威盛DCS系统在双氧水工艺控制中的应用

• 关键词：电机,pid,流量计,工控

一、工艺简述
1、工艺
　　本生产装置包含五个工序：氢化工序、氧化工序、萃取净化工序、后处理工序、包装工序。
　　由外管送来的氢气(氯碱车间)，经过加压，然后送入氢化釜使其与工作液进行氢化反应，得到的氢化液再和氧气反应，得到的氧化液(包括工作液和双氧水)，经过萃取分离，得到双氧水，并使工作液得到再生，循环使用。

其生产过程如下:

　　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。

2、本工艺的特点和难点
　　控制回路较多，生产的连续性很强，塔式设备较多，而且各个参数之间关联较严重。有些对象特性属于电加热炉式，比较难控制，其中如氢化工序的氢化釜压力，当氢气通入釜内时，压力很快升高，而要将压力降下来，则要依靠氢化釜自身反应将氢气吸收，这样的对象在自控时要尽量避免上超调，否则很容易造成系统的失控。另外，氢化釜压力对象还具有正反馈特性，需要在控制时予以考虑。

3、工艺对控制系统的要求
　　a、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。
  b、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。
  c、配置必要的报警和联锁。
  d、重要参数的记录和方便地查阅其实时趋势和历史趋势。
  e、可随时监测有关单元的有关参数或重要设备的运行情况。
  f、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。
  g、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。

二、系统组成
1、系统配置
　　本项目控制系统采用的是FB-2000NS DCS。该系统能够实现连续控制、批量控制和逻辑控制等多种控制算法。根据带控制点的工艺流程图，与工艺技术人员认真细致地分析了生产工艺对控制的要求，合理地设计了方便于操作工监视、操作的流程图画面。本工程采用1个控制站、1个操作站，操作站和控制站处于同一中控室内，两操作站是完全对等的，其中任意一台操作站均可兼作工程师站。控制站与操作站之间由CNET双重化冗余的过程控制网连接。我们从生产更为可靠和经济方面考虑，主控制器、CNET网络通讯卡采用热备冗余。其作用是当主板发生故障时，冗余板会自动投入工作，以确保系统稳定可靠地运行。其DCS的硬件配置为：FB-2001NS2块，FB-2005NS网卡2块，FB-2010NS-6块，FB-SC14NS-6块；FB-2020NS-7块，FB-SC20NS -7块； FB-2030NS-3块，FB-SC30NS-3块； FB-2040NS-1块，FB-SC43NS/R-1块。这样就构成了一套分布式数据采集与控制系统。另外现场有一台6KVAUPS在线式不间断电源，所有模拟量信号通过隔离模块后，进入输入端子板，且所有模拟量输出信号均通过隔离模块，进入现场执行机构。现场控制站网络结构图如下：

2.    DCS系统规模
AI：96个
AOU：23个
DIN：48个
DOUT：16个

三   控制策略及实施方案
　　本系统共有23个控制回路，基本上是采用单回路PID控制，属于常规的控制方案。我们对常规控制方案在组态方面做了若干优化，如调节器的正反作用的设置，与工艺人员协商后，采用忽略调节阀气开、气关形式的方法，调节阀的开关形式在组态软件中设置，这样，系统大大简化了调节器作用的设置。
　　对于参数关联比较大的对象，适当采取前馈解耦。如在双氧水生产过程中，氢化液储罐作为氢化工段的成品储罐，其液位是一个很关键的参数，同时它也是与从氢化到氧化工段的工况稳定性密切相关的重要参数，当氢化工序进料增大时，相应希望氢化液储罐的出料(即氧化工序的进料)也增大，这样才能有效地保证氢化液储罐液位的平稳。因此，对氢化液贮罐液位(LIC-1102)采用均匀控制和前馈控制相结合的方法，使整个系统的生产的连续性和物料的平衡得到有力的保障。

　　对于类似电加热炉特性对象，则采用自适应PID的方法来避免上超调。如上所述氢化釜的压力就是这类对象。因此，我们将釜内压力分为3段，分别用不同的PID参数来整定。
可以看到，氢化釜压力在升压过程中的时间常数很小，因而我们把升压过程分为3个阶段：
(1)低压阶段。此时，氢化釜的压力上升很快，对象对调节作用很敏感，这时可以将调节器的调节作用设得较弱。
(2)中压阶段。此时，氢化釜的特性比较稳定，鲁棒性也较强，可以保持相对较强的控制作用。
(3)高压阶段。此时，对象的鲁棒性很强，对调节作用很不敏感，需要将积分作用切除，尽量避免超调。

1、   进氧化塔下节空气流量控制
　　进氧化塔下节空气流量控制的目标是保证进氧化塔下节的空气流量的平稳，是一个十分关键的调节控制，虽然采用的也是单回路PID调节方式，根据现场执行机构的特殊性，当输出为20mA电流时执行机构状态为全关闭，当输出为4mA时执行机构为全开，且为线性变化，于在模拟量输出模块前加一个减法器，其控制方案框图如下：

2、 进氧化塔上节空气流量控制
　　进氧化塔上节空气流量控制是一个单回路的PID调节控制，它的控制方案框图如下：

3、 氢化尾气流量控制
　　氢化尾气流量控制也是一个单回路PID调节控制，它的控制方案和上面的进氧化塔上节空气流量控制的方案是一样的。
　　工作液预热器出口温度调节、氢化液冷却器出口温度调节控制、氢化床顶部压力控制、氢化液汽液分离器液位调节控制、氢化液贮槽液位调节控制、进氢化床再生床氢化液流量调节控制、氧化塔上节温度调节控制、氧化塔下节温度调节控制、氧化液汽液分离器B液位调节控制、氧化塔尾气压力调节控制、氧化液贮槽液位调节控制、萃取塔出口萃取液流量调节控制、萃取塔界面调节控制、净化塔界面调节控制、工作液计量罐液位调节控制、干燥塔界面调节控制、循环工作液液位调节控制、干燥塔底出碱流量调节控制、干燥塔旁路调节控制这些调节回路都采用的单回路PID调节控制的方式，它们的控制方案和进氧化塔上节空气流量调节控制是一样的，控制方案框图略。

四、画面构成
1、  共分控制画面、PID调节画面、氢化画面、氧化画面、萃取净化画面、后处理画面、包装画面、风机泵画面、参数画面、历史趋势1、历史趋势2一起11个画面。
2、  动态数据：在流程图上相应处显示。
3、  动态画面的键接：在每幅画面上做按钮，可相互切换。
4、  点击工艺流程图上相应的调节阀，既可弹出PID画面，可在线修改给定值和输出值。

六、报表
按分组生成报表，8小时打印。

七、趋势
　　根据用户要求进行分组，在历史趋势画面1和2上具备52个比较重要参数的全部历史趋势，这些历史数据以每一秒采集一次的周期显示在历史趋势图上

八、报警
　　根据客户要求，采用声音报警及画面报警提示，一共是对82个参数进行了报警设置。

四   结束语
　　系统开车、上电调试后，再生液罐的液位、氢化釜压力及液位等关键参数的稳定性非常好，生产的连续性和物料的平衡得到了很好的保证。在降低工人劳动强度的同时，产品收率、消耗和质量方面达到预期的效果。DCS系统在双氧水生产过程中能够发挥其强大、灵活的功能，取得良好的经济效益。