一種環己醇生產裝置中DCS控制系統的設計

李 猛

(中國平煤神馬集團尼龍科技有限公司)

一種環己醇生產裝置中DCS控制系統的設計

李 猛

(中國平煤神馬集團尼龍科技有限公司)

以HOLLiAS MACS6 DCS系統為核心平臺，設計了一套針對環己醇安全生產的控制系統。詳細介紹了系統的整體結構、硬件設計、軟件組態和監控界面設計。現場實際運行結果表明:該系統運行穩定、生產安全，滿足工藝規定的要求和指標。

自動控制 DCS 環己醇

DCS作為生產過程自動化領域的計算機控制系統，隨著顯示技術、控制技術、通信技術和網絡技術(4C技術)的發展[1,2]，實現了生產過程的集中監控和集中管理，并向著信息化和集成化方向繼續發展，提高了工業生產效率和控制的精度，降低了維護和運行成本。在此基礎上，化工生產過程逐步達到了智能化、復雜化、自動化和規模化的程度。環己醇作為重要的化工中間體，是生產己二酸、己內酰胺、尼龍6、尼龍66、醫藥、涂料及染料等諸多化工產品的主要原料[3～5]。其生產工藝復雜，設備規模巨大，現場人工操作危險性高，因此如何安全、穩定、有效地生產環己醇，以滿足日益增長的需求，成為當務之急。DCS憑借自身的高可靠性、科學性的設計，實現對生產過程中物料的流量、液位、壓力、溫度及密度等工藝參數精準的控制。基于DCS控制系統生產環己醇的整體設計方案，通過常規控制、過程連續測量和操作控制管理，以保證生產裝置的安全有效運行[6]。

1 環己醇生產工藝流程

生產環己醇的方法主要有苯加氫-環己烷氧化法、苯酚加氫法及苯部分加氫-環己烯水合成法等，其中，環己烷氧化法的應用最為普遍；苯酚加氫法步驟繁瑣，成本較高；環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-環己烯水合成法生成環己醇(圖1)為例進行工藝流程的說明。

圖1 環己醇工藝流程

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，將氫加壓到氫反應所需的壓力，用苯和氫進行部分加氫反應生成環己醇的原料環己烯和副產物環己烷。之后除去溶解于加氫反應產物中的氫。

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

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

圖2 環己醇反應精餾示意圖

環己烷精制工序。在洗滌系統除去環己烷中的含氮化合物，經環己烷處理系統、環己烯分離系統分離的環己烷中所含的不純物通過加氫反應使苯、環己烯轉化成環己烷，MCPE轉化成MCPA。精制后的環己烷成為最終產品。

2 環己醇生產控制系統設計

和利時HOLLiAS MACS6系統是通過工業通信網絡，將分布在工業現場附近的工程師站、操作員站、歷史站及現場控制站等上位監控系統連接起來，以完成對現場生產設備的分散控制與集中管理[8]。筆者所設計的環己醇生產控制系統以MACS6 DCS系統為開發平臺，其結構包含監控中心、I/O現場主控制站和分布式I/O站3個部分(圖3)。

圖3 MACS6 DCS系統結構示意圖

監控中心包含系統網。系統網屬于工業高速以太網，支持TCP/IP 協議，冗余網段分為SNETA、SNETB，分別對應的128網段、129網段。系統網支持P-TO-P、C/S、P-TO-P和C/S混合3種結構。它連接工程師站、操作員站、歷史站和現場控制站，負責站之間的數據傳遞。

I/O現場主控制站是I/O卡件通過復合電纜與控制站連接構成的控制網，控制網支持星型、總線拓撲型網絡結構和Profibus-DP現場總線協議。它連接現場控制站中的主控與I/O模塊，負責主控制器與I/O模塊之間的數據傳遞。

分布式I/O站是就地儀表、傳感器、執行電機、變頻器、開關閥及調節閥等與I/O模塊構成的現場級控制網絡，用于現場實時參數采集、頻率設定和閥門控制。I/ O卡件采集現場儀器儀表的模擬信號AI和狀態信號DI，通過C/S 網絡傳送到上位機監控畫面顯示，同時操作人員通過遠程方式，發出的信號經I/ O卡件輸出以控制現場設備。

3 環己醇生產控制系統硬件設計

依據工藝生產要求，確定生產控制目標，按照控制目標統計相應儀表監測點的類型、數量及I/O編號等數據，編制相應儀表點清冊，根據點清冊確定系統的規模，并對控制系統硬件進行相應設計[9]。

根據環己醇生產規模，由DCS開關(模擬)量輸入/輸出清單確定該控制系統所需要的相應卡件數和端子板數目，并根據系統硬件要求對I/O模塊進行布局設計。最終設計交付的清單見表1。

3.1 I/O模塊

在整個清單的統計中數字量輸入信號點數為92，主要顯示現場電機泵、開關閥的狀態。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%。

清單中數字量輸出信號點數共有238個，主要控制設備的啟停、開關閥的開與關。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(節選部分)

清單中模擬量輸入點數共有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%。在設計中參與聯鎖的AI點，冗余率為100%，這里不作詳細闡述。

清單中模擬量輸出點數共有266個(4 ～20mA模擬電流信號)，主要控制變頻器的頻率、調節閥的開度。該類型信號選用增強防護型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。可采用各68塊相應的卡件，冗余率為100%。

3.2 主控制模塊和通信模塊

為確保系統安全可靠，主控制器模塊采用主從雙處理器，協同處理控制站的任務[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I/O單元與控制器模塊之間的通信、改變網絡的拓撲結構，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)外供電電源經此，與SM910和 SM913交直流電源轉換模塊相連接，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系列硬件提供系統電源、現場電源。K-PW21是查詢電源配電板，為I/O模塊提供系統查詢(輔助)電源。由于共設置兩個控制站，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

環己醇工藝分為氫氣脫硫、加氫、萃取精餾、水合和環己烷精制5個工段，結合整個控制系統的設計，操作員站和工程師站的負荷不應超過40%，本系統配置6臺監控計算機(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導軌，每列導軌上最多可安裝10個I/O模塊。K-BUS 支持級聯擴展，一對控制器最多帶100個I/O單元。控制網采用星型結構，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 卡件布局及擴展結構示意圖

根據以上設計，所需各類AI、AO、DI、DO儀表信號共計1 224點，相應的卡件共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的機柜及卡件箱應留有20%以上的備用安裝空間(即空槽率)，控制站的負荷不應超過40%，所以需要4個控制站，8臺機柜(主機柜、擴展柜各4臺)以滿足設計要求。

4 環己醇生產控制系統軟件設計

控制站I/O組態與物理上的現場控制站具有邏輯上的對應關系，即軟件的控制站組態信息(主控型號、模塊型號、I/O點信息和地址)與硬件現場控制站是一一對應的。

5 結束語

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

增減測點、模塊、操作員站以及數據庫的導入、修改等需要啟動歷史服務器軟件，下裝歷史站，獲取各服務需要的離線組態文件。操作站組態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行監視和控制。流程圖監控總界面如圖5所示。

基于HOLLiAS MACS6 DCS 的環己醇生產控制系統在中國平煤神馬集團尼龍科技有限公司成功應用，該系統提高了化工生產的自動化、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、生產效率和產品質量，為企業進行大規模生產提供了可靠的保障，增強了企業的市場競爭力。同時，該生產控制系統所采用的硬件設計和組態軟件技術都比較成熟，可廣泛推廣應用。

圖5 流程圖監控總界面

[1] 張麗芳，陳赤陽，項志軍．環己烷氧化制備環己酮和環己醇工藝研究進展[J]．北京石油化工學院學報，2004，12(2)：39～43.

[2] 郭志武，靳海波, 佟澤民.環己酮、環己醇制備技術進展[J].化工進展，2006,25(8):852～859.

[3] 王冬冬.由苯“一鍋法”制備環己醇催化反應研究[D].天津：河北工業大學，2010.

[4] 張漢昌.集散控制系統DCS 在瓦斯發電自動監控系統中的研究及應用[J]. 煤礦機電,2013,(2):88～93.

[5] 潘茂強. DCS 在壓濾脫水裝置中的應用[J]. 化工自動化及儀表,2013,40(5):679～682.

[6] 劉俊．化工裝置應用ESD系統的淺見[J]．內蒙古石油化工，2010，36(8)：77．

[7] 王晨.環己醇和環己酮生產現狀概述[J].山西化工，2013，33(2)：34～37.

[8] 賴園園.新型DCS系統圖形和控制組態軟件的研究與開發[D].濟南：山東大學，2008.

[9] 孫勇. DCS 系統過程控制功能的設計與實現[D].廈門:廈門大學,2013.

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，從事工業自動化控制、無線傳感器網絡的研究，598152860@qq.com。