VCM精餾仿真培訓系統(tǒng)

金洪鑫，張增良,林 曉

(浙江中控科教儀器設備有限公司，浙江 杭州 310053)

VCM精餾的控制過程較為復雜，簡單的精餾原理實驗和理論學習，很難掌握控制的關鍵點。為給學生創(chuàng)造一個直觀、安全的精餾系統(tǒng)操作環(huán)境，以VCM(氯乙烯)精餾控制工藝為模型，研發(fā)了一套仿真精餾控制實訓裝置，以幫助學生提高實操能力和分析、解決問題的能力，為學生走出校門與社會無縫接軌創(chuàng)造良好的條件。

1 系統(tǒng)組成

本裝置由裝置對象(現(xiàn)場設備)、仿真系統(tǒng)(仿真機)、控制系統(tǒng)(ECS700)三部分組成。

裝置對象：由低沸塔、高沸塔系統(tǒng)組成。

仿真系統(tǒng)：由仿真系統(tǒng)數(shù)學模型和組態(tài)運行平臺兩部分組成。

控制系統(tǒng)：先進集散控制系統(tǒng)-ECS700

裝置運行原理如圖1所示。

圖1 運行原理

2 工藝簡介

VCM(氯乙烯)精餾控制流程如圖2所示，來自全凝器的氯乙烯、低沸物、高沸物的混合物，經(jīng)過分離罐汽液分離后，進入低沸塔，在該塔中分離掉低沸物之后，從該塔塔底排出，并進入高沸塔，從高沸塔底排出高沸物，從高沸塔頂?shù)玫疆a品氯乙烯，經(jīng)過成品冷凝器冷凝后，進入單體儲槽。該精餾過程的特點是沒有外回流，其回流是通過控制塔頂冷凝器內冷卻量流量來調節(jié)。

圖2 VCM精餾過程

3 VCM精餾多變量控制方案

VCM精餾多變量控制方案，根據(jù)VCM精餾裝置單元操作的相對獨立性，對低沸塔和高沸塔分別設計多變量控制器，以提高單體純度作為控制的最終目標，保證操作處于良好的狀態(tài)，在各種因素(原料處理量、組成等)影響時，調整精餾過程達到理想的產品純度，在満足操作、安全約束的前題下，進一步優(yōu)化控制時間、控制精度。

3.1 低沸塔控制方案

在低沸塔系統(tǒng)中把塔頂溫度T101，塔頂壓力P101，塔釜液面LI01，塔釜溫度T102，控制在一定數(shù)值上，且使溫度梯度在擾動產生后迅速回復到某個數(shù)值上來，就能滿足工藝指標的要求，并且塔頂壓力是通過排出量多少來確定的，時間常數(shù)很小，可以建立一個單參數(shù)調節(jié)系統(tǒng)[1]?？刂品桨钢饕幸韵聨c：

(1)低加熱閥控制方案

(2) 低回流閥控制方案

(3)過料閥控制方案

3.2 高沸塔控制方案

高沸點塔是一個典型的三元精餾塔，且塔頂為最終產品，為了從塔底除掉高沸點物，我們設置了如下幾個被控參數(shù)，塔頂溫度T201，塔頂壓力P201，精餾段溫差DT201，提餾段溫差DT202，塔釜液面L201，塔釜溫度T202，其中T201和P201，作為產品目標函數(shù)推斷控制的依據(jù)。低沸塔的塔底輸出為高沸塔的進料，可以認為低塔向高塔的過料為系統(tǒng)的總干擾，由于過料流量沒有檢測手段，因此直接用過料閥的閥位來構成多變量控制器[2]。控制方案主要有以下幾點：

(1)加熱閥控制方案

(2)高回流閥控制方案

(3)高成品冷凝閥控制方案

4 VCM精餾仿真系統(tǒng)

VCM精餾裝置的仿真系統(tǒng)由三部分內容構成：裝置對象；仿真系統(tǒng)數(shù)學模型；系統(tǒng)組態(tài)和組態(tài)運行平臺。

4.1 裝置對象

裝置對象完全依照真實工業(yè)流程，根據(jù)培訓場地要求采用等比例放縮的方法建設。裝置對象的控制閥采用氣動調節(jié)閥，工藝閥采用截止閥、閘閥、球閥等，其中氣動調節(jié)閥由ECS700系統(tǒng)控制，手動閥由人工控制，但是所有閥門的閥位信號，都直接通過數(shù)據(jù)線接入仿真系統(tǒng)。動力設備(水泵、風機等)的操作采用遠程與就地切換的方式，即可以通過現(xiàn)場操作柱上的啟動、停止按鈕操作，也可通過遠端監(jiān)控室內的ECS700控制系統(tǒng)操作。工藝管道上的溫度、壓力、流量等就地儀表，均采用LCD數(shù)顯表頭，實時顯示仿真系統(tǒng)計算值。遠傳測量儀表，采用和工業(yè)級儀表外形一致的仿真儀表。

4.2 仿真系統(tǒng)數(shù)學模型

以工業(yè)上真實的VCM精餾工藝流程為模型，建立物料平衡和能量平衡。針對工藝流程的動態(tài)及靜態(tài)過程，對每一設備進出的物料，設置采樣周期為100ms，嚴格按照物料平衡和能量平衡的原則進行仿真計算，并輸出瞬時結果。系統(tǒng)由來自現(xiàn)場技術管理的資深工程技術人員，進行與實際過程的擬合，達到既符合理論計算的結果，又符合實際過程運行的特征(過程技術參數(shù)的定性、定量變化)。仿真數(shù)學模型能響應精餾操作的開停車過程，并且真實反映了精餾操作的瞬時過程。仿真系統(tǒng)數(shù)學模型是一個由計算機系統(tǒng)，構成化工過程設備性能、過程反應工程特性的系統(tǒng)。它將一個系統(tǒng)的特征值(或者講控制狀態(tài)值)通過其反應機理、設備的物理尺寸等要素，利用數(shù)學的方法，將引起該特征值變化的眾多因素組合成一個算式，構成數(shù)學模型。通過檢測這些因素的狀態(tài)值，計算出當前特征值的數(shù)值和狀態(tài)。

仿真系統(tǒng)數(shù)學模型有自己的輸入信號，這些信號是代表進入某個設備的物料量。這些量進入仿真系統(tǒng)后，系統(tǒng)則根據(jù)設備的物理條件和化學反應的動力學方程，計算出該設備狀態(tài)變化、化學反應狀態(tài)變化的特征量，如溫度、壓力、成分等。

4.3 仿真系統(tǒng)組態(tài)及組態(tài)運行平臺

采用自研仿真算法平臺進行組態(tài)，該平臺軟件是一個計算仿真類軟件，可用于仿真算法設計及驗證，集合了數(shù)據(jù)采集，計算組態(tài)，過程控制等功能，為用戶提供了一個能快速構建仿真對象、數(shù)據(jù)通訊的軟件工具，主界面如圖3所示。為一種高效、專業(yè)的仿真平臺，它具備以下特點：

(1)由一顆組態(tài)樹實現(xiàn)，通過給組態(tài)樹添加或刪除節(jié)點，使得用戶只需要鼠標的點擊操作就能輕松的完成組態(tài)工作，即使沒有編程基礎的使用者也可輕易上手。

(2)數(shù)據(jù)靈活共享，可以通過串口、網(wǎng)絡等多種方式共享數(shù)據(jù)，提高功能的可擴展。

(3)內嵌設備管理系統(tǒng)，可以與多種軟硬件設備進行數(shù)據(jù)通訊，包括PLC、智能模塊、DCS、OPC服務器等。

(4)組態(tài)時解釋執(zhí)行，最終編譯后輸出，運行快速高效。

(5)可以自定義函數(shù)和對象，同時這些算法可以保存為獨立的塊供以后的組態(tài)使用，提高了組態(tài)內容的復用率和工作的效率。

圖3 主界面

4.4 仿真系統(tǒng)與現(xiàn)場設備關系

真實設備經(jīng)過等比例放縮，構成現(xiàn)場的仿真設備。仿真設備外形和真實設備保持一致，設備內部的機理用數(shù)學模型來進行模擬。引起仿真系統(tǒng)輸出的變化的原因，除了流程上的閥門變化和機泵的開停外，還有物料在在整個流程內部隨時間的變化規(guī)律。因此，仿真系統(tǒng)與現(xiàn)場設備的關系是，閥門的開度變化和機泵的開停，是仿真系統(tǒng)系統(tǒng)輸出變化的動因，設備的物理尺寸、化學反應的動力學規(guī)律是輸出變化的基礎。

4.5 仿真系統(tǒng)與中央控制室關系

中央控制室是以ECS700操作站為界面。現(xiàn)場調節(jié)閥的控制信號由中央控制室送出，同時將調節(jié)信號送到仿真系統(tǒng)。仿真系統(tǒng)接受手動與自動閥門、現(xiàn)場動力設備的操作信號。仿真系統(tǒng)將數(shù)學模型計算出的工藝值，實時輸出到中央控制室內的ECS700控制站。

5 VCM精餾控制系統(tǒng)

5.1 控制系統(tǒng)說明

中央控制室由ECS700系統(tǒng)進行操作?？刂葡到y(tǒng)輸入信號，來自仿真系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)的輸出信號，直接送到現(xiàn)場、仿真系統(tǒng)。這樣的設計有助于裝置的真實性。中央操作室的控制設備完全按一個真實系統(tǒng)設計。和真實系統(tǒng)的最大差別，主要是其信號源的來源有所不同，雖然物理上還是從測量儀表送來，但真正的數(shù)據(jù)是由仿真系統(tǒng)計算出來的，并非是測出來的。精餾塔的過程控制系統(tǒng)，完全是一個真實的控制系統(tǒng)。相關的自控系統(tǒng)、報警系統(tǒng)、趨勢圖、帶控制點的工藝流程圖、儀表操作界面等，全部在ECS700操作界面上完成。

5.2 控制系統(tǒng)配置

VCM控制系統(tǒng)的配置如圖4所示。

ES：工程師站 ；CS：控制站；SCnet：過程控制網(wǎng)；SOnet：過程信息網(wǎng)； CS：現(xiàn)場控制站；HUB A/B：冗余配置中繼器；PD：打印機；

AC：擴展柜；OS：操作員站；DS：數(shù)據(jù)站；AS：應用站；CES：全局主工程師站

圖4 VCM控制系統(tǒng)的配置

ECS-700控制系統(tǒng)實際配置規(guī)模為：模擬量輸入：240點，模擬量輸出：48點，開關量輸入：32點，開關量輸出：32點，配置了1個工程師站(ES)、1個操作站(OS)、1個現(xiàn)場控制站(CS)、1臺數(shù)據(jù)站(DS)，以及有關的ECS700組態(tài)、監(jiān)控軟件。

6 結束語

該仿真培訓系統(tǒng)具有真實的工藝、設備和與實際生產一致的操作方式，能夠真實反應精餾的控制特點，并且配有先進的ECS700控制系統(tǒng)，具有廣泛的適用性及開放性，能夠極大地幫助學生提高精餾實操能力。

[1] 李志宋.聚氯乙烯生產技術[M].北京:化工工業(yè)出版社, 2012.

[2] 杜 永,白愛華.復查控制回路在CO造氣生產中的應用[J].科技信息,2013(21):445.