硫酸生产过程中基于InTouch和InControl的炉温控制系统研究

蔡珊珊 汤占军 瞿广飞 郭世海

(昆明理工大学信息工程与自动化学院，昆明 650504)

硫酸生产过程中基于InTouch和InControl的炉温控制系统研究

蔡珊珊 汤占军 瞿广飞 郭世海

(昆明理工大学信息工程与自动化学院，昆明 650504)

给出硫酸生产过程DCS系统的控制方案和硬件配置。通过对基于InTouch和InControl的炉温控制系统的实验研究，探究了硫酸生产过程DCS系统的可行性，结果表明：炉温控制系统运行稳定、可靠，温度控制快速、准确，对实现硫酸生产过程DCS系统具有一定的参考价值。

DCS系统 硫酸生产工艺 炉温控制系统 InTouch InControl PID

硫酸作为化学工业中约上千种化工产品的原料，在冶金、石油、国防及轻工业等领域中被广泛应用[1]。随着现代化的发展，硫酸的需求量越来越大，传统的硫酸工艺控制方法已经不能满足控制需求。

DCS系统是一种集散型工业控制系统[2]，它以微处理器为基础，对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制。DCS系统将若干台计算机分散应用于过程控制，全部信息通过通信网络由上位机监控，实现最优化控制，因此DCS系统具有常规仪表分散控制和计算机集中控制的优点[3]。笔者根据DCS系统的特点，将它应用于硫酸生产工艺控制中，并通过炉温控制系统的实验研究探究了硫酸生产过程DCS系统的可行性，以提高硫酸生产工艺的可靠性和稳定性，减少操作人员的劳动强度。

1 系统的控制方案①

硫酸生产过程DCS系统主要通过工艺环节和检测环节两部分来确定控制方案。

烟气制备硫酸的生产工艺流程如图1所示。整个工艺包括烟气净化工艺、烟气干燥工艺、烟气转化工艺和烟气吸收工艺。净化工段主要由冷却空塔、洗冲填料塔、空塔循环塔、填料塔循环塔、石墨间冷器和电雾冲洗泵槽组成，涉及的参数有浓度、液位及温度等。吸收工段采用填料塔，主要负责串酸，干燥工段通过串酸工艺与吸收工段相连。转化工段由外热交换器和四段中间换热式转化器组成，主要控制参数是温度。净化、干燥、转化、吸收作为烟气制酸工艺的四步工序，尤其是干燥(转化之前)与吸收(转化之后)工艺，两者在制酸工艺上置于首位，十分重要，因此必须密切协调，严格操作。

图1 烟气制备硫酸的生产工艺流程

系统需要检测的信号有温度、液位、流量、浓度、压力及pH值等[4]。这些过程参数分别通过热电阻或热电偶、液位计、流量计、浓度计、压力计及pH值传感器等检测后，配上相应的变送器经数据采集卡发送到上位机中。

2 系统配置

硫酸生产过程DCS系统的基本结构(图2)可分为现场控制装置、操作管理装置和通信系统3部分。系统采用分层结构模式，可分为过程控制级、控制管理级、生产管理级和经营管理级[5]。系统所需设备包括3个操作员站、一个工程师站、3个工控机、3个ADAM4520、22个ADAM4017+、15个ADAM4055和17个ADAM4024。

图2 硫酸生产过程DCS系统配置

工程师站负责完成系统配置、系统生成和系统下装。操作员站通过专用薄膜键盘、触摸屏及鼠标等完成总貌显示、流程图/趋势显示、报警观察与处理、报表打印及运行状态/故障显示等。

ADAM4520采用RS-422/RS-485模式传输信号，具有传输速率快、传输范围大和联网能力强的特点。ADAM4520中的电路可自动侦测数据流的方向，免除了网络中的握手请求，仅需两根导线即可构建一个RS-485网络。其传输速率最高可达115.2kbit/s[6]。

3 实验平台的设计与实现

硫酸生产过程DCS系统把计算机、仪表和电控技术融合在一起，并结合相应的组态软件来实现数据的自动采集、处理及工艺画面显示等功能。由图2可以看出，系统的硬件和软件都是按模块化结构设计的，将各种基本模块按实际的需要组合就能成为一个系统。而温度是硫酸生产过程中非常重要的工程参数，温控是生产过程中的重要模块。因此，以炉温作为控制研究对象，可为探究硫酸生产过程DCS系统提供实验平台。

3.1硬件平台构建

为验证DCS系统的可行性，在实验室设计了一套炉温控制系统实验平台(图3)。炉温控制系统的控制对象为电加热炉，输出控制信号用于控制电加热炉两端的电压，被控量为电加热炉的炉内温度。控温范围为0～1 000℃。控制任务是通过PID的输出信号来控制晶闸管导通角的大小进而控制炉温。

图3 炉温控制系统结构框图

系统硬件有220V交流电源、可控硅晶闸管、电炉、温度传感器、变送器、I/O模块、计算机和可控硅调压器。笔者采用的温度传感器为热电偶、变送器为智能仪表、数据采集卡为ADAM模块。系统周期性地对炉温进行检测，温度信号经过变送器转变成4～20mA电信号，再经A/D转换模块ADAM4017+变成RS-485格式的数字信号并进行传输，最后经RS-232/RS-485转换模块转变成RS-232格式的数字信号进入计算机。计算机将采样值与设定温度的下限值进行比较，如果比下限值低，则按一定的控制算法输出一个控制量，该控制量经RS-232/RS-485模块转换成RS-485格式的数字信号后进行传输，最后经D/A转换模块ADAM4024转变成模拟量信号，用来控制可控硅调压器以控制晶闸管，使炉温升高。

3.2系统软件设计

整个上位机控制软件由组态控制软件InTouch和InControl组成。InTouch组态软件界面主要由主画面、温度控制及保护板状态等组成[7]。软件部分完成软硬件的通信连接、参数设置、系统实时监控、炉温记录和历史曲线显示。

PID控制的核心技术是整定出PID控制器的3个最优参数，使PID控制达到所期望的控制效果[8]。PID参数整定有经验凑试法、衰减曲线法、临界比例度法和响应曲线法[9]。笔者采用的是经验凑试法，即先调P控制，其次PI，最后PID。经过多次调试，最后在InControl中的Turning选项属性框中设定P=48、I=8、D=0.3。炉温控制系统的实时曲线如图4所示。

图4 炉温控制系统的实时曲线

从图4可以看出，系统在一定时间后逐渐趋于稳定，温度控制在202.97℃左右，基本满足要求，投运结果比较理想，系统运行稳定、可靠。

4 结束语

针对传统的硫酸工艺控制方法不能满足控制需求的问题，笔者构建了一套硫酸生产过程DCS系统，并通过对基于InTouch与InControl组态的PID炉温控制系统的设计与实现探究了硫酸生产过程DCS系统的可行性。实验结果显示，炉温控制系统运行稳定、可靠，温度控制快速、准确。由于系统采用的是低功耗处理器，易维护，因此对实现硫酸生产过程DCS系统具有一定的实际应用参考价值。

[1] 王建军.基于化工发展史的“硫酸工业”教学设计[J].化学教育,2012,33(6):12～15.

[2] 张春野.DCS系统的设计与运用[J].中国化工贸易,2014,6(16):42.

[3] 路建安.集散型控制系统在特级酒精生产中的应用[J].大科技,2014,(33):349～350.

[4] 王俊杰.检测技术与仪表[M].武汉:武汉理工大学出版社,2009.

[5] 于海.浅谈集散控制系统组态[J].广东化工,2015,42(13):130～131.

[6] 邹律龙,张世亮.MT-506触摸屏在生产物流条形码识别系统中的应用[J].装备制造技术,2010,(8):79～81.

[7] 张强,梁秀霞,赵羽佳,等.基于模糊自整定PID的连续退火炉温度控制系统[J].自动化技术与应用,2014,33(8):29～31.

[8] 刘玲玲.PID参数整定技术的研究及应用[D].郑州:郑州大学,2010.

[9] 杨智,朱海锋,黄以华.PID控制器设计与参数整定方法综述[J].化工自动化及仪表,2005,32(5):1～7.

(Continued on Page 1047)

FurnaceTemperatureControlSysteminSulfuricAcidProductionBasedonInTouchandInControl

CAI Shan-shan, TANG Zhan-jun, QU Guang-fei, GUO Shi-hai

(FacultyofInformationEngineeringandAutomation,KunmingUniversityofScienceandTechnology,Kunming650504,China)

TH862

A

1000-3932(2016)10-1033-04

2016-02-29

国家自然科学基金项目(KKGD201303043)；昆明理工大学教育技术基金项目(013115)