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齊魯石化勝利煉油廠140萬噸/年延遲焦化裝置采用一爐兩塔有井架水力除焦的生產模式，水力除焦做為焦化生產中的最后一道工序，在整個生產中有著舉足輕重的地位, 如果除焦出現問題，將迫使裝置改閉路循環或者停工，加之除焦是伴隨壓力為30MPa的高壓動態操作，因此完善除焦自動系統，提高其安全性和可靠性是保證焦化裝置長、滿、優運行的必須。本套除焦控制系統是由國內廠家總成，采用雙PLC、矢量變頻、能耗制動、非接觸式接近開關、本特利監視系統及iFIX人機操作界面，形成了一套設計合理、安全聯鎖功能齊全、操作方便、工作效率高，并經受住了實際操作考驗的比較完善的控制系統。
1 除焦工藝流程及控制原理
在潤滑油壓力、切焦水罐壓力、泵入口壓力正常，泵出口的除焦控制閥（簡稱三位閥）在回流狀態下時，塔頂完成選塔操作，并將切焦器下到距塔口5米處，此時塔頂隔斷球閥自開，在接到塔頂要求啟泵的聯絡信號后，高壓水泵啟動。達到預沖壓力后，三位閥全開進行鉆孔操作，鉆孔完畢后將三位閥打到回流，使塔頂壓力回零，完成切焦器從鉆孔到切焦的自動切換。切換完成后，三位閥重新全開，進行切焦作業。切焦水同焦炭一同進入蓄焦池后流入沉淀池，然后泵送到切焦水罐內重復利用。除焦系統原則流程圖如圖1所示。
圖1 除焦系統原則流程圖
整個除焦控制方案采用PLC進行自動程序控制。PLC是一種可編程控制器，它采用了CPU和可改寫的存儲器，用來在其內部存儲執行邏輯運算的順序控制、定時、計數、算術運算等操作指令，并通過數字或模擬輸入輸出卡件控制各種類型的生產過程參數。PLC操作是通過監視輸入信號經過運算產生相應的輸出信號來實現的。當檢測信號發生變化時，PLC根據內部的用戶程序邏輯產生輸出信號，完成控制任務。與通過固定接線來實現控制邏輯的繼電器線路控制相比，PLC是利用軟件來實現控制邏輯的，能夠適應不同控制任務的需要，通用性更靈活，可靠性更高。
2 除焦系統控制內容
除焦系統控制的主要控制元件為安裝在高壓水泵房內（非防爆區）的4面主控制柜，各柜內的控制元件和擺放位置如圖2所示。
圖2 各柜內的控制元件和擺放位置
其中主控柜3中的PLC-1是除焦控制系統主PLC，是美國Rockwell Automation SLC500 PLC。主控柜1中的PLC-2是日本三菱公司的FX系列PLC，是控制鉆機絞車的控制器，它的輸出先到繼電器，再由繼電器去拖動各個功率不同的接觸器來實現電機的上行、停止、下行、制動器的打開與關閉，這樣可保證PLC-2的輸出功率恒定，有利于保護PLC-2。控制絞車的變頻器為日本安川VS-616G5變頻器，型號為CIMR-G5A。PLC上位機選用臺灣研華工控機，21”彩顯，Windows 2000操作系統，配美國GE公司iFIX Standard HMI Unlimited 2.6組態軟件；主控柜4中的本特利是美國BENTLY公司3500系列產品，用來測量高壓水泵及齒輪箱振動和軸位移。UPS為美國加里弗尼亞SANTAK公司產品，為主控柜提供不間斷電源。
主控柜的操作功能有：主控柜電源開關、高壓水泵起動、停止按鈕、輔助油泵啟停按鈕、輔助油泵自動手動切換按鈕、緊急停泵按鈕、與塔頂、塔底聯絡按鈕、報警復位按鈕；狀態顯示功能有：高壓水泵運行狀態顯示、輔助油泵開關指示、除焦控制閥狀態（回流、預充、全開）顯示、選塔狀態顯示（2塔）、塔頂氣動球閥所處狀態顯示、系統故障報警/跳閘顯示（包括水泵的報警及聯鎖跳閘）、聯絡收訊/發訊顯示。
2.1 PLC-1控制內容
(1) 高壓水泵控制
高壓水泵為美國FLOWSERVE公司生產的6WIK-1410, 配套電機為國產沈陽防爆電機廠3 550kW電機，經LUFKING齒輪變速箱變速后驅動，采用軸頭泵強制潤滑，泵出口壓力為29MPa，流量為278t/h。由于泵出口壓力高，為保護機泵采用小流量啟泵，三位閥處于回流狀態，泵去塔頂流量為零，返回切焦水儲罐的量為107t/h，經三位閥降壓孔板降壓后，回流壓力為0.03MPa。高壓水泵是除焦系統的關鍵設備，由于無備泵，其安全可靠性尤為重要。其安全聯鎖有：
? 高壓水泵啟泵條件：除焦控制閥處于回流位置、潤滑油系統壓力正常、除焦水罐液位及入口壓力正常、無跳閘信號。以上各信號經PLC-1判斷正常后，控制允許開閉所送電的繼電器閉合，6 000V電壓送到現場，否則不允許送電。
? 潤滑油壓力低輔油泵自起、潤滑油壓力低低三取二大降停車，其動作是通過潤滑油總線上的壓力開關完成的。
? 為防止泵抽空設有泵入口壓力低報警及低低跳閘聯鎖，通過PLC梯形圖中的“閥值判斷”程序完成。
? 高壓水泵軸瓦溫度高報及高高報跳閘。泵體、電機、齒輪箱上的各溫度直接進PLC-1的輸入卡件，經PLC梯形圖中的“閥值判斷”程序與設定值比較后進行報警、聯鎖輸出。
? 高壓水泵軸位移高報及高高報跳閘。泵體的振動和軸位移通過前置放大器將電渦流式傳感器探頭傳出的電壓信號進行檢波放大，放大后的信號測量值進BENTLY，由BENTLY運算比較后將結果輸出到PLC-1中的“邏輯處理單元”去作為是否允許啟泵的條件及完成水泵運行中的跳閘指令。
? 急停按鈕。現場水泵旁邊、室內主控柜面板、塔頂操作柜各有一個急停按鈕，以便在緊急情況下停泵。
(2) 除焦控制閥的控制
高壓水泵出口的除焦控制閥是美國FLOWSERVE公司隨泵自帶的鼠籠式三位閥，其開關由塔頂控制柜的三位閥旋鈕控制，旋鈕的回流、預充、全開位置分別對應著4、9、20mA電流信號，然后通過電氣轉換器將電信號轉換為氣信號來實現閥門的回流、預充、全開三個位置。只有在預充壓力達到1.0MPa以上才允許三位閥全開，其中預充完成信號由PLC-1中的“閥值判斷”程序通過壓力比較后給出的，回流及全開信號則是通過閥體上的兩個磁性探頭根據閥桿位置反饋得到的。在全開狀態下，如果塔頂控制柜出現斷電等異常情況，為保證安全，三位閥自動回到回流位置。
(3) 塔頂隔斷球閥控制
塔頂高壓除焦水隔斷球閥是通過電磁閥的得電與失電改變氣缸氣源的進出方向來實現閥門的開關。電磁閥受除焦井架導軌上的“原點”和“入塔”兩個接近開關控制：當鉆桿下到塔內5米處，即游車大鉤先經過“原點”接近開關后又經過“入塔” 接近開關，PLC-1通過判斷信號的先后順序，發出電磁閥帶電信號，閥門打開；當鉆桿上提到“入塔”接近開關時，電磁閥失電，閥門關閉，防止高壓水噴出傷人。
2.2 PLC-2控制內容
(1) 鉆機絞車的變頻控制
鉆機絞車采用帶PG（編碼器）的矢量變頻調速裝置，同時采用可編程控制器進行邏輯順序時間等控制，來實現變頻調速按照生產工藝要求運行。由于除焦工藝需要，鉆機絞車需要頻繁的上下、開停，采用變頻調速控制方式對電機來說是最好的軟啟動方式，啟動電流被限制在額定值內，可以減小對電網的沖擊，免除電機的機械損傷，減小供電回路的開關容量，減輕設備維護量，通過與電機軸相連的PG（編碼器）可將精確的轉速信號傳送給變頻器，使之實現更精確的速度控制特性。變頻調速裝置能夠保證電動機平穩運轉，特別是在低速時有足夠轉矩輸出防止低速抖動，在電動機起動和停止時通過極好的力矩控制特性，配合抱閘的開閉，實現無跳變的速度控制特性，下鉆過程中，制動單元的制動電阻釋放多余能量，避免溜鉆危害。當變頻器出現故障時，能自動切斷變頻器電源，并故障顯示，此時可將運行方式選擇開關手動切換到工頻運行方式，繼續操作。待故障點排除后再恢復到變頻運行。
鉆機絞車系統的控制邏輯如圖3所示。
圖3 絞車邏輯控制圖
變頻調速可在鉆機絞車上獲得最佳升降速度的調節，擴大了操作人員選擇風動馬達轉速與鉆桿升降的速度配合范圍。特別是掃塔時，可靈活地變換掃塔速度，使鉆桿下降的螺旋線螺距與除焦水在射向塔壁時的螺旋線的寬度相匹配，保證了焦炭塔掃塔干凈徹底，減輕回煉系統的焦粉沉積，為后部的工藝操作打下了良好的基礎，這對焦化裝置的長周期運行有著重要意義。
(2) 塔頂控制柜的操作
塔頂控制柜由于處于防爆環境中，因此采用正壓通風防爆。正常操作時柜內保持正壓150Pa，如果壓力低于50Pa，壓力開關動作，發生聯鎖，切斷整個控制柜的電源。如果要恢復塔頂供電就需要重新充壓。首先按下控制柜的“正壓啟動”按狃，將控制大通氣的電磁閥打開，向柜內通風進行爆炸氣的置換，5分鐘后時間繼電器將大進風電磁閥關閉，只留下小給氣閥保持正壓通風（壓力可調），與此同時供電恢復。通過塔頂控制柜上的按鈕可以完成選塔、選頻、三位閥開關、頻率定位器調節、絞車的上行、下行和停止操作，緊急情況下可以按急停按鈕使高壓水泵跳閘。塔頂控制柜如圖4所示。
圖4 頂柜圖
其中狀態顯示功能有：高壓水泵運行狀態顯示、塔閥狀態顯示、除焦控制閥狀態顯示（回流、預充、全開）、聯鎖復位顯示（閃爍）、鉆具上升/下降顯示、鉆具位移數字、模擬顯示、鉆具極限位報警指示、聯絡收訊/發訊指示、溜槽出焦情況電視顯示、操作臺內正壓通風風壓低報警指示。
(3) 梯形圖程序中主要控制
梯形圖程序是采用順控信號及軟元件號在圖形畫面中作出順控電路圖的方法。這種方法是用觸點符號與線圈符號表示順控電路，因而容易理解程序內容。同時還可以用回路顯示的狀態來監控可編程控制器的動作。
? 選頻與選塔
當PLC-2檢測到工頻不在上升也不在下降位置，同時變頻也沒有輸出的時候可以選擇使用1#或2#變頻器，如果此時三位閥在旁路位置，則允許選塔，以上5個條件中任何一條件不滿足將無法完成選塔指令，這樣就防止了在操作中誤動選塔按鈕而導致的一系列停電問題。
PLC-2檢測到選頻旋鈕已經打到1#變頻位置，同時檢測到2#變頻無輸出、工頻也無上升、下降的指令后則給1#變頻器供電、2#斷電，完成選頻送電操作。
? 絞車運行中的安全措施
為防止鉆桿在上提過程中沖頂、在下降過程中切焦器出塔底口及帶壓出上塔口發生危險，在井架導軌上分別裝設了上、下極限、入塔和原點四個接近開關，來保證安全生產。在PLC-2中，是用如下程序完成的。
如果除焦控制閥在回流狀態，上限位作為停鉆機絞車的指令；如果控制閥不在回流狀態，“原點”和“入塔”兩個接近開關則作為上限位發出停鉆機絞車的指令，來防止切焦器帶壓提出塔口的誤操作。
對于下限位，只要接近開關被觸發，無論除焦控制閥是何狀態，都將作為停鉆機絞車的指令。
2.3 控制系統的人機界面
(1) 上位機組態
上位機的組態軟件由美國GE公司的iFIX2.6完成，iFIX2.6以其靈活、易擴展和基于開放的技術―MICROSOFT平臺及OPC數據連接而成為優秀的HMI/SCADA（單機人機界面/多節點、多現場的數據采集和控制系統）解決方案，為生產提供了優秀的數據采集和監控、操作的過程可視化。iFIX圖形功能強大，支持多種圖形格式，組態中提供樹形結構圖，能夠瀏覽所畫畫面中的所有圖形對象、組態信息，提供了全局性的變量組態方案，從而實現一改全改功能。編輯和運行是切換進行的，這有利于對現場生產安全的保障；有獨立的報警監視程序，支持在線修改，可以在線增加、修改、刪除遠程節點中的數據庫點，真正實現遠程組態。
在iFIX2.6中設有“啟泵條件”、“水泵總圖”、“潤滑油系統”、“跳閘條件”、“實時趨勢”、“歷史趨勢”、“報警一覽表”、“參數列表”7幅畫面，利用iFIX的強大功能，操作員可以在這些畫面中任意瀏覽，查看水泵的狀態參數、鉆桿在塔內的位置、各參數的歷史趨勢、實時趨勢、報警記錄都極為方便、快捷，這為及早發現問題并做出正確判斷提供了強有力的技術支持和軟件保證。
(2) 下位機編程
除焦控制系統下位機的編程由RSLogix500完成，它通過梯形圖功能塊編程，它直接、易讀。具有SOE（Sequence Of Events）事件記錄功能，所有DI和內存點都可以由SOE記錄下來。由于該系統的SOE可以精確到毫秒級，它對于事故追憶及分析提供了可靠的保證。
3 對本除焦系統的改進
(1) 增加鉆桿動畫
原系統設計中鉆桿位置顯示只在48米控制柜上可以看到，為方便司泵人員了解司鉆崗位操作情況，并能根據三位閥的位置及鉆桿在塔內的位置做出判斷防止惡性事故發生，將鉆桿在塔內的位置在iFIX畫面中以形象的動畫加精確的數字在高壓水泵房的上位機上顯示。
(2) 三位閥增加延時
為進一步減小三位閥全開時對泵及管線的沖擊，在由預充到全開過程中分三段進行了延時，以減小壓力突變。
(3) 提高正壓通風柜內壓力
為防止在正常除焦過程中風壓波動及控制柜少量漏風，特將正壓通風壓力由150Pa提高到240Pa。
(4) 不允許塔頂兩個隔斷球閥同時處于打開狀態
為防止生產塔的隔斷球閥因接近開關失靈或被機械鎖住而處于打開狀態，此時操作高壓水泵，高壓水會從在塔外的另一個切焦器噴出，造成極大的危險，因此增加了塔頂兩個隔斷球閥同時處于打開狀態將無法操作三位閥的聯鎖邏輯。
(5) 增加手動控制
除焦控制系統雖然高效方便，但在實際運行過程中，因安全聯鎖接點多，運行現場環境惡劣，一旦現場關鍵控制檢測元件或邏輯處理元件發生故障而又無配件，如不能在短時間內排除故障，將影響除焦工作的進行，進而影響裝置的進料。因此有必要在現有除焦控制系統的基礎上增加“手動功能”，作為臨時應急措施，使控制功能不經過PLC，在沒有安全聯鎖保護的情況下維持除焦，為處理問題贏得時間。
4 除焦過程中遇到的幾個問題解析
(1) 變頻器跳閘
變頻器報警記錄中顯示為超電流跳閘，經詢問、觀察發現操作人員在切焦過程中，連續操縱絞車上升下降，在停止位置上沒有停頓，致使電機電流過大，變頻器保護性跳閘斷電，此時可將：選頻開關打到工頻，將報警復位，待變頻器恢復到正常后，再切回變頻即可操作。為防止此類問題重復出現，規定在改變絞車運行方向時，一定要等到抱閘將絞車完全停穩后再切換方向。
(2) 正常切焦中塔頂系統全部斷電、隔斷球閥自關、三位閥回流
經檢查高壓水泵房內控制一切正常，向塔頂輸送的電源也帶電，問題只能是塔頂正壓通風柜發生了壓力低聯鎖。在確認壓力開關及密封性良好后，重新啟動正壓通風柜后問題解決。
(3) 切焦器下入塔內5米，隔斷球閥沒有打開
通過查看塔頂控制面板，發現“入塔”信號燈沒有亮，判斷是因為沒有給電磁閥發出帶電指令造成的。檢查“入塔”接近開關發現因振動接近開關探頭斷裂下垂，重新連接探頭后，隔斷球閥開關正常。
5 結語
本除焦控制系統具有功能齊全的安全聯鎖保護系統，對提高除焦工作效率、降低勞動強度、保證操作人員及除焦設備的安全起到了重要作用。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號