JX-300XP控制系统在桦甸油页岩干馏工艺中的应用

胡蓉蓉，许忠仁 ，王 健

（辽宁石油化工大学 信息与控制工程学院， 辽宁 抚顺 113001）

JX-300XP控制系统在桦甸油页岩干馏工艺中的应用

胡蓉蓉，许忠仁 ，王 健

（辽宁石油化工大学 信息与控制工程学院， 辽宁 抚顺 113001）

介绍了浙大中控的JX-300XP DCS控制系统的总体设计，包括硬件部分和软件部分。针对桦甸油页岩干馏工艺中干馏炉燃烧系统的多变量、强耦合、强干扰、大滞后的复杂特性采用模糊控制与自寻优相结合的方法，设计出瓦斯气压力—炉膛温度的模糊串级控制，同时协调处理氧含量和炉膛负压在一定范围内优化的控制策略，并给出基于JX-300XP DCS 的实施方案。应用表明，该方案具有较强的抗干扰能力，较好地实现了桦甸油页岩干馏炉燃烧控制的稳定性和充分性的任务。

JX-300XP；DCS控制系统；I／O；油页岩干馏

油页岩是在矿物机体中含有固体可燃有机质的沉积岩，目前世界上的油页岩储量为4 750亿t，相当于原油可采储量的5.4倍，是一种潜在的巨大能源。目抚顺式油页岩干馏炉是目前国内应用最多且较成熟的油页岩干馏炉，抚顺炉采用PLC控制工艺流程中的各项参数，经济且耐用，但是只能实现现场控制。桦甸式油页岩干馏炉决定改用 DCS集散控制系统，实现了该装置的工艺生产操作、监视、自动控制、程序控制、数据采集和生产管理等功能。更好的控制现场干馏炉内的温度，冷热瓦斯气的压力和流量，以及进入到加热炉内的循环瓦斯气中的含氧量。现场的温度、压力、流量、液位等信号参数经采集传输给控制站，控制站的运算结果输送给各执行机构进行现场控制，操作站的工作人员在屏幕上进行监控［1］。

1 JX-300XP控制系统概述

JX-300XP系统吸收了近年来快速发展的通讯技术、微电子技术，充分应用了最新信号处理技术、高速网络通信技术、可靠的软件平台和软件设计技术以及现场总线技术，采用了高性能的微处理器和成熟的先进控制算法，是一个全数字化、结构灵活、功能完善的开放式集散控制系统。系统规模可达31个控制站，72个操作站。单个控制站最多可带8个机笼，每个机笼最多可放置16块I/O卡件［2］。

2 JX-300XP控制系统总体设计

2.1 硬件配置设计

在油页岩干馏炉控制系统中的具体I/O点配置,如表1所示。

表1 控制系统配置Table 1 The control system configuration

JX-300XP系统的硬件包含三部分，控制站硬件、操作站硬件和网络硬件。

2.1.1 控制站硬件

控制站由主控制卡、数据转发卡、I/O卡件、机柜、机笼、端子板及系统电源等构成，如表2所示。控制站内的总线结构可方便地扩展I/O卡件。

表2 控制站配置Table 2 Control station configuration

2.1.2 操作站硬件

操作站负责显示控制站采集的信号点，并下达操作员的命令到控制站，同时对一些实时货历史的数据进行保存，它是 DCS中不可缺少的硬件组成部分。操作站的配置如表3所示。

表3 操作站配置Table 3 Operating station configuration

2.1.3 网络硬件

网络硬件包括网卡、通讯线缆以及其他网络辅助配件等，它负责控制站和操作站之间或操作站之间等不同设备的信息传输，并实现系统规模的扩展。网络通讯由信息管理网（Ethernet）和过程控制网（SCnet Ⅱ）构成。

2.2 软件组态设计

对 DCS的软、硬件构成进行配置，完整的项目组态包含：控制站、操作站等硬件设备在软件中的配置，操作画面设计，流程图绘制、控制方案编写、报表制作等。

2.2.1 控制站组态

控制站只含一块主控制卡或一对冗余的主控制卡。主控制卡的默认IP地址是128.128.1.2，卡件型号选择XP243。每块主控制卡都具有两个通信口，在上的通讯口称为网络A（128.128.1），在下的通讯口称为网络 B（128.128.2），根据需要选择使用网络A、网络B或者冗余网络进行通讯（两个通讯口同时使用时称为冗余网络通讯）。油页岩干馏炉共计 117个测量点，分别通过 54个 I/O 卡件通道，实现对现场测点数据的输入输出控制。

2.2.2 操作站组态

操作界面指的是自控系统正常工作后通过现场干馏炉的运行状态反映到主机屏幕上工艺流程图画面，可以在主机屏幕上看到现场干馏炉的运行情况，透过操作界面进行及时的PID调整，修改动态趋势图工艺参数设定等。

2.2.3 控制方案组态

油页岩干馏工艺为连续化生产过程，整个干馏炉装置分成三个单元独立操作，主要有炉内料位高度控制、干馏炉炉内温度控制，干馏炉出口压力控制。油页岩干馏炉工艺单元设置了 17个常规控制回路，基本采用单回路PID控制，如热循环瓦斯入口阀门开度调节、调节刮板的出焦机的频率、调节压力控制阀等［4］。

3 JX-300XP控制系统在干馏控制系统中的应用

3.1 工艺描述

具体工艺流程为：自干燥单元来的粒径为20～50 mm、6～20 mm的油页岩通过皮带输送机分别密闭送往大颗粒干馏炉F-3101～F-3106顶部储料仓，通过星形卸料阀进入干馏炉的干燥段（先对油页岩进行干燥，去除水分，节省不必要的热量损耗）、预热段、干馏段与从干馏炉中部进入的680 ℃热循环瓦斯及底部上来的冷却半焦瓦斯混合的瓦斯气逆向接触并发生干馏，油母在 520 ℃下分解生成小分子烃类，分解产生的油气被炉内瓦斯带有，一并从炉顶排出干馏炉。已经被干馏出油气的油页岩此时成为半焦，继续靠自身重力向下移动，进入冷却段，与从干馏炉底部进入的 66 ℃冷瓦斯逆向接触，初步冷却的半焦最后经过炉底密封段冷却后经水封段，通过出焦机均匀排出干馏炉，经密闭的胶带输送机送往半焦堆场，再送往加热炉单元作为锅炉燃料；与半焦换热升温到 400 ℃后的瓦斯向上与 680 ℃热瓦斯混合后对油页岩进行干馏（图1）。

图1 桦甸干馏工艺流程图Fig.1 Huadian oil shale retorting process flow chart

3.2 控制方案

干馏炉干馏控制系统是一个复杂的多变量控制系统,各个变量之间相互耦合。控制系统对炉膛温度,燃烧最优(最优风料比)和炉膛负压进行控制,以实现干馏炉的高热效率稳定运行为最终控制目的。

为了实现安全生产、生产自动化、系统平稳运行、便于操作以及提高油页岩干馏效果和干馏效率，本单元为每台干馏炉设置了3个控制及回路，分别为：炉内料位高度控制、干馏炉炉内温度控制、干馏炉出口压力控制［5,6］。

3.2.1 炉内料位高度控制

单回路PID控制的基本控制思路是取控制对象的测量值PV和最初的设定值SV进行比较,差值输入PID调节控制器,计算阀位MV应当输出多少,新的阀位值MV会导致新的测量值PV,继续与设定值SV进行比较,直到测量值与设定值相同为止。本项目以4#干馏炉F-3401为例，当重锤料位计LT-3401测得的炉内料层高于 X1%或低于 X1%时，系统来调节星型阀SV-3401采取相应的动作。当炉内料层高度在正常范围内时，星型阀正常动作；当料层高度低于炉内料层正常范围时，料位计传信号给系统，星型卸料阀进行卸料；当料层高度高于炉内料层正常范围时，料位计传信号给系统，星型卸料阀停止或减缓卸料。根据 LT-3401和设定值的偏差,计算出星型阀 SV-3401的开度,然后输出至现场。调节回路如图2所示。

图2 干馏炉料位调节回路Fig.2 Distillation burden position control loop

3.2.2 干馏炉炉内温度控制

干馏段温度的高低直接影响油页岩的干馏效果。在干馏炉工艺中，对温度控制系统的要求，主要是保证温度在一定温度范围内变化，稳定性好，不振荡。根据试验桦甸油页岩的干馏炉干馏段温度维持在 520～550 ℃左右，能达到较好的效果。本项目以 4#干馏炉 F-3401为例，当热电偶TI-3403/1～TI-3403/16测得的干馏炉内温度高于550 ℃或温度低于 520 ℃时，系统调节热循环瓦斯入口阀门开度，。当干馏炉内温度正常范围内时，热循环瓦斯入口阀门不工作；当干馏炉内温度不在正常范围内时，热电偶传信号给系统，热循环瓦斯入口阀门开度调节，温度低于 520 ℃时增大入口热循环瓦斯流量；温度高于 550 ℃时减小入口热循环瓦斯流量。若热瓦斯的流量已经达到上限，调节刮板的出焦机的频率，降低出焦速度以减少油页岩的处理量；若热瓦斯的参数不能再调整，加快刮板出焦频率，增大油页岩的处理量。调节回路如图3所示［7］。

图3 干馏炉炉内温度调节回路Fig.3 Temperature control loop of carbonization furnace

4 控制算法

4.1 基于模糊控制算法的油页岩给料量调节

把进入干馏炉入口的循环瓦斯气的测量温度(T1)和进入干馏炉中段与油页岩发生干馏作用的循环瓦斯气的目标温度(T1SV)的偏差e、以及每个周期的温度变化ΔT( 即误差变化ce)作为模糊控制2个输入量，输送油页岩的星形卸料阀转速变化(ΔuC)作为输出量，形成双输入单输出模糊控制结构。

4.1.1 模糊化处理

引入干馏炉内的瓦斯气温度在 700 ℃左右，误差e的基本论域定为［-30 ℃，30 ℃］，若误差超出上述范围，取其边界值；误差变化率de/dt的基本论域为［-0.06，0.06］，输出增量的基本论域 (归1化数据) 为［-0.03，0.03］；设模糊控制器的输入、输出量经模糊化处理得到模糊语言变量 E、CE 和ΔU 的模糊子集均为{ NL，NM，NS，Z，PS，PM，PL} ; 标准论域范围定为［－3，+ 3］，并设E，CE 和 U 均服从三角形隶属函数曲线分布。

4.1.2 设计控制器

模糊控制器的输入变量选为干馏炉干馏段的实际温度，通过传感器系统输入的温度y与给定温度yg之间的偏差e=y-yg及其变化率de/dt，输入语言变量选为E，变化率de/dt的语言变量选为EC；输出变量为控制油页岩给料量的星型卸料阀开度信号u，输出语言变量选为 U。这样就为温度控制系统选定了一个双输入、单输出结构的模糊控制器［9］。

4.2 基于自动寻优的循环瓦斯送量调节

保证油页岩干馏过程的经济性的关键是控制好适度粒径的油页岩的给料量与热循环瓦斯的送气量的配比。送气量调节的目的就是保证合适的配比度，实现油页岩的充分干馏。为了比较准确地反映完全干馏，通过测量输出的热循环瓦斯中的含油量和干馏炉炉膛温度，自动寻找最佳热循环瓦斯的输入量［10，11］。

5 结束语

全循环瓦斯油页岩干馏炉装置自投入生产以来,控制系统运行稳定,控制功能满足要求。

（1）保证了油页岩与热循环瓦斯干馏反应过程中自动控制的良好进行,达到了预期的控制目的,取得了良好的控制效果。控制系统的应用使进行干馏反应的热循环瓦斯气温度比传统的应用PLC式的抚顺炉控制温度提高了200 ℃, 解决了油页岩干馏不充分这一难题。

（2）在油页岩与热循环瓦斯干馏反应过程的自动控制中能有效地综合利用反应能、油页岩干馏后仍含有余热，被冷瓦斯吸收热能，满足干馏炉生产装置自身的瓦斯气供给,而且还可以外供余热,降低了页岩油产品的综合能耗。

（3）控制系统易于维护并且可靠性高，控制功能齐全，界面清晰易懂，对紧急情况能进行有效的应对措施,对保护工艺装置及安全起到了很好的作用［12］。

［1］吴启成，胡蓉蓉，李尧. 瓦斯全循环油页岩分级干馏工艺及装置［M］．北京: 地质出版社，2011：282-307

［2］于浩洋，景方，宋清昆，等．模糊控制在燃煤锅炉燃烧系统中的应用研究［J］． 哈尔滨理工大学学报，2003(2): 26－29．

［3］马平，王琳，王华春．燃烧控制系统智能控制［J］． 电力系统及其自动化学报，2002，14( 3) : 55－59．

［4］张德泉. 集散控制系统原理及其应用 [M]. 北京 : 电子工业出版社，2007.

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［7］丁炜, 齐冬莲. 基于JX-300XP DCS工业锅炉的燃烧控制策略设计与实现[J]. 工业仪表与自动化装置, 2012, 02: 23-26.

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［9］丁炜, 齐冬莲. JX-300XP DCS在过程控制装置CS2000中的应用[J].自动化与仪器仪表, 2012( 02): 103-106.

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［12］刘丛茹. 油页岩干馏产油和液化石油气的新工艺研究[D]. 大连理工大学, 2010.

Application of JX-300XP Control System in Huadian Oil Shale Retorting Process

HU Rong-rong, XV Zhong-ren, WANG Jian
（College of Electronic Information and Control Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China）

Overall design of JX-300XP DCS control system developed by SUPCON was introduced, including the hardware part and software part. Combined with characteristics of Huadian oil shale retorting process furnace combustion system including multi variable, strong coupling, strong interference and large lag, the cascade fuzzy control of gas pressure-temperature in the furnace was designed by method of fuzzy control and self optimizing, the control strategy to simultaneously optimize the oxygen content and the furnace pressure was put forward, and the implementation scheme of JX -300XP based on DCS was given. Application results show that, this scheme has strong anti-interference ability, can achieve the stability of combustion control of Huadian oil shale retorting and adequacy of the task.

JX-300XP; DCS control system; I/O；Oil shale retorting

TP 273

A

1671-0460（2014）12-2596-04

2014-04-10

胡蓉蓉（1981-），女，辽宁沈阳人，助理工程师，硕士，2014年毕业于辽宁石油化工大学检测技术与自动化装置专业，研究方向：化工仪表。E-mail：foxhuzi@163.com。