今日頭條
官方微信
官方抖音
案例頻道 杭州和利時自動化有限公司 高國光
0 引言
離子膜燒堿作為基本化工原料，廣泛應用于洗滌劑、肥皂、造紙、印染、紡織、醫藥、染料、金屬制品、基本化工及有機化工工業。離子膜燒堿裝置是氯堿行業的最主要裝置之一，它具有工藝節能環保及產品純度高的特點，其工藝過程控制較為復雜。特別是大型離子膜燒堿工程對自動化控制系統的安全性、可靠性要求很高，而且要求控制系統具有多種功能，以滿足不同的檢測和控制需求。
本文以和利時公司的MACS系統在山東某50萬t/a離子膜燒堿裝置的應用為例，來講述DCS的系統配置、網絡通信、復雜回路控制方案、順序控制等具體應用。
1. 工藝概述
該50萬t/a離子膜燒堿項目于2009年6月投產運行，總投資50億元，是目前國內最大的離子膜燒堿項目，引進了日本旭化成電解槽、德國3K公司三級氯壓機、瑞士博特公司的蒸發濃縮裝置等世界一流技術裝備。整個裝置共有十一個生產及輔助單元組成，包括：原鹽堆場、一次鹽水、二次鹽水及電解、氯氫處理、鹽酸合成、氯氣液化及包裝、蒸發、原料及成品罐區、循環水裝置、污水處理、空壓及制氮、冷凍站等。
1.1. 一次鹽水
一次鹽水的化鹽采用“預處理+膜分離”鹽水精制新工藝，該工藝最大特點就是“鈣離子、鎂離子分步去除，先除鎂離子后再除鈣離子”。除鎂離子的主要設備為預處理器，凱膜過濾器除鈣。
來自板框壓濾機的濾液，工業水，再生系統回收鹽水等均進入配水槽，部分脫氯淡鹽水進入澄清槽去除硫酸根后也進入配水槽。上述各部分水在配水槽中混合后，作為化鹽水由給料泵送入化鹽桶，溶解原鹽后得到飽和粗鹽水。粗鹽水流入前反應槽之前，在前折流槽內按工藝要求分別加入氫氧化鈉和次氯酸鈉。在前反應槽內粗鹽水中的鎂離子與氫氧化鈉反應生成氫氧化鎂，菌藻類、腐殖酸等有機物則被次氯酸鈉氧化分解成為小分子有機物，然后用加壓泵將前反應槽內的粗鹽水送出，在氣水混合器中與空氣混合后進入加壓溶氣罐再進入預處理器，并在預處理器進口加FeCl3，鹽水加壓溶氣利用浮上法除去鹽水中加堿反應生成的Mg(OH)2。FeCl3作為絮凝劑從文丘里混合器加入，使Mg(OH)2絮狀體凝聚變大進入預處理器，經減壓釋放，沉淀上浮除去。經過預處理的鹽水進入后反應槽，同時在后反應槽中加入碳酸鈉。根據鹽水中鈣離子含量，控制好反應溫度及Na2CO3和NaOH的過量值，并控制好反應時間，以利于結晶的形成與長大。鹽水中的鈣離子與碳酸鈉反應形成CaCO3作為HVM膜過濾的助濾劑。充分反應后的鹽水自流進入進液緩沖槽，同時加入亞硫酸鈉溶液除去鹽水中的游離氯，再自流進入HVM過濾器進行過濾。過濾精鹽水進入一次鹽水貯槽，過濾器截留的濾渣排入鹽泥池。渣桶中的鹽經鹽泥泵打出，送至板框壓濾機壓濾。鹽泥經壓濾洗滌除水并經壓縮空氣吹干為含液率小于50％的濾餅，被送出界區，濾液自流至濾液桶中，被濾液泵送回配水桶。
1.2. 二次精制
由一次鹽水工段送來的一次鹽水（鹽水中SS降至1ppm以下，Mg2＋＋Ｃa２＋<１ppm）用高純鹽酸調節PH值至9±0.5，經板式換熱器加熱到60±5℃，過濾鹽水用流量控制閥送到由三塔串聯設備組成的螯合樹脂塔單元，經樹脂吸附后，鈣、鎂等雜質離子被除去。由于在處理鹽水的過程中螯合樹脂吸附能力會逐步下降，所以三個樹脂塔按輪換式運行，而其中處于上游的塔可以進行周期性再生。再生用的NaOH和鹽酸濃度分別為7％、4％。精制鹽水經樹脂過濾器后，送往精制鹽水(Mg2＋＋Ｃa２＋<20ppb)高位槽D-170，供離子膜電解工序使用。
1.3. 電解及脫氯
離子膜電解制氫氧化鈉和氯氣的原理如圖1所示。離子膜總厚度：280μm，由羧酸層（40~60μm）和磺酸層組成，含有帶負電荷的固定離子（SO3－）和帶正電荷的對離子（Na+）的活性基團，有排斥外界溶液中某一離子的能力。磺酸型陽離子交換膜具有親水性能，膜會在溶液中溶漲、變松，從而形成許多微細彎曲的通道，使其活性基團中的對離子Na+可以與水溶液中的同電荷Na+進行交換。與此同時膜中的固定離子具有排斥CL－和OH－的能力。
來自D-170的精制鹽水，經流量計與循環淡鹽水混合后，送入每個單元槽的陽極室，在電槽中鹽水發生化學反應，生成氯氣。含有淡鹽水與濕氯氣兩相的流體從每個陽極室出口處溢流出來，在出口集合管處被分離成淡鹽水和產品氯。淡鹽水依靠重力流入陽極液循環罐中并加入鹽酸以使淡鹽水酸化，濕Cl2則被送往氯氣處理崗位，在離開陽極液循環罐后，鹽水分為三股：一股循環送入電槽，一股送入脫氯塔崗位，另一股送入氯酸鹽分解槽。
高純水被用來對陽極液進行稀釋，可以防止停車時形成鹽結晶，同時將陽極液濃度調節到滿足離子膜開車的要求。循環堿液通過燒堿換熱器后，經流量變送器送到各個電槽的分歧管處，被分配到每個單元槽陰極室，在電槽中鹽水發生化學反應，生成氫氣；從陰極室中溢流出的燒堿溶液與氫氣的兩相流體，經分離后，堿液依靠流入燒堿循環罐中，氫氣送往氫處理。燒堿從循環槽中出來后被分成三部分：一部分直接送往蒸發工序，另一部分經冷卻后送往界區外的成品儲罐，還有一部分與純水混合后返回電槽進行再循環。燒堿熱交換器用于加熱或冷卻循環堿，以維持電槽的操作溫度為85～90℃。通過堿液密度指示劑監控并向循環堿中添加純水控制堿液的濃度維持在最適合離子膜的濃度，即大約32wt％。
電解工序送來的淡鹽水被送到脫氯塔中，在真空狀態下，絕大多數氯氣被脫出送至氯氣總管。在脫氯塔出口，鹽水中的游離氯含量降至30ppm以下，在脫氯泵的出口加入NaOH中和至PH為11±1：中和后，Na2SO3被加入到管道中以除去殘余的游離氯，然后送往鹽水工序。為減少系統中的氯酸鹽，將一部分的循環鹽水送往氯酸鹽分解槽，在加入鹽酸與蒸汽的作用下，使其分解為氯化鈉與氯氣。
電解出來的氫氣經PV_226調節閥去氫氣洗滌塔，經洗滌塔冷卻至一定溫度后進入氫氣儲罐。氫氣再經壓縮機壓縮、氣水分離器進入氫氣后冷卻器，被冷凍水間接冷卻，然后再經水霧捕集器氫氣分配臺，供用戶使用。
電解出來的氯氣經PV_216調節閥首先進入氯氣洗滌塔，洗滌塔底部氯水由氯水泵經冷卻器冷卻后，由塔上部送入氯水洗滌塔，直接將氯氣冷卻。氯氣由洗滌塔出來進入鈦冷，用冷凍水間接冷卻至12~
來自氫氣分配臺的氫氣經緩沖罐、阻火器進入HCL合成爐；來自氯氣分配臺的氯氣經緩沖罐、阻火器后與氫氣按一定摩爾比（一般Cl2 :H2為1：1.05~1.1）進入HCL合成爐燈頭混合燃燒，此比例控制非常重要，關系到安全生產與產品質量，一般根據火焰顏色調整氯氫氣流量。燃燒生成的氯化氫氣體自爐頂（爐壓：－10~－15 mmHg；氯含氫：≤2%）排出，進入空氣冷卻器和石墨冷卻器冷卻。冷卻后的氯化氫氣體經分配臺送至氯乙烯工段作原料，多余部分送降膜吸收塔用水吸收制成成品鹽酸送往成品罐區待售。所有的廢氯氣都進入除害吸收塔用堿液吸收生成次氯酸鈉。
2. 裝置對系統配置的幾點要求
該工程分兩期實施，每期工程建設規模為25萬噸，兩期DCS系統分布實施，相對獨立，并能相互監控。
2.1. 供電系統
①系統供電：系統供電為雙路供電，各站之間應合理分配UPS電源（三進三出）。一期主站30KVA-2H，二期主站30KVA-2H（兩期形成冗余配置），鹽水遠程30 KVA-2H（一二期共用），鹽酸站應考慮防腐蝕功能配置，交流分配柜為雙進線柜，配置雙路進線自動切換開關。DCS的每個獨立設備（如控制站、操作站、打印機）送一路220V AC電源，DCS機柜內部電源供電，繼電器柜和安全柵供電由DCS廠負責。
②直流電源：一期120A、24VDC,二期120A、24VDC；一二期應合理分配主站與遠程站的負荷，且實現冗余配置，遠程120A、24VDC；選用西門子品牌，需實現冗余配置結構。
③儀表供電：現場本質安全儀表所需24VDC電源由隔離安全柵供給；非本安二線制儀表由DCS I/O卡或報警設定器供電；四線制儀表采用外供電方式，由配電柜提供電源；電磁閥采用隔爆型，其24VDC電源由配電柜提供。
2.2. 槽電壓檢測
每期1500個槽電壓檢測（余量為10%,共計1650點/期）使用日本橫河的MW-100系統或日本M-SYSTEM的R3系統，二者選擇其一，但必須使用集中采集通訊上傳的結構，現場設置控制箱（IP65級）。
2.3. 雙屏顯示
具備流程和數據分屏顯示功能，且具備話筒與現場操作工無線通訊功能。
2.4. 通訊系統
①通訊系統能完成DCS操作員站之間以及與上位管理機之間的信息交換，將控制站及輸入/輸出接口采集的過程信號送往操作站顯示、存貯，將操作站的控制指令送往控制站，將控制站的輸出信號送往各終端設備，接受來自上位管理機的指令，將規定的數據送至上位管理機。通訊速率不低于5MB/S。
②DCS應具有數字化通訊網絡，該網絡為操作員站、控制和數據處理系統、以及其它設備之間提供可靠的高速數據傳送。
③通訊系統是冗余的，它由兩條獨立的通訊總線和每臺設備上安裝的兩臺獨立的通訊接口組成，通訊總線交替使用并不斷地進行自檢，總線之間自動進行切換，而不允許中斷系統操作和產生數據丟失，故障時在操作臺上報警。
④總線之間也可以手動進行切換，而不會影響系統操作。
2.5. HART協議
含HART管理軟件，模擬量I/O卡必須是支持HART通訊協議的智能卡，且提供相關管理軟件。
2.6. 遠程站
根據工藝裝置布置，化鹽、鹽酸、蒸發分別設遠程操作站和遠程控制站，單元槽槽電壓檢測為遠程站。
3. 系統配置方案
3.1. MACS“域”結構簡介
“域”結構的含義就是可以將每個獨立工程定義為“域”，再由“域”構成工程組，每個組可包含8個域（即“工程”），組內的域可以通過監控網連接，用來實現大規模工程項目。這樣如授予域權限和操作級別，不同工程的操作員站可以相互備用。在一臺操作員站可以對不同的工程進行訪問監控。系統最多可包含32個工程組，一個域可帶30個操作員站，40個現場控制站。每個域都由獨立的服務器、工程師站、系統網絡SNET和多個現場控制站（即I/O站）組成，完成相對獨立的采集和控制功能。MACS系統具有OPC和ODBC接口，容易與ERP、CRM、SCM等系統連接，實現企業信息化，已經在幾千個廠家應用，是穩定可靠的定型產品。系統的網絡層次組成如圖2所示[1]。包括控制網絡Cnet、系統網絡Snet、監控網絡Mnet。Cnet利用Profibus-DP總線技術實現主控單元和過程I/O單元間的通訊，以完成實時輸入/輸出數據和從站設備診斷信息的傳送，現場DP總線雙路冗余。并且通過光纜，可以實現遠距離通訊。
“域”結構具有以下優勢。
① 不同的工程相對獨立，幾個子工程自成系統。危險分散。
② 可以不同的工程相互監視，聯網后構成一個母工程，成為一個整體，信息共享，通訊快速穩定。沒有網絡瓶頸。
③ 可以新舊工程分批上，新工程可以在不停車情況下以搭積木的方式無縫并入老工程中。
3.2. 該工程的“域”結構方案
根據裝置的生產工藝流程特點、測點分布和分期實施的要求，該項目DCS系統共兩個域：一期工程為0號域，二期工程1號域。每個域8個控制站。配置了16個操作站（每期8臺）、6個遠程操作站（鹽水和鹽酸各兩臺、地磅房兩臺）、2個工程師站（一二期各一臺）、1個移動工作站、2個通訊站，共計27個站。化鹽、鹽酸及地磅房的遠程操作站與中央控制室的DCS通過冗余多膜光纖進行通訊。其中服務器、操作員站、系統網絡、現場主控單元、系統電源和控制回路的I/O模塊均為冗余配置，大大提高了系統的可靠性。
該項目一期工程（0號域）的系統結構如圖3所示。10#站、11#站、12#站在中央控制室，10#站用于氯氫處理控制，11#站用于電解控制，12#站用于二次鹽水精制控制及電解參數的檢測。
13#站、14#站、15#站為遠程站，放在電解廠房二樓的配電室，每個站通過冗余工業以太網與中央控制室的交換機相連。這三個站電源來自中央控制室配電柜，用于電解槽單元槽電壓的檢測。這里距電解槽距離較近，有效的降低了單元槽電壓檢測信號電纜的電壓降，節約了大量信號電纜。這里與電解廠房隔離，避免了高溫環境與腐蝕氣體，為系統的長期穩定運行奠定的基礎。
16#站、17#站為遠程控制站，在化鹽工段控制室，對一次鹽水、蒸發、鹽酸合成、液氯汽化及包裝、冷凍站、原料及成品罐區等工段的信號進行采集控制，通過冗余多膜光纖將信號送到中央控制室控制站。該控制室有獨立的UPS及交直流配電柜。凱膜過濾器用現場PLC控制，PLC與DCS通過MODBUS通信，并在DCS上顯示凱膜過濾器的運行狀態。
二期工程（1號域）的系統結構與0號域基本相同，二期工程調試時對一期工程的正常運行沒有任何影響，二期工程調試完成后，兩個域通過監控網絡Mnet連接為一個系統。兩期系統操作員站通過域的切換可以相互監控，使整個項目的監控與管理融為一體，這也是MACS系統實施分期工程的明顯優勢。
3.3. 系統電源的冗余配置
根據裝置要求，為確保系統安全穩定運行，中央控制室兩期UPS通過并機線實現在線冗余，其示意圖如圖4。兩期UPS均為山特3C30KS（三三），K1、K2為UPS進線空開，兩UPS通過K11、K21實現并聯輸出。當任何一個UPS故障時都可切除維修。
通過K111、K211分別進入一期與二期DCS配電柜。配電柜的進線為兩路，一路為UPS，一路為廠用電。在做電源分配時，應對L1、L2、L3三相電源合理分配負荷，使其平衡。
系統的兩個域都設置有獨立的配電柜，配電柜內均有切換裝置。I/O柜電源也為兩路進線，一路為UPS，一路為廠用電，任何一路有問題都確保系統正常運行。每個現場控制站內主控單元和I/O模塊的供電采用均流冗余24V電源。
系統配有專用的直流電源柜，根據實際負荷配置24V西門子冗余電源，實際負荷不超過50%。直流配電柜分正反兩面，正面安裝西門子電源，背面安裝空開及保險端子，為四線制儀表提供電源。直流配電柜向每個I/O柜提供兩路冗余電源。現場電磁閥的電源均在I/O柜內配電，和同一回路的繼電器及I/O模塊在同一個柜內，這樣便于故障查找便于日常維護。
系統I/O電源為分布式冗余配置，具有均流技術。化鹽的配電柜和中央控制室原理相同。
3.4. 單元槽電壓的檢測
單元槽電壓是離子膜燒堿生產工藝中的主要指標，是對離子膜電解槽現場管理的重要依據，其構成要素如表1所示。通常電解槽電壓檢測裝置都是由電解槽廠家配套提供，一般10個單元槽為一組進行檢測。該工程旭化成公司提供了用于10個一組進行檢測的變送裝置。
為了加強離子膜和電解槽的檢測與管理，對每個單元槽的運行狀況在線進行分析比對，通過查尋歷史趨勢分析槽電壓升高的時間及原因，該項目實行對每個單元槽電壓進行檢測的方法。每個監測點的量程為5V DC，但每個測點的對地電壓高達500V DC，需要測壓模塊路路隔離。所以DCS廠家一般用國外檢測變送裝置進行檢測，使用集中采集通訊上傳的結構。這種方式最大的缺點是通訊量大通訊速率低。
本項目中使用了和利時SM413模塊進行檢測，該模塊為8 通道（路間隔離）電壓型模擬量輸入模塊。通過軟件組態，有0～5V信號輸入和0～10V 信號輸入兩個量程可供選擇。隔離耐壓指標為：通道對系統≥500VAC@1min@5mA，通道對通道≥500VAC@1min@5mA，并且精度達到0.1%，采集速率快，一般500ms刷新一次。每臺槽有150個單元槽電壓檢測點，50萬噸燒堿規模需要有3000個檢測點，SM413模塊的使用使投資成本大大降低，經運行檢驗，該模塊完全能滿足工藝裝置的要求，而且性能好于數據采集器。
由于控制站距電解廠房較近，可能會有強腐蝕氣體的存在，所以該所有SM413模塊都采用了耐腐蝕模塊。
3.5. 雙屏顯示
由于該工程流程圖畫面較多操作工崗位相對較少，為便于操作工操作，該項目采用雙屏顯示方式。在操作站主機配置時配了雙屏顯卡，對應兩個顯示器，操作臺為雙屏顯示臺，比一般操作臺要寬。雙屏顯示信息量大，使操作工翻頁的頻率大大降低，操作快捷流暢。
3.6. HART功能
HART功能無縫集成于DCS系統，HART信號采集在DCS I/O接口端子上實現，無需組態。不要通過第三方特制的軟硬件產品。設置儀表高、低限校驗值，命令設備進行校驗，命令設備進行診斷測試，采集設備運行狀況信息等。本系統配置的SM480、SM510、SM522等均支持HART信號。
4. 主要復雜控制回路的控制方案
該項目的控制方案中，單回路定值PID調節回路很多，在此僅介紹幾個有代表性的復雜控制回路及重要的控制方案。
4.1. 進電解槽鹽水流量的控制
進槽鹽水流量是離子膜電解的重要控制指標，鹽水流量主要是為了保證電解槽中鹽水的濃度，鹽水濃度不僅直接影響槽電壓進而影響噸堿成本，更重要的是影響離子膜的安全穩定運行。在電解過程中，鹽水濃度低導致OH反滲速度增加，使陽極電流效率下降，如果時間過長，會使膜膨脹，嚴重時會導致起泡，分層，出現針孔而使膜遭到破壞，還會造成燒堿中含鹽過高。
正常情況下，1摩爾的鈉離子帶4摩爾的水從陽極室通過離子膜到陰極室，如果鹽水濃度太低，伴隨大量的水向陰極遷移時，由于羧酸層與磺酸層通水的速度不同，前者慢，水就會在磺酸層與羧酸層之間滯留，使離子膜鼓泡，降低了離子膜的強度和使用壽命。進槽鹽水流量是電解槽單槽聯鎖停車的指標之一。
當電解液（包括陰極和陽極）循環流量減少時，槽內的液體中氣體率將增加，氣泡在膜上的附著量也將增加，從而導致槽電壓上升；此外，另一個作用是保持足夠的循環電解液帶走電解過程中產生的熱量，使電解槽溫度易于穩定調節。
進槽鹽水流量的控制為變給定值控制，如圖5所示。開車前，當電流小于4.05KA時，鹽水流量設定值為９.5m3/h；當電流大于4.05KA并且小于18KA時，鹽水流量設定值為“C ×A × X” m3/h（其中A =2.34，C = 1.0 ，X是電解槽實際電流，C的值根據出電解槽淡鹽水濃度進行在線調整）；當電解槽聯鎖停車后，該流量設定值切換為30 m3/h，同時啟動極化整流器，15分鐘后設定值再切換為38 m3/h，65分鐘后再切換為９.5 m3/h；若兩分鐘內極化整流器沒有運行起來則不再啟動，并且設定值直接設定為38 m3/h，５０分鐘后切換為９.5 m3/h。 其間的所以啟停、判斷、設定值的切換均有DCS自動完成。整流電流4.05KA相當于電流密度1.5KA/m2。
PID操作面板上有手動、自動和串級三個按鈕，此回路的控制是這樣設定的：當自動方式時，回路的設定值SV由操作工進行設定；當串級方式時，回路的設定值SV由DCS內部程序根據電流按上述公式自動設定；
4.2. 電解槽加酸量的控制
為了除去反滲過來的OH離子，防止與溶解于鹽水中的CL發生副反應，提高陽極電流效率，減少氧在陽極的析出，降低氯中含氧和陽極液氯酸鹽含量，需要對陽極進槽鹽水進行加酸，其目的是中和氫氧根離子。
電解槽防酸化：離子膜大多采用的是全氟磺酸和全氟羧酸復合膜，如生成羧酸基-COOH，就不能作為離子膜工作了，因此必須使陽極PH值高于一定值（2），否則膜電阻上升，電解槽電壓就要急劇升高。
根據電解效率確定電解槽電流與鹽酸流量設定值，加酸量在一定的電流效率下與電解電流有比例關系（如圖6所示）。當電流小于4.05KA時，加酸流量設定值為０m3/h；調節閥上配備的緊急切斷閥關閉氣源。當電流大于4.05KA并且小于18KA時，加酸流量設定值為“C ×A × X” l/h（其中A =27.1，C = 1.0 ，X是電解槽實際電流，C的值根據出電解槽淡鹽水濃度進行在線調整）。該調節閥在操作畫面上設有聯鎖解除開關，解除聯鎖后，不再受電流的限制。
在實際運行中常因PH計出現故障，而使調節系統不能充分發揮作用，所以人工采樣分析淡鹽水酸度判斷與DCS顯示的PH值是否相符非常重要。
PID操作面板上的SV設定方法與鹽水流量的相同。
4.3. 淡鹽水循環流量控制
淡鹽水循環流量控制與進槽鹽水流量控制基本相同，也是根據電流進行控制，只是參數設定不同，這里的電流是所有電解槽的總電流。當電解電流超過5000A時，淡鹽水開始加入。根據電解槽總電流調整淡鹽水流量，主要是為了保證電解槽內的鹽水濃度達到要求。流量設定值為“C ×A × X” l/h（其中A =0.118，C = 1.0 ，X是電解槽實際總電流，C是系數，根據D-170內精鹽水濃度來進行調整，因為季節不同精鹽水的濃度控制指標不同）。
PID操作面板上的SV設定方法與鹽水流量的相同。
4.4. 電解槽出口總管氯氣氫氣的差壓控制
電解槽出口總管氯氣氫氣的差壓控制（簡稱氯氫壓差控制）是為了控制陰極室與陽極室的壓差DP（陰極壓力大于陽極，Dp=4 K Pa，可由操作工在線修改），保證膜貼在陽極上，盡量減小膜與陽極的距離，因為陽極液的電阻比陰極液的電阻大，陽極比陰極光滑。但壓差過大又會使離子膜及陽極受傷害。氯氣壓力（PIT-216）與氫氣（PICZA-226）壓力的控制為比值控制，氯氣壓力為定值單回路調節，當氫氣壓力PID控制回路為串級方式時，其設定值為氯氣壓力（PIT-216）加上氯氫總管壓差設定值DP。用和利時MACS組態軟件的ST語言完成此功能，很簡便，即如下語句
IF PICZA-226.RM=2 THEN
PICZA-226.SP:= PIT-216+DP；
END_IF
此控制非常重要，氯氫氣總管壓力差是電解控制的主要參數，直接關系到離子膜的使用壽命及電解槽的安全穩定運行，氯氫氣壓力均有兩塊壓力變送器來檢測，并且四個壓力值和實際氯氫壓差值都參與了全廠停車的聯鎖。此PID控制中如何使氫氣壓力緊跟氯氣壓力變化保障壓差穩定，PID參數整定最關鍵。
4.5. 陰極液加水（堿濃度）的控制
陰極液中NAOH濃度與電流效率存在一個極大值，濃度增大，電流效率隨之增加，但繼續升高，膜中的OH－根濃度增大（NAOH>35%），此時，膜中OH－根濃度增大的影響起決定作用，使電流效率明顯下降。隨著NAOH濃度的提高，膜中含水率下降，膜電阻增加，使槽電壓上升。在高濃度NAOH及低槽溫下長期運轉對膜的性能影響很大。羧酸層中的COO—會與Na＋形成—COONa而使離子交換難以進行；由于膜的陰極一側脫水而使膜的微觀結構遭到不可逆的改變，導致膜對OH－根反滲的阻擋下降，而且膜的電流效率下降后將再難以恢復到以前的水平。所以陽極液濃度的控制非常重要。若采用單回路閉環控制，由于濃度分析滯后大，而且常因濃度計出現故障，而使調節系統不能充分發揮作用，因而采用根據電流改變純水流量設定值的調節方法。
當陰極液加水控制在串級方式時加水流量設定值為 “C ×A × X” m3/h（其中A =0.17，C = 1.0 ，X是所有電解槽實際總電流，C的值根據電流效率進行在線調整）。電解槽聯鎖整流停車后此調節閥自動關閉。該調節閥在操作畫面上設有聯鎖解除開關，解除聯鎖后，不再受電流的限制。
其他還有很多類似的控制，PID操作面板上的SV設定方法與鹽水流量的相同。
4.6. 電解槽電流的升降及其控制
一般電解槽電流的升降在整流室由整流操作工完成，該項目整流室距主控室較遠，為了便于讓電解操作工根據工藝狀況直接在DCS上升降電流，整流控制室增加了遠控就地切換開關，當為遠程時由操作工按設定的升降電流速率在DCS上升降電流。
DCS通過一個標準4－20mA的AO信號與整流的PLC相連接（也可以用通訊的方法）控制整流可控硅的導通角，同時從互感器的變送器反饋給DCS一個實際電流信號。當導通角低于90°大于118°時DCS發出換擋提示（導通角一般控制在100－110），由操作工進行人工換擋，避免因為導通角自動聯動有載開關而引起發生頻繁換擋動作導致降低有載調壓開關使用壽命。調檔過程對升降電流沒有影響。在DCS畫面上共有5個操作參數：允許/停止按鈕、設定目標電流、升降速率、跟蹤允許偏差、控制偏差，后四個由操作工隨時設定（有上下限限制和二次確認）。
若設定目標電流與實際反饋電流的偏差小于控制偏差或者大于跟蹤允許偏差時，DCS將暫停控制角信號的輸出，否則將按設定的升降速率控制電流。一般允許偏差設定為５Ａ，也就是電流的控制精度為±５Ａ。所以當電網波動時也能保證電解電流的穩定。
有時電解電流受燒堿及氯產品市場行情的影響不能滿負荷運行，電價又通常根據時間分為尖、高、平、低五個階段（如圖7所示），所以根據每天的銷售量依據不同時段的電價適時調整電解電流才能更好地降低產品成本。電流可由下式計算，其中時間T根據電價時段分為T1至T5五個時間段。電流升降的速率根據系統氯氫氣壓力平衡情況決定。
4.7. 氯壓機的控制
氯氣處理是氯堿工藝流程的中間環節，具有承上啟下的作用，氯氣壓縮機是氯氣處理的主要設備。該項目氯壓機為德國3K公司的三級氯壓機。氯壓機的聯鎖控制相當復雜，啟動和停止聯鎖全部由DCS控制。其聯鎖邏輯完全按照氯壓機廠家提供的聯鎖方案來實施。氯壓機的防喘振由設備商自帶的PLC控制。
5. DCS對樹脂塔的程序順控方案[3]（省略）
6. 電解聯鎖控制方案
電解槽的聯鎖分為單槽停車和電解槽全停。電解槽公共聯鎖條件中任一條件成立所有電解槽全停；單臺電解槽聯鎖條件中任一條件成立時該電解槽停車。
（1）電解槽的公共聯鎖條件[4]
|
陽極D-260淡鹽水液位高高 LT_260 > LT260_HH(操作設定)
陰極D-270堿液受槽液位高高 LT_270 > LT270_HH(操作設定)
氯氣總管壓力1高高 PT_216 > PT216_HH(操作設定)
氫氣總管壓力1高高 PT_226 > PT226_HH (操作設定)
氯氣總管壓力2高高 PT_217 > PT217_HH(操作設定)
氫氣總管壓力2高高 PT_227 > PT227_HH(操作設定)
氯氫差壓高高 PDT_200 > PT200_HH(操作設定)
氯氫差壓低低 PDT_200 > PT200_LL(操作設定)
緊急停車按鈕 XI_YL103
儀表氣源壓力低 PA_520
氯壓機全停 ST_C1501AB
氫壓機全停 ST_C1551ABC
公共聯鎖條件成立，所有電解槽全停；個別聯鎖條件設有旁路開關。
（2）單臺電解槽聯鎖停車條件（以A槽為例，其他槽與A槽相同）
陽極鹽水進槽流量低低 FT_231A < FT231A_LL(操作設定)
陰極堿液進槽流量低低 FT_232A < FT232A_LL(操作設定)
電解槽電壓差高高 EDIZA_231A > EDI231A_HH(操作設定，有旁路開關)
電解槽電壓差低低 EDIZA_231A > EDI231A_LL(操作設定，有旁路開關)
電解槽重接地 XA_YL102A
電解槽整流過電流 IIZA_230A > IZA230AHH(操作設定)
開車鹽水閥打開 ZO_241A
（3）單臺電解槽聯鎖停車的結果（B、C、D、E、F、G、H、I、J與A同樣。）
聯鎖條件成立 停R-230A，整流脈沖封鎖
整流停信號反饋到DCS
所有電解槽全停
當脫氯塔液位高高時，從淡鹽水槽D-260到脫氯塔的鹽水調節閥關閉。
在DCS系統操作員站畫面上有極化整流器的狀態和啟停按鈕。在極化整流器與電解槽電流的聯鎖的情況下，電解槽電流（IIZA_230A）小于1KA時極化整流器自動投入，大于1KA時極化整流器自動退出。不聯鎖的情況下，由操作員手動啟停。
7. 鹽酸合成與燒堿蒸發的控制
在鹽酸合成工段最主要的控制是氫氣與氯氣的流量配比。設計院設計的通常為自動調節，但在實際工程應用中和設計院設計的不一致。通常氯氣緩沖罐和氫氣緩沖罐的壓力都有自動調節裝置，兩個壓力調節均為單回路調節，壓力控制很穩，操作工一般把進合成爐前的氯氫氣自動閥全部開敞，再根據火焰的顏色來手動微調氯氫氣手動閥工況穩定時幾乎很少需要調節。氯氫氣流量要做穩壓補償。在DCS畫面上要做緊急停爐按鈕。
瑞士博特公司的蒸發濃縮裝置自動化程度較高，但控制較為簡單。主要是一效、二效的液位、堿泵的冷卻水等的聯鎖，聯鎖邏輯較為簡單。控制回路多為單回路調節。和利時MACS系統在瑞士博特公司的蒸發濃縮裝置上的應用已經很多，方案很成熟。
8. DCS與PLC及第三方設備的通信
該項目配套設備廠家較多，許多設備廠家都有與其設備配套的PLC。為了在控制室DCS上集中顯示和控制各現場設備PLC及第三方設備的數據，DCS系統與現場PLC通過不同協議進行通訊。DCS與PLC的通信方式都是根據PLC自身通信功能選擇的，MODBUS、Profibus －DP用于顯示和控制現場PLC數據，OPC用來顯示第三方DCS系統的數據。與DCS系統通信的設備共計21個，
設備 接口數量 通信方式
燒堿罐區PLC系統 1 Modbus
D0108a/b/c/d HVM膜過濾器裝置PLC（4套） 4 Modbus
01PA0701a/b/c氯氣液化裝置PLC（3套） 3 Modbus
液氯灌裝系統PLC（1套）（雙向通信） 1 Modbus
空壓制氮裝置中空壓機、制氮裝置PLC（6套） 6 Modbus
嗅化鋰冷水機組PLC（3套） 3 Modbus
氯氣壓縮機組 （2套） 2 Profibus-DP
純水站PLC（1套） 1 OPC
01PA0701a/b/c氯氣液化裝置PLC（3套） 3 Profibus-DP
9. 結束語
和利時MACS系統在國內外年產10萬噸、12萬噸、15萬噸、20萬噸、25萬噸、50萬噸等不同規模離子膜燒堿裝置上都有多套成功運行的經驗，得到同行及用戶的高度評價，特別是在在大型氯堿工業裝置上的成功應用，打破了國外DCS系統在該行業長期的壟斷局面，展示了和利時MACS系統在鹽化工行業上的優勢和實力。
參考文獻：
[1] 武平麗,主編.過程控制及自動化儀表[M].北京:化學工業出版社,2007:173-175.
[2] 武平麗,高國光,編著.流程工業工程控制:第九章－分布式控制系統.北京:化學工業出版社,2008:238-248.
[3] 武平麗,高國光.DCS對樹脂塔的程序控制[J].氯堿工業,2006(8):39-41.
[4] 高國光，HCS2000型DCS在離子膜燒堿生產中的應用[J].氯堿工業,2000(1):22-23.
作者簡介：高國光，男，高級工程師，在氯堿企業生產一線工作多年，主要從事自控專業的設計安裝與調試工作。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號