基于DCS的DFPA生產線裂解環節的過程控制研究

史玉立，劉天宋

基于DCS的DFPA生產線裂解環節的過程控制研究

史玉立，劉天宋

（常州劉國鈞高等職業技術學校，江蘇 常州 213025）

對中小型化工企業生產二氟甲基吡唑羧酸（DFPA）生產過程進行研究，采用DCS控制系統對DFPA生產過程進行了改造，設計了單回路控制、串級控制等過程控制算法，完成了該生產線的自動化改造。現場實際運行證明，DCS控制系統使控制過程更為穩定、可靠，在提高了中小型化工企業的經濟效益的同時，也提高化工企業的生產安全水平。

二氟甲基吡唑酸； 過程控制算法；DCS系統

含氟化合物在醫藥、材料、農藥、液晶等方面都有獨特的作用，在氟化學領域生產中須要進行微反應的技術應用。二氟甲基吡唑酸（DFPA）是新一代琥珀酸脫氫酶抑制劑（SDHI）類殺菌劑的母核，在醫療保健和農用化學品中應用極廣，市場前景可觀。

1 DFPA生產工藝控制要求

當前，宿遷科萊博生物化學有限公司生產二氟甲基吡唑羧酸（DFPA）合成方案如圖1所示，化工生產工藝較為復雜。

圖1 二氟甲基吡唑羧酸（DFPA）合成方案路線圖

該生產工藝的控制要求主要有：

1）重點參量的控制。對生產過程中的重要參數，如溫度、壓力等，用各類檢測儀器儀表、調節閥和切斷閥來實現參數的監控顯示、高限報警、聯鎖等控制；對生產過程的管道流量，采用流量計顯示參數，并通過累積、算法等控制調節閥實現控制。

2）化工動作的控制。對生產過程的反應釜攪拌動作，采用變頻器和轉速計實現攪拌速率的顯示、報警及調速。對原料、催化劑等自動計量投量系統，采用流量計、調節閥和緊急切斷閥門等，實現整個工藝過程中投放物料量和順序的控制。

3）設置緊急安全控制系統。通過設置各類緊急切斷系統、冷卻系統、反應阻斷系統并通過聲光報警裝置來實現安全控制。

4）控制系統保障機制。化工自動控制系統要確保系統控制的可靠性，如控制系統要設置UPS不間斷電源和備用電源，以確保當發生意外停電時，反應釜的安全控制繼續有效進行。

5）設置現場安全報警監測系統。對整個生產現場，須要設置參量高限報警與反應釜安全防爆聯鎖，泄放管外接密閉事故泄料槽，現場應有可燃氣體濃度監測報警裝備（探頭監控半徑7.5 m）、消防設備、應急生產工藝報警等。

2 DCS控制系統設計

集散控制系統（DCS）采用計算機技術為基礎，對生產過程采用分散控制、操作顯示集中，兼顧自動控制和綜合協調。其通用性強、使用靈活、調試方便、運行安全可靠，多應用該技術于化工行業中，實現生產數據的監控和報警、故障狀態的記錄和聯鎖等，可降低操作的復雜性，大幅減少操作工的勞動量，使化工生產過程更為安全、可靠[1-2]。

本文以宿遷科萊博生物化學有限公司的二氟甲基吡唑羧酸（DFPA）生產線為例，設計DCS控制系統。該控制系統由控制單元（由主控芯片、數據采集卡、通訊協議管理等組成）、操作單元（由工程師站、服務器站、數據管理站等組成）及通訊網絡（生產信息網、管理網、SBUS總線系統等構成）等組成，組織框架如圖2所示。

圖2 DCS控制系統組成

控制單元對DFPA總體生產過程進行精確監控。控制單元由主控制卡、數據轉發卡、I/O 卡件等構成。控制站是控制系統與現場進行 I/O 數據采樣、信息交互、控制運算、邏輯控制的核心裝置，完成整個工業過程的實時控制功能。硬件設計時各單元必須嚴格按照安全生產原則進行冗余設計，保證生產過程中的安全與可靠。操作單元主要保證生產控制過程中的人機交互，系統工具可以對生產控制系統進行故障分析、組態文件管理、報表離線查看以及數據提取等功能，在C/S 網絡環境下，服務器站為與其連接的客戶端提供生產相關實時信息和數據。

3 裂解工藝環節控制系統設計

在該生產工藝中裂解工藝是生產中最重要的環節，其控制系統需要特別進行設計。其生產過程如圖3所示。

圖3 裂解環節工藝圖

四氟乙醚經計量槽后輸送至再沸器中，升溫氣化后送入分子篩完成脫水，而后送入裂解器進行高溫裂解，生成乙酰三氟后送至縮合釜完成下一步反應。該反應過程采用蒸汽完成溫控過程，對反應物溫度、壓力、劑量精準度要求較高。

經分析，對該環節主要采取以下控制模式：

普通參數控制部分采用常規單回路PID控 制[3]。如在再沸器部分，通過溫度控制儀表與再沸器調節閥組成溫度自動調節系統，其控制框圖如圖4所示，其輸入為反應器溫度設定值，通過與溫度變送器反饋回的實際測量溫度進行比較運算，得出溫度偏差值，PID控制器輸出指令對蒸汽閥的開度進行控制，使反應器內溫度趨近于設定值，同時設置高限報警點（正常工作溫度+10 ℃），并設置高高限，當參數達到高限關閉蒸汽閥。

圖4 DCS控制系統組成

反應釜中液位控制主要通過進料閥開度來控制，其控制框圖如圖5所示。其輸入為液位設定值，將儀表實際測得值與設定值進行比較后，PID控制閥門開度，保證反應釜內也為趨近于設定值，滿足一定偏差范圍內的控制要求。

圖5 反應釜內液位控制系統框圖

裂解器部分的溫度和壓力控制要求較高，而其控制精度直接影響最終產品質量的高低。在這種工藝要求下單回路控制已經無法滿足需要了，因此在該階段針對反應釜溫度及壓力參數設計了串級控制系統。將裂解器內壓力控制器的檢測值作為主控制變量，反應釜內溫度作為副控制變量。將反應釜內壓力實時值與設定值之間的偏差作為主回路的輸出，從而確定副回路中四氟乙醚進料閥的控制開度，使其成為隨動控制系統完成實時調節，較大程度上減小了干擾對壓力參數的影響，保證系統的穩定性，提高主回路控制效率。其控制框圖如圖6所示。

圖6 裂解器壓力串級控制系統框圖

在進行DCS控制改造后，裂解環節改造后實物圖及DCS監控如圖7、圖8所示。

圖7 改造后裂解塔實物圖

圖8 DCS實時監控圖

工廠實現了化工工藝的自動化監控，控制更為精細有效，極大地提高了生產效率。同時原先生產現場須要安排員工實時監控儀表并進行操作，現企業操作室遠離生產一線，移至安全距離以外。同時自動化裝置添加針對現場完善的聲光報警、安全裝置等措施。安排員工平時在操作室完成監控及遠程操控，生產現場只需要定期巡檢即可，大大減少了生產過程所需人數，降低成本的同時提升了工作的安全穩定性。同時上位機的使用對生產過程的相關數據實時監控，為生產過程的進一步優化提供了數據[4]。

4 結 論

宿遷科萊博生物化學有限公司二氟甲基吡唑羧酸（DFPA）生產線進行自動化改造[5]，有利于中小微型化工企業經濟效益的提高，還可以降低生產過程中的風險性，提升工藝的本質安全水平，走上“經濟、安全”的可持續發展新模式。

［1］牛建璋. 石油化工行業DCS控制系統信號干擾原因及對策[J]. 中國設備工程，2020（14）：151-152.

［2］林波. 現場總線控制系統(FCS)的應用技術探析[J]. 石化技術，2020，27（6）：356-357.

［3］胡艷，郭鈦星，韓璞.史密斯預估PID控制算法研究及其在DCS中的實現[J]. 計算機仿真，2016，33（5）：409-412.

［4］李先林. 淺談化工控制系統升級改造施工[J]. 工業建筑，2014，44（S1）：1045-1047.

［5］金阿銘．化工工藝安全設計中的危險因素及解決對策［J］．黑龍江科學，2015（1）34．

Study on Process Control of Cracking Process in DFPA Production Line Based on DCS

,

（Changzhou Liu Guojun Vocational Technical College, Changzhou Jiangsu 213025, China）

The production process of difluoromethylpyrazole carboxylic acid (DFPA) in small and medium-sized chemical enterprises was studied. The DCS control system was used to transform the DFPA production process. The single loop control, cascade control and other process control algorithms were designed, and the automatic transformation of the production line was completed. The actual operation showed that DCS control system made the control process more stable and reliable. It not only improved the economic benefits of small and medium-sized chemical enterprises, but also improved the production safety level of chemical enterprises.

DFPA; Process control algorithm; DCS System

2020-08-18

史玉立（1987-），女，江蘇省常州市人，講師，碩士， 2012年畢業于江蘇大學電力系統及其自動化專業，研究方向：電氣自動化應用、電力系統自動化等。

TQ056.8

A

1004-0935（2021）01-0086-03