基于PCS7的新戊二醇生产控制系统设计与应用

范宇，顾幸生

(华东理工大学 信息科学与工程学院，上海 200237)



基于PCS7的新戊二醇生产控制系统设计与应用

范宇，顾幸生

(华东理工大学 信息科学与工程学院，上海 200237)

摘要：针对新戊二醇生产控制系统的功能需求，采用SIMATIC PCS7系统完成了DCS的硬件组态、网络配置以及软件程序设计，使用WINCC软件设计上位机监控界面。在介绍新戊二醇生产工艺的基础上，设计了过程控制系统，重点实现了脱硫单元氨气流量控制的双回路切换。回路切换体现了程序的灵活性，使过程控制更加高效。该系统安全性好、运行稳定、易于操作管理，在保证生产安全及稳定性的前提下，可提高新戊二醇的产品质量和生产能力。

关键词：组态新戊二醇网络配置回路切换CFC程序设计

新戊二醇(NPG)是重要的化工原料之一，可广泛应用于汽车、塑料、医药、涂料、纺织和石油等各种领域，其生产过程需要一套先进可靠的自动控制系统作为支撑[1]。新戊二醇生产方法分为甲酸钠法和加氢法，该项目采用加氢工艺，在弱碱性条件下催化缩合, 再在中压或高压下进行催化加氢反应, 将羟基新戊醛还原为新戊二醇[2]。生产过程包括合成、加氢、蒸馏、装车、能量回收工段，对生产过程控制系统有很高的要求。目前国内针对加氢法生产新戊二醇的过程控制系统应用案例比较少，缩合加氢工艺是在中、高压下的气-液-固三相反应, 故对设备(如加氢釜)的温度、压力、液位、流量等控制要求较精准[3]。

南京扬子石化巴斯夫新建一条新戊二醇生产线，采用PCS7作为控制系统，实现生产控制系统和信息管理系统全方位一体化，新戊二醇生产工序多且每一步联系紧密，使用PCS7控制使DCS与SIS良好集成在一起，通过SIS实现生产过程紧急停车，系统安全性好，回路切换体现了程序的灵活性，使过程控制更加高效。在保证生产安全及稳定性的前提下，该系统可以提高新戊二醇的产品质量和生产能力。

1控制系统结构设计

新戊二醇生产过程控制系统的监测、控制、报警和联锁功能在DCS中实现。控制系统主要包括： 自动化站、工程师站、操作员站、通信网络和软件等。系统包括以下设备和软件：

1) 1对冗余控制器417-5H和相关I/O卡件。大部分I/O卡件采用本质安全型卡件ET200iSP，其余少数卡件采用非本质安全型卡件ET200M。ET200iSP和ET200M与自动化站通过冗余总线Profibus-DP连接。PCS7自动化站包括模块式机架、电源(PS)、中心控制单元(CPU)、工厂总线通信处理器(以太网通信卡)、现场总线通信处理器(Profibus-DP通信卡)、输入和输出模块。通过工厂总线，程序可从工程师站(ES)下载至CPU，并由它执行。通过CPU内部Profibus-DP接口或者Profibus-DP串行通信处理器，可以实现与现场仪表进行通信。

2) 3个操作员站(OS)和1对冗余操作员站服务器。操作员站位于控制室，用于操作员的操作，服务器承担管理、维护和归档功能。操作员站的组态在工程师站上完成后，将会被下载到相应服务器。操作员站不能直接访问控制器，只能通过ServerData访问OS服务器上的项目数据，也可以将操作员的指令传递给被指定的自动化站(AS)中的功能块。2个OS服务器可以组成1对冗余的服务器，其中1个为主服务器，另1个为备用服务器。如果其中1个服务器出现了故障，则会自动从故障服务器切换至另1个正常运行的服务器。当故障服务器修复并联网后，冗余功能将执行故障期间的归档同步操作。

3) 1个工程师站。PCS7项目主要是在工程师站上完成的，工程师站可以和自动化站与操作员站进行通信。工程师站拥有功能强大的组态工具，例如： SIMATIC管理器(SIMATIC Manager)、组件视图(Component View)、工厂视图(Plant View)、过程对象视图(Process Object View)等。

4) PCS7V8.0 SP1+Update1软件包和WINCC软件。用于硬件组态、软件设计(包括CFC和SFC功能图设计)和上位机操作界面设计。

1.1网络结构

整个系统被划分为3个网络层级，网络结构如图1所示。

1) 现场总线层。可以实现现场信号监视和输出控制的功能。该项目采用Profibus-DP总线，实现高速低成本通信[4]。

2) 系统总线层。所有的AS，OS服务器，ES是通过系统总线相连的。

3) 终端总线层。所有的OS服务器和操作员站客户机将通过终端总线相连。OS客户机可以从OS服务器获取数据，操作员可以通过客户机向AS发出指令。

图1　网络结构示意

PCS7控制系统中的网络设计是整个项目的关键。网络组态在NetPro中完成，可以根据设计好的网络结构图以图形化的形式显示所有自动化站、操作员站、工程师站与总线之间的连接结构。站与站之间、设备与设备之间通过现场总线Profibus或工业以太网连接[5]。

1.2硬件组态

PCS7硬件组态就是根据实际需要在组件视图的HW Config中对相应的硬件和FO模块进行组态。由于使用1对冗余CPU，每个CPU应单独引1条Profibus-DP线，所有分布式I/0卡件将会挂在2条DP线上形成冗余。若在实际应用中卡件上某一通道未被使用，应在组态时屏蔽该通道，避免通道间的相互干扰。第三方设备无法直接通过DP总线与CPU进行通信，组态时使用专门的通信模块CP341通过Modbus通信协议与第三方设备进行通信。

2软件组态

2.1程序设计

PCS7拥有一套独特的编程语言和专门的指令系统，通常采用面向控制、面向问题的自然语言编程。常用的编程语言有连续功能图(CFC)、顺序功能图(SFC)、(SCL)等。

1) CFC负责处理自动化和控制功能。在CFC编辑器中，以图形块的形式表示控制功能，使用已制作好的具有特定功能的功能块进行工作，将这些功能块放置到图中，进行管脚间的互联，并设定参数[6]。使用CFC块编程十分快捷，适用于一些有复杂功能的控制回路，当程序出现逻辑上的错误时也容易查找。

2) SFC是一种组织程序的图形方法，可以用来完成批量生产的顺序动作。当转移条件满足时执行某步动作，并不涉及所描述功能的具体技术，它是完成PLC顺序控制的有力工具，可以实现顺序、分支、回路等结构。同时，CFC块可与SFC中的某一步相连。

3) SCL是一种Pascal类型的语言。遵循国际电工技术委员会IEC 61231.3，SCL语言适用于带有复杂公式运算的编程，主要是利用SCL语言编写一个特定的功能块，然后在CFC中调用此块，从而大幅减少编程的工作量。

2.2人机界面设计

采用WINCC进行上位机界面设计一般需要以下步骤：

1) 建立过程变量。程序设计完成之后，需要对所组态的OS进行全部编译，此编译能将程序里的过程变量上传至WINCC变量管理器中，在变量管理器中建立相应的驱动器连接并定义用于访问PLC的过程变量。根据实际的需要，工程师还可以自定义若干个内部变量。

2) 设计上位机监控画面。上位机监控画面是项目重要的组成部分。通过监控画面，用户可以看到整个项目的工艺流程、管线走向、测量值、报警等关键信息。操作员可以通过监控画面进行参数设置、手自动切换、开车停车等重要操作。绘制时可以调用相关库中的对象，如PID块、模拟量输入输出块、数字量输入输出块、阀门、泵等，然后对这些对象进行动态链接。

3) 运行WINCC项目。上位机画面制作完成后，还需设置画面树的分配、每张画面所在层级及管理员的操作权限等。WINCC RUNTIME运行后，操作员可以在上位机上监控生产现场的情况，进行启停泵、开关阀门、控制PID等操作。具体报警参数等的修改需在关闭RUNTIME后进行。

3脱硝单元复杂控制回路设计

该化工厂采用加氢法生产新戊二醇。以异丁醛、甲醛为起始原料，经碱性催化剂催化缩合生成中间体2，2-二甲基-3-羟基丙醛(HPA)，再还原为新戊二醇。还原采用加氢法生产工艺，在中压或高压下催化加氢, 将羟基新戊醛还原成新戊二醇[7]。为了满足环保要求，实现节能减排的目的，新戊二醇生产线增加了能量回收单元。将废气分别经过焚烧炉和锅炉燃烧,并进行冷却处理后进行脱硝处理，然后再通过烟囱排出。其中脱硝采用选择性催化还原法(SCR)，即在催化剂作用下，向烟气中喷入氨气，将氮氧化物(NOx)还原成氮气和水[8]。SCR脱硝技术是目前国际上应用最为广泛的烟气脱硝技术，反应无副产物，不会形成二次污染，脱除效率高达90%以上[9]，具有装置结构简单、运行可靠、便于维护等优点。生产工艺流程如图2所示。

图2　新戊二醇生产工艺流程示意

脱硝工艺主要设备有混合器、脱硝反应器、省煤器、液氨蒸发器、缓冲罐、烟囱。压力为2.6 MPa、质量分数为100%的液氨经过蒸发器形成氨气后进入缓冲罐，氨气与从锅炉排出的烟气一起进入混合器充分混合，均匀混合后再进入脱硝反应器去除烟气中的NOx，反应后的气体进入省煤器吸收多余的热量，最后从烟囱排出。脱硝单元控制流程如图3所示。

图3　脱硝单元控制示意

脱硝过程中需要对脱硝反应器中的压力、温度、NOx的质量浓度以及进入反应器的氨气体积流量进行控制。在监测点Q56970I可测得未经过脱硝反应器的烟气中NOx的质量浓度ρNOx1，ρNOx1需小于2 700 mg/m3；在监测点Q56971I可测得经过SCR脱硝装置后的NOx的质量浓度ρNOx2，ρNOx2需小于52 mg/m3。脱硝装置入口监测点T56970I处的烟气温度为t1，范围在250～400 ℃；脱硝装置出口监测点T56971I处的烟气温度为t2。脱硝装置入口P56970A和出口P56970B处压力分别为p1和p2，它们之间的差压若高于1.5 kPa将产生高位报警。

为了控制氨气的配量，设计了双控制回路切换的复杂控制回路。采用1个选择开关H56972在复杂控制回路和简单控制回路之间进行切换，操作员可在面板上进行选择任一回路。其中复杂控制回路通过控制器F56972C进行PID控制，简单控制回路通过控制器Q56971C进行PID控制，最终都通过调节阀F56972VK对氨气的体积流量进行调节[10]。

在简单控制回路中，控制器Q56971C可对NOx的质量浓度进行PID控制。控制器的输入值为ρNOx2的过程值，根据反应器出口处NOx质量浓度的变化来实时控制调节阀F56972VK的阀门开度。

在复杂控制回路中，控制器F56972C的输入值为进入混合器前氨气的体积流量，并通过计算qVNH3的值作为其设定值。qVNH3计算公式如下：

如果(qV1-qV2)·ρNOx1·Rs·10-3≤0.08·Vc a

那么qVNH3=(qV1-qV2)·ρNOx1·Rs·10-3

否则qVNH3=0.08·qV2

式中：E——常数，表示SCR效率， %；CNH3——常数，表示氨气泄漏的千分比浓度，‰；Ra——NH3与NOx质量浓度比值设定点；ρNOx1——混合器入口处烟气中NOx的质量浓度，mg/m3；qV1——烟囱中测点F56970I处烟气的体积流量，m3/h；qV2——测点F56971I处稀释气体的体积流量，m3/h。

4结束语

PCS7系统能够满足新戊二醇生产控制需求，系统运行稳定。该系统可灵活方便地进行硬件组态、网络配置、软件设计及上位机画面生成。通过CFC程序实现了回路切换。系统具有高可靠性，操作员操作方便，提高了生产效率，体现了DCS在化工行业的良好应用效果，是新戊二醇生产控制应用成功案例。

参考文献：

[1]王钧.新戊二醇的生产技术和市场前景[J].中国石油和化工标准与质量，2014(09)： 20-21.

[2]张冬梅，马江权，朱亚娟.羟基新戊醛加氢制新戊二醇催化剂及工艺[J].精细化工，2015(07)： 784-788.

[3]吴文娟，孙卫中，戴成勇.甲醛和异丁醛缩合加氢合成新戊二醇的研究[J].化学世界, 2015(01)： 42-46.

[4]唐意，叶顺流.DCS系统中Profibus-DP主站模块的研发[J].化工自动化及仪表，2013(07)： 905-907.

[5]石艳莉.Profibus_DP 现场总线的工程应用[J].电子技术与软件工程，2015(09)： 159-160.

[6]艾红.SIMATIC PCS7的CFC功能图在控制系统中的应用[J].化工自动化及仪表，2014(03)： 315-318.

[7]蒋贵仲，张华西.新戊二醇生产工艺研究进展[J].四川化工，2014(01)： 23-25.

[8]王凯，袁立宏，李林章.SCR烟气脱硝现场总线控制系统设计[J].自动化仪表，2014(04)： 67-69.

[9]上海西门子工业自动化有限责任公司工程.SIMATIC PCS7系统在石化炼油项目中的应用[J].中国仪器仪表，2009(02)： 36-38.

[10]邢元栋，侯树红.汽油加氢脱硫装置DCS中两个复杂控制回路的实现[J].化工自动化及仪表，2013(11)： 1442-1443.

Design and Application of Neopentyl Glycol Process Control System Based on PCS7

Fan Yu, Gu Xingsheng

(College of Information Science and Engineering, East China University of Science and Technology, Shanghai, 200237)

Abstract:Focusing on the function requirement of neopentyl glycol production control system, hardware configuration, network configuration and programming design are implemented with adoption of SIMATIC PCS7 system. The upper PC monitor interface is designed with WINCC software. The control system is designed on the base of introduction of neopentyl glycol production process with realization of double circuit switching of ammonia flow control for desulfur unit. The circuit switching shows the program flexibility make the process control more efficient. With characteristics of good safety, stable running and simple operation management, the system can improve the product quality and production capacity under guarantee of safe and stable manufacture.

Key words:configuration; neopentyl glycol; network configuration; circuit switching; CFC programming design

中图分类号：TP273

文献标志码：B

文章编号：1007-7324(2016)01-0042-04

作者简介：范宇(1989—)，女，华东理工大学控制工程专业在读硕士研究生，主要从事生产过程控制和集散控制系统方面的研究。

稿件收到日期： 2015-08-03，修改稿收到日期： 2015-10-28。