李 猛

(中國平煤神馬集團尼龍科技有限公司)

一種環(huán)己醇生產(chǎn)裝置中DCS控制系統(tǒng)的設(shè)計

李 猛

(中國平煤神馬集團尼龍科技有限公司)

以HOLLiAS MACS6 DCS系統(tǒng)為核心平臺，設(shè)計了一套針對環(huán)己醇安全生產(chǎn)的控制系統(tǒng)。詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)、硬件設(shè)計、軟件組態(tài)和監(jiān)控界面設(shè)計?，F(xiàn)場實際運行結(jié)果表明:該系統(tǒng)運行穩(wěn)定、生產(chǎn)安全，滿足工藝規(guī)定的要求和指標(biāo)。

自動控制 DCS 環(huán)己醇

DCS作為生產(chǎn)過程自動化領(lǐng)域的計算機控制系統(tǒng)，隨著顯示技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(4C技術(shù))的發(fā)展[1,2]，實現(xiàn)了生產(chǎn)過程的集中監(jiān)控和集中管理，并向著信息化和集成化方向繼續(xù)發(fā)展，提高了工業(yè)生產(chǎn)效率和控制的精度，降低了維護(hù)和運行成本。在此基礎(chǔ)上，化工生產(chǎn)過程逐步達(dá)到了智能化、復(fù)雜化、自動化和規(guī)模化的程度。環(huán)己醇作為重要的化工中間體，是生產(chǎn)己二酸、己內(nèi)酰胺、尼龍6、尼龍66、醫(yī)藥、涂料及染料等諸多化工產(chǎn)品的主要原料[3～5]。其生產(chǎn)工藝復(fù)雜，設(shè)備規(guī)模巨大，現(xiàn)場人工操作危險性高，因此如何安全、穩(wěn)定、有效地生產(chǎn)環(huán)己醇，以滿足日益增長的需求，成為當(dāng)務(wù)之急。DCS憑借自身的高可靠性、科學(xué)性的設(shè)計，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程中物料的流量、液位、壓力、溫度及密度等工藝參數(shù)精準(zhǔn)的控制。基于DCS控制系統(tǒng)生產(chǎn)環(huán)己醇的整體設(shè)計方案，通過常規(guī)控制、過程連續(xù)測量和操作控制管理，以保證生產(chǎn)裝置的安全有效運行[6]。

1 環(huán)己醇生產(chǎn)工藝流程

生產(chǎn)環(huán)己醇的方法主要有苯加氫-環(huán)己烷氧化法、苯酚加氫法及苯部分加氫-環(huán)己烯水合成法等，其中，環(huán)己烷氧化法的應(yīng)用最為普遍；苯酚加氫法步驟繁瑣，成本較高；環(huán)己烯水合法是一種新的工藝，前景較好[7]。筆者以苯部分加氫-環(huán)己烯水合成法生成環(huán)己醇(圖1)為例進(jìn)行工藝流程的說明。

圖1 環(huán)己醇工藝流程

脫硫工序。除去原料氫氣中的硫化物，避免加氫催化劑中毒。

加氫工序。除去原料苯中含的噻吩、鐵銹、粉塵及其他含硫化合物，將氫加壓到氫反應(yīng)所需的壓力，用苯和氫進(jìn)行部分加氫反應(yīng)生成環(huán)己醇的原料環(huán)己烯和副產(chǎn)物環(huán)己烷。之后除去溶解于加氫反應(yīng)產(chǎn)物中的氫。

萃取精餾工序。通過萃取精餾分離加氫反應(yīng)系統(tǒng)排出的油中的苯、環(huán)己烯和環(huán)己烷。除去回收苯內(nèi)的含氮化合物，作為原料返回到加氫工序。從環(huán)己烯中分離出來的環(huán)己烷，進(jìn)入環(huán)己烷精制工序。環(huán)己烯進(jìn)入回收系統(tǒng)，參與下一步水合工序的反應(yīng)。

水合工序。環(huán)己烯經(jīng)洗滌系統(tǒng)除去其中的氮化合物，得到精制的環(huán)己烯參與水合反應(yīng)生成環(huán)己醇，并經(jīng)過精餾提純，送出成品環(huán)己醇(圖2)。同時在環(huán)己醇分離系統(tǒng)中排出水合反應(yīng)系統(tǒng)生成的和環(huán)己烯回收系統(tǒng)中的低沸物。

圖2 環(huán)己醇反應(yīng)精餾示意圖

環(huán)己烷精制工序。在洗滌系統(tǒng)除去環(huán)己烷中的含氮化合物，經(jīng)環(huán)己烷處理系統(tǒng)、環(huán)己烯分離系統(tǒng)分離的環(huán)己烷中所含的不純物通過加氫反應(yīng)使苯、環(huán)己烯轉(zhuǎn)化成環(huán)己烷，MCPE轉(zhuǎn)化成MCPA。精制后的環(huán)己烷成為最終產(chǎn)品。

2 環(huán)己醇生產(chǎn)控制系統(tǒng)設(shè)計

和利時HOLLiAS MACS6系統(tǒng)是通過工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)，將分布在工業(yè)現(xiàn)場附近的工程師站、操作員站、歷史站及現(xiàn)場控制站等上位監(jiān)控系統(tǒng)連接起來，以完成對現(xiàn)場生產(chǎn)設(shè)備的分散控制與集中管理[8]。筆者所設(shè)計的環(huán)己醇生產(chǎn)控制系統(tǒng)以MACS6 DCS系統(tǒng)為開發(fā)平臺，其結(jié)構(gòu)包含監(jiān)控中心、I/O現(xiàn)場主控制站和分布式I/O站3個部分(圖3)。

圖3 MACS6 DCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

監(jiān)控中心包含系統(tǒng)網(wǎng)。系統(tǒng)網(wǎng)屬于工業(yè)高速以太網(wǎng)，支持TCP/IP 協(xié)議，冗余網(wǎng)段分為SNETA、SNETB，分別對應(yīng)的128網(wǎng)段、129網(wǎng)段。系統(tǒng)網(wǎng)支持P-TO-P、C/S、P-TO-P和C/S混合3種結(jié)構(gòu)。它連接工程師站、操作員站、歷史站和現(xiàn)場控制站，負(fù)責(zé)站之間的數(shù)據(jù)傳遞。

I/O現(xiàn)場主控制站是I/O卡件通過復(fù)合電纜與控制站連接構(gòu)成的控制網(wǎng)，控制網(wǎng)支持星型、總線拓?fù)湫途W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和Profibus-DP現(xiàn)場總線協(xié)議。它連接現(xiàn)場控制站中的主控與I/O模塊，負(fù)責(zé)主控制器與I/O模塊之間的數(shù)據(jù)傳遞。

分布式I/O站是就地儀表、傳感器、執(zhí)行電機、變頻器、開關(guān)閥及調(diào)節(jié)閥等與I/O模塊構(gòu)成的現(xiàn)場級控制網(wǎng)絡(luò)，用于現(xiàn)場實時參數(shù)采集、頻率設(shè)定和閥門控制。I/ O卡件采集現(xiàn)場儀器儀表的模擬信號AI和狀態(tài)信號DI，通過C/S 網(wǎng)絡(luò)傳送到上位機監(jiān)控畫面顯示，同時操作人員通過遠(yuǎn)程方式，發(fā)出的信號經(jīng)I/ O卡件輸出以控制現(xiàn)場設(shè)備。

3 環(huán)己醇生產(chǎn)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

依據(jù)工藝生產(chǎn)要求，確定生產(chǎn)控制目標(biāo)，按照控制目標(biāo)統(tǒng)計相應(yīng)儀表監(jiān)測點的類型、數(shù)量及I/O編號等數(shù)據(jù)，編制相應(yīng)儀表點清冊，根據(jù)點清冊確定系統(tǒng)的規(guī)模，并對控制系統(tǒng)硬件進(jìn)行相應(yīng)設(shè)計[9]。

根據(jù)環(huán)己醇生產(chǎn)規(guī)模，由DCS開關(guān)(模擬)量輸入/輸出清單確定該控制系統(tǒng)所需要的相應(yīng)卡件數(shù)和端子板數(shù)目，并根據(jù)系統(tǒng)硬件要求對I/O模塊進(jìn)行布局設(shè)計。最終設(shè)計交付的清單見表1。

3.1 I/O模塊

在整個清單的統(tǒng)計中數(shù)字量輸入信號點數(shù)為92，主要顯示現(xiàn)場電機泵、開關(guān)閥的狀態(tài)。此類信號選用非冗余16通道的I/O模塊K-DI01， 配套底座K-DIT01。依據(jù)清單需求，各需要8塊，冗余36個點備用，冗余率為28.1%。

清單中數(shù)字量輸出信號點數(shù)共有238個，主要控制設(shè)備的啟停、開關(guān)閥的開與關(guān)。選用非冗余16通道的I/O模塊K-DO01，配套底座K-DOT01，端子板K-DOR01，使用DB37電纜連接K-DOT01和K-DOR01。共需要I/O模塊、配套底座、DB37電纜和端子板各80個，冗余82個點備用，冗余率為25.6%。

表1 輸入模擬量清單(節(jié)選部分)

清單中模擬量輸入點數(shù)共有628個(4～20mA模擬電流信號)，包括壓力、液位、溫度和流量信號。為減少因信號采集過度集中而造成I/O模塊損壞，模塊回路端口不應(yīng)大于8路。選用普通型8通道的I/O模塊K-AI01，配套底座K-AT01。采用100塊K-AI01卡件，冗余172點作為備用，冗余率為21.5%。在設(shè)計中參與聯(lián)鎖的AI點，冗余率為100%，這里不作詳細(xì)闡述。

清單中模擬量輸出點數(shù)共有266個(4 ～20mA模擬電流信號)，主要控制變頻器的頻率、調(diào)節(jié)閥的開度。該類型信號選用增強防護(hù)型8通道的I/O模塊K-AO01，配套底座K-AT02，端子板FM1381，通過DB37電纜連接底座與端子板?？刹捎酶?8塊相應(yīng)的卡件，冗余率為100%。

3.2 主控制模塊和通信模塊

為確保系統(tǒng)安全可靠，主控制器模塊采用主從雙處理器，協(xié)同處理控制站的任務(wù)[4]，選用控制器模塊K-CU01，分為A機、B機，互為冗余，配套底座K-CUT01。為實現(xiàn)I/O單元與控制器模塊之間的通信、改變網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通信模塊選用K-BUS02(兩塊)，采用雙冗余通信IO-BUS總線、雙冗余供電工作方式。

3.3 電源模塊與配電板

在每個控制機柜中需要配置電源模塊和電源配電板。K-PW01是交流電源配電板，UPS電源和220V(AC)外供電電源經(jīng)此，與SM910和 SM913交直流電源轉(zhuǎn)換模塊相連接，分別輸出24V、5A和24V、10A的直流，通過直流電源配電板K-PW11為K系列硬件提供系統(tǒng)電源、現(xiàn)場電源。K-PW21是查詢電源配電板，為I/O模塊提供系統(tǒng)查詢(輔助)電源。由于共設(shè)置兩個控制站，共需SM910和 SM913各8塊，冗余率為100%，K-PW01四塊、K-PW11四塊、K-PW21四塊。

3.4 工程師站/操作員站配置

環(huán)己醇工藝分為氫氣脫硫、加氫、萃取精餾、水合和環(huán)己烷精制5個工段，結(jié)合整個控制系統(tǒng)的設(shè)計，操作員站和工程師站的負(fù)荷不應(yīng)超過40%，本系統(tǒng)配置6臺監(jiān)控計算機(一臺工程師、一臺歷史站兼操作員站，4臺操作員站)。

3.5 卡件布局

單機柜中最多可安裝6列DIN35導(dǎo)軌，每列導(dǎo)軌上最多可安裝10個I/O模塊。K-BUS 支持級聯(lián)擴展，一對控制器最多帶100個I/O單元?？刂凭W(wǎng)采用星型結(jié)構(gòu)，主機柜最多可安裝60個I/O卡件，擴展機柜最多可安裝40個I/O卡件，機柜中卡件布局及擴展如圖4所示。

圖4 卡件布局及擴展結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)以上設(shè)計，所需各類AI、AO、DI、DO儀表信號共計1 224點，相應(yīng)的卡件共262套(I/O模塊與配套底座是一套，占用一個空間位置)。整體考慮，DCS的機柜及卡件箱應(yīng)留有20%以上的備用安裝空間(即空槽率)，控制站的負(fù)荷不應(yīng)超過40%，所以需要4個控制站，8臺機柜(主機柜、擴展柜各4臺)以滿足設(shè)計要求。

4 環(huán)己醇生產(chǎn)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

控制站I/O組態(tài)與物理上的現(xiàn)場控制站具有邏輯上的對應(yīng)關(guān)系，即軟件的控制站組態(tài)信息(主控型號、模塊型號、I/O點信息和地址)與硬件現(xiàn)場控制站是一一對應(yīng)的。

5 結(jié)束語

MACS6系統(tǒng)軟件包括工程總控、操作員在線、歷史服務(wù)器軟件和控制站主控制器系統(tǒng)軟件。在工程總控中創(chuàng)建工程，啟動控制器算法軟件AutoThink進(jìn)行控制站組態(tài)，編寫控制算法文件，下裝到主控制器中進(jìn)行算法運算。AutoThink的程序組織單元POU采用FDB、LD、CFC和ST語言，由ST語言實現(xiàn)水合工序的組態(tài)控制。

增減測點、模塊、操作員站以及數(shù)據(jù)庫的導(dǎo)入、修改等需要啟動歷史服務(wù)器軟件，下裝歷史站，獲取各服務(wù)需要的離線組態(tài)文件。操作站組態(tài)是在工程總控的工藝流程中完成的，編寫圖形、報表文件下裝到操作員站在線進(jìn)行監(jiān)視和控制。流程圖監(jiān)控總界面如圖5所示。

基于HOLLiAS MACS6 DCS 的環(huán)己醇生產(chǎn)控制系統(tǒng)在中國平煤神馬集團尼龍科技有限公司成功應(yīng)用，該系統(tǒng)提高了化工生產(chǎn)的自動化、智能化程度，降低了員工操作的難度和繁瑣程度，提高了安全性能、生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，為企業(yè)進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)提供了可靠的保障，增強了企業(yè)的市場競爭力。同時，該生產(chǎn)控制系統(tǒng)所采用的硬件設(shè)計和組態(tài)軟件技術(shù)都比較成熟，可廣泛推廣應(yīng)用。

圖5 流程圖監(jiān)控總界面

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DCSDesignforCyclohexanolProductionDevice

LI Meng
(ChinaPingmeiShenmaGroupNylonTechnologyCo.,Ltd.)

Having HOLLiAS MACS6 DCS taken as the core platform, a control system for cyclohexanol production was designed and its overall structure, hardware design as well as software configuration and monitoring interface design were introduced. The practical application shows that, this system runs stably and it can satisfy the requirements of production safety and the process and the indicators stipulated.

auto-control, DCS, cyclohexanol

TH865

B

1000-3932(2017)09-0882-05

2017-04-20，

2017-05-20)

李猛(1984-),工程師，從事工業(yè)自動化控制、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究，598152860@qq.com。