DCS在化工生产控制中的应用

DCS在化工生产控制中的应用摘要：通过分布式控制系统(DCS)在化工生产控制中的应用，简单介绍了DCS控制系统特性。针对工艺特点和控制要求，具体介绍了几个DCS控制方案的实施过程。运行结果表明，该系统具有良好的稳定性、实时性。关键词：DCS；硬件；软件；温度；程控；串级；报警；联锁中图分类号：TQ063文献标识码：A文章编号：1672—2191(2009)04—0061—03随着科学技术和化工工业的迅猛发展，生产装置规模越来越大，自动化程度不断提高，生产控制逐渐由手动、简单控制发展为自动、复杂控制。分布式控制系统(DCS)是集计算机技术、控制技术、通信技术和CRT显示技术为一体的高新技术产品，其主要特点是：控制功能强，系统可靠性高；采用CRT操作站有良好的人机界面；软硬件采用模块化木式结构，系统容易开发；采用组态软件，编程简单，操作方便；有良好的性价比。DCS控制系统在化工、电力、冶金等自动化领域的应用已经十分普遍，某化工厂聚合物多元醇生产项目早期自动化控制采用气动仪表、测量精度低、自动控制滞后，后经过技术改造，仪表选用测量精度较高的数显控制器，在很大程度上提高了测量精度。但随着过程控制自动化程度的不断提高，为了更大地提高生产效率、节能降耗，进一步提高产品的质量，通过对国内、国外DCS生产厂商的调研，在综合计算机控制系统性价比的基础上，采用SmartProDCS控制系统对该项目进行升级改造。1DCS控制系统简介SmartPro是一个完善、经济、可靠的DCS控制系统【l】，该系统采用目前世界上先进的ProfiBus—DP现场总线技术，由上下2个网络层次组成：监控网络(SNET)和控制网络(CNET)。上层监控网络主要用于T程师站、操作员站和现场控制站的通讯连接；下层控制网络存在于各个现场控制站内部，主要用于主控单元和智能单元的通讯连接。图1是该项目DCS控制系统结构图，该系统有现场控制站1个，：l：程师站(OP50)1个，操作站(OP51，OP52，OP53)3个。控制站采用FM30l型机笼单元，实现主控单元、电源模块的冗余配置和电源模块间的均流。实现对控制站下I／O模块数据的采集及运算和接受服务器的组态命令及数据交换。OP50OP510P52OP53图1SmartProDCS控制系统结构图Fig．1StructurediagramofSmartProDCScontrolsystem2DCS控制系统的主要功能2．1实时性通过控制站，创建系统的O／I服务，完成对现场控制点的数据采集，对生产系统的整体运行状况在操作员站上通过流程画面(5幅)、单回路控制画面(62幅)、数据、声音的变化体现出来。2．2参数调整在操作员站上，操作员根据生产需要对运行参数做出及时、准确的调整，如压力、温度、流量、液位参数的调整。2．3报警功能通过创建报警服务，对模拟量、开关量、硬件设备和系统运行状态进行报警监视，提供报警发生时问、报警点、报警说明等报警信息的列表显示。如当空压机、搅拌电动机出现故障时，屏幕画面会由绿色变成红色，并伴随灯光闪烁、声音提示的方式进行报警，从而提醒操作员及时处理，保证设备运行安全。2．4监督功能、通过对历史参数的浏览、查阅操作记录及报警信息的处理和分析，监督操作人员是否按时完成职责操作及有无误操作。当发生故障时，可利用实时和历史的数据，对故障进行及时分析，明确故障发生的原因，以避免故障再次发生，减少损失。3DCS在化工生产中的应用3．1反应器反应温度的控制(图2)图2反应器控制系统Fig．2Reactorcontrolsystem反应器控制是工艺的关键过程，其生产控制水平对产品质量和生产安全有至关重要的影响。产品的质量在很大程度上取决于工艺参数温度、压力的控制[3“】。长期生产实践证明，控制反应温度平稳是过程控制的一个重点。假如在运行过程中不及时有效地移去反应热，则由于反应器内部的正反馈，将使反应温度不断上升，以致达到无法控制的地步。图2中反应器进料系统物料A、B、C流量控制的平稳与否对反应温度控制有着直接影响。因此配套使用质量流量计、椭圆齿轮流量计、流量定值控制仪，自动控制3种反应物料进入反应器的流量，使其投料误差1％。通过保证稳定的物料配比，从而保证反应温度的相对稳定。针对工艺特点，该反应过程从控制角度分为升温升压阶段、过渡阶段、恒温恒压阶段【5l，其中，恒温恒压阶段对控制精度要求较高，因此这一阶段是整个反应过程控制的重点。为了减少由于温场不同引起的测量误差，测温单元采用精度等级为A级的WZPK铠装双芯铂电阻，其具有精确、灵敏、热响应时间快、质量稳定、使用寿命长等优点。双芯铂电阻其中一芯是Ptl00电阻信号，另一芯是通过智能温度变送器，并根据不同的工艺要求，输出代表不同温度范围的4～20mA信号。Pt100信号用于控制蒸汽的调节阀，4～20mA信号用于控制循环水的调节阀。对于该项目中所用反应器，由于容量大，热效应强，而传热效果不太理想，以往采用一般的单回路控制或内温一夹套温度的串级控制难于满足工艺要求，因此采用DCS进行程序控制，从而克服反应器反应滞后特性，提高对其反应温度的控制精度。升温时，DCS自动执行“反应温度(蒸汽)程控投人”程序，按设计程序以设定的速率升温，如升温过快或过慢，自动执行“反应温度(蒸汽)程控切除”程序，在手动状态下调节蒸汽调节阀阀位开度，使升温进入正常。恒温恒压时同此原理。DCS具体温度控制过程为：①当a时，同时打开蒸汽调节阀v1、V2，采用一般的单回路PID控制；②当a≤b时，自动执行DCS程控l，自动切换蒸汽调节阀v1，切除蒸汽调节阀V2；③当b≤TiC时，自动执行DCS程控2，采用温度与压力串级控制系统；④当C≤d时，自动执行DCS程控3，自动切除蒸汽调节阀V1、V2，启动循环水调节阀V3。其中：a、6、C、d为反应器不同阶段反应温度。采用该DCS控制系统后，可实现全过程的自动控制，合理调节夹套蒸汽和蛇管循环水的流量，可使温度稳定在设定值±0．5oC范围之内。温度变化符合理想的工艺曲线，大大提高了产品质量，达到优质、稳定、可靠和节能降耗的目的，从而提高生产效率，增加企业的经济效益。3．2液位串级控制(图3)【．．．．-_j图3液位串级控制系统Fig．3LevelcascadecontrolsystemT1205塔的液位稳定是通过控制塔底出料量来实现的，而Tl205塔的出料量正好是萃取工段T1407塔的进料量。因此在保证前塔液位稳定时，后塔进料量不可能稳定；反之，如果保证了后塔进料量的稳定，势必造成前塔的液位不稳定。为了保证前塔液位和后塔进料量的稳定而采用串级均匀控制系统，即将液位控制器的输出作为流量控制器的给定值，用流量控制的输出来操作执行器。由于在这个系统中加入了副回路，可以及时克服由于塔内或排出端压力改变所引起的流量变化，使系统的稳定性有了极大的提高，有效的解决了由于系统波动过大带来的不必要的损失，而且更好地节约了人力资源。3．3联锁控制联锁控制是通过计算机的逻辑运算自动对现场设备进行保护的手段。即当联锁条件满足时，自动采取一系列动作，如电磁阀动作、调节阀自动打开或关闭、电动设备的自动动作等。系统全部由计算机软件组态完成，具有较强的可靠性、准确性和关联性，带有事故记忆和逻辑判断、智能化功能，它能取代操作人员要进行的大量操作和紧急事故处理，避免了误停车及停车时的扩大化和停车的扰乱与失误。该项目共有27套联锁控制，主要是液位联锁、流量联锁和密度联锁，其中液位联锁电动机的控制原理为：自动控制，当液位低于设定下限时，由DCS发出启动信号，控制开关触点闭合，电动机启动投入运行，当液位高于设定上限时，由DCS发出停止信号，控制开关触点断合，电动机停止运行；手动控制，可以通过DCS直接发出启动停止信号，也可通过安装在现场操作柱上的旋转开关，人工操作控制电动机的起停。4DCS控制系统的应用效果‘SmartPrdDCS系统运转稳定正常，系统各项功能按照设计方案并全部投人自动运行，其控制精度和稳定性完全满足生产的要求。生产管理人员以及工艺管理人员可以利用其实时的和历史的数据对生产的工艺过程进行在线分析，及时发现过程运行的规律，通过调整工艺参数，使生产过程处于优化状态。同时也可通过对影响产量及质量的过程参数的监控，及时发现问题、解决问题，优化控制，避免或减少不必要的事故发生，达到提高产量及产品质量的目的。参考文献【l】北京和利时系统工程股份有限公司．SmartPro系统使用手册【Z】．2004．【2】北京和利时系统工程股份有限公司．HOLLIAS—MACS硬件FM系列使用手册【z】．2004．[3】王树青．工业过程控制工程[MI．北京：化学工业出版社，2003．[4】谢森林，王钦若，杜玉晓．智能控制方法在反应釜温度控制中的运用【J】．自动化仪表，2008，29(8)：15—18．【5】康珏，刘美．基于MATLAB的神经模糊聚合釜控制【J1．自动化仪表，2008，29(6)：59—61．