精細化工生產過程控制系統研究與設計

楊南

化工部長沙設計研究院 ，湖南長沙，410116

精細化工生產過程控制系統研究與設計

楊南

化工部長沙設計研究院 ，湖南長沙，410116

隨著我國工業產業的快速發展，工業生產活動對化工產品的需求量越來越大，化學產業占我國國民經濟的比重也逐年升高。傳統的化學生產模式產量小，且產品質量較差，只能生產工藝簡單的產品，已經難以滿足我國工業生產需求。精細化工可以有效解決上述問題，但我國的精細化工產業發展比較滯后，精細化工產業的自動化、智能化水平較低，目前市場要求化學產業可以實現多位間歇批量生產，需要化學生產過程的柔性更高，但國內很多企業仍然停留在局部檢測的水平，導致化工生產效率與質量均不高，而且難以保證化工生產的安全性。本文將深入研究我國精細化工產業的發展現狀，并提出精細化工生產過程控制系統的構建方案，為我國精細化工產業發展提供參考。

精細化工；生產過程；控制系統；構建；設計

目前，我國現有的化工產業仍然停留在比較原始的生產模式，很多企業仍然沒有實現自動化、智能化生產模式，嚴重制約了我國化學產業的健康發展。精細化工具備較高的生產效率，同時可以最大限度的提高化學產品的質量，精細化工可以有效保證生產過程安全性，降低化學生產過程風險。精細化工不僅僅需要化工工藝的支持，還需要控制系統的支持，將自動化控制系統應用于精細化工生產中，可以有效降低化工生產的人力成本。精細化工具備傳統化工生產模式難以比較的優勢，精細化工生產模式將是我國化工產業未來數十年的發展趨勢，而精細化工過程控制系統將是我國精細化工產業的必然選擇，下面將詳細闡述精細化工的概念以及我國精細化工產業的現狀。

1 精細化工簡介

精細化工產業的主要產品是精細化學品，精細化工產業是工業領域中的新興領域，同時也為新材料制造提供了解決方案，精細化工產業涉及的產品很多，而且這些產品的附加值較高，已經廣泛應用于各種高新領域，比如激光制導武器中的稀土產品、高像素攝像頭、電子工業產品中的貼片式元件等，精細化工產業與傳統應用型產業具備一定差異性，傳統工業產業，如機械等都具備接觸的產品，但精細化工的產品一般不會直接供應給消費者，而是應用于其他工業生產，為其他工業生產提供原料，精細化工率已經成為衡量國家工業水平的重要指標。

2010年以來，全球精細化工產業的年均增長率超過6%，全球精細化工產品種類10萬種，而且西方發達國家的精細化工產業占化工產業比重60%以上，美國的精細化工產品年均銷售額已經突破1250億美元。目前，我國精細化工產品的生產率較低，且精細化工率僅僅35%，另外，現有的很多精細化工企業都屬于中外合資，但我國精細化工產業的市場競爭越來越強，我國精細化工產業的時長潛力十分巨大。我國已經具備25個門類的精細化工產品，全國精細化工產品總值超過1500億元，國家已經在逐步加大精細化工產業的投入。

2 精細化工生產過程控制系統框架

2.1 工藝分析

本次研究的精細化工生產線的重點是反應釜，反應釜廣泛應用于各種領域，包括化肥、石油、醫藥、食品等，其主要作用是完成氫化、存儲、蒸餾、中和、水解、結晶等，精細化工的反應釜必須實現全自動化進料、出料、反應、指標控制等，反應釜的主要結構包括電機、減速機、內盤管、夾套、攪拌槳、放料閥、加熱管等。本次研究的項目是某公司的精細化工中間體生產線，該生產線共包括13個反應釜，根據生產工藝可以將生產線分為三個部分包括配液、反應以及后處理，而且這三段工藝分別涉及了三個反應釜，配液是為生產過程提供液體物料，反應工業流程的工藝最復雜，需要控制的指標很多，后處理流程將對反應釜的水相中萃取回收有機物。

圖1 精細化工生產過程控制系統的框架圖

2.2 系統設計

本文設計的系統是以精細化工生產過程控制為基礎，且本次生產的原料比較貴重，需要嚴格控制溫度，而且生產過程不能終止，否則會造成原料浪費，可能造成產品不良率上升，除此之外，反應釜壓力也是一項十分重要的指標，如果反應釜的壓力過高，將直接導致反應釜出現泄露，甚至威脅生產安全，因此，本次設計的系統必須具備較高的可靠性與容錯性。本次設計的系統基于全自動化集成設計的思路，本系統的核心是S7-400H冗余系統，并將WinCC作為系統的操作監控終端。S7-400H冗余系統實際分為兩個子系統，每個子系統均具備獨立中央控制器UR1/UR2，另外每個系統均具備一塊容錯功能的CPU以及一塊PS407電源模塊，本系統采用了過程控制原理，控制人員在中控室利用控制終端進行現場控制，系統的控制方式為S7-400H工業以太網系統。圖1為精細化工生產過程控制系統的框架。

3 系統各個模塊的設計

3.1 系統硬件設計

本系統使用的控制器為過程控制單元，屬于典型的集散型控制系統，本次設計選用的控制器為CPU 414-5H PN/DP，CPU具備2MB的代碼與2MB的數據內存，CPU具備容錯冗余安全功能。系統的總線模塊為IM153-2，該模塊一共具備12個I/O接口，系統的通訊模塊主要負責連接現場終端，本次設計采用ET200M分布式I/O模塊，屬于S7-300系列，系統的質量流量計輸出為兩路脈沖信號，一組為質量脈沖信號，控制精度為1/2400Kg，另一組為簡單的數字量輸入模塊，系統的電源采用了10A的PS407模塊。除了上述系統直接硬件設計外，還需要對系統的遠程操作終端進行設計，本系統的終端機以IPC-510為基礎，同時需要對終端進行防沖擊、防腐蝕、防磁等設計，系統的人機交互模塊均采用TP1200觸摸屏。

3.2 系統軟件設計

本次設計采用的軟件編程系統為Step7，該軟件包是一種用于SIMATIC可編程邏輯控制器的組態軟件系統，已有的Step7系統包括了兩個版本，一種屬于簡化單機程序系統，包括STEP 7 Micro/DOS和STEP 7 Micro/Win，另一種屬于標準軟件包，包括STEP 7 等。本系統采用的編程系統為STEP 7 V5.5+SP2+HF1 Chinese，該系統的大部分模塊已經漢化。本系統的軟件為S7 Graph順序控制程序。除了系統的主控制模塊設計之外，還需要對系統的各個子單元進行設計，包括氣動開關閥程序設計、模擬量采集程序設計、電機控制程序設計、智能空壓介質控制設計以及水與有機相的分離程序設計，除了上述程序模塊設計外，還需要重點對反應度的溫度進行控制，控制的基礎為PID閉環反饋控制系統。

3.3 系統網絡設計

精細化工生產過程控制系統的通信方式采用了S7-400H冗余配置，因此系統中的S7-400H與S7-300之間的通訊必須為容錯連接模式，而SIMATIC 工業以太網本身就提供了容錯連接方式，但這種連接僅僅局限在上位機與S7-400H之間，向S7-400H與S7-300之間增加Y-LINE，可以實現冗余連接，另外，S7-400H與S7-300之間的冗余連接采用了PROFIBUS-DP通訊協議，PROFIBUS-DP通訊協議屬于典型的開放式現場總線，其傳輸速度可以靈活選擇9.6KB-12MB之間的任一頻道，在使用前需要將總線上的通訊速度調節為一致，PROFIBUS-DP通訊總線的自動化程度較高，PROFIBUS-通訊協議主要分為三個部分包括PROFIBUS-DP、PROFIBUS-A以及PROFIBUS-FMS。

4 結語

精細化工生產模式具備傳統化工生產模式難以比較的優勢，精細化工過程控制系統可以有效提高化工生產效率，保證化工產品的質量，降低化工生產風險。本文結合某產線實際建設情況，深入探究了精細化工過程的工藝與控制要點，最終確定了基于全自動化集成設計的思路，本系統的核心是S7-400H冗余系統，并將WinCC作為系統的操作監控終端。本文結合化工生產的特定與工藝流程，確定了系統的總體硬件與軟件設計方案，系統對化工生產過程的關鍵步驟進行實時監控，監控的內容包括水和有機相分離的問題以及壓空介質問題等，除此之外，本文深入研究了反應釜的溫度控制問題，根據反饋的數據可以看出，本系統設計已經具備較好的使用效果，最后對系統的界面以及網絡進行設計，希望本文的研究有利于推動我國精細化工產業的健康發展。

[1]王靜,李鐘琦.PROFINET技術在廣東清遠抽水蓄能電站的應用[J].中國儀器儀表.2013(09):46-48.

楊南/1988年生/男/安徽蚌埠人/本科/助理工程師/研究方向為化學工程與工藝