【正文】 39 自控系統(tǒng)設(shè)備選型 JX300X 系統(tǒng)軟硬件選型 系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)儀表選型 在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，為了正確指導(dǎo)生產(chǎn)操作、保證 生產(chǎn)安全運(yùn)行、提高產(chǎn)品質(zhì)量和實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化，一項(xiàng)必不可少的工作是準(zhǔn)確而及時(shí)地檢測(cè)出生產(chǎn)過(guò)程中的各個(gè)參數(shù)，例如壓力、流量、物位及溫度等。 （ 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(jī)（ IPC）、彩色顯示器、鼠標(biāo)、 SetⅡ網(wǎng)卡、專用操作員鍵盤(pán)、操作臺(tái)、打印機(jī)等。隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展和市場(chǎng)的需求，大多數(shù) DCS 系統(tǒng)都以開(kāi)放系統(tǒng)為標(biāo)準(zhǔn)來(lái)設(shè)計(jì)其通信系統(tǒng)。 卡件機(jī)籠根據(jù)內(nèi)部所插卡件的型號(hào)分為兩類：主控制機(jī)籠（配置主控制卡）和 I/O 機(jī)籠（不配置主控制卡）。高性能工控機(jī)、卓越的流程圖機(jī)能、多 窗口畫(huà)面顯示功能可以方便地實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程信息的集中顯示、 集中操作和集中管理。因此應(yīng)采取優(yōu)良的通信介質(zhì)，如光導(dǎo)纖維等。對(duì)于總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，一般采用雙紋線和同軸電纜，而不選用光纖。 CRT 屏幕可將整個(gè)工廠的生產(chǎn)狀況，單元的數(shù)據(jù)及時(shí)、準(zhǔn)確的展現(xiàn)在操作者面前；同時(shí)， CRT操作 站還能夠適應(yīng)現(xiàn)代管理中對(duì)畫(huà)面和報(bào)表的各種要求，從而實(shí)現(xiàn)真正的集中操作和管理。 ③實(shí)時(shí)性 分散過(guò)程控制裝置直接與過(guò)程進(jìn)行聯(lián)系，為能準(zhǔn)確反映過(guò)程參數(shù)的變化，它應(yīng)具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)的特點(diǎn)。 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?yàn)榛亓鞅鹊脑黾?，意味著塔板上蓄液量的增加?？刂葡到y(tǒng)改造中，采用前饋，大純滯后補(bǔ)償及直接質(zhì)量反饋控制等先進(jìn)控制技術(shù)，克 服了進(jìn) 料擾動(dòng)，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。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]。這時(shí)塔頂（塔底）溫度實(shí)際上起參比作用，壓力變化對(duì)兩點(diǎn)溫度都有相同影響，相減之后其壓力波動(dòng)的影響就基本抵消。 2）當(dāng)干擾首先進(jìn)入精餾段時(shí)，例如在汽車相進(jìn)料時(shí)，進(jìn)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(shí)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)比較迅速。 提餾段參數(shù)控制 當(dāng)塔底液為主要產(chǎn)品時(shí)，常采用提餾段溫度作為衡量質(zhì)量的間接指標(biāo)，這時(shí)可選提餾段某點(diǎn)溫度作為被控參數(shù)，以再沸器加熱蒸氣流量為控制變量。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(huì)使產(chǎn)品的回收率迅速下降。 在多元組分精餾中，情況較復(fù)雜，一般僅控制關(guān)鍵組分。 ZF 的變化 進(jìn)料成分 ZF 是由上一道工序出料或原料情況決定的，對(duì)圖 所示的精餾塔來(lái)講，它是不可控的擾動(dòng)因數(shù)?？刂扑?nèi)壓力穩(wěn)定也是精餾塔平穩(wěn)運(yùn)行所必須的。它技術(shù)更新快，應(yīng)用時(shí)要考慮控制系統(tǒng)在技術(shù)上是否成熟 ，是否已有在多個(gè)行業(yè)、多個(gè)用戶中成功的使用先例。其具有較長(zhǎng)死時(shí)延滯、 2 相互關(guān)聯(lián)的多變量系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)特性分析復(fù)雜并困難，難以進(jìn)行變量配對(duì)，約束條件復(fù)雜等特點(diǎn)，使其成為過(guò)程控制界多年來(lái)理論研究和實(shí)踐的焦點(diǎn)。 batch distillation system。 batch distillation system。 精餾塔控制 的研究現(xiàn)狀 精餾是化工中首選的分離過(guò)程，雖然有許多優(yōu)點(diǎn)，但是能耗特別大，為節(jié)能，國(guó)內(nèi)外已研制出一些節(jié)能型耦合精餾塔：像反應(yīng)與精餾耦合的塔。據(jù)專家們估計(jì)，當(dāng)前我國(guó)企業(yè)對(duì) DCS 的應(yīng)用能力普遍不及它的 30％。 (2)保證平穩(wěn)生產(chǎn) 為了保證精餾塔的平穩(wěn)運(yùn)行，應(yīng)設(shè)法預(yù)先克服原料進(jìn)塔之前的主要可控干擾，同時(shí)盡可能 減緩不可控的擾動(dòng)。 7 圖 精餾塔物料流程圖 F 的波動(dòng) 進(jìn)料量 F 的波動(dòng) 通常是難免的，如 果精餾塔位于整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的起點(diǎn)，則以采用定值控制。 精餾塔的控制目標(biāo) 質(zhì)量指標(biāo) 精餾操作的目的是將混合液中各組分分離為產(chǎn)品，因此產(chǎn)品的質(zhì)量指標(biāo)必須符合規(guī)定的要求。數(shù)學(xué)上組分 i 的回收率定義為 ： Ri=P/Fzi 式中， P 為產(chǎn)品產(chǎn)量 ； F 為進(jìn)料流量； Zi 為進(jìn)料組分 i 的濃度 。圖 為精餾塔裝置的工藝流程。其中，進(jìn)料量、塔壓、塔底采出量與塔頂餾出液的控制方案與提餾段溫控時(shí)相同；再沸器加熱量應(yīng)足夠大，且維持一定，可以使精餾塔在最大負(fù)荷時(shí)，仍能保證塔底產(chǎn)品的質(zhì)量指標(biāo)穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)。為了消除壓力波動(dòng)的影響，可以檢測(cè)塔頂（或塔底）附近的一塊塔板的溫度，再檢測(cè)靈敏板的溫度。乙烯精餾塔工藝流程圖如圖 所示，進(jìn)料流量為 20 t／ h 左右，進(jìn)料組分中含乙烯 (C2 H4)80%左右，乙烷 18%左右，其余還有少量的 H CO CO、 C3H、 CH C2H2 等氣體，自塔板泡點(diǎn)進(jìn)入塔內(nèi)，經(jīng)氣液交換分離后自塔頂出來(lái)的是含少量雜質(zhì)的乙烯氣體，經(jīng) 40℃ 的丙烯冷媒冷凝后作為回流，不凝氣體部分定量返回到壓縮工段， 20 回流液從第一塊塔板返回塔內(nèi)。乙烯精餾塔是精細(xì)分離塔，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量要求嚴(yán)格，產(chǎn)品不合格將造成很大的經(jīng)濟(jì)損失。由于組分要達(dá)到靜態(tài)平衡 需要很長(zhǎng)時(shí)間，因此盡管上升蒸汽量變化可以很快影響到塔頂組分濃度，但要使塔頂組分濃度變化達(dá)到一個(gè)新的平衡仍需花 24 費(fèi)相當(dāng)常的時(shí)間。 ②分散控制 分散過(guò)程控制裝置體現(xiàn)了控制分散的系統(tǒng)構(gòu)成。集散系統(tǒng)多采用模塊式結(jié)構(gòu)，可以靈活地組建單回路、多回路、大、中、小等各類系統(tǒng)。應(yīng)該說(shuō)，光纖是工業(yè)控制通信網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要的發(fā)展趨勢(shì)。因此，工業(yè) LAN 采用的通信協(xié)議一般應(yīng)該分層少且使用簡(jiǎn)化與壓縮型通信協(xié)議。通過(guò)系統(tǒng)組態(tài)平臺(tái)生成適合于生產(chǎn)工藝要求的應(yīng)用系統(tǒng)，具體功能包括：系統(tǒng)生成、數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)定義、操 作組態(tài)、流程圖畫(huà)面組態(tài)、報(bào)表程序編制等。目前已實(shí)現(xiàn)的 1 個(gè)控制區(qū)域包括 15個(gè)控制站、 32 個(gè)操作站或工程師站，總?cè)萘? 15360 點(diǎn)。 — 300XP DCS 系統(tǒng) 設(shè)計(jì) DCS系統(tǒng)是硬件、系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件三部分的有機(jī)結(jié)合體。在一個(gè)控制站內(nèi)，主控制卡通過(guò)SBUS 網(wǎng)絡(luò)可以掛接 8個(gè) I/O 或遠(yuǎn)程 I/O 單元（即 8個(gè)機(jī)籠）。 （ 3）流程圖制作軟件 流程圖制作軟件 SCDraw 是基于 Windows NT 操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的全中文界面的繪圖工具軟件，具有良好的用戶界面。當(dāng)傳感器的輸出單元組合儀表中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)時(shí)，通常稱為變送器。JX— 300XP DCS 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如下圖 32所示。主要有 DCS 系統(tǒng)與上位計(jì)算機(jī)的接口，與氣相工業(yè)色譜的接口及與可編程控制器的接口。 系統(tǒng)的每一塊卡件均帶有專用的微處理器，負(fù)責(zé)該卡件的控制、檢測(cè)、運(yùn)算、 處理及故障診斷等，提高了每塊卡件的自洽性，使系統(tǒng)的可靠性和安全性成倍上升。在同一系統(tǒng)中，任何信號(hào)均可按冗余或不冗余連接，詳見(jiàn)卡件描述。 目前， IEEE802 已被國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織推薦為局域網(wǎng)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，并定名為ISODP8802/X，但在實(shí)際的應(yīng)用中，各 DCS 廠家仍然采用不同的 802 通訊標(biāo)準(zhǔn)和不同的操作系統(tǒng)，實(shí)際上并沒(méi)有真正的開(kāi)放。因此，近年來(lái)，無(wú)線 DCS 越來(lái)越受到人們的重視。 （ 5）安裝調(diào)試簡(jiǎn)單。 ④獨(dú)立性 相對(duì)于集散控制系統(tǒng)，分 散過(guò)程裝置具有較強(qiáng)的獨(dú)立性。 精餾塔的故障情況，其主要故障有塔板效率低、塔底溫度低、回流溫度高和液泛等。但由于本乙烯精餾塔半徑大 ,塔釜高度小 ,如果象一般精餾塔那樣把液位控制在 70%~80%,當(dāng)液位降低時(shí) ,會(huì)出現(xiàn)液位失控的情況 ,所以本塔液位一般控制在滿液位。1 個(gè)用于回收不凝氣中乙烯的冷凝器和 2 個(gè)塔頂冷凝器 ,從乙烯精餾塔塔頂出來(lái)的氣體經(jīng)冷凝器冷凝后 ,液相作為回流 ,少量不凝氣返回裂解氣壓 22 縮機(jī)。在這種情況下，可以采用如圖 所示的雙溫差控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)高純度精餾產(chǎn) 品的質(zhì)量控制。 以精餾段溫度作為衡量質(zhì)量指標(biāo)的間接被控參數(shù)，當(dāng)分離的產(chǎn)品純度較高時(shí)，塔底溫度變化很小。為了抑制其他干擾對(duì)被控參數(shù)的影響，還沒(méi)有五個(gè)輔助控制系統(tǒng)：對(duì)塔頂餾出液 QD 和塔底采出量 QW，案物料平衡關(guān)系分別設(shè)有 回流量和塔底液位控制系統(tǒng)；為保持進(jìn)料量 F 穩(wěn)定， F 進(jìn)行定植控制，如不可控，可在上道工序采用均勻控制以維持 F 平衡變化；為維持塔內(nèi)壓力恒定，在塔頂設(shè)置壓力控制系統(tǒng)，控制變量一般為冷凝器的冷卻劑流量；塔頂回流量 QL 采用定植控制，而且回流量應(yīng)足夠大，以便當(dāng)精餾塔的負(fù)荷最大時(shí)，仍能保持塔頂產(chǎn)品的質(zhì)量指標(biāo)在規(guī)定的范圍內(nèi) [7]。然而，當(dāng) V/F 增加到一定程度以后，再進(jìn)一步增加 V/F 所得到的效果就不顯著了。以石油裂解氣分離中的脫乙烷塔為例，他的目的是把來(lái)自脫甲烷塔底部分產(chǎn)品作為進(jìn)料加以分離，將乙烷和更輕的組分從底部分離出來(lái)，比乙烷重的組分從塔底分離出來(lái)，這時(shí)，顯然乙烷是輕關(guān)鍵組分，丙烯則是重關(guān)鍵組 分。為了保持精餾塔的進(jìn)料熱焓值恒定，必要時(shí)可通過(guò)熱焓控制來(lái)維持進(jìn)料熱能恒定。精餾塔本身還有最高壓力限制，當(dāng)塔內(nèi)壓力超過(guò)其耐壓極限時(shí)，容器的安全就沒(méi)有保障。此外， DCS 提供了強(qiáng)大的運(yùn)算和控制功能，如 TDC3000 系統(tǒng)提供了流量累積、溫壓補(bǔ)償?shù)仁畮追N算法功能，以及 PID 控制、比率控制等十幾種控制功能。 80 至 90 年代，大型生產(chǎn)裝置則采用集散型控制系統(tǒng) (DCS)。 參考文獻(xiàn) ........................................................................................................................... 81 謝 辭 .............................................................................................................................. 83 附錄 1 精餾塔控制的硬件部件及其名稱清單 ...................................................... 84 附錄 2 精餾塔控制的相對(duì)應(yīng)的 I/O接口 ............................................................. 85 附錄 3 精餾塔的配置和硬件清單 ......................................................................... 87 附錄 4 精餾塔控制的所需儀表 ............................................................................ 88 1 第一章 緒 論 精餾塔控制的研究 背景及意義 精餾操作是煉油、化工生產(chǎn)過(guò)程中的一個(gè)十分重要的環(huán)節(jié)。 由于 DCS 組態(tài)控制靈活、接口功能豐富、參數(shù)設(shè)置方便，操作界面直觀，將在乙烯精餾裝置中得到廣泛應(yīng)用。但在實(shí)際生產(chǎn)中，為了保證產(chǎn)品合格，精餾裝置 操作往往偏于保守，操作方法以及操作參數(shù)設(shè)置往往欠合理，過(guò)分離普遍存在 。 (2)考慮精餾塔節(jié)能 ， 應(yīng)用先進(jìn)控制策略控制精餾塔。為此，應(yīng)以塔頂或塔底一種產(chǎn)品的純度作為質(zhì)量參數(shù)進(jìn)行控制，這樣的控制系統(tǒng)稱為質(zhì)量 控制系統(tǒng)。進(jìn)料 F 從精餾塔中段某一塔板進(jìn)入塔內(nèi)，這塊塔板就稱為進(jìn)料板。內(nèi)回流控制，是指在精餾過(guò)程中，控制內(nèi)回流為恒定量或按某一規(guī)律變化。此外，塔的附屬設(shè)備及管線也要散失一定的熱量和冷量。至于在質(zhì)量指標(biāo)一定的前提下，使單位產(chǎn)品產(chǎn)量的能量消耗最低消耗或單位產(chǎn)品量的成本最低以及使綜合經(jīng)濟(jì)效益最大等，均是屬于不同目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)控制問(wèn)題。精餾段溫度控制方案可保證塔頂產(chǎn)品的純度，當(dāng)干擾不很大時(shí)，塔底產(chǎn)品的純度變化范圍也不大 [8]。這時(shí)常用溫差控制系統(tǒng)，采用溫差作為衡量精餾產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)的間接參數(shù)，以提高控制質(zhì) 量，滿足工藝要求 [10]。 乙烯精餾塔裝置的控制方案 乙烯精餾過(guò)程是傳質(zhì)、傳熱的復(fù)雜過(guò)程，各變量之間互相關(guān)聯(lián)、耦合，系統(tǒng)存在時(shí)滯性、非線性等特性，因此是一個(gè)工藝機(jī)理復(fù)雜，控制難度較大的過(guò)程。 乙烯 精餾塔的操作和控制水平直接關(guān)系到乙烯產(chǎn)品的質(zhì)量、收率和能量消耗。由于上升蒸汽只需克服塔板上級(jí)薄覆蓋的液相阻力，而塔內(nèi)汽相蓄存量的變化在塔壓控制一定時(shí)可忽略不計(jì)，因此上升蒸汽量的變化幾秒鐘內(nèi)就可以影響到塔頂。 JX300X 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) DCS 系統(tǒng)的基本組成 集散控制系統(tǒng)的產(chǎn)品眾多，但從系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析，都是由三部分組成，即分散過(guò)程控制裝置部分，操作管理裝置部分以及通信系統(tǒng)部分組成。 （ 1）控制 功能完善。同軸電纜目前主要應(yīng)用在環(huán)形和總線型網(wǎng)絡(luò)中，其成本中等。 （ 3）既可以采取靜態(tài)方式賦予某些站較高的優(yōu)先權(quán)，也可以采取動(dòng)態(tài)的方式臨時(shí)賦予某此通信任務(wù)以較高的優(yōu)先權(quán)，以滿足各個(gè)站對(duì)實(shí)時(shí)性的不同要求。結(jié)構(gòu)靈活、功能完善的新型開(kāi)放式集散控制系統(tǒng)。 ① 系統(tǒng)規(guī)模 過(guò)程控制網(wǎng)絡(luò) SC Ⅱ連接系統(tǒng)的工程師站、 操作站和控制站， 完成站與站之間數(shù)據(jù)交換。 為抑制交流電源噪聲干擾系統(tǒng)正常工作，安裝了電源低通濾波器，并采用帶屏蔽層 的變壓器，使控制站與其他的供電電路相隔離?？C(jī)籠根據(jù)內(nèi)部所插卡件的型號(hào)分為兩類：主控制機(jī)籠和 I/O 機(jī)籠。 幾種組態(tài)軟件的功能介紹： （ 1）基本組態(tài)軟件 SCKey 系統(tǒng)基本組態(tài)指完成對(duì)系