酯氣相連續加氫模試裝置控制系統的設計

丁 為

(中國石化上海石油化工研究院，上海 201208)

近年來，酯加氫合成醇生產工藝倍受關注，由于酯具有特殊的物理、化學性質，故對溫度、酸和堿敏感。生產過程中，相關催化劑活化和運行對操作參數的要求很高，對裝置控制系統的精度要求更高。由于甲醇生產裝置中部分輸送介質對環境影響較大，崔正堂在項目設計建設過程中對流體介質的輸送選用了大量的無泄漏磁力驅動泵[1]；何明珍根據甲醇聯合生產裝置DCS的數據顯示，分析總結并處理了壓縮機推力瓦溫度過高產生的負面影響[2]。在此背景下，中國石化上海石油化工研究院組織技術人員設計了全國首套噸級規模酯氣相加氫模試裝置，該裝置于2012年12月一次投料試車成功，至今運行穩定，證實裝置的工藝流程設計合理，控制方案設計先進且適用性強，這為酯加氫合成醇的大型工業化裝置成套技術的開發提供了有力的技術支撐。

全國首套噸級酯氣相加氫模試裝置的DCS選用的是具有可靠性高、通信實現方便及人機界面友好等特點的國產MACSV5.2.4系統[3，4]，筆者著重介紹酯氣相連續加氫模試裝置的氫壓機、計量泵、溫度及氣-液分離等控制系統的硬件結構和軟件組態，并給出單機版MACSV系統的地址設置方法和安全儀表功能設置。

1 流程概述①

廠區的原料氣由氣體氫壓機加壓后與經過隔膜計量泵的酯混合進入預處理器進行汽化，然后進入反應器中反應，最后經過冷卻和分離對產物進行回收處理，未完全反應的原料氣通過循環氫壓機返回預處理器進口循環使用。酯氣加氫模試裝置的工藝流程如圖1所示。

圖1 工藝流程框圖

2 自控系統設計

2.1 原料氣壓力控制系統

原料氣壓力控制系統實現原料氣和循環原料氣的增壓功能，包括兩部分：新鮮原料氣壓力控制和循環原料氣壓力控制。兩者的控制方法類似，原料氣都是先經過低壓緩沖罐，然后由原料氣氫壓機加壓至設定壓力值到高壓緩沖罐，再經原料氣質量流量計控制進入預熱器反應。

根據需要，原料氣氫壓機選用美國HASKEL公司生產的AGD-4氣動增壓泵。該增壓泵的啟/停控制是由壓力變送器、氣動球閥、防爆電磁閥、中間繼電器、DCS模擬量輸入模塊、DCS開關量輸入/輸出模塊和24V儀表電源組合設計而成，其中電磁閥選用二位三通常閉型，其線圈接24V儀表電源。氣動球閥的選型需滿足動力氣壓力要求并設置為常閉型。

系統界面上設計有自動和手動兩種工作模式(兩種模式互鎖)，可以根據需要進行選擇，默認為自動模式。在自動模式下，對氫壓機采取的是二位式控制方法，實現加壓和限壓：界面上可分別設置高壓罐壓力的下限值和上限值。當高壓罐壓力低于下限值時，氫壓機啟動；壓力達到上限值時停止。此后高壓緩沖罐的壓力由于系統內原料氣的不斷消耗而逐漸降低，當壓力低于下限值時，氫壓機再次啟動，如此循環。這樣，高壓緩沖罐內的壓力始終保持在壓力的上/下限值之間。控制流程如圖2所示。

圖2 氫壓機控制流程

控制程序的設計采用MACSV系統控制器算法組態中的連續功能塊圖(CFC)，CFC是基于FBD的圖形化編程語言，沒有網絡限制，擺放元素較為靈活[5，6]，本套裝置其他控制單元的軟件均采用該語言設計。氫壓機主要部分的CFC程序如圖3所示，DO37為DCS開關量輸出模塊的對應點，通過一系列的關聯動作來實現DO37的開合。程序設計的關鍵是需要定義一個變量“COUNTER”作為判斷壓力上/下行過程的標志，由此協調氫壓機輸出壓力在上/下行過程中的啟/停。由于該型氫壓機不帶輔助觸點，故將控制防爆電磁閥的中間繼電器中的另一對常開觸點作為氫壓機啟/停的反饋觸點接入DCS開關量輸入模塊中。氫壓機運行，反饋觸點閉合，開關量輸入點置“1”，這樣氫壓機的啟/停狀態便會顯示在流程控制界面上。

圖3 氫壓機的部分CFC程序

程序中還為氫壓機設計了高高限值聯鎖和狀態監控功能，前者指無論處于何種操作模式，只要高壓罐壓力不小于該高高限值，氫壓機將自動停止；后者則對氫壓機穩定運行后的原料氣流量值進行監控，若低于某一值，則在界面上報警提示。操作界面如圖4所示。

2.2 計量泵控制系統

計量泵控制系統實現原料酯的流量控制功能。該系統由兩臺計量泵(一用一備)、防爆配電箱、變頻器、模擬量輸入/輸出模塊、開關量輸入/輸出模塊、中間繼電器及交流接觸器等一系列電氣元件設計而成。計量泵控制系統的電氣原理如圖5所示。

圖4 氫壓機操作界面

圖5 計量泵控制電氣原理

控制系統設計為手動和自動兩種模式，兩種模式互鎖。

在手動模式的設計上，將選擇開關S2.1打到“手動”擋，S2.1(手動)閉合，此時泵便處于手動狀態。按下啟動按鈕S2.3(帶自鎖)，則電流經過S2.1、S2.2、S2.3和K2.2的輔助觸點(21，22)、K2.1的線圈(A1，A2)形成回路，K2.1主觸點閉合，變頻器接通，泵的電機得電，同時K2.1(53，54)閉合，防爆配電箱面板的指示燈H2.1亮，表示泵處于運行狀態，K2.1(61，62)斷開，停止指示燈H2.2滅；端子(7，8)和端子(7，9)則分別作為兩路開關量接入開關量的輸入模塊，將泵的啟/停狀態反饋給控制系統，并通過計算機主界面顯示。泵的流量通過操作變頻器面板的電位器調節輸出頻率來控制。

在自動模式的設計上，端子(12，13)作為一路開關量接入開關量輸出模塊，通過控制程序來實現K2.4線圈的通斷；端子(7，11)接入開關量輸入模塊，將泵的啟、停狀態反饋給控制系統，并通過計算機主界面顯示。自動模式運行時，將選擇開關S2.1打到“自動”擋，S2.1(自動)閉合，K2.3(A1，A2)接通，K2.3(43，44)閉合。在界面上點擊“啟動”按鈕之后，K2.4(A1，A2)接通，K2.4(9，1)閉合，電流沿S2.1(自動)、K2.3(43，44)、K2.4(9，1)、K2.2(21，22)、K2.1(A1，A2)形成回路，啟動指示燈H2.1亮，K2.1主觸點閉合，變頻器接通，電機通電。在泵流量的控制上，K2.3(31，32)打開，K2.3(83，84)閉合，變頻器的IRF和COM1端子是頻率設定端子和模擬信號公共端，用于接收來自DCS的4～20mA信號，從而調節電機轉速，因此將端子(1，2)作為一路信號接入模擬量輸出模塊，通過控制程序進行流量值設定。變頻器的AOUT端子是模擬量輸出端，負責將當前電機轉速反饋給DCS，因此將端子(3，4)作為一路接入模擬量輸入模塊，通過控制程序將當前流量值顯示在界面上。

除以上兩種功能外，還設計了故障報警功能。變頻器的FC端子作為異常報警信號輸出端子使用，該端子連接線圈K2.2，端子(7，8)作為一路開關量信號接入開關量輸入模塊。一旦變頻器故障，FC端輸出250V、0.3A的交流信號，K2.2線圈得電，K2.2(21，22)斷開，K2.1主觸點斷開，電機停轉；同時H2.3故障報警燈亮，K2.2(43，44)閉合反饋，組態界面提示出現故障，操作人員可及時根據提示進行處理。

2.3 溫度控制系統

溫度控制系統實現對凈化器、預熱器和反應器溫度的準確控制功能，主要由熱電偶、安全柵、交流接觸器、固態繼電器、模擬量輸入模塊、安全儀表及中間繼電器等相關設備組合設計而成。

根據現場防爆要求，必須將熱電偶輸入信號先經過安全柵轉換為4～20mA電流信號后，再接入DCS的模擬量輸入模塊和安全儀表進行顯示和控制。

根據工藝要求，凈化器、預熱器、反應器均設計兩種控溫模式：程序升溫和終點控溫，兩種模式互鎖，可無擾切換。

所謂程序升溫，就是以一定的速率，使溫度逐步升到所要求的最終目標值，而這個速率由設定的升溫時間和最終目標值共同決定，這種升溫模式適用于最終目標值和當前溫度值相差較大的情況。通過合理地設置每一階段的目標值和升溫時間，控制升溫速率，能有效防止或減少溫度大幅過沖現象，有利于保護催化劑的活性，程序升溫在本裝置中用于催化劑還原階段。

終點控溫就是僅設置目標溫度值，不對升溫速率進行控制。該控制模式多用于實際值和目標值相差不大的情況，在本裝置中用于程序升溫結束后的反應階段，在該階段可根據情況對目標值進行微調。由于MACSV系統沒有現成的功能塊可以利用，故使用CFC語言自行開發了多段程序升溫模塊，軟件流程如圖6所示。

圖6 程序升溫模塊流程

在有效程序段選擇的設計上，規定設定升溫時間值大于零的段作為起始段；在起始段之后，設定升溫時間值不大于零的程序段的前一段作為結束段。這樣便于實驗人員根據需要對升溫段數進行靈活調整。

啟動“程序升溫”模式后，程序自動讀入設定參數，尋找有效起始段，鎖定當前溫度值作為起始溫度，將當前執行段的實時目標值SP賦給PID控制器。實時目標值SP=C1+K(T1/60)，其中K=(C2-C1)/T表示該段升溫斜率；C1表示該段起始溫度值；C2表示該段目標溫度值；T1表示該段已完成的升溫時間(以秒為單位)；T表示設定的升溫時間(以分鐘為單位)。T1的計時由自行設計的計時模塊SJJS完成，在SJJS模塊中，由于服務器對程序的掃描周期為0.5s，因此每執行一次程序，SJJS模塊使T1的值增加0.5。模塊內部的程序代碼如下：

IF IN AND(NOT TZ)AND EN THEN

JS:=JS+0.5;

ELSE

JS:=JS;

IF(NOT IN)THEN

JS:=0;

END_IF

END_IF

將T1和T不斷進行比較，若T1

這里用到的PID控制器是MACSV系統自帶的占空比控制器TIMECON，如圖9所示。

圖7 升溫斜率計算程序

圖8 動態目標值計算程序

圖9 TIMECON控制器引腳示意圖

由占空比控制器通過占空比信號的輸出比例來控制固態繼電器導通的時間，從而調節加熱器的輸出功率[7]。該占空比控制器不帶自整定功能，需通過手動調節確定最佳PID值。TIMECON的主要參數功能說明如下：

PV過程測量值，默認為0

SP設定值，默認為100

AV調節輸出值

PT/% 比例帶，大于零，默認100

TI/s 積分時間，大于零，默認30

TD/s 微分時間，不小于零，默認0

RM 包括手動、聯鎖和自動，用戶可以根據實際的工程要求選擇運行方式

IC輸入補償，補償后的偏差ek=(SP-PV)+IC

DL/% 偏差報警限，大于零

OC輸出補償

IN_info 馬達故障狀態輸入端，TRUE為故障，FALSE為正常

DV占空比信號輸出

設計的程序升溫模塊除有程序升溫總啟動開關外，對于每一個加熱段都分別設計了獨立開關，啟動或停止某一加熱段對其他段的運行沒有影響，便于調試；在程序運行階段，對于尚未執行的程序段參數可以在線修改。此外，操作界面上顯示有每一個程序段已運行的升溫時間和控制器所輸出的功率百分比，對于已執行、執行中和未執行的程序段分別用不同的顏色顯示，方便實驗人員觀察。裝置某段程序升溫曲線如圖10所示，操作界面如圖11所示。

圖10 某段程序升溫曲線

圖11 程序升溫操作界面

2.4 氣-液分離器液位控制

氣-液分離器的液位控制關系到整個體系的壓力穩定。液位控制采用二位式調節方法，通過氣動液體薄膜調節閥的開關將液位保持在設定范圍內，設計有自動和手動兩種調節模式，方式和氫壓機控制類似。控制程序如圖12、13所示，操作界面如圖14所示。

圖12 降液位程序

圖13 升液位程序

2.5 安全儀表設計

本套裝置的安全聯鎖除用DCS控制外，還在接觸器二次回路中接入了安全儀表，在DCS出現死機的情況下，能夠通過安全儀表實現聯鎖，以保證裝置的整體安全[8，9]。由于安全儀表內部繼電器的觸點電流容量較小，故需外加中間繼電器，將其常開觸點接入二次回路，安全儀表內部繼電器的常開觸點則用來控制外加中間繼電器線圈的通、斷。

圖14 氣-液分離器液位設置界面

安全儀表要設置的參數包括：信號刻度下限、信號刻度上限、小數點位置、輸入規格、報警輸出定義、報警指示和下限報警值。其中信號刻度的上、下限需要與DCS中對應組態的模擬量輸入點的量程上、下限一致；小數點位置由測量精度確定；輸入規格由輸入信號類型確定；報警輸出定義設置為“低限報警和儀表輔助口繼電器輸出”；報警指示設置為“關”狀態；下限報警值設置為儀表內部繼電器動作時的聯鎖值。假設聯鎖溫度值為350℃，則“下限報警值”設為350，溫度低于350℃時，儀表產生下列動作：下限報警→儀表內部繼電器常開觸點閉合→中間繼電器線圈得電→中間繼電器常開觸點閉合→二次回路接通→執行加熱。由于“報警指示”參數設為“關”狀態，因此發生下限報警時，二次儀表的面板上不會出現報警提示。反之，當溫度等于或高于350℃時，儀表判斷溫度正常，產生下列動作：報警解除→儀表內部繼電器常開觸點復位→中間繼電器線圈失電→中間繼電器常開觸點復位→二次回路斷開→加熱停止，從而確保加熱在異常或失電狀態下處于關閉狀態。

2.6 系統地址設置

根據工藝需要，設置了兩臺主控制器(一用一備)和一臺服務器，服務器兼作工程師站和操作員站。設備組態過程中，服務器的地址設為130.0.0.1和131.0.0.1(雙網卡)；操作員站的地址設為130.0.0.50和131.0.0.50；計算機的IP地址設為130.0.0.1，同時在Internet協議的“高級”選項中綁定了3個IP地址——130.0.0.1、130.0.0.50和128.0.0.50，分別表示服務器、操作員站和工程師站。最后，將主控制器(包括A機和B機)的地址通過撥碼開關設為10，表示10號站，這樣便完成了所有地址的設置。

3 結束語

酯氣相連續加氫模試裝置控制系統自2012年底投運至2013年7月結束，全程運行穩定可靠、維護方便、操作簡單，得到了實驗人員的認可。該項目的成功運用，第一次引入了價廉物美的國產DCS，并且完美地實現了工藝過程的自動控制，保證了上海石油化工研究院酯氣相連續加氫模試過程的順利完成，為將來的工業生產奠定了基礎。