楊旸 遼寧錦州渤海大學(xué)工學(xué)院

氯丙醇生產(chǎn)過程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊旸 遼寧錦州渤海大學(xué)工學(xué)院

二氯丙醇是有毒物質(zhì)，傳統(tǒng)的人工填料方式，使產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)安全性能得不到保障。本文根據(jù)二氯丙醇生產(chǎn)的工藝流程要求，利用集散控制系統(tǒng)，進(jìn)行二氯丙醇生產(chǎn)過程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)。主要完成自動(dòng)投料系統(tǒng)變量配置、數(shù)據(jù)庫建立、邏輯控制程序設(shè)計(jì)、上位機(jī)組態(tài)畫面設(shè)計(jì)以及網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)計(jì)。PID調(diào)節(jié)器進(jìn)出料流量控制和控制塔內(nèi)液位調(diào)節(jié)。該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)二氯丙醇生產(chǎn)過程中的液位、溫度、流量、壓力控制，并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)投料。通過系統(tǒng)調(diào)試運(yùn)行表明，該系統(tǒng)具有運(yùn)行可靠、可移植性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

DCS PID 二氯丙醇

1 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)與科學(xué)技術(shù)的不斷的發(fā)展和進(jìn)步，近些年來，生產(chǎn)自動(dòng)化程度越來越高，對于過程控制的要求也變得越來越復(fù)雜，要求實(shí)現(xiàn)的功能也越來越多，各行各業(yè)都在要求生產(chǎn)過程能夠高度的自動(dòng)化及智能化，而自動(dòng)控制作為生成過程中不可或缺的一環(huán)，其重要性不言而喻，而DCS控制系統(tǒng)作為一種先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，在自動(dòng)控制中有著舉足輕重的作用。

化工自動(dòng)化控制是一個(gè)把自動(dòng)控制技術(shù)和實(shí)際的化工生產(chǎn)過程結(jié)合起來的技術(shù)，可以用來加工原材料、生產(chǎn)產(chǎn)品?；どa(chǎn)對于溫度、壓力等因素有著非常嚴(yán)格的要求，必須嚴(yán)格遵循生產(chǎn)要求，人工控制危險(xiǎn)系數(shù)大，生產(chǎn)效率也低，因而化工生產(chǎn)對于生產(chǎn)環(huán)境要求很高。我們就可以使用自動(dòng)化控制技術(shù)。例如PLC可編程控制器和DCS分散控制系統(tǒng)，使用這些設(shè)備可以實(shí)時(shí)監(jiān)控流量、溫度、壓力、液位等參數(shù)，降低了工作人員的工作量，提升了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

2 二氯丙醇生產(chǎn)工藝及集散控制系統(tǒng)

2.1 生產(chǎn)工藝流程

工業(yè)上合成環(huán)氧氯丙烷的最主要原料是二氯丙醇，使用甘油制備二氯丙醇，可以降低能源消耗，與傳統(tǒng)的生產(chǎn)方法相比污染程度較小。生產(chǎn)流程由循環(huán)泵引來的原料到達(dá)蒸餾塔中，精餾塔底底部分層將氯化液收集槽中的氯化液，用泵經(jīng)過濾器返回到原料罐進(jìn)行循環(huán)使用，從塔的頂部，該氯化副產(chǎn)品的生產(chǎn)還有少部分二氯，分層后油層作為回流液，水層溢流入水層槽，通過吸收塔到達(dá)水環(huán)泵，部分產(chǎn)品合格從精餾塔頂部冷卻到達(dá)成品槽后，包裝泵包裝，另一部分用泵經(jīng)過濾器送入回收槽。

2.2 集散控制系統(tǒng)（DCS）

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

DCS（Distributed Control System），是一種分散控制系統(tǒng)/分布式控制系統(tǒng)的集散控制系統(tǒng)。DCS由過程控制級和過程監(jiān)控級組成，綜合計(jì)算機(jī)，通信、顯示和控制等4C技術(shù)，DCS的基本思想是分散控制、集中操作、分級管理、配置靈活以及組態(tài)方便。

隨著科技的發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)組織形式也發(fā)生了改變，從分散到集中。早期的時(shí)候，控制站設(shè)在工業(yè)控制現(xiàn)場附近，并且各個(gè)控制裝置都有獨(dú)立的控制器。控制設(shè)備測量出系統(tǒng)的參數(shù)后，根據(jù)系統(tǒng)的控制策略，把測量值與給定值相比較得出的信號通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)去控制生產(chǎn)過程。它具有控制功能完善、通用性好、運(yùn)行安全性高等特點(diǎn)，對提高產(chǎn)品質(zhì)量和降低勞動(dòng)強(qiáng)度具有重要意義，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

3 系統(tǒng)編程設(shè)計(jì)

3.1 基本控制思想

控制程序部分的設(shè)計(jì)主要有兩個(gè)部分一個(gè)是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，用來連接實(shí)際生產(chǎn)過程中的生產(chǎn)變量，同時(shí)也要用來實(shí)時(shí)的顯示生產(chǎn)系統(tǒng)實(shí)際的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，還有一個(gè)就是控制生產(chǎn)過程的算法程序。根據(jù)上面的控制要求要對流量和壓力進(jìn)行控制要使用PID控制，在DCS控制系統(tǒng)中有一個(gè)專門的PID程序控制塊，我們可以直接使用，只需要設(shè)定好我們所需要的參數(shù)就可以了。生產(chǎn)過程中對于閥門的開閉控制則是通過梯形圖來編寫控制程序，通過FBD和LD兩種程序就可以編寫出我們所需要的生成過程監(jiān)控系統(tǒng)的控制程序。

3.2 采集與控制的變量

使用DCS對現(xiàn)場進(jìn)行監(jiān)控與控制，最重要的是要采集到現(xiàn)場的各種模擬量和開關(guān)量，最常見的模擬變量有溫度、壓力、液位、流量等。然后再把這些模擬量轉(zhuǎn)換成DCS可以進(jìn)行處理的數(shù)字信號。在正泰中自DCS里面，數(shù)據(jù)庫編輯器是控制組態(tài)軟件SunnyIEC中用來新建和定義變量的一個(gè)模塊，用來建立每個(gè)控制站的控制模板、I/O模板、結(jié)構(gòu)變量列表和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)里面就是我們所要采集的各種變量。操作站實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫是聯(lián)系操作站和現(xiàn)場控制站的橋梁。

4 監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)組態(tài)軟件介紹

系統(tǒng)組態(tài)軟件主要用來制作控制系統(tǒng)的監(jiān)控流程畫面，配置歷史記錄屬性、報(bào)警屬性、安全性設(shè)置等功能。我們通過工程管理器中的畫面編輯器來完成人機(jī)界面的制作。在畫面編輯器中我們可以繪制流程監(jiān)控圖，制作歷史趨勢圖，制作數(shù)據(jù)報(bào)表，進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，一切在組態(tài)畫面中實(shí)現(xiàn)的人機(jī)交互都在通過畫面編輯器來完成。

圖2 監(jiān)控組態(tài)畫面

圖3 歷史報(bào)表畫面

4.2 組態(tài)畫面設(shè)計(jì)

流程監(jiān)控畫面是操作站/工程師站的工作人員主要使用的監(jiān)視窗口，通過監(jiān)控畫面工作人員可以時(shí)刻關(guān)注到生產(chǎn)現(xiàn)場實(shí)時(shí)的生產(chǎn)狀態(tài)，并且通過監(jiān)控畫面對生產(chǎn)現(xiàn)場的生產(chǎn)控制做出及時(shí)的調(diào)整控制。下圖是對于二氯丙醇生產(chǎn)監(jiān)控畫面的組態(tài)設(shè)計(jì)如圖2所示。

在界面上，生產(chǎn)中的控制點(diǎn)都能在這上面提示出來，需要的溫度，壓力，液位，流量都需要在界面上顯示，同時(shí)要支持在這些參數(shù)出現(xiàn)超限狀態(tài)后能夠產(chǎn)生報(bào)警和提示。同時(shí)也要對所有的參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，記錄，方便在出現(xiàn)產(chǎn)品不合格后，管理人員能夠回顧當(dāng)時(shí)的生產(chǎn)狀況。設(shè)計(jì)歷史趨勢畫面主要用來觀察各個(gè)參數(shù)歷史變化趨勢，可以由此檢測生產(chǎn)過程是否穩(wěn)定，是否會(huì)有較大的波動(dòng)，從而更好的控制生產(chǎn)過程。

在二氯丙醇生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)中，主要要對流量和壓力進(jìn)行控制，需要一個(gè)壓力控制泵和兩個(gè)流量調(diào)節(jié)泵，在上面已經(jīng)說過對于流量和壓力的控制我們主要使用PID控制，所以這里一共需要三個(gè)PID調(diào)節(jié)器畫面，分別對應(yīng)一個(gè)壓力調(diào)節(jié)器和兩個(gè)流量調(diào)節(jié)器。

在工程管理器導(dǎo)航欄的操作站結(jié)點(diǎn)下，雙擊“歷史報(bào)表”即可進(jìn)入歷史報(bào)表配置軟件。對報(bào)表的各個(gè)實(shí)時(shí)值進(jìn)行時(shí)段記錄，方便操作人員及時(shí)檢測和修改。歷史報(bào)表畫面如圖3所示。

在報(bào)警查詢畫面中，當(dāng)系統(tǒng)某個(gè)參數(shù)測量值超過限定值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行報(bào)警提醒工作人員對生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行檢查，同時(shí)工作人員可以通過報(bào)警查詢來查詢是哪些參數(shù)產(chǎn)生了報(bào)警，從而進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，確保生產(chǎn)過程的安全。

4.3 動(dòng)態(tài)連接

動(dòng)態(tài)連接的主要目的是幫助工程師免去重復(fù)編程所帶來的大量的工作量，提供標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)控制界面，動(dòng)態(tài)連接主要是通過可編程的命令語言來實(shí)現(xiàn)的，可以用來強(qiáng)化圖形界面的功能。在圖形對象和變量之間有大量豐富的連接類型可以選擇使用，使編程人員工作起來更加方便，設(shè)計(jì)界面更加直觀。

4.4 虛擬運(yùn)行流程

首先打開虛擬機(jī)運(yùn)行，運(yùn)行虛擬控制站，打開虛擬控制站管理軟件對監(jiān)控系統(tǒng)的I/O模塊和I/O模板進(jìn)行分配和配置，然后把控制程序下載到虛擬控制站中。然后再運(yùn)行組態(tài)畫面之前全部解鎖總開關(guān)。手動(dòng)PID調(diào)節(jié)器未打開時(shí)物流通過進(jìn)料泵P101進(jìn)入精餾塔的底部，這樣可以對物料的反應(yīng)過程進(jìn)行一個(gè)快速的預(yù)加熱，然后延時(shí)關(guān)閉底部進(jìn)料，打開中部進(jìn)料。同時(shí)打開流量調(diào)節(jié)器FM101來控制流量從而控制精餾塔的液位，當(dāng)L104高于高高限時(shí)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)0，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)關(guān)閉進(jìn)料泵，打開出料泵，這個(gè)程序主要起到保護(hù)作用，多余的物料從底部進(jìn)入原料罐繼續(xù)循環(huán)使用。循環(huán)使用的物料流量通過流量調(diào)節(jié)器FM102來控制，進(jìn)而控制塔內(nèi)的液位。此外，再沸器的蒸汽調(diào)節(jié)是根據(jù)塔內(nèi)的液位來控制調(diào)節(jié)閥的開度，從未達(dá)到控制再沸器的蒸汽流量。產(chǎn)物從蒸餾塔頂部出來通過循環(huán)水第一次冷卻得到產(chǎn)物進(jìn)入成品罐，剩下來的再進(jìn)行二次冷卻，最后得到的二氯丙醇進(jìn)入成品槽。成品槽液位達(dá)到高限時(shí)打開泵P104得到成品。

[1]王昱晨.化工自動(dòng)化控制的發(fā)展趨勢[J],中小企業(yè)管理與科技（下旬刊）,2015

[2]王昱晨.化工自動(dòng)化控制的發(fā)展趨勢[J].中小企業(yè)管理與科技（下旬版）,2015

[3]王昱晨.淺析化工企業(yè)自動(dòng)化的現(xiàn)狀及發(fā)展[J].中小企業(yè)管理與科技（下旬版）,2015