摘? 要: 描述了美國Honeywell公司的S9000/R150 DCS系統(tǒng)在順酐生產(chǎn)過程中的應用,詳細介紹了控制系統(tǒng)的總體結構及其組態(tài)軟件的開發(fā)。實際運行結果表明:系統(tǒng)穩(wěn)定可靠,控制精度高,滿足了生產(chǎn)工藝的要求。
關鍵詞: 順酐 DCS 硬件 軟件
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1 工藝簡介
順酐(C4H2O3)全稱順丁烯二酸酐,是一種重要的基本有機化工原料,廣泛用于農(nóng)藥、醫(yī)藥、合成樹脂等工業(yè)領域,主要采用苯氧化法生產(chǎn)。
苯氧化法生產(chǎn)的基本原理是:苯蒸氣和空氣(或氧氣)在催化劑上氣相催化氧化生成順酐,該反應是一個由平行——連串反應組成的強放熱反應過程,其化學反應方程式為:
主反應C6H6+4O2→C4H2O3+CO+CO2+2H2O
副反應C6H6+6O2→3CO+2CO2+3H2O
?????? ?? C4H2O3+2O2→2CO+2CO2+H2O
蘇州合成化工廠4000 t/a順酐生產(chǎn)工藝流程如圖1所示,整個工藝過程包括氧化工序、洗滌工序、精餾工序、蒸汽熱水系統(tǒng)和造粒包裝工序五個部分。
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原料苯和預熱后的空氣以一定的比例混合后,進入裝有催化劑的列管式固定床反應器的頂部,苯氧化生成順酐,同時放出大量反應熱,反應生成氣經(jīng)冷卻后,約60%的順酐在后冷器中冷凝,經(jīng)分離后送粗酐貯罐等待進一步處理。未分離的含順酐氣體送洗滌塔用工藝水吸收,生成順酸進入順酸槽,供后工序精制,尾氣排空。精餾塔間隙操作,分批將產(chǎn)品脫水精制。先將鄰二甲苯(O-X)灌入精餾塔,再將順酸送進精餾塔,用鄰二甲苯作共沸劑,共沸精餾,脫除水分,再脫鄰二甲苯,最后精制順酐,去掉頭尾組分,取中間的順酐作為合格產(chǎn)品。液態(tài)順酐送成型機制成顆粒狀固體產(chǎn)品,經(jīng)稱量包裝作為最終產(chǎn)品。
根據(jù)生產(chǎn)工藝要求,整個順酐生產(chǎn)過程的輸入/輸出信號點數(shù)為304點,具體分布見表1。
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2 DCS系統(tǒng)組成
順酐生產(chǎn)過程的DCS系統(tǒng)采用了美國Honeywell公司的S9000/R150系統(tǒng),并下掛udc3000單回路控制器的總體結構方案。
Honeywell公司推出的R150版DCS是建立在S9000控制器、620邏輯控制器和PC486監(jiān)控站平臺之上的模塊化開放式系統(tǒng),它采用國際標準的以太網(wǎng)通訊(MASnet),并在Windows環(huán)境下為用戶提供了有效而方便的監(jiān)控手段,集回路、邏輯控制于一體,增強了繪圖、顯示、趨勢、報警和報表等多種監(jiān)控功能,使組態(tài)更方便,使用操作更靈活。
系統(tǒng)選用三臺Intel 586工控機作監(jiān)控站,除具備編程、組態(tài)、系統(tǒng)生成功能外,還具備了操作站的所有操作及顯示功能。其中1#監(jiān)控站主要監(jiān)控氧化、洗滌工序,2#監(jiān)控站主要監(jiān)控精餾工序,3#監(jiān)控站主要監(jiān)控蒸汽熱水、包裝工序,三個監(jiān)控站之間采用以太網(wǎng)通訊,互為熱備。此外,系統(tǒng)還配備了一臺打印機,定時或隨機打印各種報表、圖形和報警信息。
系統(tǒng)控制站選用了S9000中的9100e型控制器,它具有32個PID回路控制,640點I/O能力。鑒于每臺9100e控制器最大模擬量輸入為96點,所以系統(tǒng)選配了兩臺9100e控制器以及相應的I/O擴展箱,其中一臺用于氧化和洗滌工序的數(shù)據(jù)采集和控制,另一臺用于精餾、蒸汽熱水和包裝工序的數(shù)據(jù)采集和控制。監(jiān)控站和控制站之間采用標準的以太網(wǎng)通訊,通訊速率可達10Mbps,DCS系統(tǒng)的總體結構如圖2所示。
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為了保證生產(chǎn)過程的安全可靠,系統(tǒng)除了所有的回路輸出均配有手操器外,對生產(chǎn)過程中的重要控制回路采用了udc3000單回路控制器作熱備。一旦S9000系統(tǒng)發(fā)生故障,可用udc3000進行自動控制或用手操器操作,避免停車。此外,通過組態(tài)相應的軟件,實現(xiàn)了DCS系統(tǒng)對氧化反應器、精餾塔等重要設備的安全聯(lián)鎖保護功能。
3 DCS系統(tǒng)軟件開發(fā)
針對順酐生產(chǎn)過程所開發(fā)的控制系統(tǒng)應用軟件主要由控制組態(tài)軟件和監(jiān)控組態(tài)軟件兩大部分組成,其中控制組態(tài)軟件主要包括連續(xù)控制圖(CCC圖)和梯形邏輯圖(RLL圖),監(jiān)控組態(tài)軟件包括生產(chǎn)流程圖、控制回路圖、歷史趨勢圖、報警系統(tǒng)圖和參數(shù)報表等。操作畫面為全中文顯示。
CCC圖采用圖形方式組態(tài)PID回路的調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)的采集和運算,提供了回路調(diào)節(jié)、設定點程序/處方、梯形邏輯、算式運算、常用計算輔助功能、布爾運算和記錄儀等九大類50多種功能模塊。每種模塊完成一定的控制與計算功能,通過組態(tài)相應的模塊和塊參數(shù),系統(tǒng)可將控制方案組態(tài)成相應的控制軟件,下裝至控制器中,自動生成實時數(shù)據(jù)庫,供生產(chǎn)流程圖、控制回路圖、歷史趨勢圖、報警系統(tǒng)圖及參數(shù)報表等監(jiān)控畫面調(diào)用。
順酐生產(chǎn)過程按工藝要求設置了23個控制回路,其中溫度控制回路9個,液位控制回路3個,壓力控制回路6個,流量控制回路5個。為使氧化反應正常進行,要求嚴格控制反應器的熱點溫度和鹽點溫度,而穩(wěn)定熱點溫度的手段是調(diào)節(jié)進入反應器的苯和空氣的比例,工藝要求苯和空氣的比值為1/24,通過測量空氣流量來調(diào)節(jié)苯流量,組成一個單閉環(huán)比值控制系統(tǒng),圖3為苯流量單閉環(huán)比值控制組態(tài)圖。圖中,空氣流量信號通過質量流量模塊MSF進行溫度和壓力校正,校正后的流量信號通過除法器作為苯流量的設定值。在PID2模塊中,若輸出跟蹤有效信號OTC=1,即手操器處于手動位置,則PID算法被抑制,模塊輸出為OTV值(即跟蹤手操器的輸出值);否則OTC=0,即手操器處于自動位置,模塊輸出為PID的運算結果,這樣可實現(xiàn)系統(tǒng)自動和手動的無擾切換。實際運行結果表明,當空氣流量達到21600 kg/h時,苯流量為900±10kg/h,具有較好的穩(wěn)定性,滿足了生產(chǎn)要求。
此外,整個生產(chǎn)過程還根據(jù)工藝要求設置了蒸汽流量、順酸采出量和苯流量3個需經(jīng)濟考核的流量累積指標。由于沒有配置流量積算儀和脈沖輸入模塊,流量累積只能通過組態(tài)有關算法模塊實現(xiàn)。圖4為蒸汽流量累積組態(tài)圖,通過蒸汽流量輸出模塊UAI、系統(tǒng)模塊SYS中的CYCT系統(tǒng)循環(huán)周期、乘法器MUL、除法器DIV將瞬時流量換算為累計流量,加法器ADD完成蒸汽流量的累積并輸出。切換開關SW模塊中,若操作員點擊“清零”按鈕,則SY=1(F104=1),模塊輸出為Y=0,加法器模塊累加值清零,完成“清零”功能,否則繼續(xù)累積。
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