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　　摘要：醋酸是一種重要有機(jī)化工原料，主要用于生產(chǎn)醋酸乙烯單體、醋酐、對(duì)苯二甲酸（PTA）、*、醋酸酯類、醋酸纖維素等。在化工、輕紡、醫(yī)藥、染料等行業(yè)具有廣泛用途。本文綜述了Honeywell第四代DCS系統(tǒng)ExperionPKS在醋酸行業(yè)中的應(yīng)用。
　　
　　前言
　　
　　兗礦國(guó)泰化工有限公司30萬(wàn)噸/年醋酸裝置一氧化碳制備工段及醋酸工段的操作和控制均采用了美國(guó)霍尼威爾公司生產(chǎn)的第四代分布式控制系統(tǒng)ExperionPKS（過(guò)程知識(shí)）。該系統(tǒng)主要分為四層結(jié)構(gòu)：現(xiàn)場(chǎng)儀表層、控制裝置單元層、工廠（車間）層和企業(yè)管理層。過(guò)去DCS和PLC主要通過(guò)被控對(duì)象的特點(diǎn)（過(guò)程控制和邏輯控制）來(lái)進(jìn)行劃分。但是，PKS系統(tǒng)已經(jīng)將這種劃分模糊化了，它包容了過(guò)程控制、邏輯控制和批處理控制，通過(guò)混合控制能夠?qū)崿F(xiàn)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的優(yōu)化，提高整個(gè)工廠的效率運(yùn)行。
　　
　　1、醋酸工藝系統(tǒng)簡(jiǎn)介
　　
　　1.1工藝流程簡(jiǎn)介
　　
　　該工藝采用了西南化工研究設(shè)計(jì)院自主研發(fā)“甲醇低壓液相羰基合成醋酸反應(yīng)法”。該工藝采用雙反應(yīng)器串聯(lián)，以銠的羰基絡(luò)合物為催化活性物質(zhì)，通過(guò)增加一個(gè)第二轉(zhuǎn)化反應(yīng)釜，使*個(gè)反應(yīng)器內(nèi)未反應(yīng)的原料充分反應(yīng)，降低反應(yīng)液中的水含量及配合其他反應(yīng)工程的方法來(lái)提高反應(yīng)深度，同時(shí)使容易分解沉淀的銠催化劑轉(zhuǎn)化為能承受加熱蒸發(fā)時(shí)不分解不沉淀的穩(wěn)定的銠絡(luò)合物，減少蒸發(fā)器母液的循環(huán)量和蒸餾工段的負(fù)荷，在產(chǎn)出粗酸時(shí)采用蒸發(fā)流程，大大提高粗醋酸中醋酸的含量，降低了精制和尾氣回收系統(tǒng)的負(fù)荷。它主要分為醋酸反應(yīng)工段、精制工段、輕組分回收工段和催化劑制備再生工段四大部分。工藝流程簡(jiǎn)圖如圖1所示。　　　　
　　甲醇預(yù)熱至180℃后，與壓縮機(jī)來(lái)的一氧化碳在2.7MPa壓力下進(jìn)入反應(yīng)釜底部，在催化劑作用下發(fā)生羰基合成醋酸反應(yīng)。主反應(yīng)式為：
　　
　　CH3OH+CO→CH3COOH
　　
　　反應(yīng)后的液體物料進(jìn)入蒸發(fā)器，減壓至0.2MPa左右，閃蒸后氣液相分離，含有催化劑的液體沉入分離器底部，再循環(huán)打回反應(yīng)釜中。閃蒸槽頂部的氣體（含有醋酸、水、碘甲烷和碘化氫的蒸氣）則被送到精制工序，經(jīng)脫水、脫氫等蒸餾過(guò)程，在成品塔側(cè)部踩出的醋酸產(chǎn)品經(jīng)冷卻后送入成品酸儲(chǔ)槽。
　　
　　1.2工藝系統(tǒng)特點(diǎn)及控制難點(diǎn)
　　
　　醋酸的生產(chǎn)工藝是個(gè)塔體連接非常多的系統(tǒng),調(diào)節(jié)回路眾多,系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)性非常強(qiáng),一個(gè)參數(shù)的控制的好壞直接影響到其他參數(shù)的控制的成敗，一個(gè)系統(tǒng)的波動(dòng)可能帶垮整個(gè)系統(tǒng),因?yàn)槠洚a(chǎn)品醋酸產(chǎn)品的濃度要求非常高,達(dá)到99.9%以上,因此對(duì)反應(yīng)溫度,以及流量等參數(shù)的控制要求非常平穩(wěn),合成反應(yīng)釜中的溫度要求180±0.5℃,醋酸蒸發(fā)器液位要求達(dá)到±1%,還有如果母液的流量控制的非常不穩(wěn)定,可控性不太好，這些都對(duì)控制的精度提出了很高的要求。
　　
　　1.3工藝對(duì)控制系統(tǒng)的要求
　　
　?。?）實(shí)現(xiàn)各個(gè)單元操作的集中監(jiān)控，包括：溫度、壓力、流量、液位等物理量的監(jiān)測(cè)與控制,動(dòng)態(tài)參數(shù)檢測(cè)、控制必須準(zhǔn)確、可靠，合成反應(yīng)器的中溫要求180±0.5℃,醋酸蒸發(fā)器液位要求達(dá)到±1%。
　　
　　（2）必要的遙控措施,對(duì)突發(fā)事件如停電等,系統(tǒng)應(yīng)采取相應(yīng)的保護(hù)措施，確保在緊急情況下或需要的時(shí)候?qū)σ恍╆P(guān)鍵的控制點(diǎn)（閥門(mén)等）實(shí)施遙控。
　　
　?。?）配置必要的報(bào)警和聯(lián)鎖。
　　
　　（4）重要參數(shù)的記錄和方便地查閱其實(shí)時(shí)趨勢(shì)和歷史趨勢(shì)。
　　
　?。?）可隨時(shí)監(jiān)測(cè)有關(guān)單元的有關(guān)參數(shù)或重要設(shè)備的運(yùn)行情況。
　　
　?。?）控制系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，參數(shù)設(shè)置、調(diào)整方便，便于操作，人性化的操作界面。
　　
　?。?）操作員站顯示整個(gè)生產(chǎn)工藝流程，修改和打印各種有關(guān)參數(shù)。
　　
　　2、ExperionPKS系統(tǒng)的配置和功能
　　
　　為了滿足工藝過(guò)程操作和控制的要求，整個(gè)PKS系統(tǒng)的控制機(jī)柜、操作站、工程師站、上位監(jiān)控機(jī)、打印機(jī)根據(jù)實(shí)際情況分別布置在兩個(gè)控制室中，兩個(gè)控制室之間相距450米左右，通過(guò)光纜方式進(jìn)行通訊。系統(tǒng)配置圖見(jiàn)圖2（如下）：　　　　
　　整個(gè)控制系統(tǒng)采用冗余方式進(jìn)行操作和控制，其中包括簡(jiǎn)單控制回路72套；復(fù)雜控制回路25套；模擬量輸入409點(diǎn)；數(shù)字量輸入345點(diǎn)；數(shù)字量輸出173點(diǎn)；聯(lián)鎖回路55套。
　　
　　2.1系統(tǒng)硬件配置及功能
　　
　?。?）現(xiàn)場(chǎng)操作員站共八臺(tái)，其中*控制室五臺(tái)，第二控制室三臺(tái)。都采用工業(yè)級(jí)DELL計(jì)算機(jī)P42.8G，內(nèi)存512MB，21英寸純平顯示器，分辨率為1024X768。機(jī)器的總體性能快速、穩(wěn)定，操作員站可以顯示生產(chǎn)過(guò)程工藝流程圖和過(guò)程參數(shù)、打印報(bào)表、顯示過(guò)程參數(shù)的歷史趨勢(shì)圖及控制調(diào)整過(guò)程參數(shù)等。每個(gè)操作站都是冗余數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)上的一個(gè)站，雖然操作員站的使用各有分工，但任何顯示和控制功能均能在任一站上完成。為防止操作人員、DCS工程師和維護(hù)人員的誤操作，針對(duì)不同的人員賦予不同的操作權(quán)限，提高了系統(tǒng)的安全。
　　
　　（2）工程師站（服務(wù)器）采用冗余配置，采用一對(duì)配置相同的服務(wù)器,以主/從結(jié)構(gòu)方式相互支持。當(dāng)主服務(wù)器出現(xiàn)故障時(shí)，從服務(wù)器自動(dòng)轉(zhuǎn)換為主服務(wù)器，并從控制器或RTU中采集數(shù)據(jù)，為操作站提供數(shù)據(jù)服務(wù)。主服務(wù)器通過(guò)冗余網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)庫(kù)中所有數(shù)據(jù)處理信息傳送到從服務(wù)器，使得主從服務(wù)器之間可以同步運(yùn)行，配置圖見(jiàn)圖3。它主要用于程序開(kāi)發(fā)、系統(tǒng)診斷、控制系統(tǒng)組態(tài)、數(shù)據(jù)庫(kù)和畫(huà)面的編輯及修改,工程師能夠通過(guò)通訊總線，既可調(diào)出系統(tǒng)任一個(gè)控制器的系統(tǒng)組態(tài)信息和有關(guān)數(shù)據(jù)，還可使用戶將組態(tài)數(shù)據(jù)從工程師站上下載到各控制器和操作員站。此外，當(dāng)重新組態(tài)的數(shù)據(jù)被確認(rèn)后，系統(tǒng)能自動(dòng)地刷新其內(nèi)存。并設(shè)置軟件保護(hù)密碼，防止一般人員擅自改變控制策略、應(yīng)用程序和系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)。　　　　
　　（3）控制站采用高性能的全冗余的PKS混合控制器和I/O硬件，分別布置在控制室內(nèi)的機(jī)柜中，混合過(guò)程控制器的主要部件是控制處理器模件（CPM），包括機(jī)架、控制網(wǎng)絡(luò)通訊模件、控制處理器模件和可選的冗余模件等。其主要完成功能有：測(cè)量值運(yùn)算、常規(guī)調(diào)節(jié)控制、復(fù)雜控制、邏輯控制、順序控制，批量控制等,所有控制功能采用組態(tài)的方式按功能塊單獨(dú)進(jìn)行。
　　
　?。?）報(bào)表記錄打印采用通用網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)，任意一臺(tái)操作站（工程師站）均可以向打印機(jī)傳遞數(shù)據(jù)并打??；打印機(jī)能自動(dòng)、連續(xù)地打印報(bào)表、報(bào)警、系統(tǒng)維護(hù)記錄等，也能按命令要求打印報(bào)表、屏幕畫(huà)面、趨勢(shì)和組態(tài)數(shù)據(jù)表等，并能進(jìn)行全屏幕拷貝。
　　
　　2.2系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)配置及組態(tài)軟件
　　
　　（1）過(guò)程通訊部分由工業(yè)控制網(wǎng)（CONTROLNET）和過(guò)程以太網(wǎng)（ETHERNET）組成。CONTROLNET要用來(lái)連接操作站/工程師站和控制器?？梢灾С?對(duì)冗余控制器，通訊距離zui遠(yuǎn)可達(dá)10000米。ETHERNET網(wǎng)絡(luò)作為PKS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理網(wǎng)絡(luò)，主要連接人機(jī)接口和各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，通訊速率為10MB/S或100MB/S，支持TCP/IP協(xié)議和NetBEUI協(xié)議，保證數(shù)據(jù)的正常傳送，同時(shí)保證了設(shè)備的互換性，降低了備件成本，CONTROLNET和ETHERNET網(wǎng)絡(luò)均為1:1冗余配置。
　　
　?。?）ExperionPKS的控制策略用ControlBuilder生成，ControlBuilder是圖形化的面向?qū)ο蟮墓ぞ?，支持ExperionPKS的控制器和應(yīng)用控制環(huán)境節(jié)點(diǎn)ACE。在ControlBuilder中進(jìn)行控制策略的設(shè)計(jì)，生成控制策略的文檔，并可進(jìn)行在線監(jiān)控。ControlBuilder提供全面的I/O的處理，包括FF現(xiàn)場(chǎng)總線和Profibus，提供功能塊FBs（FunctionBlocks）的算法庫(kù)，支持所有連續(xù)的、邏輯的、電機(jī)控制的、順序的、批量的以及*的控制功能。Honeywell提供的各種功能塊，可以實(shí)現(xiàn)不同控制功能。每一個(gè)功能塊帶有一系列的參數(shù)，用于直觀顯示該功能塊所具有作用。功能塊之間的互聯(lián)，可以通過(guò)“軟接線”的方式非常方便地實(shí)現(xiàn)，以構(gòu)筑控制策略和應(yīng)用。組態(tài)完的控制模塊見(jiàn)圖4：　　　　
　　在醋酸的整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中需要順序控制、常規(guī)控制及一些聯(lián)鎖報(bào)警等系統(tǒng)，由于在ExperionPKSControlBuilder的控制算法庫(kù)中，除包括過(guò)程變量、調(diào)節(jié)控制、現(xiàn)場(chǎng)總線（設(shè)備和控制塊）、電機(jī)控制、離散邏輯、順序控制等標(biāo)準(zhǔn)的算法外，還包括一些通用塊，如旗標(biāo)量、數(shù)值、時(shí)鐘、數(shù)組變量等。所以在醋酸的試車期間，多次在線對(duì)控制方案進(jìn)行更改，非常方便，極大的縮短了試車時(shí)間，提高了效率。
　　
　　3、控制策略及實(shí)施方案
　　
　　3.1合成工藝的流量穩(wěn)定控制系統(tǒng)
　　
　　原料進(jìn)料量FT03控制的好壞對(duì)工藝操作參數(shù)的穩(wěn)定性影響很大，而且許多控制與此回路有關(guān)，故此參數(shù)非常重要，為避免系統(tǒng)受到較大干擾而影響下游操作，當(dāng)負(fù)荷發(fā)生變化增加時(shí)，變化率要有一定的限制，在減負(fù)荷時(shí)，變化率不做限幅，并且還要考慮吸收原料FT04的影響。在正常情況下，此參數(shù)還要同反應(yīng)液流量FT01及常壓塔回流量FT02保持一定的比值關(guān)系。控制系統(tǒng)框圖見(jiàn)圖5　　　　
　　3.2反應(yīng)爐比值調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)
　　
　　在造氣生產(chǎn)過(guò)程中，進(jìn)入反應(yīng)爐內(nèi)的O2與CO2流量應(yīng)保持一定的比例，若氧碳比過(guò)高，就會(huì)因爐溫過(guò)高使耐火磚燒壞，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起爐子爆炸；如果氧碳比過(guò)低，則會(huì)造成爐溫低，原材料浪費(fèi)，產(chǎn)氣效率低。為此我們采用了雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)主流量的定值控制，克服了主流量干擾的影響，使主流量變的比較平穩(wěn)，通過(guò)比值控制副流量也將比較平穩(wěn)。如圖6所示。　　　　
　　系統(tǒng)投用后不僅實(shí)現(xiàn)了比較的流量比值，而且也確保了兩物料總量基本不變，并且提降負(fù)荷比較方便，大大改善了操作工況，提高了效率。
　　
　　3.3反應(yīng)釜PID溫度串級(jí)調(diào)節(jié)
　　
　　在醋酸的生產(chǎn)過(guò)程中由于反應(yīng)釜中溫控制要求比較嚴(yán)格,達(dá)到±5℃,而且他的好壞還關(guān)系到zui終產(chǎn)品的質(zhì)量的高低,因此對(duì)反應(yīng)中溫度控制采用了串級(jí)控制。其結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示：　　　　
　　3.4FS槽選擇性控制系統(tǒng)
　　
　　由于FS槽中的液體的粘度比較大，為了防止槽中的局部溫度過(guò)冷結(jié)晶，通過(guò)FS槽兩端的溫度檢測(cè)點(diǎn)，選擇低值調(diào)節(jié)策略對(duì)蒸汽的加入量進(jìn)行控制，保證了FS槽內(nèi)的溫度恒定，滿足了工藝生產(chǎn)要求。
　　
　　3.5加焦系統(tǒng)的邏輯控制
　　
　　根據(jù)工藝生產(chǎn)過(guò)程的要求，將現(xiàn)場(chǎng)加焦控制引入DCS系統(tǒng)中。當(dāng)加焦程序通過(guò)DCS投入自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，插板閥電機(jī)開(kāi)始向開(kāi)位方向動(dòng)作，當(dāng)電機(jī)開(kāi)到位時(shí)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)接近開(kāi)關(guān)進(jìn)行到位信號(hào)反饋，電機(jī)停止動(dòng)作。為了滿足工藝生產(chǎn)控制的需要，從插板閥開(kāi)到插板閥關(guān)，我們通過(guò)功能塊對(duì)運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行了可控可調(diào)組態(tài)，設(shè)置開(kāi)位時(shí)間結(jié)束后，帶動(dòng)插板閥的電機(jī)向關(guān)位動(dòng)作，當(dāng)關(guān)到位時(shí)，通過(guò)關(guān)位接近開(kāi)關(guān)進(jìn)行到位信號(hào)反饋。隨后程序續(xù)接到下一個(gè)階段直至完成整個(gè)加焦過(guò)程，整個(gè)加焦過(guò)程持續(xù)10分鐘完成。為了確保工藝生產(chǎn)的正常運(yùn)行，預(yù)防自動(dòng)加焦過(guò)程中由于設(shè)備、儀表、電氣出現(xiàn)故障后，能夠維持正常生產(chǎn)，在DCS控制程序中，又增加了手動(dòng)切換功能，可以保證應(yīng)急時(shí)手動(dòng)操作加料，維持開(kāi)車加料。
　　
　　4、結(jié)束語(yǔ)
　　
　　霍尼韋爾ExperionPKS系統(tǒng)集DCS和PLC的優(yōu)點(diǎn)于一身，高性能價(jià)格比的控制器集成了邏輯控制、回路調(diào)節(jié)控制、順序控制和批量控制為一體，它通過(guò)提供圖形化的控制組態(tài)工具ControlBuilder和全套的過(guò)程控制算法庫(kù)，使用戶的控制工程化能力顯著提高。但在工程設(shè)計(jì)初期，由于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理也出現(xiàn)了一些問(wèn)題，隨著Honeywell公司推出的PKS的版本R310，這個(gè)版本的zui大好處就是出現(xiàn)ConsoleStation這種全新的操作站，它可以獨(dú)立于服務(wù)器而單獨(dú)工作[3]，極大地提高了PKS控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性，自2005年4月投入運(yùn)行以來(lái)，*了醋酸工序復(fù)雜的生產(chǎn)工藝，其產(chǎn)品控制的質(zhì)量指標(biāo)、控制精度和穩(wěn)定性不僅帶來(lái)了產(chǎn)品質(zhì)量的提高，較好的經(jīng)濟(jì)效益，更減輕了工藝人員的操作強(qiáng)度，杜絕了停車事故的發(fā)生。