氯丙醇生產過程監控系統設計

楊旸 遼寧錦州渤海大學工學院

氯丙醇生產過程監控系統設計

楊旸 遼寧錦州渤海大學工學院

二氯丙醇是有毒物質，傳統的人工填料方式，使產品質量和生產安全性能得不到保障。本文根據二氯丙醇生產的工藝流程要求，利用集散控制系統，進行二氯丙醇生產過程監控系統設計。主要完成自動投料系統變量配置、數據庫建立、邏輯控制程序設計、上位機組態畫面設計以及網絡通訊設計。PID調節器進出料流量控制和控制塔內液位調節。該系統能實現二氯丙醇生產過程中的液位、溫度、流量、壓力控制，并實現自動投料。通過系統調試運行表明，該系統具有運行可靠、可移植性強等優點。

DCS PID 二氯丙醇

1 引言

隨著我國經濟與科學技術的不斷的發展和進步，近些年來，生產自動化程度越來越高，對于過程控制的要求也變得越來越復雜，要求實現的功能也越來越多，各行各業都在要求生產過程能夠高度的自動化及智能化，而自動控制作為生成過程中不可或缺的一環，其重要性不言而喻，而DCS控制系統作為一種先進的科學技術，在自動控制中有著舉足輕重的作用。

化工自動化控制是一個把自動控制技術和實際的化工生產過程結合起來的技術，可以用來加工原材料、生產產品。化工生產對于溫度、壓力等因素有著非常嚴格的要求，必須嚴格遵循生產要求，人工控制危險系數大，生產效率也低，因而化工生產對于生產環境要求很高。我們就可以使用自動化控制技術。例如PLC可編程控制器和DCS分散控制系統，使用這些設備可以實時監控流量、溫度、壓力、液位等參數，降低了工作人員的工作量，提升了企業的經濟效益。

2 二氯丙醇生產工藝及集散控制系統

2.1 生產工藝流程

工業上合成環氧氯丙烷的最主要原料是二氯丙醇，使用甘油制備二氯丙醇，可以降低能源消耗，與傳統的生產方法相比污染程度較小。生產流程由循環泵引來的原料到達蒸餾塔中，精餾塔底底部分層將氯化液收集槽中的氯化液，用泵經過濾器返回到原料罐進行循環使用，從塔的頂部，該氯化副產品的生產還有少部分二氯，分層后油層作為回流液，水層溢流入水層槽，通過吸收塔到達水環泵，部分產品合格從精餾塔頂部冷卻到達成品槽后，包裝泵包裝，另一部分用泵經過濾器送入回收槽。

2.2 集散控制系統（DCS）

圖1 系統結構圖

DCS（Distributed Control System），是一種分散控制系統/分布式控制系統的集散控制系統。DCS由過程控制級和過程監控級組成，綜合計算機，通信、顯示和控制等4C技術，DCS的基本思想是分散控制、集中操作、分級管理、配置靈活以及組態方便。

隨著科技的發展，工業生產組織形式也發生了改變，從分散到集中。早期的時候，控制站設在工業控制現場附近，并且各個控制裝置都有獨立的控制器。控制設備測量出系統的參數后，根據系統的控制策略，把測量值與給定值相比較得出的信號通過執行機構去控制生產過程。它具有控制功能完善、通用性好、運行安全性高等特點，對提高產品質量和降低勞動強度具有重要意義，系統的結構圖如圖1所示。

3 系統編程設計

3.1 基本控制思想

控制程序部分的設計主要有兩個部分一個是實時數據庫，用來連接實際生產過程中的生產變量，同時也要用來實時的顯示生產系統實際的生產數據，還有一個就是控制生產過程的算法程序。根據上面的控制要求要對流量和壓力進行控制要使用PID控制，在DCS控制系統中有一個專門的PID程序控制塊，我們可以直接使用，只需要設定好我們所需要的參數就可以了。生產過程中對于閥門的開閉控制則是通過梯形圖來編寫控制程序，通過FBD和LD兩種程序就可以編寫出我們所需要的生成過程監控系統的控制程序。

3.2 采集與控制的變量

使用DCS對現場進行監控與控制，最重要的是要采集到現場的各種模擬量和開關量，最常見的模擬變量有溫度、壓力、液位、流量等。然后再把這些模擬量轉換成DCS可以進行處理的數字信號。在正泰中自DCS里面，數據庫編輯器是控制組態軟件SunnyIEC中用來新建和定義變量的一個模塊，用來建立每個控制站的控制模板、I/O模板、結構變量列表和實時數據庫，實時數據里面就是我們所要采集的各種變量。操作站實時數據庫是聯系操作站和現場控制站的橋梁。

4 監控系統的組態設計與實現

4.1 系統組態軟件介紹

系統組態軟件主要用來制作控制系統的監控流程畫面，配置歷史記錄屬性、報警屬性、安全性設置等功能。我們通過工程管理器中的畫面編輯器來完成人機界面的制作。在畫面編輯器中我們可以繪制流程監控圖，制作歷史趨勢圖，制作數據報表，進行參數設定，一切在組態畫面中實現的人機交互都在通過畫面編輯器來完成。

圖2 監控組態畫面

圖3 歷史報表畫面

4.2 組態畫面設計

流程監控畫面是操作站/工程師站的工作人員主要使用的監視窗口，通過監控畫面工作人員可以時刻關注到生產現場實時的生產狀態，并且通過監控畫面對生產現場的生產控制做出及時的調整控制。下圖是對于二氯丙醇生產監控畫面的組態設計如圖2所示。

在界面上，生產中的控制點都能在這上面提示出來，需要的溫度，壓力，液位，流量都需要在界面上顯示，同時要支持在這些參數出現超限狀態后能夠產生報警和提示。同時也要對所有的參數數據進行收集，記錄，方便在出現產品不合格后，管理人員能夠回顧當時的生產狀況。設計歷史趨勢畫面主要用來觀察各個參數歷史變化趨勢，可以由此檢測生產過程是否穩定，是否會有較大的波動，從而更好的控制生產過程。

在二氯丙醇生產監控系統中，主要要對流量和壓力進行控制，需要一個壓力控制泵和兩個流量調節泵，在上面已經說過對于流量和壓力的控制我們主要使用PID控制，所以這里一共需要三個PID調節器畫面，分別對應一個壓力調節器和兩個流量調節器。

在工程管理器導航欄的操作站結點下，雙擊“歷史報表”即可進入歷史報表配置軟件。對報表的各個實時值進行時段記錄，方便操作人員及時檢測和修改。歷史報表畫面如圖3所示。

在報警查詢畫面中，當系統某個參數測量值超過限定值時，系統自動進行報警提醒工作人員對生產系統進行檢查，同時工作人員可以通過報警查詢來查詢是哪些參數產生了報警，從而進行相應的調整，確保生產過程的安全。

4.3 動態連接

動態連接的主要目的是幫助工程師免去重復編程所帶來的大量的工作量，提供標準的工業控制界面，動態連接主要是通過可編程的命令語言來實現的，可以用來強化圖形界面的功能。在圖形對象和變量之間有大量豐富的連接類型可以選擇使用，使編程人員工作起來更加方便，設計界面更加直觀。

4.4 虛擬運行流程

首先打開虛擬機運行，運行虛擬控制站，打開虛擬控制站管理軟件對監控系統的I/O模塊和I/O模板進行分配和配置，然后把控制程序下載到虛擬控制站中。然后再運行組態畫面之前全部解鎖總開關。手動PID調節器未打開時物流通過進料泵P101進入精餾塔的底部，這樣可以對物料的反應過程進行一個快速的預加熱，然后延時關閉底部進料，打開中部進料。同時打開流量調節器FM101來控制流量從而控制精餾塔的液位，當L104高于高高限時，根據網絡0，此時系統會關閉進料泵，打開出料泵，這個程序主要起到保護作用，多余的物料從底部進入原料罐繼續循環使用。循環使用的物料流量通過流量調節器FM102來控制，進而控制塔內的液位。此外，再沸器的蒸汽調節是根據塔內的液位來控制調節閥的開度，從未達到控制再沸器的蒸汽流量。產物從蒸餾塔頂部出來通過循環水第一次冷卻得到產物進入成品罐，剩下來的再進行二次冷卻，最后得到的二氯丙醇進入成品槽。成品槽液位達到高限時打開泵P104得到成品。

[1]王昱晨.化工自動化控制的發展趨勢[J],中小企業管理與科技（下旬刊）,2015

[2]王昱晨.化工自動化控制的發展趨勢[J].中小企業管理與科技（下旬版）,2015

[3]王昱晨.淺析化工企業自動化的現狀及發展[J].中小企業管理與科技（下旬版）,2015