半实物仿真精馏塔控制系统设计与实施

李忠明

(辽宁石化职业技术学院，辽宁 锦州 121001)

将闲置的汽提塔改造为半实物仿真精馏塔，并对其进行综合自动控制系统设计，要求改造后的精馏塔能展现真实的工厂操作环境，使学生进行外操实训、内操/外操联合演练，关键变量在现场有数据显示，并且向控制系统传输4～20mA电流信号。综合控制系统包含两类DCS系统、工业以太网和现场总线，具有广泛的使用基础。

基础过程控制系统采用横河CS-3000，安全控制系统采用西门子PCS7。为了便于操作和实时观测，并考虑到实训安全性和环境温度，实训装置的关键变量除在现场就地显示外，在中控室工艺流程指示操作面板上也同时显示，并用对应的粘贴位号标识。将场有的阀门改造成手操阀，用户使用时可直接在现场操作，能够获得完全真实的现场操作感良好的控制效果。

1 精馏塔工艺流程①

利用半实物仿真精馏塔模拟常见的三元极性混合物系(丙烯酸甲酯-甲醇-水)的分离。三元混合物系进入进料缓冲罐，由进料泵输送，从精馏塔中部进入精馏塔，甲醇、水和少量的丙烯酸甲酯从塔顶蒸出，经塔顶冷凝器冷却进入塔顶冷凝罐，静置分层后，下层水相排至下游工序，上层酯相作为回流从上部进入精馏塔内。丙烯酸甲酯从精馏塔底部流出，一部分经再沸器返回塔内，一部分作为产品送至产品罐[1]。

2 精馏塔综合控制方案

2.1 基础过程控制系统

基础过程控制系统(图1)采用横河CS-3000

图1 基础过程控制系统示意图

集散控制系统(DCS)，通过DCS系统对工艺过程进行集中控制、检测、记录和报警，并且在DCS系统上设置网络接口。装置的主要操作参数均引入控制室，由DCS系统进行实时控制，完成数据采集、信息处理、过程控制及安全报警等系统功能，对影响装置正常操作或产品质量的工艺参数在中央控制室内均设置超限报警。

2.2 安全控制系统

西门子PCS7安全控制系统通过对汽提塔仿真装置过程变量数据进行实时检测，在捕获参数超限时，及时发出声光报警信息，并将报警信息及时传送给辅助操作台进行声光报警。同时，在满足联锁动作触发条件时，触发联锁动作(表1)。

表1 安全控制系统连锁动作列表

在现场和控制室中设置声光报警系统，在现场辅助操作台上进行大部分参数的声光报警，同时在操作员监控系统进行闪烁报警。进料流量超低自动联锁、再沸器蒸汽流量超高自动联锁和紧急停车联锁均由具有安全完整性水平的安全仪表系统实现。

2.3 控制系统模块

分别统计基础过程控制系统和安全控制系统所需配置的I/O点数后，即可选择输入/输出模块。CS-3000和PCS 7的主要模块选型见表2、3。

表2 基础过程控制系统模块列表

表3 安全控制系统模块列表

确定控制装置后，根据工艺过程条件进行检测仪表、执行机构及输入/输出安全栅等选型，随后针对现场仪表与控制室仪表的相互连接进行系统配置。

3 控制功能的实现

提馏段塔板温度控制、进料量控制、塔底液位控制、回流罐液位控制和回流量控制均使用CS-3000常规控制功能块图形化组态完成，图2为进料量FIC1011控制回路的组态。

图2 进料量FIC1011控制回路组态

两个安全联锁和一个紧急停车联锁使用PCS7提供的顺序功能图实现，图3为进料量低低联锁的SFC程序。

图3 进料流量低低联锁的SFC程序

在CS-3000和PCS7上分别进行监控画面组态(图4、5)，用于常规监控和非正常工况监控。

图4 CS-3000监控界面

图5 PCS7监控界面

4 控制效果测试

在CS-3000和PCS7上打开整个控制系统后，先进行现场各环节的工艺操作。仪表控制由人工手动控制切换到自动控制，将各个控制回路控制运行，并分别整定控制器参数[2]，最后兼顾各控制回路，避免相关。初始稳定工况时，进料量FIC1011为3.49t/h，调节阀开度50%，图6为FIC1011的阶跃响应曲线，控制效果表明，本方案对于工艺需求的变化具有很好的鲁棒性，在不同工况下均能达到较好的控制效果。

图6 进料量FIC1011的阶跃响应曲线

5 结束语

综合控制系统建成投运后，逼真的工业生产环境、真实的操作感和被控对象变化的时间特性，可用于自动化专业日常教学基本生产实习等环节，解决了学生不易接触实际化工生产过程的难题，具有广泛的使用基础。