| 榮獲“2003年度工控及自動化領(lǐng)域優(yōu)秀典型應(yīng)用”有獎評選活動 二等獎 |
 | 專家點評：這篇論文是用戶在雙氧水裝置中使用的總結(jié)，作者在深入了解工藝生產(chǎn)操作對控制系統(tǒng)要求的基礎(chǔ)上進行DCS選型，配置和軟件組態(tài)設(shè)計使DCS的算法，模塊功能和動態(tài)流程畫面通過安裝，調(diào)試應(yīng)用，滿足工藝要求。本文針對雙氧水生產(chǎn)工藝的特點及對控制系統(tǒng)的要求，進行DCS系統(tǒng)選型、設(shè)計配置、圖形組態(tài)、控制組態(tài)，并通過現(xiàn)場調(diào)試應(yīng)用，獲得顯著經(jīng)濟效益。本文系統(tǒng)介紹了雙氧水裝置DCS控制系統(tǒng)設(shè)計實施的全過程，基于實踐體會提出許多實用建議和有效措施，具有指導(dǎo)性和示范性意義。 |
摘要：本文簡述了雙氧水的生產(chǎn)工藝，及工藝對控制系統(tǒng)的要求，DCS硬件、軟件的組態(tài)設(shè)計體會，及如何充分應(yīng)用DCS功能塊實現(xiàn)各種控制方案。 關(guān)鍵詞：雙氧水生產(chǎn)裝置 DCS 組態(tài) 控制 1 引言 在工業(yè)過程計算機控制系統(tǒng)中，集散控制系統(tǒng)（DCS）已經(jīng)成為一種主流控制系統(tǒng)，隨著DCS應(yīng)用的深入，對DCS組態(tài)工作也由制造商轉(zhuǎn)向用戶完成。即通常所說的用戶組態(tài)。目前業(yè)內(nèi)人士對DCS用戶組態(tài)工作的研究還局限于對DCS操作畫面組態(tài)的研究。本文介紹DCS在我廠雙氧水生產(chǎn)中的成功應(yīng)用及本人在實踐中的體會，對DCS用戶組態(tài)提出一些看法。 2 系統(tǒng)工藝流程 本生產(chǎn)裝置包括新、舊兩個生產(chǎn)線。均包含五個工序：氫化工序、氧化工序、萃取凈化工序、后處理工序、工作液配制及回收工序 氫化工序把蒽醌轉(zhuǎn)化蒽氫醌或四氫化蒽醌。氧化工序用空氣中的氧直接氧化蒽氫醌和四氫化蒽氫醌，并轉(zhuǎn)化為蒽醌、四氫化蒽醌，同時生成雙氧水。萃取的作用是用無離子水從氧化液中萃取回收雙氧水，生產(chǎn)一定濃度的雙氧水溶液，該溶液再經(jīng)過凈化處理后，不僅降低有機碳的含量，而且生產(chǎn)27.5~35%的產(chǎn)品出售市場。來自萃取的萃余液經(jīng)過后處理再生處理后進入下一個使用循環(huán)過程。其生產(chǎn)過程如下:
2.1 工藝對控制系統(tǒng)的要求 2.1.1實現(xiàn)各個單元操作的集中監(jiān)控，包括：溫度、壓力、流量、液位等物理量的監(jiān)測與控制。動態(tài)參數(shù)檢測、控制必須準(zhǔn)確、可靠。 2.1.2必要的遙控措施,對突發(fā)事件如停電等，系統(tǒng)應(yīng)采取相應(yīng)的保護措施，確保在緊急情況下或需要的時候?qū)σ恍╆P(guān)鍵的控制點（閥門、馬達等）實施遙控。 2.1.3配置必要的報警和聯(lián)鎖。 2.1.4重要參數(shù)的記錄和方便地查閱其實時趨勢和歷史趨勢。 2.1.5可隨時監(jiān)測有關(guān)單元的有關(guān)參數(shù)或重要設(shè)備的運行情況。 2.1.6控制系統(tǒng)操作簡單，參數(shù)設(shè)置、調(diào)整方便，便于操作，人性化的操作界面。 2.1.7操作員站顯示整個生產(chǎn)工藝流程，修改和打印各種有關(guān)參數(shù)。 2.2 系統(tǒng)控制檢測點 本系統(tǒng)溫度、液位等模擬量檢測點較多，熱電阻39個，4~20mA模擬量輸入98個，4~20mA模擬量輸出 48個,控制回路48個，開關(guān)量輸入26個。 3 硬件配置 在系統(tǒng)硬件配置時要縱覽全局,從滿足生產(chǎn)過程對控制的要求，現(xiàn)場變送器和
執(zhí)行機構(gòu)等部件特點,傳輸信號
電纜和DCS輸入/輸出卡件等方面全面考慮，從工藝的合理性、投資的經(jīng)濟性、運行的可靠性、維修的方便性等進行綜合分析。我做如下配置，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如附圖1 3.1冗余的系統(tǒng)服務(wù)器/操作站，配置1臺工程師站和1臺操作站，并預(yù)留PC接口，滿足了系統(tǒng)的操作需要，在工程師站上安裝操作站軟件，系統(tǒng)運行時可作為一臺操作站使用，系統(tǒng)開車時2個操作站同時參與操作。系統(tǒng)正常時將2個操作站分別用于新、舊系統(tǒng)的操作管理。 3.2冗余的高性能混合型控制器，兩個控制器之間熱備份，同時接受網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，其中之一的控制器發(fā)生故障，備份控制器自動進入工作狀態(tài)。完成調(diào)節(jié)控制、數(shù)據(jù)處理、邏輯聯(lián)鎖、設(shè)備控制等功能。 3.3冗余的以太網(wǎng)和控制網(wǎng)，系統(tǒng)配置了2條網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)控層要求開放。數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)是將分散處理單元、輸入/輸出處理系統(tǒng)及工程師站和操作站聯(lián)接起來，以保證可靠和高效的系統(tǒng)通訊。因此采用冗余的以態(tài)網(wǎng)配置，通訊協(xié)議為TCP/IP標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，控制網(wǎng)要求安全。 3.4在I/O卡件配置上，采用預(yù)留出大于15%的擴展空間，卡件的類型盡量少，整個系統(tǒng)僅有5種I/O模件，從而減少了備件的種類和費用。在測溫模件選型時，考慮系統(tǒng)溫度測點較多，測溫元件類型相同，均為鉑電阻，因此采用RTD輸入模件，節(jié)省了變送器的投資費用。 3.5所有電源設(shè)備和部件冗余。
4系統(tǒng)功能 4.1工程師站功能 4.1.1用于程序開發(fā)、系統(tǒng)診斷、控制系統(tǒng)組態(tài)、數(shù)據(jù)庫和畫面的編輯及修改。 4.1.2生成任何顯示畫面和趨勢圖等，并能通過通訊總線加載到操作員站,能調(diào)出系統(tǒng)中任一已定義的系統(tǒng)顯示畫面進行修改等工作。 4.1.3通過通訊總線，可調(diào)出系統(tǒng)內(nèi)任一分散處理單元的系統(tǒng)組態(tài)信息和有關(guān)數(shù)據(jù)。可將組態(tài)數(shù)據(jù)從工程師站上下載到各個分散單元的操作站。此外，重新組態(tài)的數(shù)據(jù)被確認(rèn)后，系統(tǒng)能自動刷新其內(nèi)存。 4.1.4具有離線和在線全代碼下載功能，不影響專置安全正常運轉(zhuǎn)，可以在線加入或摘除網(wǎng)絡(luò)設(shè)備而不影響其它網(wǎng)絡(luò)設(shè)備正常運轉(zhuǎn)。 4.1.5具有對DCS系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行監(jiān)控的功能。包括對各控制站的運行狀態(tài)、各操作站的運行狀態(tài)、各級網(wǎng)絡(luò)通訊狀態(tài)等方面的監(jiān)控。 4.1.6具有在線組態(tài)功能。如：量程上下限的改變、控制參數(shù)的調(diào)整等。 4.1.7具有在線顯示組態(tài)圖上所有輸入/輸出、中間量的數(shù)值。 4.1.8工程師站設(shè)置操作保護密碼，以防擅自改變控制策略、應(yīng)用程序、系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。 4.2操作員站功能 操作站是人機對話的界面，幾乎所有的控制指令和狀態(tài)參數(shù)都在此交換。在操作站上可以分別顯示各個流程圖上現(xiàn)場的各種工藝參數(shù)，控制驅(qū)動裝置、切換控制方式、調(diào)整過程設(shè)定值等，監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)每一個模擬量和數(shù)字量，顯示并確認(rèn)報警、操作指導(dǎo)、記錄操作日志、記錄操作信息如改變設(shè)定值、手/自動切換以及時間等，顯示歷史趨勢圖，定時打印報表。操作簡單，滿足操作控制和生產(chǎn)管理的要求。 5、系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計 一套用戶組態(tài)的DCS能否被成功應(yīng)用，提高控制品質(zhì)，使因其故障而造成的影響減小，方便監(jiān)控和操作，其關(guān)鍵是組態(tài)設(shè)計的質(zhì)量。DCS用戶組態(tài)是指在DCS中，按照其廠商提供的功能部件的特點、數(shù)量和性能，根據(jù)工藝設(shè)計要求，設(shè)計、實現(xiàn)并確定有關(guān)排列。DCS用戶組態(tài)工作是一件十分細(xì)致的工作，在組態(tài)過程中，既要了解生產(chǎn)過程對控制的要求，熟悉生產(chǎn)過程，深刻認(rèn)識各種設(shè)備和過程的生產(chǎn)順序，明確生產(chǎn)過程和儀表的相互關(guān)系；還要熟練掌握DCS所提供的各個控制算法或模塊功能，以及各功能模塊提供的各參數(shù)的相互影響，從深度和廣度上對DCS、工藝生產(chǎn)過程以及控制要求有了足夠清楚的認(rèn)識，完成組態(tài)工作。 5.1硬件排列組態(tài) DCS硬件排列是指DCS輸入/輸出設(shè)備上的接線位置與外部生產(chǎn)過程參數(shù)位置之間的分配，DCS的設(shè)計思路之一是分散控制，合理的輸入/輸出信號組合可以使負(fù)荷分散。 硬件要均衡配置:將空槽位和預(yù)留I/O通分散安排,同時盡量使各控制站之間的負(fù)荷相對平衡。避免集中配置易造成局部信息流過于擁擠產(chǎn)生瓶頸，從而降低了DCS的整體性能，不利于I/O信號的合理調(diào)整，增加今后系統(tǒng)改造的難度。同時每個卡件將信號按照實際變化和重要性設(shè)置不同的執(zhí)行周期，將不同執(zhí)行周期的信號按物理位置合理的組合。如：LIC101、LIC102、LIC203、LIC206、LIC403，在生產(chǎn)過程中是重要的控制點，執(zhí)行周期設(shè)置為50ms，而LI201、LI202、LI204、LI205等相對參數(shù)變化慢，因而執(zhí)行周期設(shè)置為100ms，這樣同一卡件執(zhí)行周期快慢搭配在一起，使輸入/輸出部件微處理單元的負(fù)荷較均勻，減少硬件因負(fù)荷過大而發(fā)生故障。同時對工藝操作相關(guān)的參數(shù)，如：氫化液儲槽液位LIC102，其泵出口流量FIC104，氧化液儲槽液位LIC206，其泵出口流量FIC204，再生液儲槽液位LIC403，流量FIC401。本裝置生產(chǎn)過程中氫化液、氧化液、再生液是循環(huán)的，為保持液位穩(wěn)定必須流量平衡，將這些相互關(guān)聯(lián)的參數(shù)分配在不同的卡件，當(dāng)某一卡件發(fā)生故障時，可以從相關(guān)參數(shù)來判斷，避免造成大范圍的控制癱瘓，將風(fēng)險降到最低。硬件排列設(shè)計如附圖2 5.2應(yīng)用軟件組態(tài) 應(yīng)用軟件組態(tài)在工程師站完成，下載到DCS的控制器執(zhí)行，控制器主要由CPU、ROM、RAM、E2PROM、地址設(shè)定開關(guān)等組成。CPU完成運算，ROM用來存操作系統(tǒng)、功能塊庫，功能塊在ROM中的排列是確定的，用戶是不能改變的。RAM用來存CPU的運算結(jié)果和I/O信號。E2PROM存用功能塊連成的控制方案。下電時，控制方案是不會丟失的。不僅如此，控制方案不合適，還可以修改。控制器在網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)該有地址，由這些地址開關(guān)來設(shè)定。功能塊在ROM中的排列有相應(yīng)的地址。在運用這些功能塊時，應(yīng)該標(biāo)明該功能塊輸入輸出之間運算的關(guān)系，還有運算所需要的許多參數(shù)。在根據(jù)被控對象，確定控制策略形成控制方案時，在功能塊庫中選擇控制所需要的功能塊，弄清各功能塊之間的聯(lián)接關(guān)系，并首先定義它在E2PROM中的地址，并且和其它功能塊的聯(lián)系也都是用地址來表示的，同時填入所需參數(shù)，畫出每一個控制回路所需的功能塊以及它們之間的連接關(guān)系，這些工作稱為組態(tài)。 功能塊庫中最重要的功能塊是PID功能塊，它的輸出Y(t)和輸入X(t)的關(guān)系是比例-積分-微分關(guān)系，它在過程控制中有極其重要的作用。在完成閉環(huán)控制時一定要用到PID功能塊。閉環(huán)控制的單回路控制和串級控制回路的方框圖如圖一、圖二所示：
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