杭州和利时自动化有限公司   高国光

    0 引言

     离子膜烧碱作为基本化工原料，广泛应用于洗涤剂、肥皂、造纸、印染、纺织、医药、染料、金属制品、基本化工及有机化工工业。离子膜烧碱装置是氯碱行业的最主要装置之一，它具有工艺节能环保及产品纯度高的特点，其工艺过程控制较为复杂。特别是大型离子膜烧碱工程对自动化控制系统的安全性、可靠性要求很高，而且要求控制系统具有多种功能，以满足不同的检测和控制需求。

    本文以和利时公司的MACS系统在山东某50万t/a离子膜烧碱装置的应用为例，来讲述DCS的系统配置、网络通信、复杂回路控制方案、顺序控制等具体应用。

   1. 工艺概述

   该50万t/a离子膜烧碱项目于2009年6月投产运行，总投资50亿元，是目前国内最大的离子膜烧碱项目，引进了日本旭化成电解槽、德国3K公司三级氯压机、瑞士博特公司的蒸发浓缩装置等世界一流技术装备。整个装置共有十一个生产及辅助单元组成，包括：原盐堆场、一次盐水、二次盐水及电解、氯氢处理、盐酸合成、氯气液化及包装、蒸发、原料及成品罐区、循环水装置、污水处理、空压及制氮、冷冻站等。

    1.1. 一次盐水

    一次盐水的化盐采用“预处理+膜分离”盐水精制新工艺，该工艺最大特点就是“钙离子、镁离子分步去除，先除镁离子后再除钙离子”。除镁离子的主要设备为预处理器，凯膜过滤器除钙。

     来自板框压滤机的滤液，工业水，再生系统回收盐水等均进入配水槽，部分脱氯淡盐水进入澄清槽去除硫酸根后也进入配水槽。上述各部分水在配水槽中混合后，作为化盐水由给料泵送入化盐桶，溶解原盐后得到饱和粗盐水。粗盐水流入前反应槽之前，在前折流槽内按工艺要求分别加入氢氧化钠和次氯酸钠。在前反应槽内粗盐水中的镁离子与氢氧化钠反应生成氢氧化镁，菌藻类、腐殖酸等有机物则被次氯酸钠氧化分解成为小分子有机物，然后用加压泵将前反应槽内的粗盐水送出，在气水混合器中与空气混合后进入加压溶气罐再进入预处理器，并在预处理器进口加FeCl3，盐水加压溶气利用浮上法除去盐水中加碱反应生成的Mg(OH)2。FeCl3作为絮凝剂从文丘里混合器加入，使Mg(OH)2絮状体凝聚变大进入预处理器，经减压释放，沉淀上浮除去。经过预处理的盐水进入后反应槽，同时在后反应槽中加入碳酸钠。根据盐水中钙离子含量，控制好反应温度及Na2CO3和NaOH的过量值，并控制好反应时间，以利于结晶的形成与长大。盐水中的钙离子与碳酸钠反应形成CaCO3作为HVM膜过滤的助滤剂。充分反应后的盐水自流进入进液缓冲槽，同时加入亚硫酸钠溶液除去盐水中的游离氯，再自流进入HVM过滤器进行过滤。过滤精盐水进入一次盐水贮槽，过滤器截留的滤渣排入盐泥池。渣桶中的盐经盐泥泵打出，送至板框压滤机压滤。盐泥经压滤洗涤除水并经压缩空气吹干为含液率小于50％的滤饼，被送出界区，滤液自流至滤液桶中，被滤液泵送回配水桶。

    1.2. 二次精制

     由一次盐水工段送来的一次盐水（盐水中SS降至1ppm以下，Mg2＋＋Ｃa２＋<１ppm）用高纯盐酸调节PH值至9±0.5，经板式换热器加热到60±5℃，过滤盐水用流量控制阀送到由三塔串联设备组成的螯合树脂塔单元，经树脂吸附后，钙、镁等杂质离子被除去。由于在处理盐水的过程中螯合树脂吸附能力会逐步下降，所以三个树脂塔按轮换式运行，而其中处于上游的塔可以进行周期性再生。再生用的NaOH和盐酸浓度分别为7％、4％。精制盐水经树脂过滤器后，送往精制盐水(Mg2＋＋Ｃa２＋<20ppb)高位槽D-170，供离子膜电解工序使用。

    1.3. 电解及脱氯

  离子膜电解制氢氧化钠和氯气的原理如图1所示。离子膜总厚度：280μm，由羧酸层（40~60μm）和磺酸层组成，含有带负电荷的固定离子（SO3－）和带正电荷的对离子（Na+）的活性基团，有排斥外界溶液中某一离子的能力。磺酸型阳离子交换膜具有亲水性能，膜会在溶液中溶涨、变松，从而形成许多微细弯曲的通道，使其活性基团中的对离子Na+可以与水溶液中的同电荷Na⁺进行交换。与此同时膜中的固定离子具有排斥CL^－和OH^－的能力。 
     
     来自D-170的精制盐水，经流量计与循环淡盐水混合后，送入每个单元槽的阳极室，在电槽中盐水发生化学反应，生成氯气。含有淡盐水与湿氯气两相的流体从每个阳极室出口处溢流出来，在出口集合管处被分离成淡盐水和产品氯。淡盐水依靠重力流入阳极液循环罐中并加入盐酸以使淡盐水酸化，湿Cl₂则被送往氯气处理岗位，在离开阳极液循环罐后，盐水分为三股：一股循环送入电槽，一股送入脱氯塔岗位，另一股送入氯酸盐分解槽。

   高纯水被用来对阳极液进行稀释，可以防止停车时形成盐结晶，同时将阳极液浓度调节到满足离子膜开车的要求。循环碱液通过烧碱换热器后，经流量变送器送到各个电槽的分歧管处，被分配到每个单元槽阴极室，在电槽中盐水发生化学反应，生成氢气；从阴极室中溢流出的烧碱溶液与氢气的两相流体，经分离后，碱液依靠流入烧碱循环罐中，氢气送往氢处理。烧碱从循环槽中出来后被分成三部分：一部分直接送往蒸发工序，另一部分经冷却后送往界区外的成品储罐，还有一部分与纯水混合后返回电槽进行再循环。烧碱热交换器用于加热或冷却循环碱，以维持电槽的操作温度为85～90℃。通过碱液密度指示剂监控并向循环碱中添加纯水控制碱液的浓度维持在最适合离子膜的浓度，即大约32wt％。

   电解工序送来的淡盐水被送到脱氯塔中，在真空状态下，绝大多数氯气被脱出送至氯气总管。在脱氯塔出口，盐水中的游离氯含量降至30ppm以下，在脱氯泵的出口加入NaOH中和至PH为11±1：中和后，Na₂SO₃被加入到管道中以除去残余的游离氯，然后送往盐水工序。为减少系统中的氯酸盐，将一部分的循环盐水送往氯酸盐分解槽，在加入盐酸与蒸汽的作用下，使其分解为氯化钠与氯气。

   电解出来的氢气经PV_226调节阀去氢气洗涤塔，经洗涤塔冷却至一定温度后进入氢气储罐。氢气再经压缩机压缩、气水分离器进入氢气后冷却器，被冷冻水间接冷却，然后再经水雾捕集器氢气分配台，供用户使用。

   电解出来的氯气经PV_216调节阀首先进入氯气洗涤塔，洗涤塔底部氯水由氯水泵经冷却器冷却后，由塔上部送入氯水洗涤塔，直接将氯气冷却。氯气由洗涤塔出来进入钛冷，用冷冻水间接冷却至12~15℃，再经水雾捕集器后进入干燥塔。氯气首先从塔下部进入填料干燥塔（稀硫酸干燥），塔内干燥的氯气继续上升，逐层通过泡罩式塔板与浓硫酸接触，充分干燥。干燥后的氯气经酸雾捕集器将氯气中硫酸酸雾和不纯物去除后，然后进入氯气压缩机，压缩加压后送入氯气分配台。一部分去液化生产液氯，一部分去盐酸合成。  

   来自氢气分配台的氢气经缓冲罐、阻火器进入HCL合成炉；来自氯气分配台的氯气经缓冲罐、阻火器后与氢气按一定摩尔比（一般Cl2 :H2为1：1.05~1.1）进入HCL合成炉灯头混合燃烧，此比例控制非常重要，关系到安全生产与产品质量，一般根据火焰颜色调整氯氢气流量。燃烧生成的氯化氢气体自炉顶（炉压：－10~－15 mmHg；氯含氢：≤2%）排出，进入空气冷却器和石墨冷却器冷却。冷却后的氯化氢气体经分配台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盐酸送往成品罐区待售。所有的废氯气都进入除害吸收塔用碱液吸收生成次氯酸钠。

   2. 装置对系统配置的几点要求

  该工程分两期实施，每期工程建设规模为25万吨，两期DCS系统分布实施，相对独立，并能相互监控。

  2.1. 供电系统

  ①系统供电：系统供电为双路供电，各站之间应合理分配UPS电源（三进三出）。一期主站30KVA-2H，二期主站30KVA-2H（两期形成冗余配置），盐水远程30 KVA-2H（一二期共用），盐酸站应考虑防腐蚀功能配置，交流分配柜为双进线柜，配置双路进线自动切换开关。DCS的每个独立设备（如控制站、操作站、打印机）送一路220V AC电源，DCS机柜内部电源供电，继电器柜和安全栅供电由DCS厂负责。

  ②直流电源：一期120A、24VDC,二期120A、24VDC；一二期应合理分配主站与远程站的负荷，且实现冗余配置，远程120A、24VDC；选用西门子品牌，需实现冗余配置结构。

  ③仪表供电：现场本质安全仪表所需24VDC电源由隔离安全栅供给；非本安二线制仪表由DCS I/O卡或报警设定器供电；四线制仪表采用外供电方式，由配电柜提供电源；电磁阀采用隔爆型，其24VDC电源由配电柜提供。

   2.2. 槽电压检测

   每期1500个槽电压检测（余量为10%,共计1650点/期）使用日本横河的MW-100系统或日本M-SYSTEM的R3系统，二者选择其一，但必须使用集中采集通讯上传的结构，现场设置控制箱（IP65级）。

   2.3. 双屏显示

   具备流程和数据分屏显示功能，且具备话筒与现场操作工无线通讯功能。

   2.4. 通讯系统

   ①通讯系统能完成DCS操作员站之间以及与上位管理机之间的信息交换，将控制站及输入/输出接口采集的过程信号送往操作站显示、存贮，将操作站的控制指令送往控制站，将控制站的输出信号送往各终端设备，接受来自上位管理机的指令，将规定的数据送至上位管理机。通讯速率不低于5MB/S。

   ②DCS应具有数字化通讯网络，该网络为操作员站、控制和数据处理系统、以及其它设备之间提供可靠的高速数据传送。

   ③通讯系统是冗余的，它由两条独立的通讯总线和每台设备上安装的两台独立的通讯接口组成，通讯总线交替使用并不断地进行自检，总线之间自动进行切换，而不允许中断系统操作和产生数据丢失，故障时在操作台上报警。

   ④总线之间也可以手动进行切换，而不会影响系统操作。

   2.5. HART协议

   含HART管理软件，模拟量I/O卡必须是支持HART通讯协议的智能卡，且提供相关管理软件。

   2.6. 远程站

  根据工艺装置布置，化盐、盐酸、蒸发分别设远程操作站和远程控制站，单元槽槽电压检测为远程站。

   3. 系统配置方案

   3.1. MACS“域”结构简介

   “域”结构的含义就是可以将每个独立工程定义为“域”，再由“域”构成工程组，每个组可包含8个域（即“工程”），组内的域可以通过监控网连接，用来实现大规模工程项目。这样如授予域权限和操作级别，不同工程的操作员站可以相互备用。在一台操作员站可以对不同的工程进行访问监控。系统最多可包含32个工程组，一个域可带30个操作员站，40个现场控制站。每个域都由独立的服务器、工程师站、系统网络SNET和多个现场控制站（即I/O站）组成，完成相对独立的采集和控制功能。MACS系统具有OPC和ODBC接口，容易与ERP、CRM、SCM等系统连接，实现企业信息化，已经在几千个厂家应用，是稳定可靠的定型产品。系统的网络层次组成如图2所示[1]。包括控制网络Cnet、系统网络Snet、监控网络Mnet。Cnet利用Profibus-DP总线技术实现主控单元和过程I/O单元间的通讯，以完成实时输入/输出数据和从站设备诊断信息的传送，现场DP总线双路冗余。并且通过光缆，可以实现远距离通讯。

   “域”结构具有以下优势。

① 不同的工程相对独立，几个子工程自成系统。危险分散。

② 可以不同的工程相互监视，联网后构成一个母工程，成为一个整体，信息共享，通讯快速稳定。没有网络瓶颈。

③ 可以新旧工程分批上，新工程可以在不停车情况下以搭积木的方式无缝并入老工程中。

   3.2. 该工程的“域”结构方案

   根据装置的生产工艺流程特点、测点分布和分期实施的要求，该项目DCS系统共两个域：一期工程为0号域，二期工程1号域。每个域8个控制站。配置了16个操作站（每期8台）、6个远程操作站（盐水和盐酸各两台、地磅房两台）、2个工程师站（一二期各一台）、1个移动工作站、2个通讯站，共计27个站。化盐、盐酸及地磅房的远程操作站与中央控制室的DCS通过冗余多膜光纤进行通讯。其中服务器、操作员站、系统网络、现场主控单元、系统电源和控制回路的I/O模块均为冗余配置，大大提高了系统的可靠性。

   该项目一期工程（0号域）的系统结构如图3所示。10#站、11#站、12#站在中央控制室，10#站用于氯氢处理控制，11#站用于电解控制，12#站用于二次盐水精制控制及电解参数的检测。

   13#站、14#站、15#站为远程站，放在电解厂房二楼的配电室，每个站通过冗余工业以太网与中央控制室的交换机相连。这三个站电源来自中央控制室配电柜，用于电解槽单元槽电压的检测。这里距电解槽距离较近，有效的降低了单元槽电压检测信号电缆的电压降，节约了大量信号电缆。这里与电解厂房隔离，避免了高温环境与腐蚀气体，为系统的长期稳定运行奠定的基础。

   16#站、17#站为远程控制站，在化盐工段控制室，对一次盐水、蒸发、盐酸合成、液氯汽化及包装、冷冻站、原料及成品罐区等工段的信号进行采集控制，通过冗余多膜光纤将信号送到中央控制室控制站。该控制室有独立的UPS及交直流配电柜。凯膜过滤器用现场PLC控制，PLC与DCS通过MODBUS通信，并在DCS上显示凯膜过滤器的运行状态。

   二期工程（1号域）的系统结构与0号域基本相同，二期工程调试时对一期工程的正常运行没有任何影响，二期工程调试完成后，两个域通过监控网络Mnet连接为一个系统。两期系统操作员站通过域的切换可以相互监控，使整个项目的监控与管理融为一体，这也是MACS系统实施分期工程的明显优势。

   3.3. 系统电源的冗余配置

  根据装置要求，为确保系统安全稳定运行，中央控制室两期UPS通过并机线实现在线冗余，其示意图如图4。两期UPS均为山特3C30KS（三三），K1、K2为UPS进线空开，两UPS通过K11、K21实现并联输出。当任何一个UPS故障时都可切除维修。

   通过K111、K211分别进入一期与二期DCS配电柜。配电柜的进线为两路，一路为UPS，一路为厂用电。在做电源分配时，应对L1、L2、L3三相电源合理分配负荷，使其平衡。

   系统的两个域都设置有独立的配电柜，配电柜内均有切换装置。I/O柜电源也为两路进线，一路为UPS，一路为厂用电，任何一路有问题都确保系统正常运行。每个现场控制站内主控单元和I/O模块的供电采用均流冗余24V电源。

   系统配有专用的直流电源柜，根据实际负荷配置24V西门子冗余电源，实际负荷不超过50%。直流配电柜分正反两面，正面安装西门子电源，背面安装空开及保险端子，为四线制仪表提供电源。直流配电柜向每个I/O柜提供两路冗余电源。现场电磁阀的电源均在I/O柜内配电，和同一回路的继电器及I/O模块在同一个柜内，这样便于故障查找便于日常维护。

   系统I/O电源为分布式冗余配置，具有均流技术。化盐的配电柜和中央控制室原理相同。

   3.4. 单元槽电压的检测

  单元槽电压是离子膜烧碱生产工艺中的主要指标，是对离子膜电解槽现场管理的重要依据，其构成要素如表1所示。通常电解槽电压检测装置都是由电解槽厂家配套提供，一般10个单元槽为一组进行检测。该工程旭化成公司提供了用于10个一组进行检测的变送装置。

   为了加强离子膜和电解槽的检测与管理，对每个单元槽的运行状况在线进行分析比对，通过查寻历史趋势分析槽电压升高的时间及原因，该项目实行对每个单元槽电压进行检测的方法。每个监测点的量程为5V DC，但每个测点的对地电压高达500V DC，需要测压模块路路隔离。所以DCS厂家一般用国外检测变送装置进行检测，使用集中采集通讯上传的结构。这种方式最大的缺点是通讯量大通讯速率低。

   本项目中使用了和利时SM413模块进行检测，该模块为8 通道（路间隔离）电压型模拟量输入模块。通过软件组态，有0～5V信号输入和0～10V 信号输入两个量程可供选择。隔离耐压指标为：通道对系统≥500VAC@1min@5mA，通道对通道≥500VAC@1min@5mA，并且精度达到0.1%，采集速率快，一般500ms刷新一次。每台槽有150个单元槽电压检测点，50万吨烧碱规模需要有3000个检测点，SM413模块的使用使投资成本大大降低，经运行检验，该模块完全能满足工艺装置的要求，而且性能好于数据采集器。

   由于控制站距电解厂房较近，可能会有强腐蚀气体的存在，所以该所有SM413模块都采用了耐腐蚀模块。

   3.5. 双屏显示

  由于该工程流程图画面较多操作工岗位相对较少，为便于操作工操作，该项目采用双屏显示方式。在操作站主机配置时配了双屏显卡，对应两个显示器，操作台为双屏显示台，比一般操作台要宽。双屏显示信息量大，使操作工翻页的频率大大降低，操作快捷流畅。

   3.6. HART功能

HART功能无缝集成于DCS系统，HART信号采集在DCS I/O接口端子上实现，无需组态。不要通过第三方特制的软硬件产品。设置仪表高、低限校验值，命令设备进行校验，命令设备进行诊断测试，采集设备运行状况信息等。本系统配置的SM480、SM510、SM522等均支持HART信号。

   4. 主要复杂控制回路的控制方案

  该项目的控制方案中，单回路定值PID调节回路很多，在此仅介绍几个有代表性的复杂控制回路及重要的控制方案。

  4.1. 进电解槽盐水流量的控制

   进槽盐水流量是离子膜电解的重要控制指标，盐水流量主要是为了保证电解槽中盐水的浓度，盐水浓度不仅直接影响槽电压进而影响吨碱成本，更重要的是影响离子膜的安全稳定运行。在电解过程中，盐水浓度低导致OH反渗速度增加，使阳极电流效率下降，如果时间过长，会使膜膨胀，严重时会导致起泡，分层，出现针孔而使膜遭到破坏，还会造成烧碱中含盐过高。

   正常情况下，1摩尔的钠离子带4摩尔的水从阳极室通过离子膜到阴极室，如果盐水浓度太低，伴随大量的水向阴极迁移时，由于羧酸层与磺酸层通水的速度不同，前者慢，水就会在磺酸层与羧酸层之间滞留，使离子膜鼓泡，降低了离子膜的强度和使用寿命。进槽盐水流量是电解槽单槽联锁停车的指标之一。

   当电解液（包括阴极和阳极）循环流量减少时，槽内的液体中气体率将增加，气泡在膜上的附着量也将增加，从而导致槽电压上升；此外，另一个作用是保持足够的循环电解液带走电解过程中产生的热量，使电解槽温度易于稳定调节。

   进槽盐水流量的控制为变给定值控制，如图5所示。开车前，当电流小于4.05KA时，盐水流量设定值为９.5m3/h；当电流大于4.05KA并且小于18KA时，盐水流量设定值为“C ×A × X” m3/h（其中A =2.34，C = 1.0 ，X是电解槽实际电流，C的值根据出电解槽淡盐水浓度进行在线调整）；当电解槽联锁停车后，该流量设定值切换为30 m3/h，同时启动极化整流器，15分钟后设定值再切换为38 m3/h，65分钟后再切换为９.5 m3/h；若两分钟内极化整流器没有运行起来则不再启动，并且设定值直接设定为38 m3/h，５０分钟后切换为９.5 m3/h。 其间的所以启停、判断、设定值的切换均有DCS自动完成。整流电流4.05KA相当于电流密度1.5KA/m2。
 
   PID操作面板上有手动、自动和串级三个按钮，此回路的控制是这样设定的：当自动方式时，回路的设定值SV由操作工进行设定；当串级方式时，回路的设定值SV由DCS内部程序根据电流按上述公式自动设定；

   4.2. 电解槽加酸量的控制

  为了除去反渗过来的OH离子，防止与溶解于盐水中的CL发生副反应，提高阳极电流效率，减少氧在阳极的析出，降低氯中含氧和阳极液氯酸盐含量，需要对阳极进槽盐水进行加酸，其目的是中和氢氧根离子。

   电解槽防酸化：离子膜大多采用的是全氟磺酸和全氟羧酸复合膜，如生成羧酸基-COOH，就不能作为离子膜工作了，因此必须使阳极PH值高于一定值（2），否则膜电阻上升，电解槽电压就要急剧升高。

   根据电解效率确定电解槽电流与盐酸流量设定值，加酸量在一定的电流效率下与电解电流有比例关系（如图6所示）。当电流小于4.05KA时，加酸流量设定值为０m3/h；调节阀上配备的紧急切断阀关闭气源。当电流大于4.05KA并且小于18KA时，加酸流量设定值为“C ×A × X” l/h（其中A =27.1，C = 1.0 ，X是电解槽实际电流，C的值根据出电解槽淡盐水浓度进行在线调整）。该调节阀在操作画面上设有联锁解除开关，解除联锁后，不再受电流的限制。
在实际运行中常因PH计出现故障，而使调节系统不能充分发挥作用，所以人工采样分析淡盐水酸度判断与DCS显示的PH值是否相符非常重要。

   PID操作面板上的SV设定方法与盐水流量的相同。

   4.3. 淡盐水循环流量控制

  淡盐水循环流量控制与进槽盐水流量控制基本相同，也是根据电流进行控制，只是参数设定不同，这里的电流是所有电解槽的总电流。当电解电流超过5000A时，淡盐水开始加入。根据电解槽总电流调整淡盐水流量，主要是为了保证电解槽内的盐水浓度达到要求。流量设定值为“C ×A × X” l/h（其中A =0.118，C = 1.0 ，X是电解槽实际总电流，C是系数，根据D-170内精盐水浓度来进行调整，因为季节不同精盐水的浓度控制指标不同）。

   PID操作面板上的SV设定方法与盐水流量的相同。

  4.4. 电解槽出口总管氯气氢气的差压控制

  电解槽出口总管氯气氢气的差压控制（简称氯氢压差控制）是为了控制阴极室与阳极室的压差DP（阴极压力大于阳极，Dp=4 K Pa，可由操作工在线修改），保证膜贴在阳极上，尽量减小膜与阳极的距离，因为阳极液的电阻比阴极液的电阻大，阳极比阴极光滑。但压差过大又会使离子膜及阳极受伤害。氯气压力（PIT-216）与氢气（PICZA-226）压力的控制为比值控制，氯气压力为定值单回路调节，当氢气压力PID控制回路为串级方式时，其设定值为氯气压力（PIT-216）加上氯氢总管压差设定值DP。用和利时MACS组态软件的ST语言完成此功能，很简便，即如下语句

IF PICZA-226.RM=2 THEN
PICZA-226.SP:= PIT-216+DP；
END_IF

   此控制非常重要，氯氢气总管压力差是电解控制的主要参数，直接关系到离子膜的使用寿命及电解槽的安全稳定运行，氯氢气压力均有两块压力变送器来检测，并且四个压力值和实际氯氢压差值都参与了全厂停车的联锁。此PID控制中如何使氢气压力紧跟氯气压力变化保障压差稳定，PID参数整定最关键。

   4.5. 阴极液加水（碱浓度）的控制
 
   阴极液中NAOH浓度与电流效率存在一个极大值，浓度增大，电流效率随之增加，但继续升高，膜中的OH－根浓度增大（NAOH>35%），此时，膜中OH－根浓度增大的影响起决定作用，使电流效率明显下降。随着NAOH浓度的提高，膜中含水率下降，膜电阻增加，使槽电压上升。在高浓度NAOH及低槽温下长期运转对膜的性能影响很大。羧酸层中的COO—会与Na＋形成—COONa而使离子交换难以进行；由于膜的阴极一侧脱水而使膜的微观结构遭到不可逆的改变，导致膜对OH－根反渗的阻挡下降，而且膜的电流效率下降后将再难以恢复到以前的水平。所以阳极液浓度的控制非常重要。若采用单回路闭环控制，由于浓度分析滞后大，而且常因浓度计出现故障，而使调节系统不能充分发挥作用，因而采用根据电流改变纯水流量设定值的调节方法。

   当阴极液加水控制在串级方式时加水流量设定值为 “C ×A × X” m3/h（其中A =0.17，C = 1.0 ，X是所有电解槽实际总电流，C的值根据电流效率进行在线调整）。电解槽联锁整流停车后此调节阀自动关闭。该调节阀在操作画面上设有联锁解除开关，解除联锁后，不再受电流的限制。

   其他还有很多类似的控制，PID操作面板上的SV设定方法与盐水流量的相同。

   4.6. 电解槽电流的升降及其控制

  一般电解槽电流的升降在整流室由整流操作工完成，该项目整流室距主控室较远，为了便于让电解操作工根据工艺状况直接在DCS上升降电流，整流控制室增加了远控就地切换开关，当为远程时由操作工按设定的升降电流速率在DCS上升降电流。

   DCS通过一个标准4－20mA的AO信号与整流的PLC相连接（也可以用通讯的方法）控制整流可控硅的导通角，同时从互感器的变送器反馈给DCS一个实际电流信号。当导通角低于90°大于118°时DCS发出换挡提示（导通角一般控制在100－110），由操作工进行人工换挡，避免因为导通角自动联动有载开关而引起发生频繁换挡动作导致降低有载调压开关使用寿命。调档过程对升降电流没有影响。在DCS画面上共有5个操作参数：允许/停止按钮、设定目标电流、升降速率、跟踪允许偏差、控制偏差，后四个由操作工随时设定（有上下限限制和二次确认）。

   若设定目标电流与实际反馈电流的偏差小于控制偏差或者大于跟踪允许偏差时，DCS将暂停控制角信号的输出，否则将按设定的升降速率控制电流。一般允许偏差设定为５Ａ，也就是电流的控制精度为±５Ａ。所以当电网波动时也能保证电解电流的稳定。

   有时电解电流受烧碱及氯产品市场行情的影响不能满负荷运行，电价又通常根据时间分为尖、高、平、低五个阶段（如图7所示），所以根据每天的销售量依据不同时段的电价适时调整电解电流才能更好地降低产品成本。电流可由下式计算，其中时间T根据电价时段分为T1至T5五个时间段。电流升降的速率根据系统氯氢气压力平衡情况决定。

    
   4.7. 氯压机的控制

   氯气处理是氯碱工艺流程的中间环节，具有承上启下的作用，氯气压缩机是氯气处理的主要设备。该项目氯压机为德国3K公司的三级氯压机。氯压机的联锁控制相当复杂，启动和停止联锁全部由DCS控制。其联锁逻辑完全按照氯压机厂家提供的联锁方案来实施。氯压机的防喘振由设备商自带的PLC控制。

  5. DCS对树脂塔的程序顺控方案[3]（省略）

  6. 电解联锁控制方案

  电解槽的联锁分为单槽停车和电解槽全停。电解槽公共联锁条件中任一条件成立所有电解槽全停；单台电解槽联锁条件中任一条件成立时该电解槽停车。


（1）电解槽的公共联锁条件[4]
  |
阳极D-260淡盐水液位高高 LT_260 > LT260_HH(操作设定)
阴极D-270碱液受槽液位高高 LT_270 > LT270_HH(操作设定)
氯气总管压力1高高 PT_216 > PT216_HH(操作设定)
氢气总管压力1高高 PT_226 > PT226_HH (操作设定)
氯气总管压力2高高 PT_217 > PT217_HH(操作设定)
氢气总管压力2高高 PT_227 > PT227_HH(操作设定)
氯氢差压高高 PDT_200 > PT200_HH(操作设定)
氯氢差压低低 PDT_200 > PT200_LL(操作设定)
紧急停车按钮 XI_YL103
仪表气源压力低 PA_520
氯压机全停 ST_C1501AB
氢压机全停 ST_C1551ABC
公共联锁条件成立，所有电解槽全停；个别联锁条件设有旁路开关。

（2）单台电解槽联锁停车条件（以A槽为例，其他槽与A槽相同）

阳极盐水进槽流量低低 FT_231A < FT231A_LL(操作设定)
阴极碱液进槽流量低低 FT_232A < FT232A_LL(操作设定)
电解槽电压差高高 EDIZA_231A > EDI231A_HH(操作设定，有旁路开关)
电解槽电压差低低 EDIZA_231A > EDI231A_LL(操作设定，有旁路开关)
电解槽重接地 XA_YL102A
电解槽整流过电流 IIZA_230A > IZA230AHH(操作设定)
开车盐水阀打开 ZO_241A

（3）单台电解槽联锁停车的结果（B、C、D、E、F、G、H、I、J与A同样。）

联锁条件成立 停R-230A，整流脉冲封锁

整流停信号反馈到DCS

所有电解槽全停

   当脱氯塔液位高高时，从淡盐水槽D-260到脱氯塔的盐水调节阀关闭。

   在DCS系统操作员站画面上有极化整流器的状态和启停按钮。在极化整流器与电解槽电流的联锁的情况下，电解槽电流（IIZA_230A）小于1KA时极化整流器自动投入，大于1KA时极化整流器自动退出。不联锁的情况下，由操作员手动启停。

   7. 盐酸合成与烧碱蒸发的控制

 在盐酸合成工段最主要的控制是氢气与氯气的流量配比。设计院设计的通常为自动调节，但在实际工程应用中和设计院设计的不一致。通常氯气缓冲罐和氢气缓冲罐的压力都有自动调节装置，两个压力调节均为单回路调节，压力控制很稳，操作工一般把进合成炉前的氯氢气自动阀全部开敞，再根据火焰的颜色来手动微调氯氢气手动阀工况稳定时几乎很少需要调节。氯氢气流量要做稳压补偿。在DCS画面上要做紧急停炉按钮。

   瑞士博特公司的蒸发浓缩装置自动化程度较高，但控制较为简单。主要是一效、二效的液位、碱泵的冷却水等的联锁，联锁逻辑较为简单。控制回路多为单回路调节。和利时MACS系统在瑞士博特公司的蒸发浓缩装置上的应用已经很多，方案很成熟。

   8. DCS与PLC及第三方设备的通信

  该项目配套设备厂家较多，许多设备厂家都有与其设备配套的PLC。为了在控制室DCS上集中显示和控制各现场设备PLC及第三方设备的数据，DCS系统与现场PLC通过不同协议进行通讯。DCS与PLC的通信方式都是根据PLC自身通信功能选择的，MODBUS、Profibus －DP用于显示和控制现场PLC数据，OPC用来显示第三方DCS系统的数据。与DCS系统通信的设备共计21个，
   
设备 接口数量 通信方式
烧碱罐区PLC系统 1 Modbus
D0108a/b/c/d HVM膜过滤器装置PLC（4套） 4 Modbus
01PA0701a/b/c氯气液化装置PLC（3套） 3 Modbus
液氯灌装系统PLC（1套）（双向通信） 1 Modbus
空压制氮装置中空压机、制氮装置PLC（6套） 6 Modbus
嗅化锂冷水机组PLC（3套） 3 Modbus
氯气压缩机组 （2套） 2 Profibus-DP
纯水站PLC（1套） 1 OPC
01PA0701a/b/c氯气液化装置PLC（3套） 3 Profibus-DP

9. 结束语

   和利时MACS系统在国内外年产10万吨、12万吨、15万吨、20万吨、25万吨、50万吨等不同规模离子膜烧碱装置上都有多套成功运行的经验，得到同行及用户的高度评价，特别是在在大型氯碱工业装置上的成功应用，打破了国外DCS系统在该行业长期的垄断局面，展示了和利时MACS系统在盐化工行业上的优势和实力。

 参考文献：

[1] 武平丽,主编.过程控制及自动化仪表[M].北京:化学工业出版社,2007:173-175.
[2] 武平丽,高国光,编著.流程工业工程控制:第九章－分布式控制系统.北京:化学工业出版社,2008:238-248.
[3] 武平丽,高国光.DCS对树脂塔的程序控制[J].氯碱工业,2006(8):39-41.
[4] 高国光，HCS2000型DCS在离子膜烧碱生产中的应用[J].氯碱工业,2000(1):22-23.


  作者简介：高国光，男，高级工程师，在氯碱企业生产一线工作多年，主要从事自控专业的设计安装与调试工作。