JX-300XP控制系統在樺甸油頁巖干餾工藝中的應用

胡蓉蓉，許忠仁 ，王 健

（遼寧石油化工大學 信息與控制工程學院， 遼寧 撫順 113001）

JX-300XP控制系統在樺甸油頁巖干餾工藝中的應用

胡蓉蓉，許忠仁 ，王 健

（遼寧石油化工大學 信息與控制工程學院， 遼寧 撫順 113001）

介紹了浙大中控的JX-300XP DCS控制系統的總體設計，包括硬件部分和軟件部分。針對樺甸油頁巖干餾工藝中干餾爐燃燒系統的多變量、強耦合、強干擾、大滯后的復雜特性采用模糊控制與自尋優相結合的方法，設計出瓦斯氣壓力—爐膛溫度的模糊串級控制，同時協調處理氧含量和爐膛負壓在一定范圍內優化的控制策略，并給出基于JX-300XP DCS 的實施方案。應用表明，該方案具有較強的抗干擾能力，較好地實現了樺甸油頁巖干餾爐燃燒控制的穩定性和充分性的任務。

JX-300XP；DCS控制系統；I／O；油頁巖干餾

油頁巖是在礦物機體中含有固體可燃有機質的沉積巖，目前世界上的油頁巖儲量為4 750億t，相當于原油可采儲量的5.4倍，是一種潛在的巨大能源。目撫順式油頁巖干餾爐是目前國內應用最多且較成熟的油頁巖干餾爐，撫順爐采用PLC控制工藝流程中的各項參數，經濟且耐用，但是只能實現現場控制。樺甸式油頁巖干餾爐決定改用 DCS集散控制系統，實現了該裝置的工藝生產操作、監視、自動控制、程序控制、數據采集和生產管理等功能。更好的控制現場干餾爐內的溫度，冷熱瓦斯氣的壓力和流量，以及進入到加熱爐內的循環瓦斯氣中的含氧量。現場的溫度、壓力、流量、液位等信號參數經采集傳輸給控制站，控制站的運算結果輸送給各執行機構進行現場控制，操作站的工作人員在屏幕上進行監控［1］。

1 JX-300XP控制系統概述

JX-300XP系統吸收了近年來快速發展的通訊技術、微電子技術，充分應用了最新信號處理技術、高速網絡通信技術、可靠的軟件平臺和軟件設計技術以及現場總線技術，采用了高性能的微處理器和成熟的先進控制算法，是一個全數字化、結構靈活、功能完善的開放式集散控制系統。系統規模可達31個控制站，72個操作站。單個控制站最多可帶8個機籠，每個機籠最多可放置16塊I/O卡件［2］。

2 JX-300XP控制系統總體設計

2.1 硬件配置設計

在油頁巖干餾爐控制系統中的具體I/O點配置,如表1所示。

表1 控制系統配置Table 1 The control system configuration

JX-300XP系統的硬件包含三部分，控制站硬件、操作站硬件和網絡硬件。

2.1.1 控制站硬件

控制站由主控制卡、數據轉發卡、I/O卡件、機柜、機籠、端子板及系統電源等構成，如表2所示。控制站內的總線結構可方便地擴展I/O卡件。

表2 控制站配置Table 2 Control station configuration

2.1.2 操作站硬件

操作站負責顯示控制站采集的信號點，并下達操作員的命令到控制站，同時對一些實時貨歷史的數據進行保存，它是 DCS中不可缺少的硬件組成部分。操作站的配置如表3所示。

表3 操作站配置Table 3 Operating station configuration

2.1.3 網絡硬件

網絡硬件包括網卡、通訊線纜以及其他網絡輔助配件等，它負責控制站和操作站之間或操作站之間等不同設備的信息傳輸，并實現系統規模的擴展。網絡通訊由信息管理網（Ethernet）和過程控制網（SCnet Ⅱ）構成。

2.2 軟件組態設計

對 DCS的軟、硬件構成進行配置，完整的項目組態包含：控制站、操作站等硬件設備在軟件中的配置，操作畫面設計，流程圖繪制、控制方案編寫、報表制作等。

2.2.1 控制站組態

控制站只含一塊主控制卡或一對冗余的主控制卡。主控制卡的默認IP地址是128.128.1.2，卡件型號選擇XP243。每塊主控制卡都具有兩個通信口，在上的通訊口稱為網絡A（128.128.1），在下的通訊口稱為網絡 B（128.128.2），根據需要選擇使用網絡A、網絡B或者冗余網絡進行通訊（兩個通訊口同時使用時稱為冗余網絡通訊）。油頁巖干餾爐共計 117個測量點，分別通過 54個 I/O 卡件通道，實現對現場測點數據的輸入輸出控制。

2.2.2 操作站組態

操作界面指的是自控系統正常工作后通過現場干餾爐的運行狀態反映到主機屏幕上工藝流程圖畫面，可以在主機屏幕上看到現場干餾爐的運行情況，透過操作界面進行及時的PID調整，修改動態趨勢圖工藝參數設定等。

2.2.3 控制方案組態

油頁巖干餾工藝為連續化生產過程，整個干餾爐裝置分成三個單元獨立操作，主要有爐內料位高度控制、干餾爐爐內溫度控制，干餾爐出口壓力控制。油頁巖干餾爐工藝單元設置了 17個常規控制回路，基本采用單回路PID控制，如熱循環瓦斯入口閥門開度調節、調節刮板的出焦機的頻率、調節壓力控制閥等［4］。

3 JX-300XP控制系統在干餾控制系統中的應用

3.1 工藝描述

具體工藝流程為：自干燥單元來的粒徑為20～50 mm、6～20 mm的油頁巖通過皮帶輸送機分別密閉送往大顆粒干餾爐F-3101～F-3106頂部儲料倉，通過星形卸料閥進入干餾爐的干燥段（先對油頁巖進行干燥，去除水分，節省不必要的熱量損耗）、預熱段、干餾段與從干餾爐中部進入的680 ℃熱循環瓦斯及底部上來的冷卻半焦瓦斯混合的瓦斯氣逆向接觸并發生干餾，油母在 520 ℃下分解生成小分子烴類，分解產生的油氣被爐內瓦斯帶有，一并從爐頂排出干餾爐。已經被干餾出油氣的油頁巖此時成為半焦，繼續靠自身重力向下移動，進入冷卻段，與從干餾爐底部進入的 66 ℃冷瓦斯逆向接觸，初步冷卻的半焦最后經過爐底密封段冷卻后經水封段，通過出焦機均勻排出干餾爐，經密閉的膠帶輸送機送往半焦堆場，再送往加熱爐單元作為鍋爐燃料；與半焦換熱升溫到 400 ℃后的瓦斯向上與 680 ℃熱瓦斯混合后對油頁巖進行干餾（圖1）。

圖1 樺甸干餾工藝流程圖Fig.1 Huadian oil shale retorting process flow chart

3.2 控制方案

干餾爐干餾控制系統是一個復雜的多變量控制系統,各個變量之間相互耦合。控制系統對爐膛溫度,燃燒最優(最優風料比)和爐膛負壓進行控制,以實現干餾爐的高熱效率穩定運行為最終控制目的。

為了實現安全生產、生產自動化、系統平穩運行、便于操作以及提高油頁巖干餾效果和干餾效率，本單元為每臺干餾爐設置了3個控制及回路，分別為：爐內料位高度控制、干餾爐爐內溫度控制、干餾爐出口壓力控制［5,6］。

3.2.1 爐內料位高度控制

單回路PID控制的基本控制思路是取控制對象的測量值PV和最初的設定值SV進行比較,差值輸入PID調節控制器,計算閥位MV應當輸出多少,新的閥位值MV會導致新的測量值PV,繼續與設定值SV進行比較,直到測量值與設定值相同為止。本項目以4#干餾爐F-3401為例，當重錘料位計LT-3401測得的爐內料層高于 X1%或低于 X1%時，系統來調節星型閥SV-3401采取相應的動作。當爐內料層高度在正常范圍內時，星型閥正常動作；當料層高度低于爐內料層正常范圍時，料位計傳信號給系統，星型卸料閥進行卸料；當料層高度高于爐內料層正常范圍時，料位計傳信號給系統，星型卸料閥停止或減緩卸料。根據 LT-3401和設定值的偏差,計算出星型閥 SV-3401的開度,然后輸出至現場。調節回路如圖2所示。

圖2 干餾爐料位調節回路Fig.2 Distillation burden position control loop

3.2.2 干餾爐爐內溫度控制

干餾段溫度的高低直接影響油頁巖的干餾效果。在干餾爐工藝中，對溫度控制系統的要求，主要是保證溫度在一定溫度范圍內變化，穩定性好，不振蕩。根據試驗樺甸油頁巖的干餾爐干餾段溫度維持在 520～550 ℃左右，能達到較好的效果。本項目以 4#干餾爐 F-3401為例，當熱電偶TI-3403/1～TI-3403/16測得的干餾爐內溫度高于550 ℃或溫度低于 520 ℃時，系統調節熱循環瓦斯入口閥門開度，。當干餾爐內溫度正常范圍內時，熱循環瓦斯入口閥門不工作；當干餾爐內溫度不在正常范圍內時，熱電偶傳信號給系統，熱循環瓦斯入口閥門開度調節，溫度低于 520 ℃時增大入口熱循環瓦斯流量；溫度高于 550 ℃時減小入口熱循環瓦斯流量。若熱瓦斯的流量已經達到上限，調節刮板的出焦機的頻率，降低出焦速度以減少油頁巖的處理量；若熱瓦斯的參數不能再調整，加快刮板出焦頻率，增大油頁巖的處理量。調節回路如圖3所示［7］。

圖3 干餾爐爐內溫度調節回路Fig.3 Temperature control loop of carbonization furnace

4 控制算法

4.1 基于模糊控制算法的油頁巖給料量調節

把進入干餾爐入口的循環瓦斯氣的測量溫度(T1)和進入干餾爐中段與油頁巖發生干餾作用的循環瓦斯氣的目標溫度(T1SV)的偏差e、以及每個周期的溫度變化ΔT( 即誤差變化ce)作為模糊控制2個輸入量，輸送油頁巖的星形卸料閥轉速變化(ΔuC)作為輸出量，形成雙輸入單輸出模糊控制結構。

4.1.1 模糊化處理

引入干餾爐內的瓦斯氣溫度在 700 ℃左右，誤差e的基本論域定為［-30 ℃，30 ℃］，若誤差超出上述范圍，取其邊界值；誤差變化率de/dt的基本論域為［-0.06，0.06］，輸出增量的基本論域 (歸1化數據) 為［-0.03，0.03］；設模糊控制器的輸入、輸出量經模糊化處理得到模糊語言變量 E、CE 和ΔU 的模糊子集均為{ NL，NM，NS，Z，PS，PM，PL} ; 標準論域范圍定為［－3，+ 3］，并設E，CE 和 U 均服從三角形隸屬函數曲線分布。

4.1.2 設計控制器

模糊控制器的輸入變量選為干餾爐干餾段的實際溫度，通過傳感器系統輸入的溫度y與給定溫度yg之間的偏差e=y-yg及其變化率de/dt，輸入語言變量選為E，變化率de/dt的語言變量選為EC；輸出變量為控制油頁巖給料量的星型卸料閥開度信號u，輸出語言變量選為 U。這樣就為溫度控制系統選定了一個雙輸入、單輸出結構的模糊控制器［9］。

4.2 基于自動尋優的循環瓦斯送量調節

保證油頁巖干餾過程的經濟性的關鍵是控制好適度粒徑的油頁巖的給料量與熱循環瓦斯的送氣量的配比。送氣量調節的目的就是保證合適的配比度，實現油頁巖的充分干餾。為了比較準確地反映完全干餾，通過測量輸出的熱循環瓦斯中的含油量和干餾爐爐膛溫度，自動尋找最佳熱循環瓦斯的輸入量［10，11］。

5 結束語

全循環瓦斯油頁巖干餾爐裝置自投入生產以來,控制系統運行穩定,控制功能滿足要求。

（1）保證了油頁巖與熱循環瓦斯干餾反應過程中自動控制的良好進行,達到了預期的控制目的,取得了良好的控制效果。控制系統的應用使進行干餾反應的熱循環瓦斯氣溫度比傳統的應用PLC式的撫順爐控制溫度提高了200 ℃, 解決了油頁巖干餾不充分這一難題。

（2）在油頁巖與熱循環瓦斯干餾反應過程的自動控制中能有效地綜合利用反應能、油頁巖干餾后仍含有余熱，被冷瓦斯吸收熱能，滿足干餾爐生產裝置自身的瓦斯氣供給,而且還可以外供余熱,降低了頁巖油產品的綜合能耗。

（3）控制系統易于維護并且可靠性高，控制功能齊全，界面清晰易懂，對緊急情況能進行有效的應對措施,對保護工藝裝置及安全起到了很好的作用［12］。

［1］吳啟成，胡蓉蓉，李堯. 瓦斯全循環油頁巖分級干餾工藝及裝置［M］．北京: 地質出版社，2011：282-307

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［4］張德泉. 集散控制系統原理及其應用 [M]. 北京 : 電子工業出版社，2007.

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［9］丁煒, 齊冬蓮. JX-300XP DCS在過程控制裝置CS2000中的應用[J].自動化與儀器儀表, 2012( 02): 103-106.

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Application of JX-300XP Control System in Huadian Oil Shale Retorting Process

HU Rong-rong, XV Zhong-ren, WANG Jian
（College of Electronic Information and Control Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China）

Overall design of JX-300XP DCS control system developed by SUPCON was introduced, including the hardware part and software part. Combined with characteristics of Huadian oil shale retorting process furnace combustion system including multi variable, strong coupling, strong interference and large lag, the cascade fuzzy control of gas pressure-temperature in the furnace was designed by method of fuzzy control and self optimizing, the control strategy to simultaneously optimize the oxygen content and the furnace pressure was put forward, and the implementation scheme of JX -300XP based on DCS was given. Application results show that, this scheme has strong anti-interference ability, can achieve the stability of combustion control of Huadian oil shale retorting and adequacy of the task.

JX-300XP; DCS control system; I/O；Oil shale retorting

TP 273

A

1671-0460（2014）12-2596-04

2014-04-10

胡蓉蓉（1981-），女，遼寧沈陽人，助理工程師，碩士，2014年畢業于遼寧石油化工大學檢測技術與自動化裝置專業，研究方向：化工儀表。E-mail：foxhuzi@163.com。