基于JX-300XP DCS化工精餾塔網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)平臺

洪雪梅， 葉 斌， 項雷軍， 金福江

(華僑大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院， 福建 廈門 361021)

0 引 言

近年來，隨著環(huán)境污染日趨嚴重，能源日益緊縮，對化工過程進行系統(tǒng)強化，提高產(chǎn)品的產(chǎn)出率，實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保、綠色化工，無論在工業(yè)實際還是在理論研究領(lǐng)域都已成為了熱點問題[1]。精餾過程是一種傳質(zhì)傳熱過程，也是石油、化工等眾多生產(chǎn)過程中應(yīng)用最多、涉及面最廣的的操作單元，因此如何有效地控制精餾塔運行直接影響到產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量以及能量的消耗，同時也是解決環(huán)境和資源問題的重要途徑之一[2-4]。分布式控制系統(tǒng)(Distributed Control System, DCS)國內(nèi)又稱為集散控制系統(tǒng)，自上個世紀70年代問世以來，經(jīng)過30多年不斷地完善，其功能和性能都得到了巨大的提高，目前正向著更加信息化、集成化和產(chǎn)品化的方向發(fā)展，已成為了過程控制的主流系統(tǒng)[5-6]。

以精餾塔為控制對象，采用浙江大學(xué)中控開發(fā)的JX-300XP DCS系統(tǒng)，對精餾工段的工藝操作流程進行全數(shù)字化監(jiān)控，進一步構(gòu)建精餾塔集散控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)平臺，彌補了華僑大學(xué)自動化專業(yè)在儀器儀表、過程控制和先進控制技術(shù)等綜合性實驗教學(xué)領(lǐng)域的空白，讓學(xué)生在實驗室就能模擬石化企業(yè)的工業(yè)對象，進行組態(tài)設(shè)計、控制方案設(shè)計和運行調(diào)試訓(xùn)練等工程開發(fā)，為以后從事自動化工程相關(guān)的工作打下堅實的基礎(chǔ)。

圖1 精餾塔實驗裝置

1 精餾塔實驗裝置

精餾塔是過程工業(yè)中應(yīng)用最為廣泛的液相產(chǎn)品分離設(shè)備，同時，也是過程控制中最有代表性的多變量復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)[7]。化工精餾塔集散控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)平臺采用控制對象(精餾塔實驗裝置)與控制系統(tǒng)分離設(shè)計，為以后控制系統(tǒng)擴充作鋪墊，用戶可以根據(jù)需要自主選擇各種先進控制技術(shù)應(yīng)用于實驗裝置。由機械設(shè)備、動力設(shè)備、檢測儀表、執(zhí)行機構(gòu)和輔助系統(tǒng)組成的精餾塔實驗裝置如圖1所示。

(1) 機械設(shè)備。精餾塔釜C102、盤管式原料預(yù)熱器E101、盤管式蒸汽冷凝器E102、原料罐C103、殘液罐C104、塔頂產(chǎn)品罐C105。

(2) 動力設(shè)備。單相電加熱器(2.5 kW，220 V AC)、進料泵P101、塔底殘液出料泵P102、、塔頂回流計量泵P103、塔頂產(chǎn)品計量泵P104。

(3) 檢測儀表。Pt100熱電阻溫度傳感器(用于原料進塔溫度TT1、塔頂回流溫度TT11、塔釜溫度TT2、檢測各塔段溫度TT3～ TT10)、塔底液位傳感器LT1、回流罐液位傳感器LT2、進料流量顯示FI1、塔底殘液出料流量顯示FI2、塔頂回流計量泵流量顯示FI3、塔頂產(chǎn)品計量泵流量顯示FI4、冷卻水渦輪流量計FT5。

(4) 執(zhí)行機構(gòu)。單相可控硅調(diào)壓裝置，用于連續(xù)調(diào)節(jié)塔底溫度或塔底加熱功率；塔頂產(chǎn)品/塔頂回流計量泵，用于控制塔頂回流量與塔頂產(chǎn)品出料量；比例閥用于調(diào)節(jié)冷卻水流量，進而控制塔頂回流溫度。

(5) 輔助系統(tǒng)。 電源控制和信號接口面板、電氣附件等。

以上儀器儀表和設(shè)備裝置構(gòu)成了一個獨立、完整、精巧的被控對象，為各種控制方案的實施提供了良好的物理仿真環(huán)境，是石化企業(yè)精餾塔的縮影[8]。

2 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建與組態(tài)

JX-300XP DCS 系統(tǒng)采用工業(yè)級的微處理器和實時多任務(wù)控制軟件，具有功能完善、高速可靠的體系結(jié)構(gòu)，提供多層開放數(shù)據(jù)接口，實現(xiàn)了I/O模塊、智能信號裝置和控制系統(tǒng)與PC之間的信息傳輸，并把I/O通道分散到精餾塔裝置附近，使安裝和布線的費用減少到最小；同時提供“開放”的通信接口，使得用戶在選用I/O裝置和現(xiàn)場設(shè)備方面有更多的考慮空間；底層漢化的軟件功能豐富，易于組態(tài)各種復(fù)雜的控制方案[9-10]。系統(tǒng)主要由現(xiàn)場控制站(I/O站)、數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)、人機接口單元(操作員站OPS、工程師站ENS)、機柜和電源等組成。

2.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

化工精餾塔集散控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)平臺主要由1個現(xiàn)場控制站、1個工程師站和19個操作站組成，操作站可以兼做工程師站。一批次可以同時安排20位學(xué)生進行實驗組態(tài)操作，既可以各自研究完成實驗項目，又可以組隊分別研究綜合性實驗項目中的各模塊設(shè)計，協(xié)作完成系統(tǒng)功能設(shè)計，從而調(diào)動學(xué)生參與實驗研究的積極性，有效拓展了實驗空間，更好地培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新探索的能力。

JX-300XP DCS 系統(tǒng)采用典型的兩層(過程控制網(wǎng)SCnetⅡ和控制站內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)SBUS)網(wǎng)絡(luò)通信結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。

第一層網(wǎng)絡(luò)SCnetⅡ，采用雙重化冗余網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)系統(tǒng)的工程師站、操作站、現(xiàn)場控制站和通訊接口單元等硬件設(shè)備間的連接，實時傳遞各節(jié)點間的信息。數(shù)據(jù)傳輸遵循開放的TCP/IP協(xié)議和IEEE80 213標(biāo)準，使得信息傳輸效率更高、更可靠，真正滿足了精餾生產(chǎn)工藝對監(jiān)控信息處理的要求。

第二層網(wǎng)絡(luò)SBUS，利用現(xiàn)場總線技術(shù)，完成主控卡、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡和I/O卡件間的信息交換。并且SBUS總線采用雙重化總線SBUS-S1網(wǎng)絡(luò)和SBUS-S2網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡通過SBUS-S1網(wǎng)絡(luò)來管理各種分散的I/O卡件信息; 而主控制卡通過SBUS-S2網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡進行數(shù)據(jù)交換[11]。

2.2 控制站與網(wǎng)絡(luò)配置

控制站(CS)是對物理位置、控制功能都相對分散的現(xiàn)場生產(chǎn)過程進行控制的硬件設(shè)備, 完成整個精餾生產(chǎn)工藝的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和控制，其主要由主控制卡、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡、電壓信號輸入卡、電流輸入輸出卡、電源模塊等卡件組成，具有數(shù)據(jù)采集、控制輸出、自動控制和網(wǎng)絡(luò)通信等功能，控制站與操作站之間通過高速通信網(wǎng)Scnet完成數(shù)據(jù)交換。機籠內(nèi)最左端的槽位用于安插主控制卡，其他的卡件按一定規(guī)則排放[12]。在保證系統(tǒng)安全可靠運行的前提下，卡件可以靈活設(shè)置為全冗余、部分冗余或不冗余方式，該平臺系統(tǒng)控制站卡件配置如表1所示。

表1 控制站卡件配置表

2.3 控制系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

JX-300 XP DCS 系統(tǒng)軟件中的AdvanTrol-Pro2.65軟件對化工精餾塔集散控制系統(tǒng)的軟硬件構(gòu)件進行組態(tài)，設(shè)置系統(tǒng)的操作畫面、控制方案、控制周期、卡件地址、卡件數(shù)量和冗余狀況等等，AdvanTrol-Pro2.65軟件包括系統(tǒng)組態(tài)軟件和系統(tǒng)運行監(jiān)控軟件。

系統(tǒng)組態(tài)軟件安裝于工程師站，其核心軟件是SCKey組態(tài)軟件，主要完成系統(tǒng)硬件和控制方案的組態(tài)。在該實驗系統(tǒng)中關(guān)鍵完成以下功能：① 根據(jù)化工精餾塔現(xiàn)場實物圖進行硬件配置；② 根據(jù)精餾工藝要求設(shè)計單回路、單回路比值、前饋控制和串級比值、串級控制等控制方案等,控制精餾塔的工藝參數(shù)及泵的啟停等[13]；③ 繪制精餾工段的流程圖；④ 設(shè)置報警。

系統(tǒng)運行監(jiān)控軟件分別安裝于操作員和工程師站, 對整個工況進行實時監(jiān)控，主要完成多種畫面(綜觀、分組、回路、趨勢、報警、流程圖、系統(tǒng)狀態(tài)等)的顯示和操作、實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)的管理以及生產(chǎn)記錄的打印輸出。該系統(tǒng)的操作人員主要完成下面三個操作：① 通過各種監(jiān)控界面監(jiān)視精餾塔工藝對象的數(shù)據(jù)變化；② 在控制面板中選擇常規(guī)控制或串級控制等控制方案,并設(shè)置控制參數(shù)大小,觀察各個狀況的實時響應(yīng)曲線；③ 對報警和出現(xiàn)的故障及時處理,以保證精餾塔實驗裝置正常的運行。

設(shè)備上電，打開控制柜的電源開關(guān)，然后在工程師站上對組態(tài)信息進行編譯，編譯成功后再把組態(tài)下載到控制站。載入組態(tài)后，還需要將組態(tài)發(fā)布到操作站，操作站才能進行監(jiān)控。完成了組態(tài)的編譯、下載、發(fā)布流程后，整個系統(tǒng)具備了通訊功能，此時控制站、操作站、工程師站已經(jīng)成功的構(gòu)成了一個DCS 系統(tǒng)。同時通過實驗裝置上儀器儀表的開啟或閉合組成各種各樣的控制系統(tǒng)實驗，選擇所需要的實驗項目進行實時監(jiān)控，其工藝總流程見圖3。

圖3 精餾塔精餾工藝總流程圖

3 DCS網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)平臺應(yīng)用效果

利用PID單回路控制算法對塔釜液位進行調(diào)節(jié)，來驗證DCS實驗教學(xué)平臺的應(yīng)用效果。如果塔釜液面過低，再沸器所產(chǎn)生的上升蒸汽不能托住下降液體，使下降液體橫過塔板，如此，塔板上的汽液傳質(zhì)效率降低；塔釜液位太高，又會淹沒底層塔板破壞再沸器的熱循環(huán)，因此塔釜液位要穩(wěn)定在一定的區(qū)間內(nèi)，才能保證精餾塔的正常運行[14]。根據(jù)物料守恒原理，只有進料量等于塔頂和塔釜的采出量之和，才能維持塔釜液面衡定。塔釜液位設(shè)定值與測量值的偏差決定進料泵的流量，偏差變小，進料泵流量也隨之減小，控制器為“反作用”控制器，其控制框圖如圖4 所示。塔釜液位控制為25 cm，經(jīng)多次調(diào)節(jié)最終得到PID控制參數(shù)為：P=50%，I=0.02 min，D=0 s時，得到一個滿意的響應(yīng)曲線(見圖5)。

圖5 PID單回路控制塔釜液位實時監(jiān)控圖

由于測量值在精餾塔精餾過程測的，液體的沸騰對測量有一定的影響，所以曲線在設(shè)定值周圍微小幅度的波動是正常的。從輸出響應(yīng)曲線可以看出，塔釜液位控制在一個非常穩(wěn)定的范圍內(nèi)，系統(tǒng)運行平穩(wěn)，參數(shù)設(shè)置合理，說明PID控制算法對塔釜液位控制是可控的。

精餾塔集散控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)平臺除了塔釜液位控制外，還可以進行塔釜溫度控制、冷凝罐液位控制、塔頂溫度控制、冷卻水流量控制、靈敏板溫度間接單回路控制、回流比自動控制等其他綜合性實驗項目，實現(xiàn)對溫度、壓力、流量、液位等過程參數(shù)的控制[15-16]。可見該實驗平臺是一個具有軟硬件功能豐富，內(nèi)容覆蓋面廣、控制效果平穩(wěn)、應(yīng)用功能強大的先進控制系統(tǒng)。

4 結(jié) 語

精餾塔集散控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)平臺自1 a前投入運行以來，控制系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠、設(shè)備工作狀況良好，完全達到預(yù)期的設(shè)計要求。該網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)平臺的成功應(yīng)用，有效提高了實驗設(shè)備的利用率，同時使學(xué)生在實際工程應(yīng)用技能方面得到了更好的訓(xùn)練，進一步提高學(xué)生工程實踐能力和創(chuàng)新能力，取得了很好的實驗教學(xué)效果。

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