化工精餾塔控制系統(tǒng)探究

摘" 要：精餾塔是石化工業(yè)中廣泛使用的混合物分離設備，其主要作用是將混合物中的各種成分分離，達到一定的純度。精餾塔精餾過程的實質(zhì)是利用混合物中各組分在同一溫度下的不同揮發(fā)特性，將液相高沸點組分轉(zhuǎn)化為氣相，氣相低沸點組分轉(zhuǎn)化為液相。基于精餾塔這一設備的原理與特性，它廣泛地應用于現(xiàn)代化工企業(yè)中。在精餾塔裝置運行生產(chǎn)的過程中對塔中的壓力、溫度、液位和管道中的流量都有嚴格的要求。鑒于此，該文在分析精餾塔生產(chǎn)工藝及特點的基礎上，結(jié)合控制理論、機械、儀表、計算機和軟件工程等方面的相關知識，面向石化企業(yè)設計一種化工精餾塔的控制系統(tǒng)。

關鍵詞：PLC控制;化工精餾塔;串級控制;PID;石化工業(yè)

中圖分類號：TP273" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）09-0114-04

Abstract： Distillation column is a mixture separation equipment widely used in petrochemical industry， and its main function is to separate various components in the mixture to achieve a certain purity. The essence of the distillation process of the distillation column is to make use of the different volatilization characteristics of the components in the mixture at the same temperature to convert the high boiling point components of the liquid phase into the gas phase and the low boiling point components of the gas phase into the liquid phase. Based on the principle and characteristics of distillation column， it is widely used in modern chemical enterprises. In the process of operation and production of the distillation column， there are strict requirements on the pressure， temperature， liquid level and flow rate in the pipeline. In view of this， based on the analysis of the production process and characteristics of distillation column， a control system of chemical distillation column is designed for petrochemical enterprises based on the relevant knowledge of control theory， machinery， instrument， computer， and software engineering.

Keywords： PLC control; chemical distillation column; cascade control; PID; petrochemical industry

精餾是煉油過程中一個非常重要的環(huán)節(jié)。精餾塔的控制直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量、生產(chǎn)能力和能耗，精餾塔的自動控制一直是人們關注的焦點。精餾塔是一個可重復使用的對象，它是由內(nèi)部機理復雜、控制作用響應慢、參數(shù)間相關性高的多級塔板組成，同時塔的工藝性能也不同，因此需要進一步研究，對其工藝特點和設計進行分析，并對其自動控制方案進行探討。精餾塔的基本原理是根據(jù)各種物質(zhì)在高溫下加熱后沸點和揮發(fā)性不同，對化工原料的混合物進行提純。在整個精餾過程中，最重要的設備是精餾塔，進料泵、回流泵、冷凝器和再沸器等也起到輔助作用，以控制溫度，配合各種設備，滿足精餾產(chǎn)品純度高、穩(wěn)定性好、產(chǎn)量多的要求。精餾在工業(yè)生產(chǎn)中占有重要地位，但在這個復雜的系統(tǒng)中，精餾塔的溫度、流量、壓力等因素往往得不到很好的控制，因此，精餾塔控制系統(tǒng)的研究一直是化工界的研究熱點。

1" 系統(tǒng)工藝流程

化工生產(chǎn)過程，是原油和原料轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)石油和化工產(chǎn)品的過程。物料的變化參數(shù)是溫度、液位、壓力和流量等，監(jiān)控和控制物料流的成分，以穩(wěn)定生產(chǎn)過程并進一步控制產(chǎn)品質(zhì)量。

精餾塔的工作原理是蒸汽從精餾塔底部進入，與液位下降的逆流接觸。在兩級接觸中，下降液體的低沸點和揮發(fā)性成分不斷地轉(zhuǎn)移到蒸汽中，而蒸汽的非揮發(fā)性和高沸點不斷地轉(zhuǎn)移到下降液體中。蒸汽越接近塔的頂部，揮發(fā)性成分的濃度越高;下降的液體越接近精餾塔底部，非揮發(fā)性組分就越富集，達到氣液分離的目的。從精餾塔頂部上升的蒸汽進入冷凝器，一部分冷凝液回流至精餾塔頂，進入精餾塔，其余提取為精餾液，精餾塔底的一部分液體送至再沸器。蒸汽經(jīng)熱蒸發(fā)后返回精餾塔，另一部分液體用作反應器殘渣。精餾塔工藝流程圖如圖1所示。

如圖1所示精餾過程的主要組成部分是精餾塔、冷凝器、精餾單元進料板是精餾塔的中心線，精餾部分在線上方，下方則為汽提部分。精餾的實質(zhì)是根據(jù)不同的沸點和各種組分的揮發(fā)性，使揮發(fā)出的混合物在不同的溫度下進行，保證塔中的溫度控制在一定的溫度范圍內(nèi)，精餾塔中混合氣體和液體的分離。精餾塔的原料是高壓釜化學品，輕組分和重組分在蒸餾塔中分離，收集到的產(chǎn)品是輕組分。

2" 系統(tǒng)設計

2.1" 串級控制系統(tǒng)介紹

由于精餾塔溫度具有明顯的滯后和較大的慣性時間常數(shù)，如果只選擇單回路控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的不穩(wěn)定性是無法消除的，實際采用的是串級控制系統(tǒng)。通常在系統(tǒng)滯后明顯時采用串級控制，串級控制系統(tǒng)是提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和動態(tài)過程特性的重要方法。串級控制系統(tǒng)能快速評估進入二次回路的干擾變量，并通過反饋控制快速消除干擾，使系統(tǒng)恢復穩(wěn)定，串級控制系統(tǒng)能有效地提高系統(tǒng)的響應頻率，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，克服系統(tǒng)擾動。它適用于具有恒定且純正的長時間滯后的受控對象，例如精餾塔的溫度控制。系統(tǒng)框圖如圖2所示。

串級控制系統(tǒng)有主回路和副控制回路2個閉環(huán)，系統(tǒng)以主調(diào)節(jié)器的輸出作為副調(diào)節(jié)器的預置值，控制主調(diào)節(jié)器的預置值，調(diào)節(jié)量由執(zhí)行器和輔助調(diào)節(jié)器控制。主回路與二次回路的協(xié)調(diào)使其控制精度更高，控制的基本變量僅限于技術(shù)要求，二次回路的輔助作用大大提高了串級控制系統(tǒng)的控制效率。精餾塔串級控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

2.2" PLC控制系統(tǒng)設計步驟

PLC控制系統(tǒng)設計包括硬件設計和軟件設計。所謂硬件設計，是指PLC外部設備的設計，而軟件設計即PLC應用程序的設計。整個系統(tǒng)的設計按照以下步驟進行。PLC控制系統(tǒng)設計步驟如圖4所示。

2.3" 硬件設計

系統(tǒng)選用西門子S7-300系列PLC，現(xiàn)場設從站，從站增加各類現(xiàn)場檢測和控制設備。精餾塔的一些參數(shù)通過溫度傳感器、壓力傳感器和水位傳感器傳送到PLC控制中心。進料泵和回流泵是PLC通過電氣開關來控制。當壓力過高時，壓力上限報警閃爍，PLC控制器控制減壓裝置來控制壓力;當液位過低時，液面下限報警閃爍，PLC控制器控制調(diào)節(jié)閥關閉同時進料泵停止工作;當液位過高時，液面上限報警閃爍，PLC控制器控制調(diào)節(jié)閥開啟同時進料泵啟動工作。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

PLC是一種新型的工業(yè)控制裝置，它采用串行邏輯，PLC主要應用于工業(yè)設施中，PLC采用一系列安全措施，有效地避免外部干擾，保證了高可靠性，適應工業(yè)設施的條件，I/O接口模塊可直接連接到工作場所，因此通過PLC的不斷發(fā)展，以其強大的現(xiàn)場能力，成為自動化工業(yè)控制領域必不可少的基礎設施。

為了滿足PLC自動控制系統(tǒng)的現(xiàn)場控制要求，支持管理人員和操作人員的全面監(jiān)控，保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定，合理調(diào)度，生產(chǎn)設備的準確運行，選用西門子S7-300PLC作為控制中心。S7-300PLC具有模塊擴展功能，易于實現(xiàn)分布式組態(tài)，具有周期短、指令集功能強大的優(yōu)點，是完成自動控制系統(tǒng)設計的一種具有顯著優(yōu)勢的控制器。

2.4" 軟件設計

2.4.1" PID參數(shù)整定

精餾塔的溫度控制是控制系統(tǒng)的關鍵。將精餾塔塔釜溫度控制在設定值誤差范圍內(nèi)是控制系統(tǒng)的要求。導熱油為精餾塔熱源，通過調(diào)節(jié)導熱油流量來控制塔釜溫度。由于溫度控制存在較大滯后性，所以選擇PID控制來調(diào)整塔釜溫度，按照實際情況，經(jīng)過調(diào)節(jié)PID參數(shù)使控制回路達到工藝要求。壓力控制不當會使精餾塔產(chǎn)生液泛或漏液現(xiàn)象，影響精餾塔工作效率。PID控制系統(tǒng)的設計是為了設定控制器參數(shù)，即PID控制參數(shù)的計算和調(diào)整。可以分為2類：一種是理論計算方法，該方法基于系統(tǒng)數(shù)學模型的標定和理論計算的參數(shù)，但定線方法的理論計算不可直接引用;另一種選擇是工程設計方法，主要依靠工程經(jīng)驗，直接在控制系統(tǒng)試驗中進行，在工程實踐中得到了廣泛的應用。

對于PID控制器參數(shù)的開發(fā)，各種控制系統(tǒng)中P/I/D參數(shù)的經(jīng)驗數(shù)據(jù)可參考以下數(shù)據(jù)。

溫度T：P=10%～50%，T=150～400 s，D=50～240 s;

壓力P：P=20%～60%，T=20～160 s;

液位L：P=30%～90%，T=50～170 s。

2.4.2" 部分梯形圖程序

1）初始化程序。當系統(tǒng)正常連續(xù)運行時，特定脈沖繼電器的信號自動產(chǎn)生工作初始化脈沖，并在相應的數(shù)據(jù)寄存器中保留溫度、壓力設定值、PID參數(shù)值等恢復定時器;按下啟動按鈕，系統(tǒng)將采集溫度，加熱周期一般為10 s;熱電阻溫度傳感器轉(zhuǎn)換標準數(shù)字溫度轉(zhuǎn)換（4～20 mA）;模擬能量輸入通道包括讀取模擬能量并傳輸至控制中心;通過可編程計算，得到可測溫度T，根據(jù)溫度偏差計算出調(diào)整值，發(fā)出自動調(diào)整指令。圖6是主循環(huán)程序的程序段1，程序段1用于初始化程序。

2）模擬量信號處理程序。模擬量輸入信號的處理過程，這個程序主要原理是通過用于對一個模擬量輸入信號的數(shù)字處理和氣體測量對該過程進行轉(zhuǎn)換，傳感器將被用于檢測氣體得到的模擬信號經(jīng)過一個溫度值的變化之后轉(zhuǎn)換成模擬電壓輸入信號，之后通過一個模擬量電壓輸入信號控制電路模塊把這個電壓輸入信號進行轉(zhuǎn)化而成為模擬數(shù)字信號，然后將其送入CPU中對其氣體進行測量處理。我們選擇溫度和壓力2個模擬量進行處理（圖7）。

3）回流泵啟停控制程序。圖8回流泵啟停程序用于對回流泵進行啟停控制，其中“I8.0”代表回流泵啟動按鈕，“I8.1”代表回流泵停止按鈕。進料泵程序與之類似。

2.4.3" 系統(tǒng)監(jiān)控畫面設計

西門子組態(tài)軟件WinCC為用戶提供了一種人機交互的方式，用戶可以方便靈活地通過WinCC實現(xiàn)系統(tǒng)的組態(tài)，并通過WinCC來對系統(tǒng)進行監(jiān)視控制，這款軟件功能強大，用戶可以結(jié)合西門子其他軟件進行使用。基于PLC的化工精餾塔控制系統(tǒng)工作模式選擇畫面如圖9所示，系統(tǒng)自動操作監(jiān)控畫面如圖10所示。

3" 結(jié)論

本文設計了基于PLC的化工精餾塔控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了對精餾塔的溫度、液位、壓力等重要參數(shù)的控制。在硬件上采用西門子S7-300系列PLC作為控制中心。系統(tǒng)控制對象分別為精餾塔、加熱器、冷凝器、回流比調(diào)節(jié)閥、進料泵、回流泵、導熱油管道、原料罐、配置好萃取劑罐及各種儲罐。在控制算法上，采用PID算法與串級控制對檢測的參數(shù)進行運算控制。針對化工精餾塔系統(tǒng)的實際，使用了PLC和WinCC相結(jié)合的控制方式，下位機選用西門子的S7-300系列的PLC，現(xiàn)場儀表選用的均是符合化工生產(chǎn)的設備，上位機選用的組態(tài)軟件是WinCC，形成了下位機對現(xiàn)場設備進行初步控制，上位機對現(xiàn)場設備進行監(jiān)控。

本設計選用西門子S7-300PLC配WinCC組態(tài)軟件，避免了以往大型控制系統(tǒng)的不便，同時以開發(fā)高可靠性的控制系統(tǒng)為例，WinCC的靈活性和易用性降低了系統(tǒng)設計的難度，最終實現(xiàn)了基于PLC的高可靠性控制系統(tǒng)。

參考文獻：

[1] 佟亮亮，胡文強，王澤恒.基于動態(tài)模擬技術(shù)的化工過程本質(zhì)安全設計的研究[J].山東化工，2020，49（21）：231-232.

[2] 李瑞端，劉玉佩，戴傳波.N-甲基乙酰胺萃取精餾回收稀醋酸工藝的模擬與實驗研究[J].化工自動化及儀表，2021，48（2）：151-155.

[3] 陳曦，何益.基于PLC和WinCC的化工精餾塔控制系統(tǒng)設計[J].化工自動化及儀表，2011（6）：710-712.

[4] 趙文瑞.甲醇三塔精餾工藝改進和PLC過程控制探討[J].山西化工，2020（6）：130-132.

[5] 王和，湯志，孫如田.苯精制三塔精餾生產(chǎn)實訓裝置PLC控制系統(tǒng)設計[J].克拉瑪依技術(shù)學院，2013，16（3）：64-70.

[6] 石學勇.精餾塔塔釜液位PID控制的實現(xiàn)[J].科技經(jīng)濟導刊，2017（3）：72-73.

[7] 胡雪梅，徐榮政.變頻恒壓供水系統(tǒng)的設計與應用[J].電機與控制應用，2018（8）：63-67.

第一作者簡介：董玉林（1974-），男，碩士，副教授。研究方向為控制理論與控制工程。