DetaV DCS在液化氣分餾裝置中的應用

Application of DetaV DCS in LPG Fractionation Unit

胡佳琦

(中海油上海分公司西湖作業公司，上海　200030)

DetaV DCS在液化氣分餾裝置中的應用

Application of DetaV DCS in LPG Fractionation Unit

胡佳琦

(中海油上海分公司西湖作業公司，上海200030)

摘要：介紹了液化氣分餾工藝流程，分析研究了關鍵工藝參數控制點，設計開發了液化氣分餾過程控制系統，詳細闡述了液化氣分餾裝置控制系統的硬件組成和軟件組態。控制系統采用美國Emerson公司的DetaV DCS系統，通過控制網絡連接、硬件配置和軟件組態，實現液化氣分餾過程的數據采集、單回路控制、復雜回路控制、實時監控以及報警和歷史記錄收集。經投運證明，該控制系統操作簡便、控制可靠，保證了液化氣分餾裝置的穩定工作。

關鍵詞：液化氣分餾裝置DetaV DCS數據采集回路控制在線監控

Abstract：The technological process of LPG fractionation is introduced, the critical process parameters are analyzed and researched, and the control system for LPG fractionation process is designed and developed. The hardware composition and software configuration of this control system are described in detail. Emerson DetaV DCS is selected for the control system, through control network connection, hardware and software configuration, various functions including data acquisition, single loop control, complicated loop control, real time monitoring, alarm and collection of historical records are implemented. Having been put into operation, it is verified that the control system is reliable, easily to operate, and ensures the stable operation of LPG fractionation unit.

Keywords：LPG fractionation unitDetaV DCSData acquisitionLoop controlOnline monitoring

0引言

液化氣中含有丙烷、丁烷、戊烷以及其他重組分烴。通過分餾，可以分離出液化氣中的不同組分，提高經濟效益[1]。

隨著自動化技術的不斷發展，DCS系統廣泛應用于液化氣分餾的過程控制，極大提升了控制精度和效率[2]。Emerson DetaV DCS系統作為新一代開放型的網絡控制系統，將DCS的性能與PC完美結合，完全兼容Windows7操作系統，具有開放的操作環境、方便的控制組態和實時的監控功能。中海油上海分公司西湖作業公司天然氣處理廠項目采用Emerson DetaV DCS系統作為液化氣分餾生產過程控制系統，對工藝過程實施監控，取得了良好的效果。

1液化氣分餾工藝

液化氣進入脫丙烷塔中部，在向下流動過程中，依次和各層塔板上升的蒸汽接觸，液相中組分較輕的丙烷部分汽化，重組分濃度逐漸增高。下流的液體經過多層塔板部分汽化，最終塔底可以得到含輕組分極少的合乎質量要求的重組分產品。丙烷從脫丙烷塔頂部經空冷器冷凝后進入回流罐，回流罐液相經脫丙烷塔回流泵增壓，一部分作為塔頂回流，另一部分經產品冷卻器冷卻后進入丙烷儲罐；脫丙烷塔塔底液相一部分進入脫丙烷塔再沸器換熱后返回塔底，另一部分被送至脫丁烷塔中部作為進料。按同樣的原理，從塔頂脫出丁烷，將塔底液相作為進料送入脫戊烷塔中部，從塔頂脫出戊烷，將塔底液相送入穩定輕烴球罐存儲。各塔在操作中既有它們的連續性，又有它們的獨立性，操作中只有保持各塔的產品質量，才能保證系統的產品質量。

分餾各操作參數對產品質量的影響分析如下。

① 壓力：液化氣具有沸點低、蒸汽壓力大的特點，塔壓稍有下降，液化氣將很快揮發，并產生氣液夾帶現象，降低分餾效果。因此，要嚴格控制壓力，波動范圍不超過±0.05 MPa。

② 溫度：主要影響塔的壓力，溫度升高，塔壓也隨之升高。根據情況通過調節塔底重沸器的熱介質量來調節溫度。

③ 回流量：回流的作用一方面是提供塔板上的液相回流，以達到汽、液兩相充分接觸、傳質、傳熱的目的；另一方面取走塔內剩余的熱量，維持全塔的熱平衡，以利于控制產品的質量。

④ 液位：各塔壓力相差較大，因此液面調節不能過于劇烈，防止塔液面蒸空，重沸器干涸。

2DCS系統配置

2.1　系統硬件

分餾裝置過程控制采用Emerson DetaV DCS系統。整個系統由工作站、冗余控制網絡、現場控制部分構成[3]。

2.1.1工作站

DetaV系統工作站是DetaV系統的人機界面，通過系統工作站，企業的操作人員、工程管理人員及企業管理人員可隨時了解、管理并控制整個企業的生產及計劃。

DetaV系統工作站分為三種：工程師站、操作員站、應用站。

① 工程師站

本系統配置1臺工程師站。工程師站包含DetaV系統的全部數據庫，能將系統的所有位號和控制策略映射到DetaV系統的每個節點設備。工程師站擁有配置系統組態、控制及維護的所有工具，如IEC 1131圖形標準的組態環境、完整的圖形庫和相關的控制策略[4]、OPC以及圖形和歷史組態工具。此外，通過工程師站設置系統許可和安全口令，可實現用戶權限管理。

② 操作員站

本系統配置3臺操作員站。操作員站可提供友好的用戶界面、高級圖形、實時和歷史趨勢、由用戶規定的過程報警優先級和整個系統安全保證等功能。通過操作員站可實現生產過程的監視和調節控制、直觀的流程畫面顯示、報警處理、歷史趨勢記錄及報表打印。

③ 應用站

本系統配置1臺應用站。應用站用于支持DetaV系統與其他通信網絡，如工廠管理網之間的連接。應用工作站可運行第三方應用軟件包，并將第三方應用軟件的數據鏈接到DetaV系統中。此外，應用工作站還可以通過OPC服務器，將過程信息與其他應用軟件集成，可支持每秒2萬多個過程數據的通信，可以在與之連接的局域網上設置遠程工作站。遠程工作站可以具備與DetaV系統本地工程師站或操作員站完全相同的功能，可實現對DetaV系統進行遠程組態、實時數據監視等操作。

通過應用工作站，可以監視最多25 000個連續的歷史數據、實時與歷史趨勢，大大提升歷史數據存儲的數量。

2.1.2冗余控制網絡

DetaV系統的控制網絡是以10/100 Mbit/s以太網為基礎的冗余的局域網(LAN)。系統的所有操作站及控制器均直接連接到控制網絡上，不需要增加任何額外的中間接口設備。

網絡的冗余設計提供了通信的安全性。DetaV系統的工作站和控制器都配有冗余的以太網口，通過兩個不同的網絡交換機及連接的電纜，建立兩條完全獨立的網絡。主網通信若出現故障，可通過副網繼續通信，保持網絡暢通[5]。

2.1.3現場控制部分

現場控制部分由機架、控制器和I/O卡件組成。

機架為控制器和I/O卡件提供電源和數據傳輸總線。控制器和I/O卡件安裝在機架插槽中，由機架提供電源。由輸入卡件采集的現場變送器信號經機架底板的數據傳輸總線送至控制器，經控制器運算后輸出的控制信號也通過數據傳輸總線送至輸出卡，控制現場執行機構動作。

控制器是控制策略的執行部分，由工程師站組態的控制策略通過控制網絡下載到控制器中。控制器能在50 ms內完成從輸入通道接收信息、調用控制策略算法，并將計算數據輸出給執行機構的一系列工作。

控制器采用冗余配置，I/O實時數據通過主動上傳方式同時上傳給主控制器和備用控制器。正常情況下，主控制器和備用控制器同步刷新輸入數據、執行控制程序，但只有主控制器進行輸出I/O設備的控制[6]。備用控制器不斷監測主控制器狀態，當主控制器故障時，備用控制器就會在不需要初始化和用戶干預的情況下，接管對輸出I/O的控制，自動提供連續無擾動控制。

I/O卡件是DetaV系統與現場儀表的接口，負責現場檢測數據輸入與控制數據輸出。I/O卡均為模塊化設計，可即插即用、自動識別、帶電插拔。

控制系統結構如圖1所示。

圖1　控制系統結構圖

2.2　軟件組態

2.2.1現場控制器組態

對于安裝好的現場控制器，必須在工程師站上進行組態配置，包括控制網絡添加、控制器分配、輸入輸出通道使能、設備位號分配[7]。通過組態配置，建立中控工作站與現場控制器的實時數據傳輸通道，為下一步組態做好準備。

2.2.2操作站組態

首先建立不同級別的操作員賬戶，設置操作權限；然后組態流程畫面，實現監控與操作的需要；最后組態歷史趨勢記錄，包括定義趨勢組、趨勢點以及采樣周期，并做好打印設置。

3分餾工藝控制策略組態

分餾工藝操作中，壓力、溫度、液位、回流量都對產品品質有很大影響，建立這幾大參數的控制策略是整個液化氣分餾控制的核心工作，關系著分餾裝置能否高效生產，以及產品質量是否合格。因此，需對這幾大參數分別進行控制策略組態。

3.1　溫度控制組態

大多數的溫度控制系統可以看作一階純滯后環節。由于本系統純滯后時間較小，故可采用單回路PID(比例、積分、微分)控制算法實施控制。

3.1.1DetaV DCS系統PID計算原理

單回路PID控制是一個典型的閉環控制系統，其控制原理如圖2所示。

圖2　單回路PID原理圖

(1)

將偏差e(t)作為PID控制的輸入，u(t)作為PID控制的輸出，將偏差e(t)的比例(P)、積分(I)和微分(D)通過線性組合構成控制量[8]，對被控對象進行控制，可得一般模擬系統的PID微分方程為：

(2)

式中：Kp為比例增益；Ti為積分時間；Td為微分時間；u(t)為控制量；e(t)為測量值與給定值的偏差。

DCS系統采用計算機控制，計算機控制是一種采樣控制，它只能根據采樣時刻的偏差計算控制量，而不能像模擬控制那樣連續輸出控制量。式(2)中的積分項和微分項不能直接使用，必須進行離散化處理。離散化處理的方法為：以T作為采樣周期，k作為采樣序號，則離散采樣時間kT對應著連續時間t，用矩形法數值積分近似代替積分，用一階后向差分近似代替微分,可作如下變換：

t≈kTk=0,1,2，…，n

(3)

(4)

(5)

將式(3)~式(5)代入式(2)，得到離散的PID表達式：

(6)

或

(7)

式中：k為采樣序號；uk為第k次采樣時刻計算機輸出值；ek為第k次采樣時刻輸入的偏差值；ek-1為(k-1)次采樣時刻輸入的偏差值；Ki為積分系數，Ki=KpT/Tj;Kd為微分系數, Kd=KpTd/T。

如果采樣周期足夠小，則式(6)或式(7)的近似計算可以獲得足夠精確的結果，離散控制過程與連續過程十分接近。式(6)或式(7)表示的控制算法是直接按式(2)所給出的PID控制規律定義進行計算的，所以它給出了全部控制量的大小，被稱為全量式或位置式PID控制算法[9]。

這種算法的缺點是：由于全量輸出，所以每次輸出均與過去狀態有關，計算時要對ek進行累加, 工作量大；并且因為計算機輸出的uk對應的是執行機構的實際位置，如果計算機出現故障，輸出的uk將大幅度變化, 引起執行機構的大幅度動作，可能因此造成嚴重的生產事故，這在實際生產中是不允許的。因此，選擇采用增量式PID控制算法以避免此現象發生。

增量式PID是指數字控制器的輸出只是控制量的增量Δuk。當執行機構需要的控制量是增量而不是位置量的絕對數值時，可以使用增量式PID控制算法進行控制。增量式PID控制算法可以通過式(6)推導出。由式(6)可以得到控制器的第(k-1)個采樣時刻輸出值為：

(8)

將式(6)與式(8)相減并整理，可得到增量式PID控制算法公式為：

Aek+Bek-1+Cek-2

(9)

由式(9)可以看出，如果計算機控制系統采用恒定的采樣周期T，一旦確定A、B、C，只要使用前后三次測量的偏差值，就可以由式(9)求出控制量。增量式PID控制算法與位置式PID算法式(6)相比，計算量小，有利于提高控制系統反應速度，DetaVDCS系統采用此方式進行PID運算。

3.1.2溫度控制單回路組態

本項目單回路PID控制器用于控制分餾塔溫度(PV)保持在恒定的溫度設定值(SV)。系統通過溫度采集單元反饋回來的實時溫度信號(PV)獲取偏差值(EV)，偏差值經過PID調節器運算輸出，控制加熱器熱介質流量，以克服偏差，促使偏差趨近于零。

在DetaV系統中，無需進行復雜的PID運算編程，只需通過一個PID功能塊即可實現上述運算以及參數設定。該功能塊已通過VB編寫好PID控制算法，只需設定輸入信號通道、輸出信號通道、PID參數值，即可完成輸入信號采集、PID運算、輸出控制、反饋比較，實現單回路PID控制。單回路PID控制組態如圖3所示。

圖3　單回路PID控制組態

3.2　壓力-液位控制組態

分餾塔壓力受兩方面影響。一是塔頂氣相放空量，可直接降低塔壓；二是液相產品進入儲罐的量。由于儲罐壓力低于分餾塔壓力，在液相產品輸送過程中如果控制不當，會造成分餾塔壓力降低，因此，對以上兩方面分別進行控制策略組態。

3.2.1壓力控制單回路組態

對于塔頂氣相放空量的控制，采取同溫度控制一樣的單回路PID控制，通過壓力變送器檢測塔壓。當塔壓高于設定值時加大放空閥開度，增加放空量，降低塔壓；當塔壓低于設定值時減小放空閥開度，減少放空量，增加塔壓。

3.2.2壓力-液位復雜控制組態

對于液相產品出料量的控制，需保持分餾塔壓力，同時保證塔液位不能過低，防止液面蒸空，造成重沸器干燒，以及產品輸送泵干抽，損壞設備，造成事故。由于需要兼顧壓力和液位兩個參數，單回路PID控制難以實現有效控制，因此組態策略采用超馳控制。

超馳控制是指當生產操作趨向限制條件時，一個用于控制不安全工況的控制方案將取代正常情況下的控制方案，直到生產操作重新回到安全范圍以內并恢復控制方案為止[10]。

依照功能劃分，超馳控制系統可分為以下三類[11]。

第一類，開關型超馳控制系統。一般是在主路控制器到調節閥門間設置一個電磁閥門，由輔路超馳信號控制電磁閥門。當超馳信號送到時，電磁閥門斷開，主路調節閥門由于失氣或失電，調節閥門自動向預先設定的全關(FC)或全開(FO)動作。因此，當超馳信號出現時，調節閥門的最終動作是全開或全關，此時調節閥不會動態地進行調節。

第二類，連續型超馳控制系統。將開關型超馳控制系統中的電磁閥門換成選擇性控制器。該選擇型控制器可以預先設定為優先選擇信號高的或者是信號低的一側信號，主路控制信號和超馳控制信號始終都是通向該選擇器，連續型控制系統的超馳信號可以動態調節閥門。

第三類，混合型超馳控制系統。控制系統中同時有開關型和連續型超馳控制系統。

在本項目中，采取壓力-液位連續型超馳控制系統，超馳控制系統有壓力和液位兩個控制器，由低選器選擇出能適應生產安全狀況的控制信號，實現對生產過程的自動控制。超馳控制原理如圖4所示。

圖4　超馳控制原理圖

壓力-液位超馳控制系統的詳細設計如下。

① 控制閥開、閉形式選擇：根據生產安全要求選擇控制閥的開、閉形式。當分餾裝置出現故障時，控制閥應關閉，停止出料，因此控制閥選擇氣開式。

② 控制規律及正、反作用選擇：根據對象的特性和控制的要求，選擇控制器的控制規律及正、反作用。壓力控制器(PIC)為正常情況控制器，當分餾塔壓力高于設定值時，控制器輸出增加，使閥門開度增加，分餾塔壓力降低，因此選擇正作用。液位控制器(LIC)為非正常情況控制器，當分餾塔液位低于設定值時，控制器輸出減小，使控制閥開度減小，減少出液量以保持塔液位，因此選擇正作用。

③ 選擇器類型的選擇：根據生產處于非正常情況下控制器的輸出信號高、低來確定。如果非正常情況控制器輸出為高信號，則應選高選器；如果非正常控制器輸出為低信號，則應選低選器。分餾生產處于非正常情況下，液位控制器(LIC)為保證實際液位不低于設定值，會輸出低信號，所以選擇器設計為低選器。

④ 控制規律選擇：正常情況下工作的控制器，選擇PID控制；非正常情況下的控制器，選擇比例式控制。

壓力-液位超馳控制系統組態如圖5所示。

圖5　壓力-液位超馳控制系統組態

3.3　流量-液位控制組態

分餾塔生產過程中需要一定的產品回流，以提高產品純度，在保證回流量的同時，也必須保持回流罐液位處于安全狀態，避免抽干回流罐。因此，對于流量-液位的控制，選擇跟壓力-液位相同的超馳控制，達到控制要求。

4監控報警

4.1　在線監控

操作員站顯示整個分餾的工藝流程、設備運行狀況、過程變量值及歷史趨勢圖。操作人員可以通過顯示器監控流程運行情況，并能手動調整控制參數，實現對自控系統的干預。

4.2　故障報警及聯鎖保護

當分餾裝置運行過程中出現故障或工藝參數超限時，控制系統會出現聲光報警，提醒操作人員及時采取措施排除故障，保證系統正常運行。同時，在中控室內設置緊急關停按鈕，在出現緊急情況時可人為關停整個系統。

5結束語

采用DetaV DCS系統對液化氣分餾進行過程控制，能夠輕松實現單回路和復雜控制回路控制策略的組態。其強大的數據處理能力保證了各參數控制達到預期要求；通過簡單、直觀的操作界面可監控整個工藝流程，并進行歷史記錄和報警信息查詢。系統自2011年投運以來，未出現故障，保證了液化氣分餾裝置的穩定運行，為公司創造了良好的經濟效益。

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中圖分類號：TP273

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201502007

修改稿收到日期：2014-07-09。

作者胡佳琦(1980-)，男，2003年畢業于西南石油大學自動化專業，獲學士學位，工程師；主要從事現場儀表與自動控制系統方面的研究。