【正文】 Keywords: automation。 batch distillation system。精餾塔的控制直接影響到產(chǎn)品質量、產(chǎn)量和 能量的消耗，因此精餾塔的自動控制長期以來一 直受到人們的高度重視 [1]。 精餾過程是一個復雜的傳質傳熱過程，表現(xiàn)為： “過程變量多，被控變量多，可操縱的變量也多；過程動態(tài)和機理復雜 ” 。因此，精餾過程的節(jié)能潛力很大，收效也極為明顯。其具有較長死時延滯、 2 相互關聯(lián)的多變量系統(tǒng)，動態(tài)特性分析復雜并困難，難以進行變量配對，約束條件復雜等特點，使其成為過程控制界多年來理論研究和實踐的焦點。在硬件上將回路分散化，數(shù)據(jù)顯示、監(jiān)督等功能集中化，硬件可靠性 大大提高，效果甚好，但在控制算法上無顯著改進。使得化工生產(chǎn)中產(chǎn)品質量得到了很大的提高。 精餾塔控制 存在的問題及最新發(fā)展 目前，大多數(shù)石化生產(chǎn)裝置都采用了 DCS 進行控制，產(chǎn)生了較好的效益，但總的說來， DCS 的應用水平不高，其技術優(yōu)勢還遠沒有完全發(fā)揮出來。它技術更新快，應用時要考慮控制系統(tǒng)在技術上是否成熟 ，是否已有在多個行業(yè)、多個用戶中成功的使用先例。 根據(jù)工藝要求所提供的控制方案，在保證生產(chǎn)安全的前提下，通過對乙烯精餾塔精餾段溫度控制，對比控制方案的優(yōu)缺點，以達到最優(yōu)控制，使所研究的問題符合要求，通過上位機軟件的設計 ，完 成對乙烯裝置的系統(tǒng)主態(tài)、歷史趨勢和實時報警等功能的研究，使整個過程更加直觀。這時，于液相 共存的氣相成分比是 A 占 %， B 占 %，將這些氣體單獨冷凝后所形成的混合液體中， A 為 %， B 為 %；如果在使冷凝后的液體沸騰 ，其沸點為 ℃ .這時氣態(tài)成分比又變成 A 占 %， B 占 %，這樣反復的進行上訴操作，不斷的蒸發(fā)和冷凝，最終就可以將 A 分離出來。由于目前還不能生產(chǎn)出測量滯后小、精度等級高、能在線檢測的分析儀表，所以在大多數(shù)情況下，精餾塔自動控制系統(tǒng)是通過溫度控制來間接實現(xiàn)生產(chǎn)過程的產(chǎn)品質量檢測，即用溫度控制系統(tǒng)代替質量控制系統(tǒng)。控制塔內(nèi)壓力穩(wěn)定也是精餾塔平穩(wěn)運行所必須的。 (4)節(jié)能要求和經(jīng)濟性 精餾過程消耗的能量主要是再沸器的加熱量和冷凝器的冷卻能量的消耗。其中質量指標是必要條件，在優(yōu)先保證質量指標的前提下，應使產(chǎn)品產(chǎn)量高一些，能量消耗盡可能低一些。在精餾塔運行過程中，影響其質量指標和平穩(wěn)生產(chǎn)的主要干擾有以下幾種 [4]。 ZF 的變化 進料成分 ZF 是由上一道工序出料或原料情況決定的，對圖 所示的精餾塔來講，它是不可控的擾動因數(shù)。 當加熱劑是 蒸氣 時，通過再沸器輸入精餾塔的熱量擾動 往往是由蒸氣壓力變化所引起的，這一擾動可通過在蒸氣總管 設置壓力控制來加以克服，或者通過溫度串級控制系統(tǒng) 的副回路予以克服。冷凝器采用風冷方式時，天氣聚變及晝夜溫差對精餾塔的運行影響較大，會使回流量或回流溫度發(fā)生變化，對于這種干擾可采用內(nèi)回流控制的方法予以克服。其他干擾比較小，可以采用輔助控制系統(tǒng)預先加以克 9 服和抑制，各種精餾塔的工作情況不盡相同，需要根據(jù)實際情況具體分析。 在多元組分精餾中，情況較復雜，一般僅控制關鍵組分。因此，對多元組分的分離可簡化為對二元關鍵組分的分離，這就大大的簡化精餾操作。精餾塔的任務，不僅要保證產(chǎn)品質量，還要有一定產(chǎn)量。回收率的定義是進料中每單位產(chǎn)品組分所能得到的可售產(chǎn)品的數(shù)量。曲線表明，在一定的能耗 V/F 情況下，隨著產(chǎn)品純度的提高，會使產(chǎn)品的回收率迅速下降。例如，由圖 可以看出，在 98%的純度下，當 V/F 從 2 增至 4 時，產(chǎn)品回收率從 14%增到 88%，增加了 74%；當 V/F 再從 4增加到 6 時，則產(chǎn)品回收率僅從 88%增加到 %，只增加了 %。右此可見，在精餾操作中，質量指標、產(chǎn)品回收率和能量消耗均是要控制的目標?？刂葡到y(tǒng)通過對生產(chǎn)過程工藝參數(shù)的檢測和控制，克服擾動對生產(chǎn)過程的影響，保證生產(chǎn)安全、持續(xù)地進行 [6]。 提餾段參數(shù)控制 當塔底液為主要產(chǎn)品時，常采用提餾段溫度作為衡量質量的間接指標，這時可選提餾段某點溫度作為被控參數(shù)，以再沸器加熱蒸氣流量為控制變量。 采用提餾段溫度控制系統(tǒng)時，在回流量足夠大的情況下， 塔頂產(chǎn)品的質量也可以保持在規(guī)定的純度范圍內(nèi)，因此，即使塔頂產(chǎn)品質量要求比塔底嚴格，仍然采用提餾段溫度控制系統(tǒng)。 精餾段參數(shù)控制 當以塔頂采出液為主要產(chǎn)品時，往往以精餾段的溫度作為衡量質量的間接指標，這時可選精餾某點溫度作為被控參數(shù)（間接塔頂采出液的純度），以回流量QL 作為控制變量組成單回路控制系統(tǒng)，也可組成串級控制系統(tǒng)。 為了抑制其他干擾對被控參數(shù)的影響，除了主系統(tǒng)外，還設有五個輔助控制系統(tǒng)。 2）當干擾首先進入精餾段時，例如在汽車相進料時，進料產(chǎn)生的干擾首先引起精餾段和塔頂?shù)膮?shù)變化，故用精餾段溫度控制比較及時，動態(tài)響應比較迅速。為了及時、精確地檢測和控制產(chǎn)品質量，要求溫度檢測儀表有很高的測量精度和靈敏度。 精餾塔的溫差控制及雙溫差控制 前面 討論的兩種控制系統(tǒng)方案都是以溫度作為被控參數(shù)這在一般的精餾塔中是可行的。在壓力波動時，用溫度作為被控參數(shù)就不能很好地代表產(chǎn)品 17 的成分。這時塔頂（塔底）溫度實際上起參比作用，壓力變化對兩點溫度都有相同影響，相減之后其壓力波動的影響就基本抵消。下面分析雙溫差控制系統(tǒng)的工作原理。由圖 可以看出，雙溫差控制就是分別在精餾段和提餾 上選擇溫差信號，然后將兩個溫差信號相減作為調節(jié)器測量信號（即控制系統(tǒng)的被控參數(shù)）。 乙烯精餾塔是將來自脫乙烷塔頂，并經(jīng)過乙炔加氫反應后的原料氣 (內(nèi)含 C2 H C2H H O CO、 C2H C3H6 )在塔內(nèi)經(jīng)氣液分離，最后在塔頂?shù)玫胶繛? %的乙烯產(chǎn)品，塔底乙烯含量不超過 0． 5%的乙烷產(chǎn)品。該塔的能耗系統(tǒng)由塔釜再沸器、塔頂冷凝器三部分組成 [12]。液態(tài)乙烯產(chǎn)品從乙烯精餾塔 第 9 塊塔板抽出 ,從乙烯精餾塔底部抽出乙烷。PIC403 控制進入回流冷凝器的冷劑量 ,PIC404 控制回流罐不凝氣體的放空 。常規(guī)控制難以達到上述目的 ,因此 ,必須采取先進控制?？刂葡到y(tǒng)改造中，采用前饋，大純滯后補償及直接質量反饋控制等先進控制技術，克 服了進 料擾動，塔的干擾因素及慣性影響，使系統(tǒng)操作平穩(wěn)，維持乙烯產(chǎn)品中乙烷含量在規(guī)定的最大允許值，保持塔底產(chǎn)品中乙烯濃度符合工藝要求。由于乙烯精餾塔液位為滿液位液位可調范圍太小 ,所以不能 23 象一般精餾塔那樣通過控制液位來調節(jié)塔釜采出流 量。此外 ,乙烯精餾塔塔釜采出量的調節(jié)影響到裂解爐的平穩(wěn)操作 ,不同操作人員的操作習慣不同 ,會對裂解爐造成不同程度的干擾 [14]。這是因為回流量增加時，首先要使積存在塔板上的蓄存量增加，然后在這增加的液體靜壓頭的作用下，才使離開塔板的液相速度增加，因此對回流量變化的響應存在著滯后性 (2)組分滯后的影響 無論是改變再沸器加熱量引起上升蒸汽變化還是由于回流的變化，均 是通過對每塊塔板上組分之間的平衡施加影響，最終才引起頂部產(chǎn)品或頂部產(chǎn)品組分濃度的變化。 組分滯后隨著塔板上液相蓄存量的增加而增加，因而隨塔板數(shù)的增加而增加，也隨著回流比的增加而增加，因為回流比的增加，意味著塔板上蓄液量的增加。 圖 潛在故障向功能故障發(fā)展的示意圖 針對以上故障，應用 γ 射線現(xiàn)場掃描檢測技術可以診斷和消除故障、優(yōu)化操作條件和延長操作周期等，并且為煉油和化工企業(yè)指導生產(chǎn)提供重要數(shù)據(jù)或科學依據(jù)。 26 第四 章 基于 JX300X 的自控 系統(tǒng) 設計與選型 JX300X 系統(tǒng) 介紹 70 年代，大規(guī)模集成電路問世，微處理器（ MICROPROCESSORu P）的誕生，控制技術，顯示技術，計算機技術，通信技術（即所謂的 4C 技術）等的進一步發(fā)展，人們?yōu)槔^承常規(guī)模擬儀表和計算機控制系統(tǒng)的優(yōu)點，進一步提高控制系統(tǒng)安全性和可靠性，降低成本，開發(fā)研制以微處理器為基礎的新型控制系統(tǒng) 分散控制系統(tǒng) 分散型綜合控制系統(tǒng)（ Distributed Control System，簡稱 DCS）又稱為集散控制系統(tǒng)，它綜合了計算機技術，控制技術，通信技術和顯示技術，使控制系統(tǒng)結構進入了一個新階段。其結構特征 : ① 需適應惡劣的工業(yè)生產(chǎn)過程環(huán)境 分散過程控制裝置的一部分設備需安裝在現(xiàn)場所處的環(huán)境差，因此，要求分散過程控制裝置能適應環(huán)境的溫度， 濕度變化；適應電網(wǎng)電壓波動的變化；適應工業(yè)環(huán)境中獸王電磁干擾的影響；適應環(huán)境介質的影響。 ③實時性 分散過程控制裝置直接與過程進行聯(lián)系，為能準確反映過程參數(shù)的變化，它應具有實時性強的特點。在上一級設備出現(xiàn)故障或與上一級的通信失敗的情況下，它還能正常運行，從而也使過程控制和操作得以進行。 28 DCS 系統(tǒng)的特點 常規(guī)模擬儀表組成的過程控制系統(tǒng)與集中式計算機過程控制系統(tǒng)都有其固有的局限性。 （ 2）系統(tǒng)擴展靈活。 CRT 屏幕可將整個工廠的生產(chǎn)狀況，單元的數(shù)據(jù)及時、準確的展現(xiàn)在操作者面前；同時， CRT操作 站還能夠適應現(xiàn)代管理中對畫面和報表的各種要求，從而實現(xiàn)真正的集中操作和管理。集散系統(tǒng)各單元安裝在標準機框內(nèi)，模件之間采用多芯電纜，標準化接插件相連；現(xiàn)場與控制室之間只需 12 根屏蔽電纜進行數(shù)據(jù)通訊，布線量大大減少。 29 DCS 系統(tǒng)的傳輸媒介 網(wǎng)絡傳輸介質主要有軸電纜、雙紋線、光纖以及射頻等。光纖損耗低，傳輸距離遠，通信容量大，而且光纖抗電磁干擾能力強。對于總線型拓撲結構，一般采用雙紋線和同軸電纜，而不選用光纖。 DCS 通訊網(wǎng)絡 與普通局域網(wǎng)不同，工業(yè) LAN 對實時性要求比較高。 （ 2）保證在某一固定周期內(nèi)，通信網(wǎng)的各站均有機會取得通信權，以防個別站長時間得不到通信權而使其實時性降低。 OSI 標準協(xié)議共有七層，層數(shù)的增多會使有效傳輸率降低而影響實時性。因此應采取優(yōu)良的通信介質，如光導纖維等。美國 General Motons 公司以 ISO7 層模式為依據(jù)，從制造業(yè)自動化局部區(qū)域網(wǎng)絡的角度提出了 MAP 規(guī)程，得到了工業(yè) 31 控制領域的認可。目前，各主要 DCS 系統(tǒng)正在向 MAP 協(xié)議靠攏，以便真正走向開放，融合。 工程師站是為專業(yè)工程技術人員設計的， 內(nèi)裝有相應的組態(tài)平臺和系統(tǒng)維護工具。高性能工控機、卓越的流程圖機能、多 窗口畫面顯示功能可以方便地實現(xiàn)生產(chǎn)過程信息的集中顯示、 集中操作和集中管理。對于系統(tǒng)中重 要的公用部件，建議采用 100%冗余，如主控制卡、數(shù)據(jù)轉發(fā)卡和電源箱。中間層為 過程控制網(wǎng)，采用了雙高速冗余工業(yè)以太網(wǎng) SetⅡ作為其過程控制網(wǎng)絡，連接操作站、工程師站與控制站等，傳輸各種實時信息。每個 SC Ⅱ網(wǎng)理論上最多可帶 1024 個節(jié)點，最遠可達 10,000 米。 卡件機籠根據(jù)內(nèi)部所插卡件的型號分為兩類：主控制機籠（配置主控制卡）和 I/O 機籠（不配置主控制卡）。 系統(tǒng)的模擬量輸入（ AI）卡件采用了智能調理和先進的信號前端處理技術，由卡件上的微處理器控制，將信號調理和 A/D 轉換合二為一，使每塊模擬量輸入卡具有信號智能調理和處理的能力，提高了 I/O 卡件的可靠性、獨立性，同時也有助于功能擴展。 信號全部采用磁隔離或光電隔離技術，將干擾拒之于系統(tǒng)之外。 所有智能卡件通過先進的硬件設計和周密的軟件配合，都實現(xiàn)了帶電插拔的 35 功能，以滿足系統(tǒng)在運行過程中的維修需要。隨著計算機網(wǎng)絡通信技術的發(fā)展和市場的需求，大多數(shù) DCS 系統(tǒng)都以開放系統(tǒng)為標準來設計其通信系統(tǒng)。 （ 1）控制站硬件 控制站是系統(tǒng)中直接與現(xiàn)場打交道的 I/O 處理單元，完成整個工業(yè)過程的實時監(jiān)控功能。 JX— 300XP DCS 控制站以機籠為單位。 主控制卡必須插在機籠最左端的兩個槽位。 （ 2）操作站硬件 JX— 300XP DCS 操作站的硬件基本組成包括：工控 PC 機（ IPC）、彩色顯示器、鼠標、 SetⅡ網(wǎng)卡、專用操作員鍵盤、操作臺、打印機等。 37 圖 32 JX— 300XP DCS 系統(tǒng)網(wǎng)絡結構示意圖 — 300XP DCS 系統(tǒng)軟件 用于給 CS、 OS、 MFS 進行組態(tài)的專用軟件，包括： SCKey（系統(tǒng)組態(tài)）、 SCDiagnose（系統(tǒng)診斷）、 SCControl（圖形化組態(tài)）等工具軟件包，稱之為組態(tài)軟件包。該軟件包以 SCKey 系統(tǒng)組態(tài)軟件為核心，各 38 模塊彼此配合相互協(xié)調，共同構成了一個全面支持 JX— 300XP 系統(tǒng)結構及功能組態(tài)的軟件平臺。其中，報表制作部分在 SCForm 報表制作軟件中實現(xiàn)，實時運行部分與 AdvanTrol 監(jiān)控軟 件集成在一起。 39 自控系統(tǒng)設備選型 JX300X 系統(tǒng)軟硬件選型 系統(tǒng)現(xiàn)場儀表選型 在工業(yè)生產(chǎn)過程中，為了正確指導生產(chǎn)操作、保證 生產(chǎn)安全運行、提高產(chǎn)品質量和實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化，一項必不可少的工作是準確而及時地檢測出生產(chǎn)過程中的各個參數(shù)，例如壓力、流量、物位及溫度等。在生產(chǎn)過程中需要測量的參數(shù)是多種多樣的，相應的測量方法及儀表的結構原理也各不同，但從測量過程的結構原理也各不相同，但從測量過程的實質來看，都是將被測參數(shù)與其相應的測量單位進行比較的過程，而測量儀表就是實現(xiàn)這種比 較的工具。