统14站数据丢失通讯模块故障更换新备件2014年8月1系统12站数据死机雷击后导致光纤链路器故障更换新备件并改造电源2015年3月3系统数据间歇通讯报警通讯模块故障更换12站通讯等模块2016年9月-10月4系统数据丢失通讯模块老化导致更换通讯模块，调整网络结构2017年2月1主控制器程序罕见丢失主控制器配供电模板不稳定重新加载程序2017年4月1主控制器故障主控制器配供电模板不稳定全部更换电源板路由上表可知，该系统使用过程中，频发各种通讯故障，并且近年来呈上升趋势。下面我们从该系统设计缺陷，备品备件停产及使用环境差等方面来分析该系统不稳定的原因。1.2故障原因分析1.2.1设计原因原因分析原设计硫酸工序、焙烧工序共用一套CPU，两个工序各放置3套控制机柜，焙烧系统作为硫酸系统的一个远程子站，系统机柜之间通讯采用Profibus总线网络和光纤链路模块来实现。同时为确保CPU和底层采集模块通讯的稳定性，采用双CPU模式，试图从底层硬件上实现通讯冗余功能。该系统控制的两套生产系统是工艺生产联系紧密但设备控制方面又相对独立，两个生产工艺主控室之间采用光纤通讯，通讯信号需要电讯号转光讯号再由光讯号转电讯号，然后再经过协议转换器转换协议，需要链路设备较多，隐患及故障点也随之增多。网络图如下：影响范围设计问题是该系统不能继续稳定使用最根本的原因，由于设计缺陷，通讯故障率增加，进一步导致系统运行稳定性差，一旦故障，影响面涉及两个工序设备操作，所以需要硫酸工序和焙烧工序同时采取安全措施，进而扩大故障影响范围，同时造成维修难度大、时间长，系统恢复运行慢。1.2.2主控制器原因由于产品升级换代的原因，该套控制系统采用的主控制器T940X已于2010年停产，主控制器相当于人的大脑，使控制系统不可或缺的主要组成部分，主控器备件无法及时购置到位，对系统的稳定和延续使用造成影响，这使该系统急需稳定性提升的又一根本原因。1.2.3使用环境因素焙烧系统的控制机柜所处环境比较差，周边高温、粉尘、震动环境问题比较突出，机柜室由于密封不严等问题得不到有效解决，使用过程中模块老化现象比较突出，模块批量出现塑料外壳脆化现象，PCB板和通讯背板之间接触不良情况时有发生，这是该系统稳定性提升的又一直接原因。2系统稳定性提升面临的难题2.1实施技术难度大该系统升级替代品不能简单插拔替代T940X，必须要重新开发底层编程和上位机，等同于重新开发控制系统，DCS系统采集点数达到2014点，属于超大型DCS系统，重建实施难度大，需要时间长。2.2改造时间节点短焙烧工序是焙砂生产的第一道工序，硫酸是大气污染环境治理的重要环节，所以对两个系统来说，停产进行长期改造的可能性不存在，要想完成系统升级工作，只能利用10天的检修期来完成。2.3综合协调难度大检修期涉及多方交叉作业，想要高效、快速完成升级改造任务，需要集中大量的人力、物力，同时需要多个单位配合协调完成，整体管控和综合协调难度较大。3系统稳定性提升方案及应用2.1稳定性提升方案2.1.1升级主控器，解决硬件难题经多方研究和测试，发现原厂家T2550CPU可以作为升级版控制器替代停产控制器T940X。从T2550的工作特性和原理可知,基本硬件构成改变为15套CPU(30块）和若干I/O采集模块组成，简化掉了通讯模块。CPU通过背板总线直接与I/O模块进行通讯，单组CPU负责采集的数据更少，数据传输和运算的速率提升了85%，由于去掉了通讯模块和采用分散式CPU模式，故障率极大降低，从根本上解决了通讯故障问题，改造前后数据流通讯模式对比如下图所示：2.1.2系统分离，根治设计缺陷结合生产工艺实际情况，避免两个工艺系统交叉影响，并且彻底解决设计缺陷，需将两套控制系统分离。由于检修期只能提供10天时间，系统升级又相当于系统重建，所以综合考虑各种因素，提出利用第一个检修期，首先将两套系统分离，硫酸系统暂用老NT6000DCS系统，先对焙烧系统进行稳定性提升改造，，当两系统分离后，硫酸和焙烧系统各自独立运行，互相不会产生影响。硫酸系统，由于采集数据量、通讯层设备及通讯距离的减少，通讯方式已发生改变，其故障量必然下降。然后利用第二个检修，对硫酸系统进行稳定性提升改造。2.1.3优化使用环境，为系统稳定运行保驾护航采取密封封堵措施，改善焙烧机柜室及机柜环境，改善机柜室散热降温设备，改善DCS系统工作环境，为系统稳定运行提供保障。2.2系统稳定性提升应用2.2.1系统硬件提升硫酸与焙烧系统分离后，利用第一个检修期，对焙烧主控制器进行升级，新增加CPU和底层通讯背板机架7套，新增T2550(CPU)14块，不兼容采集模块若干，完成系统硬件分离和重组。在硬件的基础上，重新建立7套底层数据库，重组上位机项目，利用OPC技术连接底层软件和上位机项目，完成上位机数据采集。利用第二个检修期，对硫酸系统进行稳定性提升，新增加主控制器CPU和底层通讯背板机架8套，新增T2550(CPU)16块，不兼容采集模块若干，硬件提升完成后，升级软件项目，最终建立两套独立的DCS系统，最终，在硬件和软件上，完成该套DCS系统稳定性提升改造。2.2.1网络结构优化改变网络拓扑结构，由总线型改为星型该，与传统的CPU架构相比，该系统局部的设备发生故障时，系统可立刻自动重组，实现容错的控制，对整个系统而言，影响只限于局部性。降低了DCS系统CPU级别和通讯级别的严重故障对系统数据的影响面，故障影响面由全面瘫痪向局部点故障的良好改善。改造前、后网络拓扑结构示意图2.2.2稳定性提升后优势通过系统程序编写，增强CPU防误判能力，增加CPU智能修复功能及自动追随功能，提高了系统的稳定性。提升过程中，结合使用单位技术人员多年生产、工艺控制经验，将工艺指标及人员操作特性总结固化，通过软件编程实现工艺操作模型化定制，使系统更加匹配实际工况，更符合生产需要。