范宇，顧幸生

(華東理工大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200237)

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基于PCS7的新戊二醇生產(chǎn)控制系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

范宇，顧幸生

(華東理工大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200237)

摘要：針對新戊二醇生產(chǎn)控制系統(tǒng)的功能需求，采用SIMATIC PCS7系統(tǒng)完成了DCS的硬件組態(tài)、網(wǎng)絡(luò)配置以及軟件程序設(shè)計，使用WINCC軟件設(shè)計上位機監(jiān)控界面。在介紹新戊二醇生產(chǎn)工藝的基礎(chǔ)上，設(shè)計了過程控制系統(tǒng)，重點實現(xiàn)了脫硫單元氨氣流量控制的雙回路切換?；芈非袚Q體現(xiàn)了程序的靈活性，使過程控制更加高效。該系統(tǒng)安全性好、運行穩(wěn)定、易于操作管理，在保證生產(chǎn)安全及穩(wěn)定性的前提下，可提高新戊二醇的產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)能力。

關(guān)鍵詞：組態(tài)新戊二醇網(wǎng)絡(luò)配置回路切換CFC程序設(shè)計

新戊二醇(NPG)是重要的化工原料之一，可廣泛應(yīng)用于汽車、塑料、醫(yī)藥、涂料、紡織和石油等各種領(lǐng)域，其生產(chǎn)過程需要一套先進可靠的自動控制系統(tǒng)作為支撐[1]。新戊二醇生產(chǎn)方法分為甲酸鈉法和加氫法，該項目采用加氫工藝，在弱堿性條件下催化縮合, 再在中壓或高壓下進行催化加氫反應(yīng), 將羥基新戊醛還原為新戊二醇[2]。生產(chǎn)過程包括合成、加氫、蒸餾、裝車、能量回收工段，對生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)有很高的要求。目前國內(nèi)針對加氫法生產(chǎn)新戊二醇的過程控制系統(tǒng)應(yīng)用案例比較少，縮合加氫工藝是在中、高壓下的氣-液-固三相反應(yīng), 故對設(shè)備(如加氫釜)的溫度、壓力、液位、流量等控制要求較精準[3]。

南京揚子石化巴斯夫新建一條新戊二醇生產(chǎn)線，采用PCS7作為控制系統(tǒng)，實現(xiàn)生產(chǎn)控制系統(tǒng)和信息管理系統(tǒng)全方位一體化，新戊二醇生產(chǎn)工序多且每一步聯(lián)系緊密，使用PCS7控制使DCS與SIS良好集成在一起，通過SIS實現(xiàn)生產(chǎn)過程緊急停車，系統(tǒng)安全性好，回路切換體現(xiàn)了程序的靈活性，使過程控制更加高效。在保證生產(chǎn)安全及穩(wěn)定性的前提下，該系統(tǒng)可以提高新戊二醇的產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)能力。

1控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

新戊二醇生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)的監(jiān)測、控制、報警和聯(lián)鎖功能在DCS中實現(xiàn)?？刂葡到y(tǒng)主要包括： 自動化站、工程師站、操作員站、通信網(wǎng)絡(luò)和軟件等。系統(tǒng)包括以下設(shè)備和軟件：

1) 1對冗余控制器417-5H和相關(guān)I/O卡件。大部分I/O卡件采用本質(zhì)安全型卡件ET200iSP，其余少數(shù)卡件采用非本質(zhì)安全型卡件ET200M。ET200iSP和ET200M與自動化站通過冗余總線Profibus-DP連接。PCS7自動化站包括模塊式機架、電源(PS)、中心控制單元(CPU)、工廠總線通信處理器(以太網(wǎng)通信卡)、現(xiàn)場總線通信處理器(Profibus-DP通信卡)、輸入和輸出模塊。通過工廠總線，程序可從工程師站(ES)下載至CPU，并由它執(zhí)行。通過CPU內(nèi)部Profibus-DP接口或者Profibus-DP串行通信處理器，可以實現(xiàn)與現(xiàn)場儀表進行通信。

2) 3個操作員站(OS)和1對冗余操作員站服務(wù)器。操作員站位于控制室，用于操作員的操作，服務(wù)器承擔(dān)管理、維護和歸檔功能。操作員站的組態(tài)在工程師站上完成后，將會被下載到相應(yīng)服務(wù)器。操作員站不能直接訪問控制器，只能通過ServerData訪問OS服務(wù)器上的項目數(shù)據(jù)，也可以將操作員的指令傳遞給被指定的自動化站(AS)中的功能塊。2個OS服務(wù)器可以組成1對冗余的服務(wù)器，其中1個為主服務(wù)器，另1個為備用服務(wù)器。如果其中1個服務(wù)器出現(xiàn)了故障，則會自動從故障服務(wù)器切換至另1個正常運行的服務(wù)器。當(dāng)故障服務(wù)器修復(fù)并聯(lián)網(wǎng)后，冗余功能將執(zhí)行故障期間的歸檔同步操作。

3) 1個工程師站。PCS7項目主要是在工程師站上完成的，工程師站可以和自動化站與操作員站進行通信。工程師站擁有功能強大的組態(tài)工具，例如： SIMATIC管理器(SIMATIC Manager)、組件視圖(Component View)、工廠視圖(Plant View)、過程對象視圖(Process Object View)等。

4) PCS7V8.0 SP1+Update1軟件包和WINCC軟件。用于硬件組態(tài)、軟件設(shè)計(包括CFC和SFC功能圖設(shè)計)和上位機操作界面設(shè)計。

1.1網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

整個系統(tǒng)被劃分為3個網(wǎng)絡(luò)層級，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1) 現(xiàn)場總線層?？梢詫崿F(xiàn)現(xiàn)場信號監(jiān)視和輸出控制的功能。該項目采用Profibus-DP總線，實現(xiàn)高速低成本通信[4]。

2) 系統(tǒng)總線層。所有的AS，OS服務(wù)器，ES是通過系統(tǒng)總線相連的。

3) 終端總線層。所有的OS服務(wù)器和操作員站客戶機將通過終端總線相連。OS客戶機可以從OS服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)，操作員可以通過客戶機向AS發(fā)出指令。

圖1　網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意

PCS7控制系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計是整個項目的關(guān)鍵。網(wǎng)絡(luò)組態(tài)在NetPro中完成，可以根據(jù)設(shè)計好的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖以圖形化的形式顯示所有自動化站、操作員站、工程師站與總線之間的連接結(jié)構(gòu)。站與站之間、設(shè)備與設(shè)備之間通過現(xiàn)場總線Profibus或工業(yè)以太網(wǎng)連接[5]。

1.2硬件組態(tài)

PCS7硬件組態(tài)就是根據(jù)實際需要在組件視圖的HW Config中對相應(yīng)的硬件和FO模塊進行組態(tài)。由于使用1對冗余CPU，每個CPU應(yīng)單獨引1條Profibus-DP線，所有分布式I/0卡件將會掛在2條DP線上形成冗余。若在實際應(yīng)用中卡件上某一通道未被使用，應(yīng)在組態(tài)時屏蔽該通道，避免通道間的相互干擾。第三方設(shè)備無法直接通過DP總線與CPU進行通信，組態(tài)時使用專門的通信模塊CP341通過Modbus通信協(xié)議與第三方設(shè)備進行通信。

2軟件組態(tài)

2.1程序設(shè)計

PCS7擁有一套獨特的編程語言和專門的指令系統(tǒng)，通常采用面向控制、面向問題的自然語言編程。常用的編程語言有連續(xù)功能圖(CFC)、順序功能圖(SFC)、(SCL)等。

1) CFC負責(zé)處理自動化和控制功能。在CFC編輯器中，以圖形塊的形式表示控制功能，使用已制作好的具有特定功能的功能塊進行工作，將這些功能塊放置到圖中，進行管腳間的互聯(lián)，并設(shè)定參數(shù)[6]。使用CFC塊編程十分快捷，適用于一些有復(fù)雜功能的控制回路，當(dāng)程序出現(xiàn)邏輯上的錯誤時也容易查找。

2) SFC是一種組織程序的圖形方法，可以用來完成批量生產(chǎn)的順序動作。當(dāng)轉(zhuǎn)移條件滿足時執(zhí)行某步動作，并不涉及所描述功能的具體技術(shù)，它是完成PLC順序控制的有力工具，可以實現(xiàn)順序、分支、回路等結(jié)構(gòu)。同時，CFC塊可與SFC中的某一步相連。

3) SCL是一種Pascal類型的語言。遵循國際電工技術(shù)委員會IEC 61231.3，SCL語言適用于帶有復(fù)雜公式運算的編程，主要是利用SCL語言編寫一個特定的功能塊，然后在CFC中調(diào)用此塊，從而大幅減少編程的工作量。

2.2人機界面設(shè)計

采用WINCC進行上位機界面設(shè)計一般需要以下步驟：

1) 建立過程變量。程序設(shè)計完成之后，需要對所組態(tài)的OS進行全部編譯，此編譯能將程序里的過程變量上傳至WINCC變量管理器中，在變量管理器中建立相應(yīng)的驅(qū)動器連接并定義用于訪問PLC的過程變量。根據(jù)實際的需要，工程師還可以自定義若干個內(nèi)部變量。

2) 設(shè)計上位機監(jiān)控畫面。上位機監(jiān)控畫面是項目重要的組成部分。通過監(jiān)控畫面，用戶可以看到整個項目的工藝流程、管線走向、測量值、報警等關(guān)鍵信息。操作員可以通過監(jiān)控畫面進行參數(shù)設(shè)置、手自動切換、開車停車等重要操作。繪制時可以調(diào)用相關(guān)庫中的對象，如PID塊、模擬量輸入輸出塊、數(shù)字量輸入輸出塊、閥門、泵等，然后對這些對象進行動態(tài)鏈接。

3) 運行WINCC項目。上位機畫面制作完成后，還需設(shè)置畫面樹的分配、每張畫面所在層級及管理員的操作權(quán)限等。WINCC RUNTIME運行后，操作員可以在上位機上監(jiān)控生產(chǎn)現(xiàn)場的情況，進行啟停泵、開關(guān)閥門、控制PID等操作。具體報警參數(shù)等的修改需在關(guān)閉RUNTIME后進行。

3脫硝單元復(fù)雜控制回路設(shè)計

該化工廠采用加氫法生產(chǎn)新戊二醇。以異丁醛、甲醛為起始原料，經(jīng)堿性催化劑催化縮合生成中間體2，2-二甲基-3-羥基丙醛(HPA)，再還原為新戊二醇。還原采用加氫法生產(chǎn)工藝，在中壓或高壓下催化加氫, 將羥基新戊醛還原成新戊二醇[7]。為了滿足環(huán)保要求，實現(xiàn)節(jié)能減排的目的，新戊二醇生產(chǎn)線增加了能量回收單元。將廢氣分別經(jīng)過焚燒爐和鍋爐燃燒,并進行冷卻處理后進行脫硝處理，然后再通過煙囪排出。其中脫硝采用選擇性催化還原法(SCR)，即在催化劑作用下，向煙氣中噴入氨氣，將氮氧化物(NOx)還原成氮氣和水[8]。SCR脫硝技術(shù)是目前國際上應(yīng)用最為廣泛的煙氣脫硝技術(shù)，反應(yīng)無副產(chǎn)物，不會形成二次污染，脫除效率高達90%以上[9]，具有裝置結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、便于維護等優(yōu)點。生產(chǎn)工藝流程如圖2所示。

圖2　新戊二醇生產(chǎn)工藝流程示意

脫硝工藝主要設(shè)備有混合器、脫硝反應(yīng)器、省煤器、液氨蒸發(fā)器、緩沖罐、煙囪。壓力為2.6 MPa、質(zhì)量分數(shù)為100%的液氨經(jīng)過蒸發(fā)器形成氨氣后進入緩沖罐，氨氣與從鍋爐排出的煙氣一起進入混合器充分混合，均勻混合后再進入脫硝反應(yīng)器去除煙氣中的NOx，反應(yīng)后的氣體進入省煤器吸收多余的熱量，最后從煙囪排出。脫硝單元控制流程如圖3所示。

圖3　脫硝單元控制示意

脫硝過程中需要對脫硝反應(yīng)器中的壓力、溫度、NOx的質(zhì)量濃度以及進入反應(yīng)器的氨氣體積流量進行控制。在監(jiān)測點Q56970I可測得未經(jīng)過脫硝反應(yīng)器的煙氣中NOx的質(zhì)量濃度ρNOx1，ρNOx1需小于2 700 mg/m3；在監(jiān)測點Q56971I可測得經(jīng)過SCR脫硝裝置后的NOx的質(zhì)量濃度ρNOx2，ρNOx2需小于52 mg/m3。脫硝裝置入口監(jiān)測點T56970I處的煙氣溫度為t1，范圍在250～400 ℃；脫硝裝置出口監(jiān)測點T56971I處的煙氣溫度為t2。脫硝裝置入口P56970A和出口P56970B處壓力分別為p1和p2，它們之間的差壓若高于1.5 kPa將產(chǎn)生高位報警。

為了控制氨氣的配量，設(shè)計了雙控制回路切換的復(fù)雜控制回路。采用1個選擇開關(guān)H56972在復(fù)雜控制回路和簡單控制回路之間進行切換，操作員可在面板上進行選擇任一回路。其中復(fù)雜控制回路通過控制器F56972C進行PID控制，簡單控制回路通過控制器Q56971C進行PID控制，最終都通過調(diào)節(jié)閥F56972VK對氨氣的體積流量進行調(diào)節(jié)[10]。

在簡單控制回路中，控制器Q56971C可對NOx的質(zhì)量濃度進行PID控制?？刂破鞯妮斎胫禐棣袾Ox2的過程值，根據(jù)反應(yīng)器出口處NOx質(zhì)量濃度的變化來實時控制調(diào)節(jié)閥F56972VK的閥門開度。

在復(fù)雜控制回路中，控制器F56972C的輸入值為進入混合器前氨氣的體積流量，并通過計算qVNH3的值作為其設(shè)定值。qVNH3計算公式如下：

如果(qV1-qV2)·ρNOx1·Rs·10-3≤0.08·Vc a

那么qVNH3=(qV1-qV2)·ρNOx1·Rs·10-3

否則qVNH3=0.08·qV2

式中：E——常數(shù)，表示SCR效率， %；CNH3——常數(shù)，表示氨氣泄漏的千分比濃度，‰；Ra——NH3與NOx質(zhì)量濃度比值設(shè)定點；ρNOx1——混合器入口處煙氣中NOx的質(zhì)量濃度，mg/m3；qV1——煙囪中測點F56970I處煙氣的體積流量，m3/h；qV2——測點F56971I處稀釋氣體的體積流量，m3/h。

4結(jié)束語

PCS7系統(tǒng)能夠滿足新戊二醇生產(chǎn)控制需求，系統(tǒng)運行穩(wěn)定。該系統(tǒng)可靈活方便地進行硬件組態(tài)、網(wǎng)絡(luò)配置、軟件設(shè)計及上位機畫面生成。通過CFC程序?qū)崿F(xiàn)了回路切換。系統(tǒng)具有高可靠性，操作員操作方便，提高了生產(chǎn)效率，體現(xiàn)了DCS在化工行業(yè)的良好應(yīng)用效果，是新戊二醇生產(chǎn)控制應(yīng)用成功案例。

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Design and Application of Neopentyl Glycol Process Control System Based on PCS7

Fan Yu, Gu Xingsheng

(College of Information Science and Engineering, East China University of Science and Technology, Shanghai, 200237)

Abstract:Focusing on the function requirement of neopentyl glycol production control system, hardware configuration, network configuration and programming design are implemented with adoption of SIMATIC PCS7 system. The upper PC monitor interface is designed with WINCC software. The control system is designed on the base of introduction of neopentyl glycol production process with realization of double circuit switching of ammonia flow control for desulfur unit. The circuit switching shows the program flexibility make the process control more efficient. With characteristics of good safety, stable running and simple operation management, the system can improve the product quality and production capacity under guarantee of safe and stable manufacture.

Key words:configuration; neopentyl glycol; network configuration; circuit switching; CFC programming design

中圖分類號：TP273

文獻標志碼：B

文章編號：1007-7324(2016)01-0042-04

作者簡介：范宇(1989—)，女，華東理工大學(xué)控制工程專業(yè)在讀碩士研究生，主要從事生產(chǎn)過程控制和集散控制系統(tǒng)方面的研究。

稿件收到日期： 2015-08-03，修改稿收到日期： 2015-10-28。