硫酸生產過程中基于InTouch和InControl的爐溫控制系統研究

蔡珊珊 湯占軍 瞿廣飛 郭世海

(昆明理工大學信息工程與自動化學院，昆明 650504)

硫酸生產過程中基于InTouch和InControl的爐溫控制系統研究

蔡珊珊 湯占軍 瞿廣飛 郭世海

(昆明理工大學信息工程與自動化學院，昆明 650504)

給出硫酸生產過程DCS系統的控制方案和硬件配置。通過對基于InTouch和InControl的爐溫控制系統的實驗研究，探究了硫酸生產過程DCS系統的可行性，結果表明：爐溫控制系統運行穩定、可靠，溫度控制快速、準確，對實現硫酸生產過程DCS系統具有一定的參考價值。

DCS系統 硫酸生產工藝 爐溫控制系統 InTouch InControl PID

硫酸作為化學工業中約上千種化工產品的原料，在冶金、石油、國防及輕工業等領域中被廣泛應用[1]。隨著現代化的發展，硫酸的需求量越來越大，傳統的硫酸工藝控制方法已經不能滿足控制需求。

DCS系統是一種集散型工業控制系統[2]，它以微處理器為基礎，對生產過程進行集中監視、操作、管理和分散控制。DCS系統將若干臺計算機分散應用于過程控制，全部信息通過通信網絡由上位機監控，實現最優化控制，因此DCS系統具有常規儀表分散控制和計算機集中控制的優點[3]。筆者根據DCS系統的特點，將它應用于硫酸生產工藝控制中，并通過爐溫控制系統的實驗研究探究了硫酸生產過程DCS系統的可行性，以提高硫酸生產工藝的可靠性和穩定性，減少操作人員的勞動強度。

1 系統的控制方案①

硫酸生產過程DCS系統主要通過工藝環節和檢測環節兩部分來確定控制方案。

煙氣制備硫酸的生產工藝流程如圖1所示。整個工藝包括煙氣凈化工藝、煙氣干燥工藝、煙氣轉化工藝和煙氣吸收工藝。凈化工段主要由冷卻空塔、洗沖填料塔、空塔循環塔、填料塔循環塔、石墨間冷器和電霧沖洗泵槽組成，涉及的參數有濃度、液位及溫度等。吸收工段采用填料塔，主要負責串酸，干燥工段通過串酸工藝與吸收工段相連。轉化工段由外熱交換器和四段中間換熱式轉化器組成，主要控制參數是溫度。凈化、干燥、轉化、吸收作為煙氣制酸工藝的四步工序，尤其是干燥(轉化之前)與吸收(轉化之后)工藝，兩者在制酸工藝上置于首位，十分重要，因此必須密切協調，嚴格操作。

圖1 煙氣制備硫酸的生產工藝流程

系統需要檢測的信號有溫度、液位、流量、濃度、壓力及pH值等[4]。這些過程參數分別通過熱電阻或熱電偶、液位計、流量計、濃度計、壓力計及pH值傳感器等檢測后，配上相應的變送器經數據采集卡發送到上位機中。

2 系統配置

硫酸生產過程DCS系統的基本結構(圖2)可分為現場控制裝置、操作管理裝置和通信系統3部分。系統采用分層結構模式，可分為過程控制級、控制管理級、生產管理級和經營管理級[5]。系統所需設備包括3個操作員站、一個工程師站、3個工控機、3個ADAM4520、22個ADAM4017+、15個ADAM4055和17個ADAM4024。

圖2 硫酸生產過程DCS系統配置

工程師站負責完成系統配置、系統生成和系統下裝。操作員站通過專用薄膜鍵盤、觸摸屏及鼠標等完成總貌顯示、流程圖/趨勢顯示、報警觀察與處理、報表打印及運行狀態/故障顯示等。

ADAM4520采用RS-422/RS-485模式傳輸信號，具有傳輸速率快、傳輸范圍大和聯網能力強的特點。ADAM4520中的電路可自動偵測數據流的方向，免除了網絡中的握手請求，僅需兩根導線即可構建一個RS-485網絡。其傳輸速率最高可達115.2kbit/s[6]。

3 實驗平臺的設計與實現

硫酸生產過程DCS系統把計算機、儀表和電控技術融合在一起，并結合相應的組態軟件來實現數據的自動采集、處理及工藝畫面顯示等功能。由圖2可以看出，系統的硬件和軟件都是按模塊化結構設計的，將各種基本模塊按實際的需要組合就能成為一個系統。而溫度是硫酸生產過程中非常重要的工程參數，溫控是生產過程中的重要模塊。因此，以爐溫作為控制研究對象，可為探究硫酸生產過程DCS系統提供實驗平臺。

3.1硬件平臺構建

為驗證DCS系統的可行性，在實驗室設計了一套爐溫控制系統實驗平臺(圖3)。爐溫控制系統的控制對象為電加熱爐，輸出控制信號用于控制電加熱爐兩端的電壓，被控量為電加熱爐的爐內溫度。控溫范圍為0～1 000℃。控制任務是通過PID的輸出信號來控制晶閘管導通角的大小進而控制爐溫。

圖3 爐溫控制系統結構框圖

系統硬件有220V交流電源、可控硅晶閘管、電爐、溫度傳感器、變送器、I/O模塊、計算機和可控硅調壓器。筆者采用的溫度傳感器為熱電偶、變送器為智能儀表、數據采集卡為ADAM模塊。系統周期性地對爐溫進行檢測，溫度信號經過變送器轉變成4～20mA電信號，再經A/D轉換模塊ADAM4017+變成RS-485格式的數字信號并進行傳輸，最后經RS-232/RS-485轉換模塊轉變成RS-232格式的數字信號進入計算機。計算機將采樣值與設定溫度的下限值進行比較，如果比下限值低，則按一定的控制算法輸出一個控制量，該控制量經RS-232/RS-485模塊轉換成RS-485格式的數字信號后進行傳輸，最后經D/A轉換模塊ADAM4024轉變成模擬量信號，用來控制可控硅調壓器以控制晶閘管，使爐溫升高。

3.2系統軟件設計

整個上位機控制軟件由組態控制軟件InTouch和InControl組成。InTouch組態軟件界面主要由主畫面、溫度控制及保護板狀態等組成[7]。軟件部分完成軟硬件的通信連接、參數設置、系統實時監控、爐溫記錄和歷史曲線顯示。

PID控制的核心技術是整定出PID控制器的3個最優參數，使PID控制達到所期望的控制效果[8]。PID參數整定有經驗湊試法、衰減曲線法、臨界比例度法和響應曲線法[9]。筆者采用的是經驗湊試法，即先調P控制，其次PI，最后PID。經過多次調試，最后在InControl中的Turning選項屬性框中設定P=48、I=8、D=0.3。爐溫控制系統的實時曲線如圖4所示。

圖4 爐溫控制系統的實時曲線

從圖4可以看出，系統在一定時間后逐漸趨于穩定，溫度控制在202.97℃左右，基本滿足要求，投運結果比較理想，系統運行穩定、可靠。

4 結束語

針對傳統的硫酸工藝控制方法不能滿足控制需求的問題，筆者構建了一套硫酸生產過程DCS系統，并通過對基于InTouch與InControl組態的PID爐溫控制系統的設計與實現探究了硫酸生產過程DCS系統的可行性。實驗結果顯示，爐溫控制系統運行穩定、可靠，溫度控制快速、準確。由于系統采用的是低功耗處理器，易維護，因此對實現硫酸生產過程DCS系統具有一定的實際應用參考價值。

[1] 王建軍.基于化工發展史的“硫酸工業”教學設計[J].化學教育,2012,33(6):12～15.

[2] 張春野.DCS系統的設計與運用[J].中國化工貿易,2014,6(16):42.

[3] 路建安.集散型控制系統在特級酒精生產中的應用[J].大科技,2014,(33):349～350.

[4] 王俊杰.檢測技術與儀表[M].武漢:武漢理工大學出版社,2009.

[5] 于海.淺談集散控制系統組態[J].廣東化工,2015,42(13):130～131.

[6] 鄒律龍,張世亮.MT-506觸摸屏在生產物流條形碼識別系統中的應用[J].裝備制造技術,2010,(8):79～81.

[7] 張強,梁秀霞,趙羽佳,等.基于模糊自整定PID的連續退火爐溫度控制系統[J].自動化技術與應用,2014,33(8):29～31.

[8] 劉玲玲.PID參數整定技術的研究及應用[D].鄭州:鄭州大學,2010.

[9] 楊智,朱海鋒,黃以華.PID控制器設計與參數整定方法綜述[J].化工自動化及儀表,2005,32(5):1～7.

(Continued on Page 1047)

FurnaceTemperatureControlSysteminSulfuricAcidProductionBasedonInTouchandInControl

CAI Shan-shan, TANG Zhan-jun, QU Guang-fei, GUO Shi-hai

(FacultyofInformationEngineeringandAutomation,KunmingUniversityofScienceandTechnology,Kunming650504,China)

TH862

A

1000-3932(2016)10-1033-04

2016-02-29

國家自然科學基金項目(KKGD201303043)；昆明理工大學教育技術基金項目(013115)