DCS在化工生產(chǎn)控制中的應(yīng)用 摘要：通過分布式控制系統(tǒng)(DCS)在化工生產(chǎn)控制中的應(yīng)用，簡單介紹了DCS控制系統(tǒng)特性。針對工藝特點和控制要求，具體介紹了幾個DCS控制方案的實施過程。運行結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性、實時性。關(guān)鍵詞：DCS；硬件；軟件；溫度；程控； 串級；報警；聯(lián)鎖中圖分類號：TQ063 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：16722191(2009)04006103隨著科學(xué)技術(shù)和化工工業(yè)的迅猛發(fā)展，生產(chǎn)裝置規(guī)模越來越大， 自動化程度不斷提高，生產(chǎn)控制逐漸由手動、簡單控制發(fā)展為自動、復(fù)雜控制。分布式控制系統(tǒng)(DCS)是集計算機技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)和CRT顯示技術(shù)為一體的高新技術(shù)產(chǎn)品，其主要特點是：控制功能強，系統(tǒng)可靠性高；采用CRT操作站有良好的人機界面；軟硬件采用模塊化木式結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)容易開發(fā)；采用組態(tài)軟件，編程簡單，操作方便；有良好的性價比。DCS控制系統(tǒng)在化工、電力、冶金等自動化領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)十分普遍，某化工廠聚合物多元醇生產(chǎn)項目早期自動化控制采用氣動儀表、測量精度低、自動控制滯后，后經(jīng)過技術(shù)改造，儀表選用測量精度較高的數(shù)顯控制器，在很大程度上提高了測量精度。但隨著過程控制自動化程度的不斷提高，為了更大地提高生產(chǎn)效率、節(jié)能降耗，進一步提高產(chǎn)品的質(zhì)量，通過對國內(nèi)、國外DCS生產(chǎn)廠商的調(diào)研，在綜合計算機控制系統(tǒng)性價比的基礎(chǔ)上，采用SmartPro DCS控制系統(tǒng)對該項目進行升級改造。1 DCS控制系統(tǒng)簡介SmartPro是一個完善、經(jīng)濟、可靠的DCS控制系統(tǒng)【l】，該系統(tǒng)采用目前世界上先進的ProfiBusDP現(xiàn)場總線技術(shù)，由上下2個網(wǎng)絡(luò)層次組成：監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)(SNET)和控制網(wǎng)絡(luò)(CNET)。上層監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)主要用于T程師站、操作員站和現(xiàn)場控制站的通訊連接；下層控制網(wǎng)絡(luò)存在于各個現(xiàn)場控制站內(nèi)部，主要用于主控單元和智能單元的通訊連接。圖1是該項目DCS控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，該系統(tǒng)有現(xiàn)場控制站1個，：l：程師站(OP50)1個，操作站(OP51，OP52，OP53)3個。控制站采用FM30l型機籠單元，實現(xiàn)主控單元、電源模塊的冗余配置和電源模塊間的均流。實現(xiàn)對控制站下IO模塊數(shù)據(jù)的采集及運算和接受服務(wù)器的組態(tài)命令及數(shù)據(jù)交換。OP50 OP51 0P52 OP53圖1 SmartPro DCS控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig1 Structure diagram of SmartPro DCS control system2 DCS控制系統(tǒng)的主要功能21 實時性通過控制站，創(chuàng)建系統(tǒng)的OI服務(wù)，完成對現(xiàn)場控制點的數(shù)據(jù)采集，對生產(chǎn)系統(tǒng)的整體運行狀況在操作員站上通過流程畫面(5幅)、單回路控制畫面(62幅)、數(shù)據(jù)、聲音的變化體現(xiàn)出來。22 參數(shù)調(diào)整在操作員站上，操作員根據(jù)生產(chǎn)需要對運行參數(shù)做出及時、準(zhǔn)確的調(diào)整，如壓力、溫度、流量、液位參數(shù)的調(diào)整。23 報警功能通過創(chuàng)建報警服務(wù)，對模擬量、開關(guān)量、硬件設(shè)備和系統(tǒng)運行狀態(tài)進行報警監(jiān)視，提供報警發(fā)生時問、報警點、報警說明等報警信息的列表顯示。如當(dāng)空壓機、攪拌電動機出現(xiàn)故障時，屏幕畫面會由綠色變成紅色，并伴隨燈光閃爍、聲音提示的方式進行報警，從而提醒操作員及時處理，保證設(shè)備運行安全。24 監(jiān)督功能、通過對歷史參數(shù)的瀏覽、查閱操作記錄及報警信息的處理和分析，監(jiān)督操作人員是否按時完成職責(zé)操作及有無誤操作。當(dāng)發(fā)生故障時，可利用實時和歷史的數(shù)據(jù)，對故障進行及時分析，明確故障發(fā)生的原因，以避免故障再次發(fā)生，減少損失。3 DCS在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用31 反應(yīng)器反應(yīng)溫度的控制(圖2)圖2 反應(yīng)器控制系統(tǒng)Fig2 Reactor control system反應(yīng)器控制是工藝的關(guān)鍵過程，其生產(chǎn)控制水平對產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)安全有至關(guān)重要的影響。產(chǎn)品的質(zhì)量在很大程度上取決于工藝參數(shù)溫度、壓力的控制3“】。長期生產(chǎn)實踐證明，控制反應(yīng)溫度平穩(wěn)是過程控制的一個重點。假如在運行過程中不及時有效地移去反應(yīng)熱，則由于反應(yīng)器內(nèi)部的正反饋，將使反應(yīng)溫度不斷上升，以致達到無法控制的地步。圖2中反應(yīng)器進料系統(tǒng)物料A、B、C流量控制的平穩(wěn)與否對反應(yīng)溫度控制有著直接影響。因此配套使用質(zhì)量流量計、橢圓齒輪流量計、流量定值控制儀， 自動控制3種反應(yīng)物料進入反應(yīng)器的流量，使其投料誤差1。通過保證穩(wěn)定的物料配比，從而保證反應(yīng)溫度的相對穩(wěn)定。針對工藝特點，該反應(yīng)過程從控制角度分為升溫升壓階段、過渡階段、恒溫恒壓階段【5l，其中，恒溫恒壓階段對控制精度要求較高，因此這一階段是整個反應(yīng)過程控制的重點。為了減少由于溫場不同引起的測量誤差，測溫單元采用精度等級為A級的WZPK鎧裝雙芯鉑電阻，其具有精確、靈敏、熱響應(yīng)時間快、質(zhì)量穩(wěn)定、使用壽命長等優(yōu)點。雙芯鉑電阻其中一芯是Ptl00電阻信號，另一芯是通過智能溫度變送器，并根據(jù)不同的工藝要求，輸出代表不同溫度范圍的420mA信號。Pt100信號用于控制蒸汽的調(diào)節(jié)閥，420 mA信號用于控制循環(huán)水的調(diào)節(jié)閥。對于該項目中所用反應(yīng)器， 由于容量大，熱效應(yīng)強，而傳熱效果不太理想，以往采用一般的單回路控制或內(nèi)溫一夾套溫度的串級控制難于滿足工藝要求，因此采用DCS進行程序控制，從而克服反應(yīng)器反應(yīng)滯后特性，提高對其反應(yīng)溫度的控制精度。升溫時，DCS自動執(zhí)行“反應(yīng)溫度(蒸汽)程控投人”程序，按設(shè)計程序以設(shè)定的速率升溫，如升溫過快或過慢， 自動執(zhí)行“反應(yīng)溫度(蒸汽)程控切除”程序，在手動狀態(tài)下調(diào)節(jié)蒸汽調(diào)節(jié)閥閥位開度，使升溫進入正常。恒溫恒壓時同此原理。DCS具體溫度控制過程為：當(dāng)a時，同時打開蒸汽調(diào)節(jié)閥v1、V2，采用一般的單回路PID控制； 當(dāng)a b時，自動執(zhí)行DCS程控l，自動切換蒸汽調(diào)節(jié)閥v1，切除蒸汽調(diào)節(jié)閥V2； 當(dāng)bTiC時，自動執(zhí)行DCS程控2，采用溫度與壓力串級控制系統(tǒng)； 當(dāng)C d時，自動執(zhí)行DCS程控3，自動切除蒸汽調(diào)節(jié)閥V1、V2，啟動循環(huán)水調(diào)節(jié)閥V3。其中：a、6、C、d為反應(yīng)器不同階段反應(yīng)溫度。采用該DCS控制系統(tǒng)后，可實現(xiàn)全過程的自動控制，合理調(diào)節(jié)夾套蒸汽和蛇管循環(huán)水的流量，可使溫度穩(wěn)定在設(shè)定值05 oC范圍之內(nèi)。溫度變化符合理想的工藝曲線，大大提高了產(chǎn)品質(zhì)量，達到優(yōu)質(zhì)、穩(wěn)定、可靠和節(jié)能降耗的目的，從而提高生產(chǎn)效率，增加企業(yè)的經(jīng)濟效益。32 液位串級控制(圖3)【-_j圖3 液位串級控制系統(tǒng)Fig3 Level cascade control systemT 1 205塔的液位穩(wěn)定是通過控制塔底出料量來實現(xiàn)的，而T l 20 5塔的出料量正好是萃取工段T 1 407塔的進料量。因此在保證前塔液位穩(wěn)定時，后塔進料量不可能穩(wěn)定；反之，如果保證了后塔進料量的穩(wěn)定，勢必造成前塔的液位不穩(wěn)定。為了保證前塔液位和后塔進料量的穩(wěn)定而采用串級均勻控制系統(tǒng)，即將液位控制器的輸出作為流量控制器的給定值，用流量控制的輸出來操作執(zhí)行器。由于在這個系統(tǒng)中加入了副回路，可以及時克服由于塔內(nèi)或排出端壓力改變所引起的流量變化，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性有了極大的提高，有效的解決了由于系統(tǒng)波動過大帶來的不必要的損失，而且更好地節(jié)約了人力資源。33 聯(lián)鎖控制聯(lián)鎖控制是通過計算機的邏輯運算自動對現(xiàn)場設(shè)備進行保護的手段。即當(dāng)聯(lián)鎖條件滿足時，自動采取一系列動作，如電磁閥動作、調(diào)節(jié)閥自動打開或關(guān)閉、電動設(shè)備的自動動作等。系統(tǒng)全部由計算機軟件組態(tài)完成，具有較強的可靠性、準(zhǔn)確性和關(guān)聯(lián)性，帶有事故記憶和邏輯判斷、智能化功能，它能取代操作人員要進行的大量操作和緊急事故處理，避免了誤停車及停車時的擴大化和停車的擾亂與失誤。該項目共有27套聯(lián)鎖控制，主要是液位聯(lián)鎖、流量聯(lián)鎖和密度聯(lián)鎖，其中液位聯(lián)鎖電動機的控制原理為： 自動控制，當(dāng)液位低于設(shè)定下限時，由DCS發(fā)出啟動信號，控制開關(guān)觸點閉合，電動機啟動投入運行，當(dāng)液位高于設(shè)定上限時，由DCS發(fā)出停止信號，控制開關(guān)觸點斷合，電動機停止運行；手動控制，可以通過DCS直接發(fā)出啟動停止信號，也可通過安裝在現(xiàn)場操作柱上的旋轉(zhuǎn)開關(guān)，人工操作控制電動機的起停。4 DCS控制系統(tǒng)的應(yīng)用效果SmartPrd DCS系統(tǒng)運轉(zhuǎn)穩(wěn)定正常，系統(tǒng)各項功能按照設(shè)計方案并全部投人自動運行，其控制精度和穩(wěn)定性完全滿足生產(chǎn)的要求。生產(chǎn)管理人員以及工藝管理人員可以利用其實時的和歷史的數(shù)據(jù)對生產(chǎn)的工藝過程進行在線分析，及時發(fā)現(xiàn)過程運行的規(guī)律，通過調(diào)整工藝參數(shù)，使生產(chǎn)過程處于優(yōu)化狀態(tài)。同時也可通過對影響產(chǎn)量及質(zhì)量的過程參數(shù)的監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，優(yōu)化控制，避免或減少不必要的事故發(fā)生，達到提高產(chǎn)量及產(chǎn)品質(zhì)量的目的。參考文獻【l】北京和利時系統(tǒng)工程股份有限公司SmartPro系統(tǒng)使用手冊【Z】20