过硫酸铵生产装置DCS控制系统的制作方法

本实用新型属于化工生产技术领域，涉及一种过硫酸铵生产装置DCS控制系统。

背景技术：

过硫酸铵是一种重要的化工助剂，可以广泛用于高档电子工业线路板生产的专用助剂、乙烯基单体聚合专用引发剂、高档纺织印染处理剂、土壤修复剂、环保水处理剂、分析试剂等。过硫酸铵可作为生产过硫酸钠、过硫酸钾的原料。过硫酸铵一般以硫酸铵和硫酸为原料采用电解法生产制得。

电解法生产过硫酸铵产品的生产工艺如下：

硫酸铵溶液和硫酸溶液在一定温度条件下，经电解后的溶液，阳极出料中含有高浓度的过硫酸铵，经过加氨调节PH值，过滤去除杂质，过硫酸铵以冷冻结晶法离心分离出来，母液水循环使用，作为阳极料。电解槽流出的阴极料经补充浓硫酸，达到一定的密度和酸度要求后，补充阴极料循环使用。经离心分离得到的含湿过硫酸铵，一部分作为原料生产过硫酸钠、过硫酸钾，一部分经过干燥为过硫酸铵成品。过硫酸铵产品生产工艺如图2所示。

目前，过硫酸铵产品生产行业尚未采用大规模的DCS控制系统(即分布式控制系统、集散控制系统)来对生产装置进行自动化的控制。由于该行业的特殊性，甚至连仪表自动化控制用的也不多，很多工厂都还处在作坊式的生产模式，劳动生产率低下，产品质量低，不稳定。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种采用DCS控制系统对过硫酸铵生产系统进行自动控制的过硫酸铵生产装置DCS控制系统。

本实用新型的技术方案如下：

本实用新型一种过硫酸铵生产装置DCS控制系统，它包括DCS控制系统、过硫酸铵生产装置；DCS控制系统包括主控制器、交换器、操作站；主控制器通过交换器与操作站连接；主控制器用于过硫酸铵生产装置的实时控制；交换器用于主控制器与操作站之间的操作信息、状态信息通讯，操作人员通过操作站将操作指令发送给主控制器，主控制器则将实时状态发送到操作站，完成实时通讯、操作、控制；在过硫酸铵生产装置现场设置有现场I/O站，现场各台带PLC控制器的设备的PLC控制器与现场I/O站连接；现场I/O站分别通过DP总线与DCS控制系统的主控制器连接。

进一步地，主控制器下拖3个I/O控制柜，3个I/O控制柜与过硫酸铵生产装置现场的所有AI、AO、DI、DO点连接，负责过硫酸铵生产装置现场所有AI、AO、DI、DO点的实时监控，并与现场所有带PLC控制器的设备的PLC控制器连接，进行实时通讯。

进一步地，过硫酸铵生产装置现场设置三个现场I/O站(即设有3个I/O控制柜)，现场I/O站的输入/输出设备通过profibus_DP总线与第一主控制器连接和通讯；三个现场I/O站将生产现场包括原料配置及投料系统、电解整流系统、电解反应系统、通氨系统、冷冻结晶系统、离心分离系统、过硫酸铵蒸发回收系统、冷却水循环系统、干燥系统、尾气处理系统在内的各系统各现场运行设备的运行信息，尾气中含氨和含尘气体的检测信息及环保处理设施的运行信息，以及所有带PLC控制器的设备包括四套电解整流设备、离心机、冷冻机、物料输送设备的运行信息，通过DP总线传送到DCS控制系统的中央控制室的操作站，同时操作站的操作员发出的所有操作指令将通过DP总线进入此三台I/O以及与各台I/O设备相连的各台现场运行设备的PLC控制器；通过DCS控制系统监控通氨系统和排放尾气的氨吸收塔中吸收液的PH值，监控冷冻结晶系统的温度和液位，监控电解整流系统整流器的电压和电流，电解反应系统的物料浓度和流量，监控离心机的运行情况，监控各槽罐的液位和各动设备的运行情况及其它各个生产子系统的运行情况。

进一步地，过硫酸铵生产装置包括顺序连接的原料配置及投料系统、电解反应系统、通氨系统、冷冻结晶系统、离心分离系统、干燥系统，还包括与电解反应系统连接的电解整流系统、与冷冻结晶系统连接的冷却水循环系统、与电解反应系统连接的过硫酸铵蒸发回收系统，还包括与电解反应系统、干燥系统连接的尾气处理系统；原料配置及投料系统包括顺序连接的硫酸配制槽、阴极料高位槽、阴极料缓冲罐，顺序连接的阳极料高位槽、阳极料缓冲罐，以及物料输送泵；电解整流系统包括整流器和控制器；电解反应系统包括电解槽及其相连的物料进出管道；阴极料缓冲罐、阳极料缓冲罐分别与电解槽的阴极进料口、阳极进料口连接；通氨系统包括与电解槽的阳极出料口顺序连接的硫酸铵投料罐、通氨釜；冷冻结晶系统包括冷冻结晶釜和冷冻机；离心分离系统包括离心机；通氨釜、冷冻结晶釜、离心机顺序连接；过硫酸铵蒸发回收系统包括与电解槽的阴极出料口连接的蒸发釜；冷却水循环系统包括水冷器、水箱及其循环泵；干燥系统包括干燥机、螺旋输送机、产品储槽；尾气处理系统包括旋风分离器即除尘器、风机、水幕除尘系统；其中，电解槽、冷冻结晶釜、蒸发釜、离心机、干燥机、阴极料高位槽、阳极料高位槽、阴极料缓冲罐、阳极料缓冲罐、硫酸铵投料罐、通氨釜等设备带PLC控制器；在过硫酸铵生产装置的现场设置有3个现场I/O站，现场各台带PLC控制器的设备的PLC控制器与3个现场I/O站(I/O控制柜)连接，各现场I/O站分别通过DP总线与DCS控制系统的主控制器连接。

本实用新型的有益效果：

本实用新型的过硫酸铵生产装置DCS控制系统，可以大幅度地提高劳动生产率，提高产品质量、提高原材料的利用率改善环保。由于DCS自控系统的应用，使得过硫酸铵生产过程中对各大型的蒸发、结晶设备的使用和稳定生产的目的完全可实现，从而使过硫酸铵的生产装置达到了高度自动化、大型化和现代化。采用DCS控制系统对过硫酸铵生产系统进行自动控制，有极大的经济效益和社会效益。

本实用新型的过硫酸铵生产装置DCS控制系统的先进性主要体现在以下几方面：

a、冷冻结晶釜的温度由DCS控制系统自动控制，确保了冷却结晶在特定的温度下进行，以获得高纯度的过硫酸铵产品(过硫酸铵产品纯度达到99％以上)，又确保了母液中的过硫酸铵含量达到理想指标，使电解效率达到最好。

b、饱和阳极料的PH值控制采用PID控制器(比例-积分-微分控制器)由DCS控制系统自动控制通氨，使料液的PH值控制稳定，达到了良好的除铁效果，降低了过硫酸铵产品中的铁含量(铁含量降到了0.0001％以下)。

c、离心机采用密闭操作的程序由DCS控制系统进行全自动控制，提高了劳动效率，改善了操作环境，达到了良好的环保效果。

d、过硫酸铵生产采用高精度的质量流量计计量，由DCS控制系统自动控制进料流量，实现了精确控制、连续生产，既提高了产品产量、质量，又降低了劳动强度且改善了操作环境。

附图说明

图1是本实用新型一种过硫酸铵生产装置DCS控制系统的总体结构示意图；

图2是本实用新型中的过硫酸铵产品生产工艺流程图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明。

实施例

如图1、图2所示，本实用新型一种过硫酸铵生产装置DCS控制系统，它包括DCS控制系统、过硫酸铵生产装置；其中，DCS控制系统包括设于中央控制室的系统柜(10#主控制器系统柜)、交换器(交换器A、交换器B)，还包括设在过硫酸铵生产装置现场的三个I/O控制柜。

图1中的中央控制室设有两个主控制器(10#主控制器、11#主控制器)、两个交换器(交换器A、交换器B)，两台打印机、四台操作站(51#操作站、52#操作站、53#操作站、54#操作站)和一台工程师操作站(50#工程师站)。两个主控制器分别用于生产过程的实时控制，其中，10#主控制器用于过硫酸铵生产装置的实时控制，该主控制器下拖三个I/O控制柜，三个I/O控制柜与过硫酸铵生产装置现场的所有AI、AO、DI、DO点连接，负责过硫酸铵生产装置现场470个AI、AO、DI、DO点的实时监控，并与现场11套带PLC控制器的设备(包括电解槽、冷冻结晶釜、蒸发釜、离心机、干燥机、阴极料高位槽、阳极料高位槽、阴极料缓冲罐、阳极料缓冲罐、硫酸铵投料罐、通氨釜等)的PLC控制器连接，进行实时通讯。另一个11#主控制器是用于过硫酸钠、过硫酸钾生产装置的实时控制，该主控制器下拖两个I/O控制柜，负责过硫酸钠、过硫酸钾生产装置现场557个AI、AO、DI、DO点的实时监控，并与过硫酸钠、过硫酸钾生产装置现场6套带PLC控制器的设备的PLC控制器连接，进行实时通讯。

两个交换器分别用于两个主控制器与工程师站和操作员站之间的操作信息、状态信息通讯，操作人员通过操作站将操作指令发送给主控制器，主控制器则将实时状态发送到操作站，完成实时通讯、操作、控制。

设在过硫酸铵生产装置现场的三个I/O控制柜(扩展柜)，包括：设在电解整流系统的整流室(即电动机控制中心MCC0)的MCC0号I/O扩展柜、设在过硫酸铵生产装置的电气控制室(即电动机控制中心MCC1)的MCC1号I/O扩展柜，以及设在过硫酸铵生产装置现场的I/O-0、I/O-1号扩展柜。

AI是指模拟量输入，如温度、压力、转速、电流等连续变化的量，信号为4～20MA或0～10V；AO是指模拟量输出，即模拟量控制信号，如连续可调的执行器开度控制、变频器转速调节、信号为4～20MA或0～10V、0～5V。

DI是指数字量(开关量)输入，其实就是电气二次回路通断，某些状态反馈，信号为24VDC或220VAC；DO是指数字量(开关量)输出，即从控制器发出的控制信号或状态信号，信号为24VDC或220VAC。

本实用新型采用DCS控制系统对整个过硫酸铵的生产过程进行自动化控制，所采用的控制方案是最先进的profibus DP现场总线结构。在过硫酸铵生产装置现场设置有3个现场I/O站(3个I/O控制柜)。现场I/O站设置于现场，I为input输入,O为output输出。现场I/O站设有I/O设备(输入/输出设备)。现场各台带PLC控制器的设备的PLC控制器与现场I/O站的I/O设备(输入/输出设备)连接；各现场I/O站的输入/输出设备分别通过profibus_DP总线与DCS控制系统的主控制器连接和通讯。

该DCS控制系统的控制方法如下：

在过硫酸铵生产装置现场设置三个现场I/O站，将生产现场包括原料配置及投料系统、电解整流系统、电解反应系统、通氨系统、冷冻结晶系统、离心分离系统、过硫酸铵蒸发回收系统、冷却水循环系统、干燥系统、尾气处理系统在内的各系统各现场运行设备的运行信息，尾气中含氨和含尘气体的检测信息及环保处理设施的运行信息，以及所有带PLC控制器的设备包括四套电解整流设备、电解槽、离心机、冷冻机和冷冻结晶釜、蒸发釜、通氨釜、干燥机、物料输送设备(阴极料高位槽、阳极料高位槽、阴极料缓冲罐、阳极料缓冲罐、硫酸铵投料罐、各种输送泵等)的运行信息，通过DP总线传送到DCS控制系统的中央控制室的操作站，同时操作站的操作员发出的所有操作指令将通过DP总线进入此三台I/O以及与各台I/O设备相连的各台现场运行设备的PLC控制器，达到生产、工艺、设备控制和应急处理的目的。

在此，DCS控制系统监控通氨系统和排放的尾气中的含氨浓度，以控制产品质量和维持环保处理系统的运行；监控冷冻结晶系统的温度和液位，以控制产品质量维持正常生产；监控电解整流器的电压和电流、阴极和阳极物料进出的浓度和流量，监控离心机的运行情况，以确保电解生产的情况和离心分离操作在非正常时可远程采取应急措施；监控各槽罐的液位和各动设备的运行情况及其它各个生产子系统，维持正常生产。

本实用新型中具体的采用电解法生产过硫酸铵产品的生产工艺及DCS控制方法如下：

一、过硫酸铵生产工艺(如图2所示)

阳极料硫酸铵溶液和阴极料硫酸溶液分别从阳极料高位槽、阴极料高位槽中流出，分别经阳极料缓冲罐、阴极料缓冲罐计量后进入电解槽，在电解槽中在一定温度条件下进行电解反应；电解后的溶液，从电解槽流出的阳极出料中含有高浓度的过硫酸铵，经通氨釜加氨调节PH值、过滤去除杂质，过硫酸铵在冷冻结晶釜冷冻结晶，经离心机离心分离出来，母液水循环使用，作为阳极料；从电解槽流出的阴极出料，经蒸发釜蒸发回收过硫酸铵后，补充浓硫酸，达到一定的密度和酸度要求后，作为阴极料(硫酸溶液)循环使用。经离心分离得到的含湿过硫酸铵，一部分作为原料生产过硫酸钠、过硫酸钾，一部分经过干燥作为过硫酸铵成品。干燥后的尾气以及从电解槽排出的尾气，经旋风分离器(除尘器)除尘，再经风机送入过硫酸铵水幕除尘系统再次进行除尘，使尾气中的含氨和含尘气体浓度达标后排放。

过硫酸铵生产装置包括顺序连接的原料配置及投料系统、电解反应系统、通氨系统、冷冻结晶系统、离心分离系统、干燥系统，还包括与电解反应系统连接的电解整流系统、与冷冻结晶系统连接的冷却水循环系统、与电解反应系统连接的过硫酸铵蒸发回收系统，还包括与电解反应系统、干燥系统连接的尾气处理系统；原料配置及投料系统包括顺序连接的硫酸配制槽、阴极料高位槽、阴极料缓冲罐，顺序连接的阳极料高位槽、阳极料缓冲罐，还包括物料输送设备输送泵等；电解整流系统包括整流器和控制器；电解反应系统包括电解槽及其相连的物料进出管道；(电解整流系统有四套，每套电解整流系统包括一个整流器和若干控制器，每套电解整流系统与68台电解槽连接)；阴极料缓冲罐、阳极料缓冲罐分别与电解槽的阴极进料口、阳极进料口连接；通氨系统包括与电解槽的阳极出料口顺序连接的硫酸铵投料罐、通氨釜；冷冻结晶系统包括冷冻结晶釜和冷冻机；离心分离系统包括离心机；通氨釜、冷冻结晶釜、离心机顺序连接；过硫酸铵蒸发回收系统包括与电解槽的阴极出料口连接的蒸发釜；冷却水循环系统包括水冷器、水箱及其循环泵；干燥系统包括干燥机、螺旋输送机、产品储槽；尾气处理系统包括三台旋风分离器(除尘器)、风机、水幕除尘系统。其中，电解槽、冷冻结晶釜和冷冻机、蒸发釜、离心机、干燥机、阴极料高位槽、阳极料高位槽、阴极料缓冲罐、阳极料缓冲罐、硫酸铵投料罐、通氨釜等11套设备带PLC控制器。

在过硫酸铵生产装置现场设置有三个现场I/O站，现场各台带PLC控制器的设备(包括带PLC控制器的四套电解整流系统、离心机、冷冻机、物料输送设备)的PLC控制器与3个现场I/O站(即三台I/O设备，三个I/O控制柜)连接，各现场I/O站分别通过DP总线与DCS控制系统的10#主控制器连接。3个现场I/O站将生产现场包括原料配置及投料系统、电解整流系统、电解反应系统、通氨系统、冷冻结晶系统、离心分离系统、过硫酸铵蒸发回收系统、冷却水循环系统、干燥系统、尾气处理系统在内的各系统各现场运行设备的运行信息，尾气处理系统的含氨和含尘气体检测信息及环保处理设施的运行信息，以及所有带PLC控制器的四套电解整流设备、离心机、冷冻机、物料输送设备的运行信息，均通过DP总线传送到控制室的操作站，同时操作站的操作员发出的所有操作指令将通过DP总线进入此三台I/O设备(三个I/O控制柜)以及与各台I/O设备相连的各台现场运行设备的PLC控制器，达到生产、工艺、设备控制和应急处理的目的。

过硫酸铵生产工艺包括：原料配置及输送(含投料)过程、电解整流过程、电解反应过程、通氨过程、冷冻结晶过程、离心分离过程、过硫酸铵蒸发回收过程、冷却水循环过程、干燥过程、尾气处理(即除尘)过程。

在电解整流过程中，通过DCS控制系统控制整流器电流在5650～5950A；电解槽单槽电压＜5.5V。

在原料配置及输送过程中，通过DCS控制系统控制阴极料高位槽、阳极料高位槽中的液位在30-70％；控制阳极料进料酸度≥0.2mol/L；阴极料进料酸度1.0～1.8mol/L；阳极料密度为29～31Be°；

在电解反应过程中，通过DCS控制系统控制从阴极料缓冲罐、阳极料缓冲罐出来的物料流量，使阳极料进料流量(单槽)80～120L/h、阴极料进料流量(单槽)300～600L/h；控制阳极出料中高浓度过硫酸铵的含量保持在230～280g/L；阴极料出料酸度在0.3-0.48mol/L；控制阳极料温度30-40℃(冬季)，30-45℃(夏季)。

在通氨过程中，通过DCS控制系统控制通氨釜中通氨后阳极料PH值在7.0～7.5；通氨后料液温度32～38℃；并且，控制与通氨釜入口连接的硫酸铵投料罐中过硫酸铵含量≥210g/L；投料后阳极料密度为29～31Be°；

在冷冻结晶、离心分离、干燥过程中，通过DCS控制系统控制冷冻结晶釜内温度在0～-5℃；干燥床物料温度60～75℃；干燥床体料层高度10～12cm；干燥后成品的含水量低于0.1％。

在尾气处理(即除尘)过程中，通过DCS控制系统控制经旋风分离器(除尘器)除尘，再经风机送入过硫酸铵水幕除尘系统再次进行除尘的尾气中的含尘气体中颗粒物浓度为小于3.3mg/m³。

本实用新型的过硫酸铵生产装置DCS控制系统的先进性主要体现在以下几方面：

a、冷冻结晶釜的温度由DCS控制系统自动控制，确保了冷却结晶在特定的温度下进行，以获得高纯度的过硫酸铵产品(过硫酸铵产品纯度达到99％以上)，又确保了母液中的过硫酸铵含量达到理想指标，使电解效率达到最好。

b、饱和阳极料的PH值控制采用PID控制器(比例-积分-微分控制器)由DCS控制系统自动控制通氨，使料液的PH值控制稳定，达到了良好的除铁效果，降低了过硫酸铵产品中的铁含量(铁含量降到了0.0001％以下)。

c、离心机采用密闭操作的程序由DCS控制系统进行全自动控制，提高了劳动效率，改善了操作环境，达到了良好的环保效果。

d、过硫酸铵生产采用高精度的质量流量计(可以精确到克)计量，由DCS控制系统自动控制进料流量，实现了精确控制、连续生产，既提高了产品产量、质量，又降低了劳动强度且改善了操作环境。

本实用新型在DCS控制系统实时控制中，对电解温度、压力、电流的控制，可降低能耗、提高产品的收率和产品质量；对循环冷却水温的监控，可降低循环水的能耗和水耗；对生产系统的PH值的监控，可降低氨气的无组织排放和系统性排放，尽最大可能地回收氨气和减少氨气的消耗。

本实用新型对过硫酸铵生产系统采用最新的DCS自动控制方案，则大大提高了装置的生产能力，使得生产过程的转化率可以达到99％以上，大大降低了生产中对各原料的消耗，也减少了很多副产品的产生，大大降低了生产成本。

本实用新型由于DCS自控系统的应用，使得过硫酸铵生产过程中对各大型的蒸发、结晶设备的使用和稳定生产的目的完全可实现，从而使过硫酸铵的生产装置达到了高度自动化、大型化和现代化。

本实用新型采用DCS控制系统对过硫酸铵生产系统进行自动控制，可以大幅度地提高劳动生产率，提高产品质量，提高原材料的利用率，改善环保，有极大的经济效益和社会效益。