精细化工生产过程控制系统研究与设计

杨南

化工部长沙设计研究院 ，湖南长沙，410116

精细化工生产过程控制系统研究与设计

杨南

化工部长沙设计研究院 ，湖南长沙，410116

随着我国工业产业的快速发展，工业生产活动对化工产品的需求量越来越大，化学产业占我国国民经济的比重也逐年升高。传统的化学生产模式产量小，且产品质量较差，只能生产工艺简单的产品，已经难以满足我国工业生产需求。精细化工可以有效解决上述问题，但我国的精细化工产业发展比较滞后，精细化工产业的自动化、智能化水平较低，目前市场要求化学产业可以实现多位间歇批量生产，需要化学生产过程的柔性更高，但国内很多企业仍然停留在局部检测的水平，导致化工生产效率与质量均不高，而且难以保证化工生产的安全性。本文将深入研究我国精细化工产业的发展现状，并提出精细化工生产过程控制系统的构建方案，为我国精细化工产业发展提供参考。

精细化工；生产过程；控制系统；构建；设计

目前，我国现有的化工产业仍然停留在比较原始的生产模式，很多企业仍然没有实现自动化、智能化生产模式，严重制约了我国化学产业的健康发展。精细化工具备较高的生产效率，同时可以最大限度的提高化学产品的质量，精细化工可以有效保证生产过程安全性，降低化学生产过程风险。精细化工不仅仅需要化工工艺的支持，还需要控制系统的支持，将自动化控制系统应用于精细化工生产中，可以有效降低化工生产的人力成本。精细化工具备传统化工生产模式难以比较的优势，精细化工生产模式将是我国化工产业未来数十年的发展趋势，而精细化工过程控制系统将是我国精细化工产业的必然选择，下面将详细阐述精细化工的概念以及我国精细化工产业的现状。

1 精细化工简介

精细化工产业的主要产品是精细化学品，精细化工产业是工业领域中的新兴领域，同时也为新材料制造提供了解决方案，精细化工产业涉及的产品很多，而且这些产品的附加值较高，已经广泛应用于各种高新领域，比如激光制导武器中的稀土产品、高像素摄像头、电子工业产品中的贴片式元件等，精细化工产业与传统应用型产业具备一定差异性，传统工业产业，如机械等都具备接触的产品，但精细化工的产品一般不会直接供应给消费者，而是应用于其他工业生产，为其他工业生产提供原料，精细化工率已经成为衡量国家工业水平的重要指标。

2010年以来，全球精细化工产业的年均增长率超过6%，全球精细化工产品种类10万种，而且西方发达国家的精细化工产业占化工产业比重60%以上，美国的精细化工产品年均销售额已经突破1250亿美元。目前，我国精细化工产品的生产率较低，且精细化工率仅仅35%，另外，现有的很多精细化工企业都属于中外合资，但我国精细化工产业的市场竞争越来越强，我国精细化工产业的时长潜力十分巨大。我国已经具备25个门类的精细化工产品，全国精细化工产品总值超过1500亿元，国家已经在逐步加大精细化工产业的投入。

2 精细化工生产过程控制系统框架

2.1 工艺分析

本次研究的精细化工生产线的重点是反应釜，反应釜广泛应用于各种领域，包括化肥、石油、医药、食品等，其主要作用是完成氢化、存储、蒸馏、中和、水解、结晶等，精细化工的反应釜必须实现全自动化进料、出料、反应、指标控制等，反应釜的主要结构包括电机、减速机、内盘管、夹套、搅拌桨、放料阀、加热管等。本次研究的项目是某公司的精细化工中间体生产线，该生产线共包括13个反应釜，根据生产工艺可以将生产线分为三个部分包括配液、反应以及后处理，而且这三段工艺分别涉及了三个反应釜，配液是为生产过程提供液体物料，反应工业流程的工艺最复杂，需要控制的指标很多，后处理流程将对反应釜的水相中萃取回收有机物。

图1 精细化工生产过程控制系统的框架图

2.2 系统设计

本文设计的系统是以精细化工生产过程控制为基础，且本次生产的原料比较贵重，需要严格控制温度，而且生产过程不能终止，否则会造成原料浪费，可能造成产品不良率上升，除此之外，反应釜压力也是一项十分重要的指标，如果反应釜的压力过高，将直接导致反应釜出现泄露，甚至威胁生产安全，因此，本次设计的系统必须具备较高的可靠性与容错性。本次设计的系统基于全自动化集成设计的思路，本系统的核心是S7-400H冗余系统，并将WinCC作为系统的操作监控终端。S7-400H冗余系统实际分为两个子系统，每个子系统均具备独立中央控制器UR1/UR2，另外每个系统均具备一块容错功能的CPU以及一块PS407电源模块，本系统采用了过程控制原理，控制人员在中控室利用控制终端进行现场控制，系统的控制方式为S7-400H工业以太网系统。图1为精细化工生产过程控制系统的框架。

3 系统各个模块的设计

3.1 系统硬件设计

本系统使用的控制器为过程控制单元，属于典型的集散型控制系统，本次设计选用的控制器为CPU 414-5H PN/DP，CPU具备2MB的代码与2MB的数据内存，CPU具备容错冗余安全功能。系统的总线模块为IM153-2，该模块一共具备12个I/O接口，系统的通讯模块主要负责连接现场终端，本次设计采用ET200M分布式I/O模块，属于S7-300系列，系统的质量流量计输出为两路脉冲信号，一组为质量脉冲信号，控制精度为1/2400Kg，另一组为简单的数字量输入模块，系统的电源采用了10A的PS407模块。除了上述系统直接硬件设计外，还需要对系统的远程操作终端进行设计，本系统的终端机以IPC-510为基础，同时需要对终端进行防冲击、防腐蚀、防磁等设计，系统的人机交互模块均采用TP1200触摸屏。

3.2 系统软件设计

本次设计采用的软件编程系统为Step7，该软件包是一种用于SIMATIC可编程逻辑控制器的组态软件系统，已有的Step7系统包括了两个版本，一种属于简化单机程序系统，包括STEP 7 Micro/DOS和STEP 7 Micro/Win，另一种属于标准软件包，包括STEP 7 等。本系统采用的编程系统为STEP 7 V5.5+SP2+HF1 Chinese，该系统的大部分模块已经汉化。本系统的软件为S7 Graph顺序控制程序。除了系统的主控制模块设计之外，还需要对系统的各个子单元进行设计，包括气动开关阀程序设计、模拟量采集程序设计、电机控制程序设计、智能空压介质控制设计以及水与有机相的分离程序设计，除了上述程序模块设计外，还需要重点对反应度的温度进行控制，控制的基础为PID闭环反馈控制系统。

3.3 系统网络设计

精细化工生产过程控制系统的通信方式采用了S7-400H冗余配置，因此系统中的S7-400H与S7-300之间的通讯必须为容错连接模式，而SIMATIC 工业以太网本身就提供了容错连接方式，但这种连接仅仅局限在上位机与S7-400H之间，向S7-400H与S7-300之间增加Y-LINE，可以实现冗余连接，另外，S7-400H与S7-300之间的冗余连接采用了PROFIBUS-DP通讯协议，PROFIBUS-DP通讯协议属于典型的开放式现场总线，其传输速度可以灵活选择9.6KB-12MB之间的任一频道，在使用前需要将总线上的通讯速度调节为一致，PROFIBUS-DP通讯总线的自动化程度较高，PROFIBUS-通讯协议主要分为三个部分包括PROFIBUS-DP、PROFIBUS-A以及PROFIBUS-FMS。

4 结语

精细化工生产模式具备传统化工生产模式难以比较的优势，精细化工过程控制系统可以有效提高化工生产效率，保证化工产品的质量，降低化工生产风险。本文结合某产线实际建设情况，深入探究了精细化工过程的工艺与控制要点，最终确定了基于全自动化集成设计的思路，本系统的核心是S7-400H冗余系统，并将WinCC作为系统的操作监控终端。本文结合化工生产的特定与工艺流程，确定了系统的总体硬件与软件设计方案，系统对化工生产过程的关键步骤进行实时监控，监控的内容包括水和有机相分离的问题以及压空介质问题等，除此之外，本文深入研究了反应釜的温度控制问题，根据反馈的数据可以看出，本系统设计已经具备较好的使用效果，最后对系统的界面以及网络进行设计，希望本文的研究有利于推动我国精细化工产业的健康发展。

[1]王静,李钟琦.PROFINET技术在广东清远抽水蓄能电站的应用[J].中国仪器仪表.2013(09):46-48.

杨南/1988年生/男/安徽蚌埠人/本科/助理工程师/研究方向为化学工程与工艺