I/A Series控制系統(tǒng)在BDO裝置中的應(yīng)用

馬強(qiáng)

（北京康吉森自動(dòng)化設(shè)備技術(shù)有限責(zé)任公司，北京 101318）

0 引言

自20世紀(jì)70年代以來(lái)，以微機(jī)為核心的集散控制系統(tǒng)DCS將現(xiàn)代高科技的最新成就和自動(dòng)控制技術(shù)集為一體，使自動(dòng)化儀表裝置向系統(tǒng)化、分散化、多樣化和高性能化的方向產(chǎn)生了一個(gè)質(zhì)的飛躍[1]。I/A Series控制系統(tǒng)是FOXBORO推出的最新DCS控制系統(tǒng)，因其性能優(yōu)良、運(yùn)行穩(wěn)定，占據(jù)了一定的市場(chǎng)份額，被廣泛應(yīng)用于石油、石化、煤化工等行業(yè)[2]。

BDO（1，4-丁二醇）是一種基本的有機(jī)化工和精細(xì)化工原料，它作為化工中間體主要用于THF（四氫呋喃）、γ-丁內(nèi)酯等領(lǐng)域，用途十分廣泛[3]。近年來(lái)，隨著B(niǎo)DO需求量的提高，越來(lái)越多的化工廠開(kāi)始引入BDO裝置。在寧夏英力特年產(chǎn)200000t BDO項(xiàng)目中，I/A Series控制系統(tǒng)得到了成功應(yīng)用，獲得了用戶的認(rèn)可。

1 BDO工藝描述

目前全球生產(chǎn)BDO的工業(yè)化方法有Reppe法、丁二烯法、丁烷/順酐法。Reppe法是BDO的主要生產(chǎn)方法，應(yīng)用該法生產(chǎn)的BDO占世界總產(chǎn)量的40%左右。它是以乙炔和甲醛為主要原料，在銅催化作用下生成BYD（1，4丁炔二醇），然后再加氫生成BDO[4]。英力特年項(xiàng)目就是使用這種方法，主要裝置包括炔醛裝置、加氫精餾裝置和PTMEG（聚四氫呋喃）裝置。

在炔醛裝置中，甲醇和空氣中的氧氣在甲醛反應(yīng)器中，加鐵鉬催化劑，生成甲醛。甲醛送入甲醛吸收塔，塔底甲醛濃度為55%。甲醛進(jìn)入炔化反應(yīng)器，和乙炔生成濃度為50%至55%的BYD。將粗BYD送入甲醛循環(huán)塔進(jìn)行精餾、提純，得到精BYD。

在加氫精餾裝置中，精BYD在催化劑的作用下，加入氫氣，得到濃度為52%的BDO，再將其精餾、提純，得到濃度為99.5%的BDO。

在PTMEG裝置中，BDO閉環(huán)脫水加催化劑生成THF，精餾、提純后，得到純THF，與乙酸、乙酸酐在聚合反應(yīng)下生成PTMEA（聚四亞甲基醚二醇），PTMEA和甲醇發(fā)生醇解反應(yīng)生成PTMEG，中和處理，去掉催化劑，過(guò)濾得到純PTMEG[5]。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

寧夏英力特年產(chǎn)200000t BDO項(xiàng)目使用FOXBORO的I/A Series控制系統(tǒng)，控制區(qū)域包括兩套獨(dú)立的BDO生產(chǎn)區(qū)域、兩套獨(dú)立的PTMEG生產(chǎn)區(qū)域，共4個(gè)控制區(qū)域。

2.1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

I/A Series系統(tǒng)使用的是MESH控制網(wǎng)絡(luò)，具有冗余性、高速性等特點(diǎn)，方便用戶使用和維護(hù)。MESH控制網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)思想是為網(wǎng)絡(luò)中任意兩個(gè)設(shè)備之間提供多重鏈路，從而使通訊不受單點(diǎn)乃至多點(diǎn)故障的影響，極大地提高了通訊性能[6]。此外，MESH網(wǎng)絡(luò)使用全光纖通訊，有效提高系統(tǒng)通訊中的抗電磁干擾能力。

圖1是寧夏英力特年產(chǎn)200000t BDO項(xiàng)目DCS系統(tǒng)總貌圖，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)采用星型結(jié)構(gòu)。每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制室不但能獨(dú)立控制，還能由中央控制室集中控制，這樣，即使各現(xiàn)場(chǎng)控制室與中央控制室完全通訊中斷，只要現(xiàn)場(chǎng)控制室中還有1臺(tái)工作站，該工作站即可完成所有控制區(qū)域的監(jiān)視控制工作，保證現(xiàn)場(chǎng)的正常運(yùn)行。

圖1 寧夏英力特年產(chǎn)200000t BDO項(xiàng)目DCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 British special forces with annual output of 200,000 t in Ningxia BDO DCS system structure

圖2 串級(jí)控制回路Fig.2 Cascade control loop

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要硬件有交換機(jī)、操作員站、工程師站、控制器FCP270以及下掛卡件FBM。

2.2.1 交換機(jī)

項(xiàng)目中使用的交換機(jī)為A系列24口光口交換機(jī)。中央控制室放置1對(duì)根交換機(jī)和2對(duì)接入層交換機(jī)。在4個(gè)控制區(qū)域分別放置1對(duì)邊緣交換機(jī)，用于連接區(qū)域內(nèi)各站。交換機(jī)構(gòu)成了整個(gè)系統(tǒng)的核心，串聯(lián)起了各個(gè)控制室間通訊。

2.2.2 操作員站

操作員站使用Windows XP操作系統(tǒng)，它通過(guò)冗余的光纖接入冗余交換機(jī)，任意一根光纖的損壞都不會(huì)影響其正常的數(shù)據(jù)傳輸。項(xiàng)目中，4個(gè)控制區(qū)域各放一臺(tái)操作員站，中央控制室32臺(tái)。操作員站為操作員提供現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程數(shù)據(jù)的監(jiān)視、查看歷史數(shù)據(jù)/趨勢(shì)、提示和確認(rèn)過(guò)程報(bào)警，以及控制現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備的啟停（設(shè)定值、輸出值）等功能。

2.2.3 工程師站

工程師站同樣使用Windows XP操作系統(tǒng)，4個(gè)控制區(qū)域各放一臺(tái)，此外中央控制室有兩臺(tái)歷史站和兩臺(tái)OPC站，工程師站主要功能如下：

1）操作員站所有功能。

2）歷史數(shù)據(jù)、歷史報(bào)警等歷史信息的存取。

3）系統(tǒng)管理和網(wǎng)絡(luò)管理。

4）數(shù)據(jù)組態(tài)、下裝及存儲(chǔ)。

5）第三方通訊接口（OPC）。

2.2.4 控制器FCP270

控制器FCP270采用工業(yè)級(jí)AMD Elan SC520 32位處理器，時(shí)鐘頻率為100MHz以上。控制器一端通過(guò)冗余的100Mps光纖接口連接至交換機(jī)，另一端通過(guò)2Mps連接至IO卡件[7]。在此BDO項(xiàng)目中共用了17對(duì)控制器，BDO1套3對(duì)、PTMEG1套4對(duì)、BDO2套5對(duì)，PTMEG2套5對(duì)。

2.2.5 FBM卡件

FBM卡件從現(xiàn)場(chǎng)傳感器、執(zhí)行器獲取信號(hào)，然后通過(guò)2Mpbs通訊給控制器。FBM卡件起到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的功能，它支持模擬量輸入輸出、數(shù)字量輸入輸出、脈沖量輸入、熱阻/熱偶等輸入輸出。

3 組態(tài)設(shè)計(jì)

在英力特項(xiàng)目中，常見(jiàn)的組態(tài)形式有PID調(diào)節(jié)、串級(jí)、分程、第三方通訊顯示、順序控制及復(fù)雜回路控制等。

3.1 PID調(diào)節(jié)

PID控制是最常用的控制形式，所需功能塊有模擬量輸入模塊AIN、調(diào)節(jié)控制模塊PIDA和模擬量輸出模塊AOUT。AIN塊用作數(shù)據(jù)顯示和報(bào)警。PIDA塊的輸入和輸出分別接AIN和AOUT模塊，通過(guò)設(shè)置常用參數(shù)，進(jìn)行P、I、D調(diào)節(jié)控制。AOUT塊的設(shè)置與AIN塊類似，它接收PIDA塊計(jì)算出的百分?jǐn)?shù)并送出。

3.2 串級(jí)

串級(jí)調(diào)節(jié)有主回路和副回路兩部分，由兩個(gè)AIN塊，兩個(gè)PID塊和一個(gè)AOUT模塊組成，如圖2所示，副回路的PIDA塊處于遠(yuǎn)方設(shè)定狀態(tài)，其遠(yuǎn)方設(shè)定值參數(shù)RSP連到主回路PIDA塊的輸出參數(shù)OUT。為了實(shí)現(xiàn)無(wú)擾動(dòng)切換到閉環(huán)控制，主調(diào)節(jié)器的初始化輸入信號(hào)INITI取自副調(diào)節(jié)器的初始化輸出信號(hào)INITO。主調(diào)節(jié)器的反計(jì)算輸入信號(hào)BCALCI取自副調(diào)節(jié)器的反計(jì)算輸出信號(hào)BCALCO。同時(shí)副調(diào)節(jié)器的初始化輸入信號(hào)和反計(jì)算輸入信號(hào)分別與AOUT塊的初始化輸出信號(hào)和反計(jì)算輸出信號(hào)相連，同單回路相比，串級(jí)控制更穩(wěn)定。

3.3 分程

用一個(gè)PID的輸出來(lái)控制兩個(gè)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，兩個(gè)調(diào)節(jié)閥的控制比例不限。如圖3所示，除PIDA塊，組態(tài)還需要兩個(gè)AOUT塊和一個(gè)CALCA計(jì)算塊。根據(jù)PID的輸出與調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度之間的線性關(guān)系，算出兩個(gè)閥各自的斜率和偏差，分別寫(xiě)入兩個(gè)AOUT塊的MSCALE斜率參數(shù)和BIAS偏差參數(shù)。CALCA塊的作用在于收集調(diào)節(jié)閥開(kāi)度的反饋，通過(guò)斜率和偏差反計(jì)算出輸入值，并將結(jié)果送到PIDA塊的反饋，當(dāng)調(diào)節(jié)閥由手動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換到PID自動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)，PIDA塊通過(guò)CALCA塊送來(lái)的反饋，從手動(dòng)時(shí)的輸出開(kāi)始調(diào)節(jié)，保障了閥門由手動(dòng)轉(zhuǎn)自動(dòng)過(guò)程中無(wú)擾動(dòng)切換。

圖3其實(shí)也是BYD反應(yīng)器中，壓力點(diǎn)P3308對(duì)入口閥A和出口閥B開(kāi)度進(jìn)行分程控制的一部分組態(tài)，PID的輸出與閥門開(kāi)度的線性關(guān)系見(jiàn)圖4，當(dāng)P8808壓力與設(shè)定值相比偏低時(shí)，PID輸出變小，兩閥同時(shí)動(dòng)作，入口閥A有一定開(kāi)度加壓，出口閥B完全關(guān)閉；同樣，當(dāng)P8808壓力與設(shè)定值相比偏高時(shí)，PID輸出變大，兩閥同時(shí)動(dòng)作，入口閥A完全關(guān)閉，出口閥B有一定開(kāi)度減壓；當(dāng)實(shí)際壓力與設(shè)定壓力差不多時(shí)，兩閥都完全關(guān)閉維持壓力平衡。從圖4不難算出A閥對(duì)應(yīng)AOUT塊的MSCALE斜率為-2.1，BIAS偏差為100，B閥對(duì)應(yīng)AOUT塊的MSCALE斜率為2.1，BIAS偏差為-110。

圖3 分成控制組態(tài)Fig.3 Into control configuration

圖4 P3308的PID輸出與閥門A/B開(kāi)度的線性關(guān)系Fig.4 P3308 PID output linear relationship with the valve opening degree A/B

圖5 反洗順控人機(jī)界面（部分）Fig.5 Backwash sequential control interface (partial)

3.4 第三方通訊顯示

現(xiàn)場(chǎng)某些設(shè)備是由成套設(shè)備供應(yīng)商提供，成套設(shè)備有自己的控制系統(tǒng)（大多采用西門子PLC控制），但是這些第三方設(shè)備控制最終還是要受到DCS監(jiān)控的，因此需要與第三方設(shè)備做通訊，將通訊點(diǎn)顯示到人機(jī)界面上。在寧夏英力特年產(chǎn)200000t BDO項(xiàng)目中，與很多第三方設(shè)備都建立了通訊，如SIS、MCC、乙炔火炬、氮?dú)庠鰤簷C(jī)等。I/A Series系統(tǒng)里常用的通訊卡件為FBM224和FBM231，兩種卡均可以冗余使用，此外FBM224還能單卡使用，通過(guò)Modbus通訊協(xié)議與各從站通訊。首先要建立連接，設(shè)置波特率、奇偶校驗(yàn)、停止位等參數(shù)，然后建立通訊卡ECB、從站ECB，并在系統(tǒng)管理里激活卡件和使用的通道。如果卡件指示正常，說(shuō)明通訊已建立成功，接下來(lái)就是建RIN塊來(lái)顯示模擬量，建立CIN或者PAKIN塊來(lái)顯示開(kāi)關(guān)量。

3.5 順序控制

順序控制功能塊有5個(gè)：監(jiān)視塊MON、定時(shí)塊TIM、例外塊EXC、獨(dú)立塊IND和非獨(dú)立塊DEP，編寫(xiě)語(yǔ)言類似VB。在此項(xiàng)目中過(guò)濾器反洗過(guò)程和THF反洗過(guò)程中都用到了順序控制。

過(guò)濾器反洗過(guò)程中，BYD反應(yīng)器中的漿料經(jīng)反應(yīng)器中的過(guò)濾器過(guò)濾后，濾液進(jìn)入BYD收集罐，過(guò)濾器上的濾餅用反洗液罐中的反洗液定期進(jìn)行反洗，以保證濾芯的過(guò)濾性能。由于過(guò)濾器較多，如果是人工操作反洗，需要耗費(fèi)大量的精力，用順序控制來(lái)做不僅節(jié)省人力，而且效率高。

圖5是反洗順控的一部分人機(jī)界面，通過(guò)人機(jī)界面可以設(shè)定反洗時(shí)間、等待時(shí)間，兩者之和作為反洗的周期，有剩余時(shí)間顯示，設(shè)定的時(shí)間直接傳遞給TIM塊的定時(shí)參數(shù)。控制思路是：定義兩種控制模式，分別是單步執(zhí)行和順序執(zhí)行，用兩個(gè)DEP塊分別編寫(xiě)單步執(zhí)行和順序執(zhí)行的具體程序；MON塊里定義I/O點(diǎn)和中間變量在程序中的別名，增強(qiáng)程序的可讀性；人機(jī)界面上的兩種模式的切換按鈕連接到MON塊的中間變量中。當(dāng)滿足啟動(dòng)條件的前提下，通過(guò)人機(jī)界面的模式選擇和開(kāi)始按鈕，MON塊中間變量被置1，會(huì)選擇性激活DEP塊。在DEP執(zhí)行反洗過(guò)程中會(huì)多次調(diào)用TIM塊，來(lái)控制反洗時(shí)間，收到上一個(gè)過(guò)濾器反洗完畢的反饋信號(hào)后再執(zhí)行下一個(gè)過(guò)濾器反洗，以此達(dá)到控制目的。

3.6 復(fù)雜回路控制

在BDO的生產(chǎn)工藝中，常規(guī)控制較為普遍，而在PTMEG的生產(chǎn)工藝上，用到了較多的復(fù)雜回路控制。例如硫酸鎂中和罐部分，來(lái)自界外的硫酸鎂送入貯槽，由加料泵（PC-P9501A/B）輸送，與蒸汽凝液混合進(jìn)入硫酸鎂中和罐。PTMEG物料中的殘余甲醇鈉與硫酸鎂在中和罐中進(jìn)行中和反應(yīng)，PTMEG由硫酸鎂中和罐輸送泵（PC-P9502A/B）送出。工藝要求能將中和塔進(jìn)料中添加的硫酸鎂和冷凝水的比率控制在需要的水平，設(shè)計(jì)邏輯見(jiàn)圖6。

圖6 硫酸鎂中和罐設(shè)計(jì)邏輯Fig.6 Magnesium sulfate and tank design logic

其實(shí)這種復(fù)雜回路控制是由幾部分常規(guī)控制構(gòu)成，通過(guò)CALCA塊合理的組合在一起的。所有以位號(hào)FY開(kāi)頭的都可以看做CALCA塊，在塊內(nèi)編寫(xiě)語(yǔ)句達(dá)到計(jì)算目的，如FY25105A是計(jì)算硫酸鎂進(jìn)料中的含水量。所有以位號(hào)HIC開(kāi)頭的都可以做成AOUT塊，如HIC25105是設(shè)置要求的硫酸鎂進(jìn)料比率，當(dāng)然還要在人機(jī)界面上做相應(yīng)的輸入窗口。FT25107是進(jìn)料流量（AIN塊），將流量測(cè)量值乘以兩個(gè)數(shù)值，第一個(gè)數(shù)值是要求的硫酸鎂比率，然后用這個(gè)值補(bǔ)償硫酸鎂中的含水量，并作為FIC25106（PIDA塊）的設(shè)定值，其輸出控制加料泵的變頻。第二個(gè)數(shù)值是要求的冷凝水比率。然后用這個(gè)值補(bǔ)償硫酸鎂流量中的含水量，并作為FIC25105（PIDA塊）的設(shè)定值，其輸出控制輸送泵的變頻。

4 結(jié)束語(yǔ)

目前，寧夏英力特年產(chǎn)200000t BDO項(xiàng)目中I/A Series控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，各項(xiàng)控制達(dá)到工藝要求。豐富的人機(jī)界面，高度的自動(dòng)化，使復(fù)雜的工藝控制變得容易、直觀、清晰。產(chǎn)品質(zhì)量符合要求，為BDO生產(chǎn)提供了保障。

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