化工過程裝備控制實驗平臺的開發和實踐

王麗飛 章大海 張蘭 趙東亞 孫亮

摘 ?????要：針對目前過程裝備與控制工程專業的化工裝備測控技術課程實驗教學中存在的實驗對象簡單、與工程實際差距較大等問題，設計開發了化工過程裝備控制實驗平臺。以兩種原料混合反應為研究對象，包含了儲液罐、換熱器、調節閥、儀表等工業過程常見設備，控制系統采用集散控制系統（DCS）。該平臺貼近工業現場實際，可進行大量的儀表、控制相關的實驗，經過教學實踐表明，該平臺對強化學生對過程控制的理解，提高實驗教學質量，培養集設備、控制、工藝知識為一體的復合型應用型人才具有意義。

關 ?鍵 ?詞：化工過程裝備;過程控制;實驗平臺;DCS

中圖分類號：TP 273 ?????文獻標識碼：?A ??????文章編號： 1671-0460（2019）11-2663-04

Development and Practice of the Chemical Process

Equipment??and Control Experiment Platform

WANG Li-fei， ZHANG Da-hai， ZHNAG Lan， ZHAO Dong-ya， SUN Liang

（College of Chemical Engineering， China?University of Petroleum， Shandong Qingdao 266580， China）

Abstract： The experiment objects are simple and quite different from the real industry in the teaching of measurement and control technology of chemical equipment. Chemical process equipment and control experiment platform was designed and developed to solve the above problems. The platform takes mixed reaction of two kinds of raw materials as the research object， including tanks， heat exchanger， electric control valve， instruments and other equipments in the industrial process. The distributed control system （DCS） is used in the platform. The platform is close to the real industry. Many experiments about instrument and control can be supported. The teaching practice shows that the platform has great significance in strengthening students' understanding of process control， improving the quality of experimental teaching， and cultivating compound application-oriented talents integrating equipment， control and process.

Key words： Chemical process equipment; Experimental platform; Process control; DCS

化工裝備測控技術是過程裝備與控制工程專業的一門重要的專業基礎課，這是一門實踐性很強的課程，實驗教學環節對于理解和鞏固課堂理論知識，培養學生的創新精神和實踐能力具有非常重要的作用^[1-4]。目前我校用于實驗教學的過程裝備控制實驗裝置，以水槽為研究對象，其對象特性過于簡單，與實際生產裝置相比差異很大。每個實驗都是獨立的簡單控制，缺乏系統的工業流程化概念，從電氣、儀表、控制系統等多方面都與工業真實環境相差較大，使學生對化工裝備過程控制的認識僅僅是停留在表面，實驗裝置只能滿足驗證型、認知型實驗的要求，達不到教育部提出的設計型、綜合型實驗的要求，導致實驗教學的效果不佳^[5-7]。

針對上述問題，中國石油大學（華東）化工實驗教學中心以兩種原料混合反應過程為實驗對象，設計開發了一套與貼近工業現場、功能完善的化工過程裝備控制實驗平臺，在工藝上模擬流程化工廠，被控對象包含了儲液罐、換熱器、調節閥、儀表等工業過程常見設備，設計配置了基于工業標準的電氣、儀表、計算機控制系統。該平臺可用于開展多種儀表、控制相關的實驗研究，并且成功應用于我校過程裝備與控制工程專業的實驗教學，經過兩年來的教學實踐表明，該平臺對強化學生對過程控制的理解，提高實驗教學質量，培養集設備、控制、工藝知識為一體具有意義。

1 ?實驗平臺總體設計

1.1 ?實驗工藝流程

本文設計開發的化工過程裝備控制實驗平臺以兩種物料混合過程為實驗對象，實驗的工藝流程為：首先兩種原料嚴格按照一定比例進入混合罐A和混合罐B，混合好后流入半成品罐，然后進入換熱器，半成品與經鍋爐加熱的水在換熱器中進行熱交換，升溫后的半成品進入反應罐，在反應罐內一定的反應條件下，進行反應（圖1）。

1.2 ?實驗裝置

化工過程裝備控制實驗平臺采用控制對象與控制系統分離設計，可以根據需要自主選擇各種先進控制技術應用于實驗裝置^[8]。將整個系統按照工藝流程分為原料混合系統、換熱系統和反應系統，實驗裝置由被控對象、檢測儀表、執行機構、動力設備和輔助系統等組成，如圖2所示。

1.2.1 ?原料混合系統

（1）被控對象：原料罐，混合罐A，混合罐B，半成品罐;

（2）動力設備：1#變頻水泵，2#變頻水泵;

檢測儀表：原料A.B管路上的渦輪流量計，壓力變送器，混合罐A、B的液位變送器，半成品罐的液位變送器;

（3）執行機構：原料B管路上的電動調節閥，和分別為A、B原料提供動力的1#、2#變頻泵。

1.2.2 ?換熱和反應系統

（1）被控對象：加熱鍋爐，補水罐（右組合罐），列管換熱器，反應罐;

（2）動力設備：3#變頻水泵，4#變頻水泵;

（3）檢測儀表：半成品的流量檢測，采用浮子流量計，半成品進出換熱器的溫度采用溫度變送器進行檢測，鍋爐熱水的流量采用差壓變送器，鍋爐內溫度和出換熱器熱水溫度采用溫度變送器，鍋爐的液位傳感器;

（4）執行機構：輸送半成品的3#變頻泵，輸送熱水的4#變頻泵，反應罐出口的電動調節閥，鍋爐的調壓模塊。

1.2.3 ?輔助系統

電磁閥，原料罐，管路等。

1.3 ?實驗平臺的控制要求

1.3.1 ?實現對工藝參數的回路控制

原料混合系統中，原料的混合要嚴格按照一定的比例，本系統中采用單閉環流量比值控制，通過原料B管路上的電動調節閥進行調節。

換熱系統中，換熱器的主要被控變量是半成品出換熱器的溫度，通過調節被加熱的半成品的流量來實現對溫度的PID控制，也就是通過3#半成品變頻泵來實現調節。另外鍋爐內熱水的溫度通過調壓模塊進行調節。

反應系統中，要求在規定的溫度和液位下進行反應，溫度的控制通過半成品在換熱器的出口溫度進行控制，液位通過反應罐的出口電動調節閥實現調節。

在實驗平臺上既可以按照上述控制要求對各部分主要參數進行控制，實現整體的聯機運行，最后獲得成品。也可以按照工藝流程分段單獨控制，根據不同的控制要求選擇不同的被控變量，采用不同的控制方案進行獨立的實驗。

1.3.2 ?實現對工藝過程的監控

對整個工藝過程的監控包括對工藝參數的數據顯示、設備的運行狀態的顯示、實時曲線和歷史曲線的繪制、歷史數據查詢、報警信息等。

1.3.3 ?實現設備的啟停和安全聯鎖保護

實現對原料、半成品、熱水進行輸送的四個變頻泵的啟?？刂?。同時，為保護設備的安全運行，按照工業生產實際，實現混合罐液位與進水泵的聯鎖、半成品罐與3#輸送泵的聯鎖，鍋爐液位與進水泵的聯鎖，鍋爐溫度與加熱電壓模塊的連鎖等。

2 ?控制系統設計

本實驗平臺的控制系統選用浙大中控JX-300XP集散控制系統，該系統是一個全數字化、結構靈活、功能完善的開放式集散控制系統，利用DCS強大的控制管理能力完成對現場工藝設備相關參數的采集、處理、顯示及控制^[9]。

2.1 ?網絡結構設計

JX-300XP DCS由工程師站（ES）、操作員站（os）、控制站（cs）及過程控制網絡組成。本系統采用兩層通訊網絡結構，如圖3所示第一層為過程控制網（Scnet II），連接操作員站，工程師站與控制站等，傳輸實時信息。第二層網絡為控制站內部網絡（SBUS），是控制站各卡件之間進行信息交換的通道^[10-12]。

2.2 ?系統硬件設計

根據實驗平臺的工藝和功能需求，本系統設計為1個現場控制站、5個操作員站（其中1個兼工程師站）。系統共有模擬量輸入（AI）36個，模擬量輸出（AO）16個，數字量輸入（DI）8個，數字量輸出（DO）32個。考慮到系統的冗余配置，系統的硬件配置如表1。

2.3 ?系統軟件實現

本系統使用AdvanTrol-Pro 2.7系統組態軟件完成整個實驗系統的組態、數據服務和實時監控功能。軟件包分為兩大部分，一部分為以sckey為核心的系統組態軟件，另一部分為系統運行監控軟件（AdvanTrol）^[13，14]，主要完成以下功能：

（1）實現流量、液位、壓力、溫度等工藝參數的采集、實時監控和控制;

（2）據工藝要求設計單回路、比值、前饋反饋、串級控制等控制方案等;

（3）實現設備的連鎖保護;

（4）監控界面的工藝流程圖采用了分層結構，既可以在總貌圖中進行整個工藝流程的聯機運行，也可以單獨對混合裝置、反應裝置、加熱裝置分別進行實驗，選擇不同的控制方案進入相應的組態畫面。

（5）在監控狀態下可在線設置控制參數的大小，獲得控制系統的實時響應曲線。實現工藝參數的趨勢顯示，歷史數據和歷史曲線的查詢;

（6）報警信號的實時顯示與記錄;

（7）工藝參數的報表生成、打印。

實驗平臺的組態畫面如圖4所示。

3 ?實驗教學平臺應用效果

實驗平臺既可以按照整個工藝流程進行聯機控制實驗，也可以單獨對混合裝置、反應裝置、加熱裝置分別進行實驗^[15]。我們開發設計了十個獨立的實驗，包括原料混合系統的流量比值控制實驗、流量變頻器實驗、壓力變頻器實驗、液位調節閥實驗;反應系統的液位變頻器實驗、前饋反饋實驗、串級控制實驗;反應系統的換熱冷出實驗，鍋爐溫度PID實驗、熱水流量變頻器實驗。比如在反應工藝流程中的反應罐液位PID控制實驗，在教學中是3個學時，要求學生掌握工藝流程、實驗裝置操作方法和PID參數的整定方法。實驗界面如圖5，采用衰減曲線法進行參數整定后，液位的響應曲線如圖6所示。實驗結果表明該系統能夠很好的實現控制要求。

4 ?結束語

化工過程裝備實驗平臺以物料混合過程為實驗對象，采用DCS控制系統進行軟硬件設計，對液位、流量、溫度、壓力等過程參數進行檢測和控制，實現整個工藝流程的實時監測和自動控制。該平臺為過程控制、檢測儀表等課程提供了良好的教學、實驗環境，使學生對現場的實際操作有了更加直觀的認識，為學生工程實踐能力和創新能力的提高奠定基礎。

參考文獻：

[1]熊新民，李智強，孫麗君. 過程控制課程綜合性實驗研究與實踐

[J].實驗室研究與探索，2011，30（11）： 331-333.

[2]李強，許偉偉，王建軍，等.過程裝備與控制工程專業立體化實驗教學的實踐與探索[J]. 實驗技術與管理，2015，32（11）：187-190.

[3]鄧曉燕，高紅霞，黃道平，等.過程控制工程實驗課程教學改革與實踐[J].實驗室研究與探索，2017，36（2）：214-217.

[4]趙東亞，劉仁桓，金玉潔. 關于“化工裝備測控技術”課程實驗教學環節的幾點思考[J].高校實驗室工作研究，2009（102）：16-17.

[5]崔琳，丁立.中試實驗裝置在化工實驗教學中的綜合應用[J].實驗技術與管理， 2015，32 （2）： 82-85.

[6]湯偉，竇晨超，馮曉會.基于西門子S7-300 PLC 的過程控制實驗平臺設計[J].實驗室研究與探索，2018，37（4）：49-52.

[7]李佳，朱浩悅，畢萍，等.過程控制綜合實驗平臺的研究與開發[J].西安文理學院學報，2008，11（2）：74-76.

[8]洪雪梅，葉斌，項雷軍，等.基于JX-300XP DCS化工精餾塔網絡實驗教學平臺[J].實驗室研究與探索，2014，33（9）：10-14.

[9]劉艷.基于DCS的過程控制實驗系統的設計與研究[J].裝備制造技術，2015（6）：274-276.

[10]丁煒，齊冬蓮.JX-300XP DCS在過程控制裝置CS2000中的應用[J].自動化與儀器儀表，2012（2）：103-106.

[11]何衍慶，俞金壽.集散控制系統原理及應用[M].2版北京：化學工業出版社，2002.

[12]胡蓉蓉，許忠仁，王健. JX-300XP控制系統在樺甸油頁巖干餾工藝中的應用[J].當代化工，2014，43（12）：2596-2599.

[13]史文權，何小榮，丁煒.基于JX-300XP DCS控制的釜式反應器實訓裝置設計[J]. 工業儀表與自動化裝置，2013（5）：24-27.

[14]王斌，楊潤賢.化工技術實訓裝置DCS系統升級設計[J].自動化儀表，2011，32（1）：36-38.

[15]朱龍濤.混合過程控制系統實驗平臺的設計與開發[D].東北大學，2014.