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        精細(xì)化工生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

        2016-04-22 12:20:32楊南
        工業(yè)設(shè)計(jì) 2016年3期
        關(guān)鍵詞:生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        楊南

        化工部長沙設(shè)計(jì)研究院 ,湖南長沙,410116

        精細(xì)化工生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

        楊南

        化工部長沙設(shè)計(jì)研究院 ,湖南長沙,410116

        隨著我國工業(yè)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展,工業(yè)生產(chǎn)活動對化工產(chǎn)品的需求量越來越大,化學(xué)產(chǎn)業(yè)占我國國民經(jīng)濟(jì)的比重也逐年升高。傳統(tǒng)的化學(xué)生產(chǎn)模式產(chǎn)量小,且產(chǎn)品質(zhì)量較差,只能生產(chǎn)工藝簡單的產(chǎn)品,已經(jīng)難以滿足我國工業(yè)生產(chǎn)需求。精細(xì)化工可以有效解決上述問題,但我國的精細(xì)化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展比較滯后,精細(xì)化工產(chǎn)業(yè)的自動化、智能化水平較低,目前市場要求化學(xué)產(chǎn)業(yè)可以實(shí)現(xiàn)多位間歇批量生產(chǎn),需要化學(xué)生產(chǎn)過程的柔性更高,但國內(nèi)很多企業(yè)仍然停留在局部檢測的水平,導(dǎo)致化工生產(chǎn)效率與質(zhì)量均不高,而且難以保證化工生產(chǎn)的安全性。本文將深入研究我國精細(xì)化工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀,并提出精細(xì)化工生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)的構(gòu)建方案,為我國精細(xì)化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供參考。

        精細(xì)化工;生產(chǎn)過程;控制系統(tǒng);構(gòu)建;設(shè)計(jì)

        目前,我國現(xiàn)有的化工產(chǎn)業(yè)仍然停留在比較原始的生產(chǎn)模式,很多企業(yè)仍然沒有實(shí)現(xiàn)自動化、智能化生產(chǎn)模式,嚴(yán)重制約了我國化學(xué)產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。精細(xì)化工具備較高的生產(chǎn)效率,同時(shí)可以最大限度的提高化學(xué)產(chǎn)品的質(zhì)量,精細(xì)化工可以有效保證生產(chǎn)過程安全性,降低化學(xué)生產(chǎn)過程風(fēng)險(xiǎn)。精細(xì)化工不僅僅需要化工工藝的支持,還需要控制系統(tǒng)的支持,將自動化控制系統(tǒng)應(yīng)用于精細(xì)化工生產(chǎn)中,可以有效降低化工生產(chǎn)的人力成本。精細(xì)化工具備傳統(tǒng)化工生產(chǎn)模式難以比較的優(yōu)勢,精細(xì)化工生產(chǎn)模式將是我國化工產(chǎn)業(yè)未來數(shù)十年的發(fā)展趨勢,而精細(xì)化工過程控制系統(tǒng)將是我國精細(xì)化工產(chǎn)業(yè)的必然選擇,下面將詳細(xì)闡述精細(xì)化工的概念以及我國精細(xì)化工產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀。

        1 精細(xì)化工簡介

        精細(xì)化工產(chǎn)業(yè)的主要產(chǎn)品是精細(xì)化學(xué)品,精細(xì)化工產(chǎn)業(yè)是工業(yè)領(lǐng)域中的新興領(lǐng)域,同時(shí)也為新材料制造提供了解決方案,精細(xì)化工產(chǎn)業(yè)涉及的產(chǎn)品很多,而且這些產(chǎn)品的附加值較高,已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種高新領(lǐng)域,比如激光制導(dǎo)武器中的稀土產(chǎn)品、高像素?cái)z像頭、電子工業(yè)產(chǎn)品中的貼片式元件等,精細(xì)化工產(chǎn)業(yè)與傳統(tǒng)應(yīng)用型產(chǎn)業(yè)具備一定差異性,傳統(tǒng)工業(yè)產(chǎn)業(yè),如機(jī)械等都具備接觸的產(chǎn)品,但精細(xì)化工的產(chǎn)品一般不會直接供應(yīng)給消費(fèi)者,而是應(yīng)用于其他工業(yè)生產(chǎn),為其他工業(yè)生產(chǎn)提供原料,精細(xì)化工率已經(jīng)成為衡量國家工業(yè)水平的重要指標(biāo)。

        2010年以來,全球精細(xì)化工產(chǎn)業(yè)的年均增長率超過6%,全球精細(xì)化工產(chǎn)品種類10萬種,而且西方發(fā)達(dá)國家的精細(xì)化工產(chǎn)業(yè)占化工產(chǎn)業(yè)比重60%以上,美國的精細(xì)化工產(chǎn)品年均銷售額已經(jīng)突破1250億美元。目前,我國精細(xì)化工產(chǎn)品的生產(chǎn)率較低,且精細(xì)化工率僅僅35%,另外,現(xiàn)有的很多精細(xì)化工企業(yè)都屬于中外合資,但我國精細(xì)化工產(chǎn)業(yè)的市場競爭越來越強(qiáng),我國精細(xì)化工產(chǎn)業(yè)的時(shí)長潛力十分巨大。我國已經(jīng)具備25個(gè)門類的精細(xì)化工產(chǎn)品,全國精細(xì)化工產(chǎn)品總值超過1500億元,國家已經(jīng)在逐步加大精細(xì)化工產(chǎn)業(yè)的投入。

        2 精細(xì)化工生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)框架

        2.1 工藝分析

        本次研究的精細(xì)化工生產(chǎn)線的重點(diǎn)是反應(yīng)釜,反應(yīng)釜廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域,包括化肥、石油、醫(yī)藥、食品等,其主要作用是完成氫化、存儲、蒸餾、中和、水解、結(jié)晶等,精細(xì)化工的反應(yīng)釜必須實(shí)現(xiàn)全自動化進(jìn)料、出料、反應(yīng)、指標(biāo)控制等,反應(yīng)釜的主要結(jié)構(gòu)包括電機(jī)、減速機(jī)、內(nèi)盤管、夾套、攪拌槳、放料閥、加熱管等。本次研究的項(xiàng)目是某公司的精細(xì)化工中間體生產(chǎn)線,該生產(chǎn)線共包括13個(gè)反應(yīng)釜,根據(jù)生產(chǎn)工藝可以將生產(chǎn)線分為三個(gè)部分包括配液、反應(yīng)以及后處理,而且這三段工藝分別涉及了三個(gè)反應(yīng)釜,配液是為生產(chǎn)過程提供液體物料,反應(yīng)工業(yè)流程的工藝最復(fù)雜,需要控制的指標(biāo)很多,后處理流程將對反應(yīng)釜的水相中萃取回收有機(jī)物。

        圖1 精細(xì)化工生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)的框架圖

        2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是以精細(xì)化工生產(chǎn)過程控制為基礎(chǔ),且本次生產(chǎn)的原料比較貴重,需要嚴(yán)格控制溫度,而且生產(chǎn)過程不能終止,否則會造成原料浪費(fèi),可能造成產(chǎn)品不良率上升,除此之外,反應(yīng)釜壓力也是一項(xiàng)十分重要的指標(biāo),如果反應(yīng)釜的壓力過高,將直接導(dǎo)致反應(yīng)釜出現(xiàn)泄露,甚至威脅生產(chǎn)安全,因此,本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)必須具備較高的可靠性與容錯(cuò)性。本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)基于全自動化集成設(shè)計(jì)的思路,本系統(tǒng)的核心是S7-400H冗余系統(tǒng),并將WinCC作為系統(tǒng)的操作監(jiān)控終端。S7-400H冗余系統(tǒng)實(shí)際分為兩個(gè)子系統(tǒng),每個(gè)子系統(tǒng)均具備獨(dú)立中央控制器UR1/UR2,另外每個(gè)系統(tǒng)均具備一塊容錯(cuò)功能的CPU以及一塊PS407電源模塊,本系統(tǒng)采用了過程控制原理,控制人員在中控室利用控制終端進(jìn)行現(xiàn)場控制,系統(tǒng)的控制方式為S7-400H工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)。圖1為精細(xì)化工生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)的框架。

        3 系統(tǒng)各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)

        3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

        本系統(tǒng)使用的控制器為過程控制單元,屬于典型的集散型控制系統(tǒng),本次設(shè)計(jì)選用的控制器為CPU 414-5H PN/DP,CPU具備2MB的代碼與2MB的數(shù)據(jù)內(nèi)存,CPU具備容錯(cuò)冗余安全功能。系統(tǒng)的總線模塊為IM153-2,該模塊一共具備12個(gè)I/O接口,系統(tǒng)的通訊模塊主要負(fù)責(zé)連接現(xiàn)場終端,本次設(shè)計(jì)采用ET200M分布式I/O模塊,屬于S7-300系列,系統(tǒng)的質(zhì)量流量計(jì)輸出為兩路脈沖信號,一組為質(zhì)量脈沖信號,控制精度為1/2400Kg,另一組為簡單的數(shù)字量輸入模塊,系統(tǒng)的電源采用了10A的PS407模塊。除了上述系統(tǒng)直接硬件設(shè)計(jì)外,還需要對系統(tǒng)的遠(yuǎn)程操作終端進(jìn)行設(shè)計(jì),本系統(tǒng)的終端機(jī)以IPC-510為基礎(chǔ),同時(shí)需要對終端進(jìn)行防沖擊、防腐蝕、防磁等設(shè)計(jì),系統(tǒng)的人機(jī)交互模塊均采用TP1200觸摸屏。

        3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

        本次設(shè)計(jì)采用的軟件編程系統(tǒng)為Step7,該軟件包是一種用于SIMATIC可編程邏輯控制器的組態(tài)軟件系統(tǒng),已有的Step7系統(tǒng)包括了兩個(gè)版本,一種屬于簡化單機(jī)程序系統(tǒng),包括STEP 7 Micro/DOS和STEP 7 Micro/Win,另一種屬于標(biāo)準(zhǔn)軟件包,包括STEP 7 等。本系統(tǒng)采用的編程系統(tǒng)為STEP 7 V5.5+SP2+HF1 Chinese,該系統(tǒng)的大部分模塊已經(jīng)漢化。本系統(tǒng)的軟件為S7 Graph順序控制程序。除了系統(tǒng)的主控制模塊設(shè)計(jì)之外,還需要對系統(tǒng)的各個(gè)子單元進(jìn)行設(shè)計(jì),包括氣動開關(guān)閥程序設(shè)計(jì)、模擬量采集程序設(shè)計(jì)、電機(jī)控制程序設(shè)計(jì)、智能空壓介質(zhì)控制設(shè)計(jì)以及水與有機(jī)相的分離程序設(shè)計(jì),除了上述程序模塊設(shè)計(jì)外,還需要重點(diǎn)對反應(yīng)度的溫度進(jìn)行控制,控制的基礎(chǔ)為PID閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。

        3.3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

        精細(xì)化工生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)的通信方式采用了S7-400H冗余配置,因此系統(tǒng)中的S7-400H與S7-300之間的通訊必須為容錯(cuò)連接模式,而SIMATIC 工業(yè)以太網(wǎng)本身就提供了容錯(cuò)連接方式,但這種連接僅僅局限在上位機(jī)與S7-400H之間,向S7-400H與S7-300之間增加Y-LINE,可以實(shí)現(xiàn)冗余連接,另外,S7-400H與S7-300之間的冗余連接采用了PROFIBUS-DP通訊協(xié)議,PROFIBUS-DP通訊協(xié)議屬于典型的開放式現(xiàn)場總線,其傳輸速度可以靈活選擇9.6KB-12MB之間的任一頻道,在使用前需要將總線上的通訊速度調(diào)節(jié)為一致,PROFIBUS-DP通訊總線的自動化程度較高,PROFIBUS-通訊協(xié)議主要分為三個(gè)部分包括PROFIBUS-DP、PROFIBUS-A以及PROFIBUS-FMS。

        4 結(jié)語

        精細(xì)化工生產(chǎn)模式具備傳統(tǒng)化工生產(chǎn)模式難以比較的優(yōu)勢,精細(xì)化工過程控制系統(tǒng)可以有效提高化工生產(chǎn)效率,保證化工產(chǎn)品的質(zhì)量,降低化工生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)。本文結(jié)合某產(chǎn)線實(shí)際建設(shè)情況,深入探究了精細(xì)化工過程的工藝與控制要點(diǎn),最終確定了基于全自動化集成設(shè)計(jì)的思路,本系統(tǒng)的核心是S7-400H冗余系統(tǒng),并將WinCC作為系統(tǒng)的操作監(jiān)控終端。本文結(jié)合化工生產(chǎn)的特定與工藝流程,確定了系統(tǒng)的總體硬件與軟件設(shè)計(jì)方案,系統(tǒng)對化工生產(chǎn)過程的關(guān)鍵步驟進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,監(jiān)控的內(nèi)容包括水和有機(jī)相分離的問題以及壓空介質(zhì)問題等,除此之外,本文深入研究了反應(yīng)釜的溫度控制問題,根據(jù)反饋的數(shù)據(jù)可以看出,本系統(tǒng)設(shè)計(jì)已經(jīng)具備較好的使用效果,最后對系統(tǒng)的界面以及網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)計(jì),希望本文的研究有利于推動我國精細(xì)化工產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。

        [1]王靜,李鐘琦.PROFINET技術(shù)在廣東清遠(yuǎn)抽水蓄能電站的應(yīng)用[J].中國儀器儀表.2013(09):46-48.

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