基于JX-300XP DCS化工精餾塔網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺

洪雪梅， 葉 斌， 項(xiàng)雷軍， 金福江

(華僑大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院， 福建 廈門 361021)

0 引 言

近年來，隨著環(huán)境污染日趨嚴(yán)重，能源日益緊縮，對化工過程進(jìn)行系統(tǒng)強(qiáng)化，提高產(chǎn)品的產(chǎn)出率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保、綠色化工，無論在工業(yè)實(shí)際還是在理論研究領(lǐng)域都已成為了熱點(diǎn)問題[1]。精餾過程是一種傳質(zhì)傳熱過程，也是石油、化工等眾多生產(chǎn)過程中應(yīng)用最多、涉及面最廣的的操作單元，因此如何有效地控制精餾塔運(yùn)行直接影響到產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量以及能量的消耗，同時(shí)也是解決環(huán)境和資源問題的重要途徑之一[2-4]。分布式控制系統(tǒng)(Distributed Control System, DCS)國內(nèi)又稱為集散控制系統(tǒng)，自上個(gè)世紀(jì)70年代問世以來，經(jīng)過30多年不斷地完善，其功能和性能都得到了巨大的提高，目前正向著更加信息化、集成化和產(chǎn)品化的方向發(fā)展，已成為了過程控制的主流系統(tǒng)[5-6]。

以精餾塔為控制對象，采用浙江大學(xué)中控開發(fā)的JX-300XP DCS系統(tǒng)，對精餾工段的工藝操作流程進(jìn)行全數(shù)字化監(jiān)控，進(jìn)一步構(gòu)建精餾塔集散控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，彌補(bǔ)了華僑大學(xué)自動化專業(yè)在儀器儀表、過程控制和先進(jìn)控制技術(shù)等綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)領(lǐng)域的空白，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室就能模擬石化企業(yè)的工業(yè)對象，進(jìn)行組態(tài)設(shè)計(jì)、控制方案設(shè)計(jì)和運(yùn)行調(diào)試訓(xùn)練等工程開發(fā)，為以后從事自動化工程相關(guān)的工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

圖1 精餾塔實(shí)驗(yàn)裝置

1 精餾塔實(shí)驗(yàn)裝置

精餾塔是過程工業(yè)中應(yīng)用最為廣泛的液相產(chǎn)品分離設(shè)備，同時(shí)，也是過程控制中最有代表性的多變量復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)[7]?；ぞs塔集散控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺采用控制對象(精餾塔實(shí)驗(yàn)裝置)與控制系統(tǒng)分離設(shè)計(jì)，為以后控制系統(tǒng)擴(kuò)充作鋪墊，用戶可以根據(jù)需要自主選擇各種先進(jìn)控制技術(shù)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)裝置。由機(jī)械設(shè)備、動力設(shè)備、檢測儀表、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和輔助系統(tǒng)組成的精餾塔實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

(1) 機(jī)械設(shè)備。精餾塔釜C102、盤管式原料預(yù)熱器E101、盤管式蒸汽冷凝器E102、原料罐C103、殘液罐C104、塔頂產(chǎn)品罐C105。

(2) 動力設(shè)備。單相電加熱器(2.5 kW，220 V AC)、進(jìn)料泵P101、塔底殘液出料泵P102、、塔頂回流計(jì)量泵P103、塔頂產(chǎn)品計(jì)量泵P104。

(3) 檢測儀表。Pt100熱電阻溫度傳感器(用于原料進(jìn)塔溫度TT1、塔頂回流溫度TT11、塔釜溫度TT2、檢測各塔段溫度TT3～ TT10)、塔底液位傳感器LT1、回流罐液位傳感器LT2、進(jìn)料流量顯示FI1、塔底殘液出料流量顯示FI2、塔頂回流計(jì)量泵流量顯示FI3、塔頂產(chǎn)品計(jì)量泵流量顯示FI4、冷卻水渦輪流量計(jì)FT5。

(4) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)。單相可控硅調(diào)壓裝置，用于連續(xù)調(diào)節(jié)塔底溫度或塔底加熱功率；塔頂產(chǎn)品/塔頂回流計(jì)量泵，用于控制塔頂回流量與塔頂產(chǎn)品出料量；比例閥用于調(diào)節(jié)冷卻水流量，進(jìn)而控制塔頂回流溫度。

(5) 輔助系統(tǒng)。 電源控制和信號接口面板、電氣附件等。

以上儀器儀表和設(shè)備裝置構(gòu)成了一個(gè)獨(dú)立、完整、精巧的被控對象，為各種控制方案的實(shí)施提供了良好的物理仿真環(huán)境，是石化企業(yè)精餾塔的縮影[8]。

2 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建與組態(tài)

JX-300XP DCS 系統(tǒng)采用工業(yè)級的微處理器和實(shí)時(shí)多任務(wù)控制軟件，具有功能完善、高速可靠的體系結(jié)構(gòu)，提供多層開放數(shù)據(jù)接口，實(shí)現(xiàn)了I/O模塊、智能信號裝置和控制系統(tǒng)與PC之間的信息傳輸，并把I/O通道分散到精餾塔裝置附近，使安裝和布線的費(fèi)用減少到最小；同時(shí)提供“開放”的通信接口，使得用戶在選用I/O裝置和現(xiàn)場設(shè)備方面有更多的考慮空間；底層漢化的軟件功能豐富，易于組態(tài)各種復(fù)雜的控制方案[9-10]。系統(tǒng)主要由現(xiàn)場控制站(I/O站)、數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)、人機(jī)接口單元(操作員站OPS、工程師站ENS)、機(jī)柜和電源等組成。

2.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

化工精餾塔集散控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺主要由1個(gè)現(xiàn)場控制站、1個(gè)工程師站和19個(gè)操作站組成，操作站可以兼做工程師站。一批次可以同時(shí)安排20位學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)組態(tài)操作，既可以各自研究完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，又可以組隊(duì)分別研究綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中的各模塊設(shè)計(jì)，協(xié)作完成系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)，從而調(diào)動學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)研究的積極性，有效拓展了實(shí)驗(yàn)空間，更好地培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新探索的能力。

JX-300XP DCS 系統(tǒng)采用典型的兩層(過程控制網(wǎng)SCnetⅡ和控制站內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)SBUS)網(wǎng)絡(luò)通信結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。

第一層網(wǎng)絡(luò)SCnetⅡ，采用雙重化冗余網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的工程師站、操作站、現(xiàn)場控制站和通訊接口單元等硬件設(shè)備間的連接，實(shí)時(shí)傳遞各節(jié)點(diǎn)間的信息。數(shù)據(jù)傳輸遵循開放的TCP/IP協(xié)議和IEEE80 213標(biāo)準(zhǔn)，使得信息傳輸效率更高、更可靠，真正滿足了精餾生產(chǎn)工藝對監(jiān)控信息處理的要求。

第二層網(wǎng)絡(luò)SBUS，利用現(xiàn)場總線技術(shù)，完成主控卡、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡和I/O卡件間的信息交換。并且SBUS總線采用雙重化總線SBUS-S1網(wǎng)絡(luò)和SBUS-S2網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡通過SBUS-S1網(wǎng)絡(luò)來管理各種分散的I/O卡件信息; 而主控制卡通過SBUS-S2網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡進(jìn)行數(shù)據(jù)交換[11]。

2.2 控制站與網(wǎng)絡(luò)配置

控制站(CS)是對物理位置、控制功能都相對分散的現(xiàn)場生產(chǎn)過程進(jìn)行控制的硬件設(shè)備, 完成整個(gè)精餾生產(chǎn)工藝的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和控制，其主要由主控制卡、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡、電壓信號輸入卡、電流輸入輸出卡、電源模塊等卡件組成，具有數(shù)據(jù)采集、控制輸出、自動控制和網(wǎng)絡(luò)通信等功能，控制站與操作站之間通過高速通信網(wǎng)Scnet完成數(shù)據(jù)交換。機(jī)籠內(nèi)最左端的槽位用于安插主控制卡，其他的卡件按一定規(guī)則排放[12]。在保證系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的前提下，卡件可以靈活設(shè)置為全冗余、部分冗余或不冗余方式，該平臺系統(tǒng)控制站卡件配置如表1所示。

表1 控制站卡件配置表

2.3 控制系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

JX-300 XP DCS 系統(tǒng)軟件中的AdvanTrol-Pro2.65軟件對化工精餾塔集散控制系統(tǒng)的軟硬件構(gòu)件進(jìn)行組態(tài)，設(shè)置系統(tǒng)的操作畫面、控制方案、控制周期、卡件地址、卡件數(shù)量和冗余狀況等等，AdvanTrol-Pro2.65軟件包括系統(tǒng)組態(tài)軟件和系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控軟件。

系統(tǒng)組態(tài)軟件安裝于工程師站，其核心軟件是SCKey組態(tài)軟件，主要完成系統(tǒng)硬件和控制方案的組態(tài)。在該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中關(guān)鍵完成以下功能：① 根據(jù)化工精餾塔現(xiàn)場實(shí)物圖進(jìn)行硬件配置；② 根據(jù)精餾工藝要求設(shè)計(jì)單回路、單回路比值、前饋控制和串級比值、串級控制等控制方案等,控制精餾塔的工藝參數(shù)及泵的啟停等[13]；③ 繪制精餾工段的流程圖；④ 設(shè)置報(bào)警。

系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控軟件分別安裝于操作員和工程師站, 對整個(gè)工況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，主要完成多種畫面(綜觀、分組、回路、趨勢、報(bào)警、流程圖、系統(tǒng)狀態(tài)等)的顯示和操作、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)的管理以及生產(chǎn)記錄的打印輸出。該系統(tǒng)的操作人員主要完成下面三個(gè)操作：① 通過各種監(jiān)控界面監(jiān)視精餾塔工藝對象的數(shù)據(jù)變化；② 在控制面板中選擇常規(guī)控制或串級控制等控制方案,并設(shè)置控制參數(shù)大小,觀察各個(gè)狀況的實(shí)時(shí)響應(yīng)曲線；③ 對報(bào)警和出現(xiàn)的故障及時(shí)處理,以保證精餾塔實(shí)驗(yàn)裝置正常的運(yùn)行。

設(shè)備上電，打開控制柜的電源開關(guān)，然后在工程師站上對組態(tài)信息進(jìn)行編譯，編譯成功后再把組態(tài)下載到控制站。載入組態(tài)后，還需要將組態(tài)發(fā)布到操作站，操作站才能進(jìn)行監(jiān)控。完成了組態(tài)的編譯、下載、發(fā)布流程后，整個(gè)系統(tǒng)具備了通訊功能，此時(shí)控制站、操作站、工程師站已經(jīng)成功的構(gòu)成了一個(gè)DCS 系統(tǒng)。同時(shí)通過實(shí)驗(yàn)裝置上儀器儀表的開啟或閉合組成各種各樣的控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，選擇所需要的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，其工藝總流程見圖3。

圖3 精餾塔精餾工藝總流程圖

3 DCS網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺應(yīng)用效果

利用PID單回路控制算法對塔釜液位進(jìn)行調(diào)節(jié)，來驗(yàn)證DCS實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的應(yīng)用效果。如果塔釜液面過低，再沸器所產(chǎn)生的上升蒸汽不能托住下降液體，使下降液體橫過塔板，如此，塔板上的汽液傳質(zhì)效率降低；塔釜液位太高，又會淹沒底層塔板破壞再沸器的熱循環(huán)，因此塔釜液位要穩(wěn)定在一定的區(qū)間內(nèi)，才能保證精餾塔的正常運(yùn)行[14]。根據(jù)物料守恒原理，只有進(jìn)料量等于塔頂和塔釜的采出量之和，才能維持塔釜液面衡定。塔釜液位設(shè)定值與測量值的偏差決定進(jìn)料泵的流量，偏差變小，進(jìn)料泵流量也隨之減小，控制器為“反作用”控制器，其控制框圖如圖4 所示。塔釜液位控制為25 cm，經(jīng)多次調(diào)節(jié)最終得到PID控制參數(shù)為：P=50%，I=0.02 min，D=0 s時(shí)，得到一個(gè)滿意的響應(yīng)曲線(見圖5)。

圖5 PID單回路控制塔釜液位實(shí)時(shí)監(jiān)控圖

由于測量值在精餾塔精餾過程測的，液體的沸騰對測量有一定的影響，所以曲線在設(shè)定值周圍微小幅度的波動是正常的。從輸出響應(yīng)曲線可以看出，塔釜液位控制在一個(gè)非常穩(wěn)定的范圍內(nèi)，系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，參數(shù)設(shè)置合理，說明PID控制算法對塔釜液位控制是可控的。

精餾塔集散控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺除了塔釜液位控制外，還可以進(jìn)行塔釜溫度控制、冷凝罐液位控制、塔頂溫度控制、冷卻水流量控制、靈敏板溫度間接單回路控制、回流比自動控制等其他綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)對溫度、壓力、流量、液位等過程參數(shù)的控制[15-16]?？梢娫搶?shí)驗(yàn)平臺是一個(gè)具有軟硬件功能豐富，內(nèi)容覆蓋面廣、控制效果平穩(wěn)、應(yīng)用功能強(qiáng)大的先進(jìn)控制系統(tǒng)。

4 結(jié) 語

精餾塔集散控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺自1 a前投入運(yùn)行以來，控制系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠、設(shè)備工作狀況良好，完全達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。該網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的成功應(yīng)用，有效提高了實(shí)驗(yàn)設(shè)備的利用率，同時(shí)使學(xué)生在實(shí)際工程應(yīng)用技能方面得到了更好的訓(xùn)練，進(jìn)一步提高學(xué)生工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，取得了很好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

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