化工過(guò)程裝備控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)和實(shí)踐

王麗飛 章大海 張?zhí)m 趙東亞 孫亮

摘 ?????要：針對(duì)目前過(guò)程裝備與控制工程專(zhuān)業(yè)的化工裝備測(cè)控技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的實(shí)驗(yàn)對(duì)象簡(jiǎn)單、與工程實(shí)際差距較大等問(wèn)題，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了化工過(guò)程裝備控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。以?xún)煞N原料混合反應(yīng)為研究對(duì)象，包含了儲(chǔ)液罐、換熱器、調(diào)節(jié)閥、儀表等工業(yè)過(guò)程常見(jiàn)設(shè)備，控制系統(tǒng)采用集散控制系統(tǒng)（DCS）。該平臺(tái)貼近工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，可進(jìn)行大量的儀表、控制相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)教學(xué)實(shí)踐表明，該平臺(tái)對(duì)強(qiáng)化學(xué)生對(duì)過(guò)程控制的理解，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)集設(shè)備、控制、工藝知識(shí)為一體的復(fù)合型應(yīng)用型人才具有意義。

關(guān) ?鍵 ?詞：化工過(guò)程裝備;過(guò)程控制;實(shí)驗(yàn)平臺(tái);DCS

中圖分類(lèi)號(hào)：TP 273 ?????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：?A ??????文章編號(hào)： 1671-0460（2019）11-2663-04

Development and Practice of the Chemical Process

Equipment??and Control Experiment Platform

WANG Li-fei， ZHANG Da-hai， ZHNAG Lan， ZHAO Dong-ya， SUN Liang

（College of Chemical Engineering， China?University of Petroleum， Shandong Qingdao 266580， China）

Abstract： The experiment objects are simple and quite different from the real industry in the teaching of measurement and control technology of chemical equipment. Chemical process equipment and control experiment platform was designed and developed to solve the above problems. The platform takes mixed reaction of two kinds of raw materials as the research object， including tanks， heat exchanger， electric control valve， instruments and other equipments in the industrial process. The distributed control system （DCS） is used in the platform. The platform is close to the real industry. Many experiments about instrument and control can be supported. The teaching practice shows that the platform has great significance in strengthening students' understanding of process control， improving the quality of experimental teaching， and cultivating compound application-oriented talents integrating equipment， control and process.

Key words： Chemical process equipment; Experimental platform; Process control; DCS

化工裝備測(cè)控技術(shù)是過(guò)程裝備與控制工程專(zhuān)業(yè)的一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，這是一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)對(duì)于理解和鞏固課堂理論知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力具有非常重要的作用^[1-4]。目前我校用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過(guò)程裝備控制實(shí)驗(yàn)裝置，以水槽為研究對(duì)象，其對(duì)象特性過(guò)于簡(jiǎn)單，與實(shí)際生產(chǎn)裝置相比差異很大。每個(gè)實(shí)驗(yàn)都是獨(dú)立的簡(jiǎn)單控制，缺乏系統(tǒng)的工業(yè)流程化概念，從電氣、儀表、控制系統(tǒng)等多方面都與工業(yè)真實(shí)環(huán)境相差較大，使學(xué)生對(duì)化工裝備過(guò)程控制的認(rèn)識(shí)僅僅是停留在表面，實(shí)驗(yàn)裝置只能滿(mǎn)足驗(yàn)證型、認(rèn)知型實(shí)驗(yàn)的要求，達(dá)不到教育部提出的設(shè)計(jì)型、綜合型實(shí)驗(yàn)的要求，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果不佳^[5-7]。

針對(duì)上述問(wèn)題，中國(guó)石油大學(xué)（華東）化工實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心以?xún)煞N原料混合反應(yīng)過(guò)程為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一套與貼近工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)、功能完善的化工過(guò)程裝備控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在工藝上模擬流程化工廠(chǎng)，被控對(duì)象包含了儲(chǔ)液罐、換熱器、調(diào)節(jié)閥、儀表等工業(yè)過(guò)程常見(jiàn)設(shè)備，設(shè)計(jì)配置了基于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的電氣、儀表、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。該平臺(tái)可用于開(kāi)展多種儀表、控制相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究，并且成功應(yīng)用于我校過(guò)程裝備與控制工程專(zhuān)業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，經(jīng)過(guò)兩年來(lái)的教學(xué)實(shí)踐表明，該平臺(tái)對(duì)強(qiáng)化學(xué)生對(duì)過(guò)程控制的理解，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)集設(shè)備、控制、工藝知識(shí)為一體具有意義。

1 ?實(shí)驗(yàn)平臺(tái)總體設(shè)計(jì)

1.1 ?實(shí)驗(yàn)工藝流程

本文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的化工過(guò)程裝備控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以?xún)煞N物料混合過(guò)程為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，實(shí)驗(yàn)的工藝流程為：首先兩種原料嚴(yán)格按照一定比例進(jìn)入混合罐A和混合罐B，混合好后流入半成品罐，然后進(jìn)入換熱器，半成品與經(jīng)鍋爐加熱的水在換熱器中進(jìn)行熱交換，升溫后的半成品進(jìn)入反應(yīng)罐，在反應(yīng)罐內(nèi)一定的反應(yīng)條件下，進(jìn)行反應(yīng)（圖1）。

1.2 ?實(shí)驗(yàn)裝置

化工過(guò)程裝備控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用控制對(duì)象與控制系統(tǒng)分離設(shè)計(jì)，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^[8]。將整個(gè)系統(tǒng)按照工藝流程分為原料混合系統(tǒng)、換熱系統(tǒng)和反應(yīng)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)裝置由被控對(duì)象、檢測(cè)儀表、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、動(dòng)力設(shè)備和輔助系統(tǒng)等組成，如圖2所示。

1.2.1 ?原料混合系統(tǒng)

（1）被控對(duì)象：原料罐，混合罐A，混合罐B，半成品罐;

（2）動(dòng)力設(shè)備：1#變頻水泵，2#變頻水泵;

檢測(cè)儀表：原料A.B管路上的渦輪流量計(jì)，壓力變送器，混合罐A、B的液位變送器，半成品罐的液位變送器;

（3）執(zhí)行機(jī)構(gòu)：原料B管路上的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，和分別為A、B原料提供動(dòng)力的1#、2#變頻泵。

1.2.2 ?換熱和反應(yīng)系統(tǒng)

（1）被控對(duì)象：加熱鍋爐，補(bǔ)水罐（右組合罐），列管換熱器，反應(yīng)罐;

（2）動(dòng)力設(shè)備：3#變頻水泵，4#變頻水泵;

（3）檢測(cè)儀表：半成品的流量檢測(cè)，采用浮子流量計(jì)，半成品進(jìn)出換熱器的溫度采用溫度變送器進(jìn)行檢測(cè)，鍋爐熱水的流量采用差壓變送器，鍋爐內(nèi)溫度和出換熱器熱水溫度采用溫度變送器，鍋爐的液位傳感器;

（4）執(zhí)行機(jī)構(gòu)：輸送半成品的3#變頻泵，輸送熱水的4#變頻泵，反應(yīng)罐出口的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，鍋爐的調(diào)壓模塊。

1.2.3 ?輔助系統(tǒng)

電磁閥，原料罐，管路等。

1.3 ?實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的控制要求

1.3.1 ?實(shí)現(xiàn)對(duì)工藝參數(shù)的回路控制

原料混合系統(tǒng)中，原料的混合要嚴(yán)格按照一定的比例，本系統(tǒng)中采用單閉環(huán)流量比值控制，通過(guò)原料B管路上的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行調(diào)節(jié)。

換熱系統(tǒng)中，換熱器的主要被控變量是半成品出換熱器的溫度，通過(guò)調(diào)節(jié)被加熱的半成品的流量來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的PID控制，也就是通過(guò)3#半成品變頻泵來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)。另外鍋爐內(nèi)熱水的溫度通過(guò)調(diào)壓模塊進(jìn)行調(diào)節(jié)。

反應(yīng)系統(tǒng)中，要求在規(guī)定的溫度和液位下進(jìn)行反應(yīng)，溫度的控制通過(guò)半成品在換熱器的出口溫度進(jìn)行控制，液位通過(guò)反應(yīng)罐的出口電動(dòng)調(diào)節(jié)閥實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)。

在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上既可以按照上述控制要求對(duì)各部分主要參數(shù)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)整體的聯(lián)機(jī)運(yùn)行，最后獲得成品。也可以按照工藝流程分段單獨(dú)控制，根據(jù)不同的控制要求選擇不同的被控變量，采用不同的控制方案進(jìn)行獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)。

1.3.2 ?實(shí)現(xiàn)對(duì)工藝過(guò)程的監(jiān)控

對(duì)整個(gè)工藝過(guò)程的監(jiān)控包括對(duì)工藝參數(shù)的數(shù)據(jù)顯示、設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)的顯示、實(shí)時(shí)曲線(xiàn)和歷史曲線(xiàn)的繪制、歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)、報(bào)警信息等。

1.3.3 ?實(shí)現(xiàn)設(shè)備的啟停和安全聯(lián)鎖保護(hù)

實(shí)現(xiàn)對(duì)原料、半成品、熱水進(jìn)行輸送的四個(gè)變頻泵的啟?？刂?。同時(shí)，為保護(hù)設(shè)備的安全運(yùn)行，按照工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際，實(shí)現(xiàn)混合罐液位與進(jìn)水泵的聯(lián)鎖、半成品罐與3#輸送泵的聯(lián)鎖，鍋爐液位與進(jìn)水泵的聯(lián)鎖，鍋爐溫度與加熱電壓模塊的連鎖等。

2 ?控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的控制系統(tǒng)選用浙大中控JX-300XP集散控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)是一個(gè)全數(shù)字化、結(jié)構(gòu)靈活、功能完善的開(kāi)放式集散控制系統(tǒng)，利用DCS強(qiáng)大的控制管理能力完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工藝設(shè)備相關(guān)參數(shù)的采集、處理、顯示及控制^[9]。

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

JX-300XP DCS由工程師站（ES）、操作員站（os）、控制站（cs）及過(guò)程控制網(wǎng)絡(luò)組成。本系統(tǒng)采用兩層通訊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖3所示第一層為過(guò)程控制網(wǎng)（Scnet II），連接操作員站，工程師站與控制站等，傳輸實(shí)時(shí)信息。第二層網(wǎng)絡(luò)為控制站內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)（SBUS），是控制站各卡件之間進(jìn)行信息交換的通道^[10-12]。

2.2 ?系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的工藝和功能需求，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)為1個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制站、5個(gè)操作員站（其中1個(gè)兼工程師站）。系統(tǒng)共有模擬量輸入（AI）36個(gè)，模擬量輸出（AO）16個(gè)，數(shù)字量輸入（DI）8個(gè)，數(shù)字量輸出（DO）32個(gè)?？紤]到系統(tǒng)的冗余配置，系統(tǒng)的硬件配置如表1。

2.3 ?系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)使用AdvanTrol-Pro 2.7系統(tǒng)組態(tài)軟件完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的組態(tài)、數(shù)據(jù)服務(wù)和實(shí)時(shí)監(jiān)控功能。軟件包分為兩大部分，一部分為以sckey為核心的系統(tǒng)組態(tài)軟件，另一部分為系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控軟件（AdvanTrol）^[13，14]，主要完成以下功能：

（1）實(shí)現(xiàn)流量、液位、壓力、溫度等工藝參數(shù)的采集、實(shí)時(shí)監(jiān)控和控制;

（2）據(jù)工藝要求設(shè)計(jì)單回路、比值、前饋反饋、串級(jí)控制等控制方案等;

（3）實(shí)現(xiàn)設(shè)備的連鎖保護(hù);

（4）監(jiān)控界面的工藝流程圖采用了分層結(jié)構(gòu)，既可以在總貌圖中進(jìn)行整個(gè)工藝流程的聯(lián)機(jī)運(yùn)行，也可以單獨(dú)對(duì)混合裝置、反應(yīng)裝置、加熱裝置分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，選擇不同的控制方案進(jìn)入相應(yīng)的組態(tài)畫(huà)面。

（5）在監(jiān)控狀態(tài)下可在線(xiàn)設(shè)置控制參數(shù)的大小，獲得控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)曲線(xiàn)。實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)的趨勢(shì)顯示，歷史數(shù)據(jù)和歷史曲線(xiàn)的查詢(xún);

（6）報(bào)警信號(hào)的實(shí)時(shí)顯示與記錄;

（7）工藝參數(shù)的報(bào)表生成、打印。

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的組態(tài)畫(huà)面如圖4所示。

3 ?實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)應(yīng)用效果

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)既可以按照整個(gè)工藝流程進(jìn)行聯(lián)機(jī)控制實(shí)驗(yàn)，也可以單獨(dú)對(duì)混合裝置、反應(yīng)裝置、加熱裝置分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)^[15]。我們開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了十個(gè)獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)，包括原料混合系統(tǒng)的流量比值控制實(shí)驗(yàn)、流量變頻器實(shí)驗(yàn)、壓力變頻器實(shí)驗(yàn)、液位調(diào)節(jié)閥實(shí)驗(yàn);反應(yīng)系統(tǒng)的液位變頻器實(shí)驗(yàn)、前饋反饋實(shí)驗(yàn)、串級(jí)控制實(shí)驗(yàn);反應(yīng)系統(tǒng)的換熱冷出實(shí)驗(yàn)，鍋爐溫度PID實(shí)驗(yàn)、熱水流量變頻器實(shí)驗(yàn)。比如在反應(yīng)工藝流程中的反應(yīng)罐液位PID控制實(shí)驗(yàn)，在教學(xué)中是3個(gè)學(xué)時(shí)，要求學(xué)生掌握工藝流程、實(shí)驗(yàn)裝置操作方法和PID參數(shù)的整定方法。實(shí)驗(yàn)界面如圖5，采用衰減曲線(xiàn)法進(jìn)行參數(shù)整定后，液位的響應(yīng)曲線(xiàn)如圖6所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠很好的實(shí)現(xiàn)控制要求。

4 ?結(jié)束語(yǔ)

化工過(guò)程裝備實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以物料混合過(guò)程為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，采用DCS控制系統(tǒng)進(jìn)行軟硬件設(shè)計(jì)，對(duì)液位、流量、溫度、壓力等過(guò)程參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)和控制，實(shí)現(xiàn)整個(gè)工藝流程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和自動(dòng)控制。該平臺(tái)為過(guò)程控制、檢測(cè)儀表等課程提供了良好的教學(xué)、實(shí)驗(yàn)環(huán)境，使學(xué)生對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際操作有了更加直觀的認(rèn)識(shí)，為學(xué)生工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的提高奠定基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]熊新民，李智強(qiáng)，孫麗君. 過(guò)程控制課程綜合性實(shí)驗(yàn)研究與實(shí)踐

[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2011，30（11）： 331-333.

[2]李強(qiáng)，許偉偉，王建軍，等.過(guò)程裝備與控制工程專(zhuān)業(yè)立體化實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐與探索[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2015，32（11）：187-190.

[3]鄧曉燕，高紅霞，黃道平，等.過(guò)程控制工程實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)改革與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2017，36（2）：214-217.

[4]趙東亞，劉仁桓，金玉潔. 關(guān)于“化工裝備測(cè)控技術(shù)”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)的幾點(diǎn)思考[J].高校實(shí)驗(yàn)室工作研究，2009（102）：16-17.

[5]崔琳，丁立.中試實(shí)驗(yàn)裝置在化工實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的綜合應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理， 2015，32 （2）： 82-85.

[6]湯偉，竇晨超，馮曉會(huì).基于西門(mén)子S7-300 PLC 的過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2018，37（4）：49-52.

[7]李佳，朱浩悅，畢萍，等.過(guò)程控制綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的研究與開(kāi)發(fā)[J].西安文理學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，11（2）：74-76.

[8]洪雪梅，葉斌，項(xiàng)雷軍，等.基于JX-300XP DCS化工精餾塔網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2014，33（9）：10-14.

[9]劉艷.基于DCS的過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[J].裝備制造技術(shù)，2015（6）：274-276.

[10]丁煒，齊冬蓮.JX-300XP DCS在過(guò)程控制裝置CS2000中的應(yīng)用[J].自動(dòng)化與儀器儀表，2012（2）：103-106.

[11]何衍慶，俞金壽.集散控制系統(tǒng)原理及應(yīng)用[M].2版北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

[12]胡蓉蓉，許忠仁，王健. JX-300XP控制系統(tǒng)在樺甸油頁(yè)巖干餾工藝中的應(yīng)用[J].當(dāng)代化工，2014，43（12）：2596-2599.

[13]史文權(quán)，何小榮，丁煒.基于JX-300XP DCS控制的釜式反應(yīng)器實(shí)訓(xùn)裝置設(shè)計(jì)[J]. 工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2013（5）：24-27.

[14]王斌，楊潤(rùn)賢.化工技術(shù)實(shí)訓(xùn)裝置DCS系統(tǒng)升級(jí)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化儀表，2011，32（1）：36-38.

[15]朱龍濤.混合過(guò)程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)[D].東北大學(xué)，2014.