精萘提純過程控制系統(tǒng)①

史運(yùn)濤 張 圓

(北方工業(yè)大學(xué)現(xiàn)場總線技術(shù)及自動化重點(diǎn)實(shí)驗室)

精萘提純過程控制系統(tǒng)①

史運(yùn)濤 張 圓

(北方工業(yè)大學(xué)現(xiàn)場總線技術(shù)及自動化重點(diǎn)實(shí)驗室)

利用Step7 V5.0和WinCC V6.2系統(tǒng)，設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了一個復(fù)雜精萘提純的生產(chǎn)過程控制和監(jiān)控系統(tǒng)。闡述了系統(tǒng)工藝流程、硬件配置、控制方案設(shè)計、軟件實(shí)現(xiàn)及其特點(diǎn)?？刂葡到y(tǒng)主要是利用靜態(tài)矩陣和動態(tài)矩陣來調(diào)用參數(shù)，實(shí)現(xiàn)多級控制。該方案可使萘的純度達(dá)到99.8%。

過程控制系統(tǒng) 精萘提純 靜態(tài)矩陣 動態(tài)矩陣 Step7 V5.0 WinCC V6.2

萘作為多環(huán)芳烴在精細(xì)化工中有著不可取代的獨(dú)特作用，主要用于生產(chǎn)日用品、燃料及醫(yī)藥等，例如鞣革劑、香料、植物保護(hù)劑及橡膠防老化劑等。本控制系統(tǒng)以工業(yè)萘為原料，采用獨(dú)特的降膜結(jié)晶技術(shù)制備精萘。此工藝具有操作簡單、能耗低、不需要溶劑及三廢排放少等優(yōu)點(diǎn)，結(jié)晶溫度為78℃，精萘純度高達(dá)99.8%。

1 工藝流程和設(shè)備簡介

工藝采用獨(dú)特的降膜結(jié)晶技術(shù)，降膜結(jié)晶分離過程主要經(jīng)降膜結(jié)晶、部分熔融(“發(fā)汗”)和熔化3個步驟完成。其工藝流程如圖1所示。

降膜結(jié)晶?？刂葡到y(tǒng)原料以山東某化工廠生產(chǎn)的純度大于95%的工業(yè)萘為原料，其中雜質(zhì)主要是萘的伴生物——硫茚，二者沸點(diǎn)僅相差2℃。采用精餾技術(shù)難以分離，因此當(dāng)前工業(yè)界采用獨(dú)特的降膜結(jié)晶分離，對工業(yè)萘精制主要集中考察硫茚在結(jié)晶過程中生成的固相與液相之間的分配。萘-硫茚物系為雙組元固體溶液型，當(dāng)熔體被冷卻到固液兩相區(qū)，所析出的晶體中萘含量比液相的大。若溫度降至固相線以下，熔體將全部結(jié)晶析出。實(shí)際操作中所能達(dá)到的晶體純度與熱歷程密切相關(guān)，即與過程溫度變化及其發(fā)展直接相關(guān)。本控制系統(tǒng)采用七級結(jié)晶提純，可制備得到高純度的最終產(chǎn)品。

圖1 降膜結(jié)晶分離系統(tǒng)工藝流程

部分熔融(“發(fā)汗”)。結(jié)晶過程中，在晶體層間不可避免地會有一些雜質(zhì)含量較高而熔點(diǎn)較低的溶液被結(jié)晶出來，導(dǎo)致晶體的純度降低。對晶層緩緩加熱，晶層受熱后部分熔化進(jìn)行“發(fā)汗”，熔化“汗液”中的萘與硫茚重新分配和富集。由于“汗液”中包含有更多的雜質(zhì)，“汗液”在傳熱和傳質(zhì)推動下逐步向晶層外排出，使晶層中的萘含量得以提高[1]?！鞍l(fā)汗”是晶層提純的有效方法。

熔化。將換熱介質(zhì)的溫度升高, 使晶層加熱到熔點(diǎn)以上直到全部熔化?；厥仗峒兒蟮奈锪嫌行У貜?qiáng)化了萘熔體傳熱和傳質(zhì)過程，極大地提高了萘的純度。

精萘提純系統(tǒng)主要的控制設(shè)備包括儲罐、泵、電磁閥、調(diào)節(jié)閥、液位傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器和流量傳感器。

2 控制系統(tǒng)的硬件組成

AS站(Automation Station)和OS站(Operation Station)構(gòu)成兩級集散控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。AS站的控制器是S7-315PLC，負(fù)責(zé)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理和過程控制。OS站負(fù)責(zé)向上位機(jī)傳送數(shù)據(jù)等并負(fù)責(zé)全系統(tǒng)的監(jiān)視、操作、管理和信息綜合[2]。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 AS站硬件配置

從工藝要求、系統(tǒng)測量的I/O點(diǎn)數(shù)、掃描速度及自診斷功能等方面考慮，AS站采用中型控制系統(tǒng)CPU315-DP PLC。它由無槽位限制的模塊式結(jié)構(gòu)組成，電源模塊(PS)、CPU和通信模塊(CP)安裝在一個導(dǎo)軌上。3個DP從站由接口模塊IM153-2(IM)、數(shù)字量和模擬量數(shù)字采集控制模塊(SM)組成，它們統(tǒng)一安裝在同一導(dǎo)軌上。模擬量輸入模塊為本安型6ES7 331-7RD00-0AB0、模擬量輸出模塊為本安型6ES7 332-5RD00-0AB0、數(shù)字量輸入模塊為6ES73211BL000AA0、數(shù)字量輸出模塊為6ES73221BL000AA0。自動化站的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 自動化站結(jié)構(gòu)

開關(guān)量輸入點(diǎn)有62個,開關(guān)量輸出點(diǎn)有43個,模擬量輸入點(diǎn)有60個,模擬量輸出點(diǎn)有19個，共計184個。因此又?jǐn)U展了3個ET200M分布式I/O站，通過IM152-1接口模塊分別與AS站上的DP口相連接，構(gòu)成了Profibus主從網(wǎng)絡(luò)。

2.2 OS站硬件配置

按集中管理、集中顯示、分散控制的思想，系統(tǒng)設(shè)有一個工程師和一個操作員監(jiān)控站，選用西門子工控機(jī)PC RI45 Intel PIII(主頻700Hz，內(nèi)存512MByte)加三星 22寸彩色顯示器。系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖4所示。工程師站和操作員站通過CP5611接口卡連接。OS站和AS站之間的通信是通過安裝在AS站導(dǎo)軌上的CPU和通信模塊CP343-5(6GK7 3435FA000XE0)，把數(shù)據(jù)傳送到OS站的CP5611卡上。Profibus電纜兩頭各有一個Profibus-DP連接器，一個連接器插在通信模塊CP343-5的接口上，另一個插在CP5611卡的接口上。采用FMS文件傳輸協(xié)議與上位機(jī)OS站進(jìn)行通信。

圖4 AS和OS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

3 控制方案的設(shè)計

3.1 下位機(jī)程序設(shè)計

本控制系統(tǒng)有4大控制功能：靜態(tài)矩陣、動態(tài)矩陣、能量和原料供給、溫度矩陣。

靜態(tài)矩陣。靜態(tài)矩陣由一級矩陣組成，包括相應(yīng)的泵、開關(guān)閥和調(diào)節(jié)閥的狀態(tài)，溫度控制相位，設(shè)定點(diǎn)和設(shè)定值，手動/自動控制方式，所有設(shè)備的每個位置執(zhí)行的監(jiān)視時間。

動態(tài)矩陣。動態(tài)矩陣由7級矩陣組成，每級矩陣均包括靜態(tài)矩陣的所有內(nèi)容。

能量和原料供給。給料系統(tǒng)包含能量供給值、溫度控制相位、兩個產(chǎn)品設(shè)定點(diǎn)和設(shè)點(diǎn)值、每個位置監(jiān)視點(diǎn)。能量供給由純凈水和蒸汽組成，它們分別通過蒸汽儲罐和管道控制相應(yīng)電動閥門在需要時供給。原料供給由圖1中的T-4罐注入。

溫度矩陣。溫度控制矩陣由調(diào)節(jié)閥控制調(diào)節(jié)溫度，在不同時期控制料罐的溫度。每個位置完成不同相位，不同相位溫度控制有不同溫度爬坡率，使溫度逐漸達(dá)到所要求的溫度值。通過4次循環(huán)，多級發(fā)汗結(jié)晶把工業(yè)生產(chǎn)的萘經(jīng)過多級提純達(dá)到所希望的純度。

3.2 上位機(jī)工程師站(ES)、OS監(jiān)控程序設(shè)計

上位機(jī)ES站的主要功能是對PLC(Step7 V5.0 SP2硬件)進(jìn)行組態(tài)、編程和網(wǎng)絡(luò)組態(tài)。硬件組態(tài)包括通信模塊數(shù)據(jù)采集，控制模塊的地址、參數(shù)類型、參數(shù)配置、采集的數(shù)據(jù)類型。網(wǎng)絡(luò)組態(tài)包括網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、網(wǎng)絡(luò)地址和網(wǎng)絡(luò)速度。組態(tài)完成后，Step7軟件進(jìn)行程序下裝也可進(jìn)行在線修改。

3.2.1 溫度矩陣

溫度矩陣分為兩大部分，第1部分為TICRA-200的溫度矩陣，第2部分為TICRA-235的溫度矩陣。在TICRA-200的溫度矩陣中可進(jìn)行起始溫度、爬坡速率、操作矩陣、工作區(qū)參數(shù)的分配。在TICRA-235的溫度矩陣中可進(jìn)行時間、溫度、操作矩陣和工作區(qū)參數(shù)的分配。在兩個矩陣中都可進(jìn)行操作矩陣和工作區(qū)的讀寫。

3.2.2 動態(tài)矩陣

動態(tài)矩陣中可進(jìn)行開關(guān)閥、調(diào)節(jié)閥、泵的操作，可進(jìn)行給料、能量、狀態(tài)、設(shè)定值、監(jiān)視時間、操作矩陣和工作區(qū)參數(shù)的分配，可進(jìn)行操作矩陣和工作區(qū)的讀寫，其工作流程界面如圖5所示。

圖5 動態(tài)矩陣流程界面

3.2.3 靜態(tài)矩陣

靜態(tài)矩陣中可進(jìn)行開關(guān)閥、調(diào)節(jié)閥、泵的操作，可進(jìn)行能量、狀態(tài)、設(shè)定值、監(jiān)視時間、操作矩陣和工作區(qū)參數(shù)的分配，可進(jìn)行操作矩陣和工作區(qū)的讀寫。

在溫度矩陣、動態(tài)矩陣、靜態(tài)矩陣這3個界面中點(diǎn)擊操作矩陣按鈕彈出操作矩陣面板。

在動態(tài)流程圖、靜態(tài)流程圖、能量流程圖、溫度矩陣、動態(tài)矩陣、靜態(tài)矩陣這6個界面中有動態(tài)開車、停車和靜態(tài)開車、停車小面板。點(diǎn)擊右上角的啟動/停止下方的SEQ1可調(diào)出動態(tài)開車、停車小面板，點(diǎn)擊SEQ2可調(diào)出靜態(tài)開車、停車小面板。點(diǎn)擊小面板中的開車、停車按鈕可進(jìn)行開停車操作。在SEQ1、SEQ2右側(cè)的顯示框內(nèi)直接賦值同樣可以開停車，輸入1為開車，輸入0為停車。

界面的左下方顯示的是配套蒸汽、罐區(qū)蒸汽、新鮮水、循環(huán)水和主蒸汽的累計值；點(diǎn)擊全部清零按鈕，這5個累計值同時清零；點(diǎn)擊開始累計按鈕，這5個累計值同時開始累計，投料量、產(chǎn)品產(chǎn)量和殘液產(chǎn)量分別清零。

3.2.4 PID參數(shù)調(diào)節(jié)界面、控制回路面板

在PID參數(shù)調(diào)節(jié)界面和控制回路面板中可以給設(shè)定值SP、輸出值OP、比例系數(shù)Kc、積分時間Ti、微分時間Td賦值，并可以進(jìn)行手動和自動的切換。此界面最上方左側(cè)為回路的工號和位號；接下來是該回路的設(shè)定值SP、過程值PV和輸出值OP的數(shù)值和棒形圖顯示，并且分別標(biāo)有工程單位、工程刻度和百分度。將鼠標(biāo)放在SP值或OP值的方框上，屏幕上將出現(xiàn)一綠色大寫字母I，點(diǎn)擊該方框，相應(yīng)區(qū)域變色，即可輸入數(shù)值。當(dāng)回路處于自動狀態(tài)時，閥門的輸出值是由計算機(jī)給出的，當(dāng)回路處于手動狀態(tài)時，閥門的輸出值是由操作人員給出的。OP值下方的滾動條為手動輸出值，用鼠標(biāo)單擊滾動條兩旁的箭頭或直接拖動滾動條中間的小方塊可以修改該值。滾動條下方為自動、手動按鈕，將鼠標(biāo)移動到自動按鈕的上方，出現(xiàn)一個綠色的閃電箭頭，點(diǎn)擊該按鈕，完成操作后按鈕上的自動二字由黑色變?yōu)榧t色，同時手動按鈕上的手動二字由紅色變?yōu)楹谏芈返臓顟B(tài)也隨之改變?yōu)樽詣?。點(diǎn)擊手動按鈕的動作與點(diǎn)擊自動按鈕相同，完成操作后按鈕上的兩個字變色，同時回路的狀態(tài)也隨之改變?yōu)槭謩?。對于各控制回路來說，不要隨意修改比例系數(shù)Kc、積分時間Ti和微分時間Td。如果需要修改，應(yīng)與工程師聯(lián)系。修改方法與輸入SP、OP值的方法相同。

3.2.5 自動開車界面

在此界面中可以設(shè)定動態(tài)的開停車循環(huán)、階段、位置及運(yùn)行時間等參數(shù)，還可以設(shè)定靜態(tài)的開停車狀態(tài)、運(yùn)行時間等參數(shù)。將鼠標(biāo)放在數(shù)值的方框上，屏幕上將出現(xiàn)一綠色大寫字母I，點(diǎn)擊該方框，相應(yīng)區(qū)域變色，即可輸入數(shù)值進(jìn)行賦值。

4 軟件實(shí)現(xiàn)

控制模式有4種，分別為自動模式、手動模式、暫停模式和關(guān)機(jī)模式。

自動模式時，Sequencer1的值為1，自動調(diào)取該級矩陣數(shù)據(jù)。第1步，在自動模式下Sequencer1執(zhí)行當(dāng)前位置，即它激活在操作矩陣中指定的設(shè)備位置。如果位置指定了能量狀態(tài)的變化，Sequencer1將請求能量交換程序去改變相應(yīng)的狀態(tài)。第2步，等待設(shè)定值到達(dá)操作矩陣的規(guī)定值，設(shè)定值在指定操作矩陣中。Sequencer1會花大部分的時間在這一步進(jìn)行等待，連續(xù)檢查該設(shè)定值。操作員可以在這一時間段內(nèi)操作設(shè)備。第3步，該矩陣準(zhǔn)備執(zhí)行下一個位置，即計算下一個周期、階段和執(zhí)行位置。這3個步驟重復(fù)進(jìn)行，直到完成所有矩陣位置的檢測，Sequencer1進(jìn)入手動模式。

手動模式時，Sequencer1的值為0并進(jìn)行等待，不以任何方式控制運(yùn)行過程。操作員可以手動重啟Sequencer1，設(shè)置其周期、階段和位置。如果不存在指定的結(jié)束周期、階段和位置，Sequencer1會停留在自動模式，直到由操作員手動停止。

暫停模式跟自動模式是一樣的，不同點(diǎn)是Sequencer1的設(shè)定值已經(jīng)達(dá)到矩陣的規(guī)定值時，它不會自動執(zhí)行下一個位置。操作員可以手動關(guān)閉暫停狀態(tài)并且Sequencer1可自動進(jìn)行到下一個位置。

關(guān)機(jī)模式是通過Sequencer1向操作員發(fā)出請求，進(jìn)入關(guān)閉狀態(tài)，它將設(shè)備設(shè)定在預(yù)定義的狀態(tài)上，然后Sequencer1進(jìn)入手動模式。

處理數(shù)據(jù)保存在數(shù)組中，有兩組數(shù)組。一組保存操作矩陣數(shù)據(jù)，如圖6所示。另一組存儲并運(yùn)行臨時數(shù)據(jù)，它被稱為工作矩陣，如圖7所示。工作矩陣用于臨時數(shù)據(jù)的存儲，當(dāng)一個新的階段開始時，該階段的操作矩陣數(shù)據(jù)被復(fù)制到工作矩陣中并且所有的后續(xù)動作都按照工作矩陣中的數(shù)據(jù)進(jìn)行工作。

圖6 操作矩陣向工作矩陣裝載

圖7 工作矩陣執(zhí)行

5 結(jié)束語

對山東某公司工業(yè)萘深加工為精萘提純改造工程，提出一種動態(tài)矩陣控制方法。該方法通過調(diào)用不同的矩陣來快速調(diào)節(jié)參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)多級控制。該工程是由原來的TI系列控制器，采用兩臺CPU通過點(diǎn)對點(diǎn)的通信方式、APT軟件實(shí)現(xiàn)PCS系統(tǒng)，改造升級為S7-315PLC一套系統(tǒng)控制。改造完成后不但系統(tǒng)功能有了顯著提升，網(wǎng)絡(luò)速度也有所提高。目前運(yùn)行情況良好，完全達(dá)到預(yù)期的控制目標(biāo)，使萘的純度提高到99.8%，減少了工業(yè)雜質(zhì)排放，達(dá)到了節(jié)能環(huán)保的目的。該系統(tǒng)的控制方法在我國化工應(yīng)用領(lǐng)域有普遍推廣和實(shí)用價值。

[1] 張建文,張政,秦霽光.降膜結(jié)晶分離技術(shù)實(shí)驗研究[J].過程工程學(xué)報,1999,20(1):17～24.

[2] 何益,胡姍姍,劉增強(qiáng).基于PLC和WinCC的化工精餾塔控制系統(tǒng)設(shè)計[J].化工自動化及儀表，2011,38(6):710～712.

ControlSystemforRefinedNaphthalenePurificationProcess

SHI Yun-tao, ZHANG Yuan

(KeyLaboratoryofField-busTechnologyandAutomationinNorthChinaUniversityofTechnology)

Having Step7 V5.0 and WinCC V6.2 systems adopted to design a complex process control and monitoring system for refined naphthalene purification was implemented, including the description of the system’s technological process, hardware configuration, control scheme design, software implementation and characteristics. This system mainly makes use of static matrix and dynamic matrix to call parameters and to achieve multilevel control. This program can achieve control objectives desired and make the purity of naphthalene come up to 99.8%.

process control system,refined naphthalene purification,static matrix, dynamic matrix, Step7 V5.0,WinCC V6.2

史運(yùn)濤(1975-)，教授，從事隨機(jī)混雜系統(tǒng)的故障診斷與容錯控制，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)故障診斷與容錯控制，鋼鐵行業(yè)、有色冶金行業(yè)復(fù)雜工業(yè)過程的建模、仿真與優(yōu)化控制的研究。

聯(lián)系人張圓(1993-)，碩士研究生，從事隨機(jī)混雜系統(tǒng)的故障診斷與容錯控制，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)故障診斷與容錯控制，工業(yè)過程控制的研究，claire0512@qq.com。

TH865

B

1000-3932(2017)06-0534-05

2017-01-01，

2017-05-02)