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DCS在双氧水生产装置中的应用


1 引言
   在工业过程计算机控制系统中,集散控制系统(DCS)已经成为一种主流控制系统,随着DCS应用的深入,对DCS组态工作也由制造商转向用户完成。即通常所说的用户组态。目前业内人士对DCS用户组态工作的研究还局限于对DCS操作画面组态的研究。本文介绍DCS在我厂双氧水生产中的成功应用及本人在实践中的体会,对DCS用户组态提出一些看法。
  
2 系统工艺流程
   本生产装置包括新、旧两个生产线。均包含五个工序:氢化工序、氧化工序、萃取净化工序、后处理工序、工作液配制及回收工序
   氢化工序把蒽醌转化蒽氢醌或四氢化蒽醌。氧化工序用空气中的氧直接氧化蒽氢醌和四氢化蒽氢醌,并转化为蒽醌、四氢化蒽醌,同时生成双氧水。萃取的作用是用无离子水从氧化液中萃取回收双氧水,生产一定浓度的双氧水溶液,该溶液再经过净化处理后,不仅降低有机碳的含量,而且生产27.5~35%的产品出售市场。来自萃取的萃余液经过后处理再生处理后进入下一个使用循环过程。其生产过程如下:


2.1 工艺对控制系统的要求
   2.1.1实现各个单元操作的集中监控,包括:温度、压力、流量、液位等物理量的监测与控制。动态参数检测、控制必须准确、可靠。
   2.1.2必要的遥控措施,对突发事件如停电等,系统应采取相应的保护措施,确保在紧急情况下或需要的时候对一些关键的控制点(阀门、马达等)实施遥控。
   2.1.3配置必要的报警和联锁。
   2.1.4重要参数的记录和方便地查阅其实时趋势和历史趋势。
   2.1.5可随时监测有关单元的有关参数或重要设备的运行情况。
   2.1.6控制系统操作简单,参数设置、调整方便,便于操作,人性化的操作界面。
   2.1.7操作员站显示整个生产工艺流程,修改和打印各种有关参数。
  
  
   2.2 系统控制检测点
   本系统温度、液位等模拟量检测点较多,热电阻39个,4~20mA模拟量输入98个,4~20mA模拟量输出 48个,控制回路48个,开关量输入26个。
  
3 硬件配置
   在系统硬件配置时要纵览全局,从满足生产过程对控制的要求,现场变送器和执行机构等部件特点,传输信号电缆和DCS输入/输出卡件等方面全面考虑,从工艺的合理性、投资的经济性、运行的可靠性、维修的方便性等进行综合分析。我做如下配置,系统结构图如附图1
   3.1冗余的系统服务器/操作站,配置1台工程师站和1台操作站,并预留PC接口,满足了系统的操作需要,在工程师站上安装操作站软件,系统运行时可作为一台操作站使用,系统开车时2个操作站同时参与操作。系统正常时将2个操作站分别用于新、旧系统的操作管理。
   3.2冗余的高性能混合型控制器,两个控制器之间热备份,同时接受网络数据,其中之一的控制器发生故障,备份控制器自动进入工作状态。完成调节控制、数据处理、逻辑联锁、设备控制等功能。
   3.3冗余的以太网和控制网,系统配置了2条网络,监控层要求开放。数据通讯系统是将分散处理单元、输入/输出处理系统及工程师站和操作站联接起来,以保证可靠和高效的系统通讯。因此采用冗余的以态网配置,通讯协议为TCP/IP标准协议,控制网要求安全。
   3.4在I/O卡件配置上,采用预留出大于15%的扩展空间,卡件的类型尽量少,整个系统仅有5种I/O模件,从而减少了备件的种类和费用。在测温模件选型时,考虑系统温度测点较多,测温元件类型相同,均为铂电阻,因此采用RTD输入模件,节省了变送器的投资费用。
   3.5所有电源设备和部件冗余。



4 系统功能
   4.1工程师站功能
   4.1.1用于程序开发、系统诊断、控制系统组态、数据库和画面的编辑及修改。
   4.1.2生成任何显示画面和趋势图等,并能通过通讯总线加载到操作员站,能调出系统中任一已定义的系统显示画面进行修改等工作。
   4.1.3通过通讯总线,可调出系统内任一分散处理单元的系统组态信息和有关数据。可将组态数据从工程师站上下载到各个分散单元的操作站。此外,重新组态的数据被确认后,系统能自动刷新其内存。
   4.1.4具有离线和在线全代码下载功能,不影响专置安全正常运转,可以在线加入或摘除网络设备而不影响其它网络设备正常运转。
   4.1.5具有对DCS系统的运行状态进行监控的功能。包括对各控制站的运行状态、各操作站的运行状态、各级网络通讯状态等方面的监控。
   4.1.6具有在线组态功能。如:量程上下限的改变、控制参数的调整等。
   4.1.7具有在线显示组态图上所有输入/输出、中间量的数值。
   4.1.8工程师站设置操作保护密码,以防擅自改变控制策略、应用程序、系统数据库。
   4.2操作员站功能
   操作站是人机对话的界面,几乎所有的控制指令和状态参数都在此交换。在操作站上可以分别显示各个流程图上现场的各种工艺参数,控制驱动装置、切换控制方式、调整过程设定值等,监控系统内每一个模拟量和数字量,显示并确认报警、操作指导、记录操作日志、记录操作信息如改变设定值、手/自动切换以及时间等,显示历史趋势图,定时打印报表。操作简单,满足操作控制和生产管理的要求。
  
5、系统组态设计
   一套用户组态的DCS能否被成功应用,提高控制品质,使因其故障而造成的影响减小,方便监控和操作,其关键是组态设计的质量。DCS用户组态是指在DCS中,按照其厂商提供的功能部件的特点、数量和性能,根据工艺设计要求,设计、实现并确定有关排列。DCS用户组态工作是一件十分细致的工作,在组态过程中,既要了解生产过程对控制的要求,熟悉生产过程,深刻认识各种设备和过程的生产顺序,明确生产过程和仪表的相互关系;还要熟练掌握DCS所提供的各个控制算法或模块功能,以及各功能模块提供的各参数的相互影响,从深度和广度上对DCS、工艺生产过程以及控制要求有了足够清楚的认识,完成组态工作。
   5.1硬件排列组态
   DCS硬件排列是指DCS输入/输出设备上的接线位置与外部生产过程参数位置之间的分配,DCS的设计思路之一是分散控制,合理的输入/输出信号组合可以使负荷分散。
   硬件要均衡配置:将空槽位和预留I/O通分散安排,同时尽量使各控制站之间的负荷相对平衡。避免集中配置易造成局部信息流过于拥挤产生瓶颈,从而降低了DCS的整体性能,不利于I/O信号的合理调整,增加今后系统改造的难度。同时每个卡件将信号按照实际变化和重要性设置不同的执行周期,将不同执行周期的信号按物理位置合理的组合。如:LIC101、LIC102、LIC203、LIC206、LIC403,在生产过程中是重要的控制点,执行周期设置为50ms,而LI201、LI202、LI204、LI205等相对参数变化慢,因而执行周期设置为100ms,这样同一卡件执行周期快慢搭配在一起,使输入/输出部件微处理单元的负荷较均匀,减少硬件因负荷过大而发生故障。同时对工艺操作相关的参数,如:氢化液储槽液位LIC102,其泵出口流量FIC104,氧化液储槽液位LIC206,其泵出口流量FIC204,再生液储槽液位LIC403,流量FIC401。本装置生产过程中氢化液、氧化液、再生液是循环的,为保持液位稳定必须流量平衡,将这些相互关联的参数分配在不同的卡件,当某一卡件发生故障时,可以从相关参数来判断,避免造成大范围的控制瘫痪,将风险降到最低。硬件排列设计如附图2
   5.2应用软件组态
   应用软件组态在工程师站完成,下载到DCS的控制器执行,控制器主要由CPU、ROM、RAM、E2PROM、地址设定开关等组成。CPU完成运算,ROM用来存操作系统、功能块库,功能块在ROM中的排列是确定的,用户是不能改变的。RAM用来存CPU的运算结果和I/O信号。E2PROM存用功能块连成的控制方案。下电时,控制方案是不会丢失的。不仅如此,控制方案不合适,还可以修改。控制器在网络中应该有地址,由这些地址开关来设定。功能块在ROM中的排列有相应的地址。在运用这些功能块时,应该标明该功能块输入输出之间运算的关系,还有运算所需要的许多参数。在根据被控对象,确定控制策略形成控制方案时,在功能块库中选择控制所需要的功能块,弄清各功能块之间的联接关系,并首先定义它在E2PROM中的地址,并且和其它功能块的联系也都是用地址来表示的,同时填入所需参数,画出每一个控制回路所需的功能块以及它们之间的连接关系,这些工作称为组态。
   功能块库中最重要的功能块是PID功能块,它的输出Y(t)和输入X(t)的关系是比例-积分-微分关系,它在过程控制中有极其重要的作用。在完成闭环控制时一定要用到PID功能块。闭环控制的单回路控制和串级控制回路的方框图如图一、图二所示:


含PV-SP的PID功能块是实现过程变量(PV)和设定值(SP)之差进行比例-积分-微分运算,它的参数有设定、过程变量、比例-积分-微分的系数。它的输出通常送到输出板的端子板的地址。最后输送给阀门。一般情况下,PID功能块中包括PV-SP的运算。同时在PID之前还可以加入其它运算,如加死区。DCS的PID功能块几乎是包罗万象的,有100多个参数。1,首先问PV从那里来,要填入PV的地址;PV值来自一块模拟输入模件或端子板;2,SP的地址,SP的地址通常是站的地址;3,有没有死区,没有死区,这一项就不用管了,有死区,要写入死区的宽度和高度;4,要不要积分,要积分,积分常数是多少,5,要不要微分,要微分,微分常数是多少;6,比例是多少;7,要不要死区,如果要,需输入死区宽度,死区的高度。8, PID功能块的输出到那里,如输到模拟输出模件或端子板的功能块。其输出到阀门。也可以到存储器中,但要规定一个地址。这时PID功能块的输出成为另一块功能块的输入。如串级控制,第一个PID的输出是第二个PID的设定,这时PV有二个,也用二个站功能块,但只有一个站功能块有手/自切换关系。
   在功能块库中另外一个重要功能块是站功能块,它不能用数学公式表示输入和输出的直接关系,它是实现人机交流的功能块,把由人决定的设定值送给控制回路,并送进控制回路何时接入的条件和实现手/自动切换的条件等。
   其他功能块如算术运算加、减、乘、除,平方、开方等是必不可少的。其次是函数运算,三角几何运算,矩阵运算,C语言接口和Basic语言接口功能块等。与硬件连接的功能块,如读取模拟和开关输入的功能块,模拟和开关输出的功能块,从网上读取模拟量和开关量的功能块,送到网上的模拟量和开关量的功能块。
   ⑴ I/O与CM相应的仪表位号、量程、单位等要一致。⑵充分利用DCS所提供的各种控制算法或模块。
   在双氧水生产装置中几种典型的控制策略组态:
   5.2.1氢化塔压力最大值与进气流量串级调节控制策略组态


如图所示,PIC102、PIC103、PIC104分别为氢化塔上、中、下塔塔顶压力,工艺操作过程为每两节塔串联使用,要求三节塔的压力最大值与进氢化塔氢气流量FT101串联调节。针对工艺的特点,引入SWITCH功能模块,利用DCS所提供的功能模块软连接等优点,这样很容易实现在不同情况下对调节阀FN101的控制。
   5.2.2萃取塔界面液位与进水流量串级调节控制策略组态
   在本装置中共投运了五套串级调节系统,在组态中运用DCS软连接的优点,使手动自动串级自由切换,开车时运用单回路调节,生产稳定后操作工可以很容易切换为串级调节,在操作站操作MANAUTOCAS,方便地将软连接切换,调节质量高,操作简单,组态方案如下图:


5.2.3参数累积,温度压力被偿计算
   如蒸汽流量FI107,部门考核需要要求累积,在组态时加入模块
   状TOTALIZER 累积计算模块,FIC201、FIC202、FIC20为空气流量,测量用孔板,因此应用DCS软连接引入压力补偿(温度较稳定)。
   5.2.4阀位设置
   因工艺安全需要,调节阀有气开式和气闭式,使用时发现,操作工和仪表工必须要清楚每台阀门作用方式气开或气闭,才能进行手动操作的设置,这给操作增加了难度,后来在控制组态中引入而在AUXCALC6功能块,如LIC401,LV401阀门为气闭式。


加入AUXCALC6功能块,写入表达式,OP=100PIDA.OP气闭式阀门100%输出信号时,阀位全关,组态后在操作上与气开式阀门相同,操作信号为0%时为全关,100%时为全开,使操作方便简单,同时调节的正反作用设置也无须改虑阀门的正反作用,又能保证系统在气源故障时在安全阀位。同时利用功能块设置停车操作按钮,在电源设备突发事故时,操作工只要点击停车按钮,所有调节阀将按工艺要求设置的安全阀位上,保障生产安全。而且当控制点为回路故障,如现场变送器故障、线路断路时,提供了安全保障,可设置控制输出进行保持、全开输出、全关输出、安全值输出等;而且可设置对过程变化异常的报警;对控制输出的微小抖动的限制,从而可以消除调节阀在一个位置上的剧烈抖动,提高控制品质,延长调节阀的寿命。
  
6 操作界面组态
   PlantScape的Display Builder采用基于对象的集成化的图形开发工具来生成特定的用户应用流程画面,通过简单的填表式操作来组态画面上的显示点并采用点击式操作就可迅速完成图形对象动画组态。流程图的开发在操作上应该尽量做到画面简洁,功能强大,尽量使操作员只通过流程图就能对所有过程进行监控。
   系统本身提供真实的三维工具设备图库存,采用这一工具可快速地生成用户动态图形画面并将动态数据连接到画面中,采用Visual Basic脚本和Actiex组件可生成特定的动态效果,实现功能包括:氢化液工序流程图等生产过程工艺流程图画面,在线PID整定,修改动态趋势图,历史趋势图,生产报表,事件报表,操作日志,设备管理,工艺参数设定和使用权限功能等,实时的掌握现场设备的运行状况及参数变化,以图形形式提供历史和实时的毫秒趋势图,用趋势和数据记录PID整定时监视执行情况和效果,由于系统中检测变量多,有时会出现报警,如不及时诊断排除,势必会影响正常生产,为此,在实际组态过程中,采用多点多预警系统,并在画面上以颜色加以区分,重要参数报警可实现画面锁定,使操作员提前做好准备工作,便于正确操作。
  
7 总结:
   本系统自投运以来,无故障发生,系统运行良好,控制准确可靠,操作简单,维护方便,达到节约劳动力,提高产品质量,降低消耗的目的,为企业创造了可观的经济效益和社会效益。
  
  
参考文献
   ⑴ 王常力,罗安. 集散型控制系统选型与设计[M].北京:清华大学出版社,1996年6月
   ⑵ 杨献勇.热工过程自动控制[M].北京:清华大学出版社,2000年10月
   ⑶ PlantScape Process/C200集散控制系统.Honeywe

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