吳 江 何旭斌 李洋輝

（浙江中控技術(shù)股份有限公司）（浙江龍盛化工研究有限公司）

0 概述

近幾年來，隨著國內(nèi)分散控制系統(tǒng) （DCS）的不斷成熟和完善，國產(chǎn)DCS逐步打破了國外DCS長期在化工行業(yè)壟斷的局面。浙江龍盛控股有限公司是一家以染料化工為主業(yè)的國家大型企業(yè)，2010年公司成功地對世界染料龍頭德司達(dá)公司的全球業(yè)務(wù)實(shí)行了完全控制，成為中國第一家擁有完善技術(shù)服務(wù)和產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、以染料為核心的世界級紡織化學(xué)用品生產(chǎn)服務(wù)商。從本世紀(jì)初起，浙江龍盛公司幾乎所有的化工生產(chǎn)線，包括新建的和改造的，都采用了浙江中控技術(shù)股份有限公司的WebField系列DCS 產(chǎn) 品 (JX300XP， ECS100， ECS700， GCS)。2010年龍盛公司成功收購德司達(dá)公司后，在國外重建了德司達(dá)化工中間體BFE的生產(chǎn)線。龍盛公司經(jīng)研究決定，采用浙江中控技術(shù)股份有限公司研制的WebField GCS控制系統(tǒng)對原西門子S7-300控制系統(tǒng)進(jìn)行更新改造。

由于該生產(chǎn)線原始的設(shè)計(jì)資料缺乏，原德司達(dá)有經(jīng)驗(yàn)的工藝人員流失，因此要想很好地完成該改造項(xiàng)目，只有對原有的西門子S7-300的原始程序進(jìn)行解讀來獲取控制方案。本次控制系統(tǒng)改造不僅要滿足原有的西門子S7-300的控制功能，而且還要增加自動化程度高、多重冗余、安全保護(hù)、先進(jìn)控制等功能。本文結(jié)合這次異地重建項(xiàng)目，闡述了國產(chǎn)分散控制系統(tǒng)WebField GCS在化工中間體BFE生產(chǎn)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，并介紹一些相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)和方法。

1 異地重建基本情況

隨著染料工業(yè)的迅速發(fā)展，我國染料市場的競爭越來越激烈。為了適應(yīng)市場不斷發(fā)展的需要，國內(nèi)不斷加快工業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化升級，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，提高勞動效率，提高企業(yè)效益。原德國德司達(dá)公司的化工中間體BFE的生產(chǎn)線S7-300經(jīng)過十多年的運(yùn)行已經(jīng)不能夠滿足生產(chǎn)需要，存在運(yùn)行成本高、生產(chǎn)效率低以及后期維護(hù)復(fù)雜等問題。因此公司提出了本項(xiàng)目控制系統(tǒng)的改造更新的總要求：設(shè)計(jì)合理、技術(shù)先進(jìn)、投資經(jīng)濟(jì)。

1.1 工藝流程介紹

化工中間體BFE的生產(chǎn)工藝比較復(fù)雜，在國內(nèi)屬于首例。其所生產(chǎn)的產(chǎn)品屬于化工行業(yè)的一種中間體，不論是原料還是產(chǎn)品都有劇毒，因此生產(chǎn)現(xiàn)場比較危險(xiǎn)。該項(xiàng)目屬于精細(xì)化工，先以幾種原料進(jìn)行配比，然后在反應(yīng)釜中進(jìn)行反應(yīng)、精餾。根據(jù)不同的原料配比和反應(yīng)條件，所獲得的產(chǎn)品分別是BFE、BFP、GFP三種 （三種產(chǎn)品都屬于化工中間體）。這三種產(chǎn)品不能夠同時生產(chǎn)，屬于典型的批量生產(chǎn)，即每個批次的生產(chǎn)都是相對獨(dú)立的，控制要求很高，邏輯復(fù)雜，而且要求全自動化生產(chǎn)。其生產(chǎn)工藝大致如下：反應(yīng)釜和WA4真空測試、原料配比、抽真空、反應(yīng)釜加熱、頭液蒸餾、主液蒸餾、尾液蒸餾、催化劑蒸餾、反應(yīng)釜排料、反應(yīng)釜沖洗、反應(yīng)釜冷卻、WA4蒸餾、WA4排料、殘鹽包裝。其工藝流程如圖1所示。

圖1 化工中間體BFE生產(chǎn)工藝流程

圖1所示的生產(chǎn)流程，是一個批次產(chǎn)品完整的生產(chǎn)流程。一批產(chǎn)品生產(chǎn)完畢，即開始下一批生產(chǎn)，這樣循環(huán)往復(fù)，每批的生產(chǎn)周期大約48 h。

1.2 設(shè)計(jì)要求

本次項(xiàng)目改造的總要求是設(shè)計(jì)合理、技術(shù)先進(jìn)、投資經(jīng)濟(jì)。重建的控制系統(tǒng)不僅要滿足原有反應(yīng)釜溫度控制和真空壓力控制的穩(wěn)定，而且還必須滿足以下幾項(xiàng)要求。

（1）自動化程度高 由于該產(chǎn)品和原料都具有毒性，因此操作員在現(xiàn)場操作具有很高的危險(xiǎn)性。為了應(yīng)對毒性危險(xiǎn)，現(xiàn)場所有的控制和監(jiān)視都引入了DCS控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)DCS對現(xiàn)場的全監(jiān)視和控制，包括現(xiàn)場通風(fēng)系統(tǒng)和火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)等。

（2）多重冗余 為了確保整套系統(tǒng)的安全性，該DCS系統(tǒng)設(shè)計(jì)了多重冗余，包括對UPS電源、系統(tǒng)電源、主控制模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊和網(wǎng)絡(luò)等實(shí)現(xiàn)全冗余。

（3）安全保護(hù) 考慮到該生產(chǎn)的特殊性，避免不必要的危險(xiǎn)，根據(jù)國家和企業(yè)目前的安全要求，現(xiàn)場每層樓都裝有專門的有害氣體泄漏報(bào)警系統(tǒng)和通風(fēng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)燈光和聲音的雙重報(bào)警，所有這些報(bào)警信息都連入DCS控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視。另外，人員進(jìn)入現(xiàn)場必須攜帶防護(hù)設(shè)備。DCS設(shè)置了大量的安全連鎖保護(hù)功能。

（4）先進(jìn)控制 由于產(chǎn)品對反應(yīng)釜的真空壓力控制和溫度曲線控制要求非常嚴(yán)格，因此結(jié)合對反應(yīng)釜的控制經(jīng)驗(yàn)以及用戶實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)而設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)反應(yīng)釜的真空壓力穩(wěn)定控制和溫度曲線穩(wěn)定控制，滿足產(chǎn)品生產(chǎn)的需要。

2 控制系統(tǒng)方案介紹

根據(jù)生產(chǎn)工藝和管理的需要，在滿足原有的控制功能要求外，本次控制系統(tǒng)方案還包括如下內(nèi)容。

2.1 多重冗余

隨著信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、DCS技術(shù)的不斷發(fā)展，GCS產(chǎn)品很容易地解決了系統(tǒng)多重冗余的問題。采用冗余的UPS不間斷電源給系統(tǒng)供電，系統(tǒng)電源和外配電源采用冗余設(shè)計(jì)，系統(tǒng)主控制模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊和網(wǎng)絡(luò)也實(shí)現(xiàn)冗余設(shè)計(jì)。為了實(shí)現(xiàn)各個操作站之間操作監(jiān)視的穩(wěn)定性，各個操作站之間棄用傳統(tǒng)的CS模式 （客戶端與服務(wù)器模式），而是采用Peer to Peer的對等結(jié)構(gòu)，即任何一臺操作站突然死機(jī)或者關(guān)機(jī)，都不會影響整個生產(chǎn)系統(tǒng)的運(yùn)行和操作。為了節(jié)省成本，減少計(jì)算機(jī)主機(jī)數(shù)量，每臺電腦都實(shí)現(xiàn)雙顯示器監(jiān)控。具體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 新的WebField GCS控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 安全保護(hù)

安全保護(hù)是任何企業(yè)最基本也是最嚴(yán)格的要求，是企業(yè)安全運(yùn)行的保障。對于BFE化工中間體，由于原料和產(chǎn)品都有劇毒，因此安全保護(hù)就顯得格外重要。具體保護(hù)措施體現(xiàn)在下述四個方面。

（1）現(xiàn)場每層樓都裝有專門的有害氣體泄漏報(bào)警系統(tǒng)和通風(fēng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)燈光和聲音的雙重報(bào)警，所有這些報(bào)警信息都連入DCS控制系統(tǒng)，由DCS實(shí)現(xiàn)其安全連鎖保護(hù)功能。

（2）所有操作員進(jìn)入現(xiàn)場進(jìn)行檢查和操作，都必須嚴(yán)格穿戴整齊的防護(hù)服和防毒面具。

（3）安全聯(lián)鎖系統(tǒng)是對化工生產(chǎn)裝置可能發(fā)生的危險(xiǎn)或不采取措施將繼續(xù)惡化的狀態(tài)進(jìn)行響應(yīng)和保護(hù)，從而保障化工企業(yè)的安全生產(chǎn)，避免重大人身傷害及重大設(shè)備損害的控制系統(tǒng)。DCS系統(tǒng)結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際需要，設(shè)置了大量的安全連鎖，包括設(shè)備保護(hù)連鎖、工藝連鎖等。

（4）DCS與現(xiàn)場設(shè)備之間的部分模擬量采用安全柵進(jìn)行隔離，開關(guān)量輸入信號DI和輸出信號DO均采用繼電器進(jìn)行隔離。

2.3 自動化程度高

由于該產(chǎn)品和原料都具有劇毒，因此操作員在現(xiàn)場操作具有很高的危險(xiǎn)性。為了減少危險(xiǎn)，現(xiàn)場所有的控制和監(jiān)視都引入了DCS控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)DCS對現(xiàn)場的全監(jiān)視和控制，包括現(xiàn)場通風(fēng)系統(tǒng)和火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)等。另外，對整個工藝過程的控制，不同的產(chǎn)品以及在不同的控制階段，都采用順控實(shí)現(xiàn)自動化控制，最后再對整個過程采用大順控，通過 “啟動”、 “暫停”、 “中斷”、 “繼續(xù)”、 “停止”、 “復(fù)位”等按鈕實(shí)現(xiàn)完全自動化操作。

2.4 先進(jìn)控制

由于BFE產(chǎn)品對反應(yīng)釜的真空壓力控制和溫度曲線控制要求非常嚴(yán)格，因此將以前對反應(yīng)釜的控制經(jīng)驗(yàn)以及用戶實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合而設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)反應(yīng)釜的真空壓力控制和溫度曲線的穩(wěn)定控制，滿足產(chǎn)品生產(chǎn)的需要。反應(yīng)釜的控制流程如圖3所示。

圖3 反應(yīng)釜的控制流程

2.4.1反應(yīng)釜真空壓力控制

反應(yīng)釜真空壓力控制如圖3所示。由于該產(chǎn)品和原料都有劇毒，因此絕不能泄漏。該產(chǎn)品的蒸餾餾分屬于易揮發(fā)物料，因此整個生產(chǎn)過程中，整個系統(tǒng)都必須在負(fù)壓 （即一定的真空度）下進(jìn)行操作。每次生產(chǎn)前的第一步，系統(tǒng)必須按如下步驟測試真空度：在規(guī)定的時間內(nèi)，抽真空到指定值，然后保持一段時間，看看反應(yīng)釜內(nèi)的真空度 （壓力）變化有沒有超過設(shè)定值，如果小于設(shè)定值，說明這個系統(tǒng)密封性良好，閥門不泄漏，可以開始生產(chǎn)。如果在規(guī)定的時間內(nèi)抽不到指定的真空度值，或者在規(guī)定的時間內(nèi)，反應(yīng)釜內(nèi)的真空度變化值大于設(shè)定值，就說明存在泄漏，必須進(jìn)行仔細(xì)的檢查，查找出泄漏點(diǎn)進(jìn)行處理，否則不能進(jìn)行生產(chǎn)。

反應(yīng)釜RA200（見圖3）在反應(yīng)過程中，真空壓力控制要求非常嚴(yán)格，而且反應(yīng)釜內(nèi)的反應(yīng)是放熱反應(yīng)，再加上在不同的溫度段，產(chǎn)品負(fù)荷也在不停地變化，因此對真空度的要求也不一樣。由于反應(yīng)釜內(nèi)的壓力經(jīng)常變化，所以要通過不斷的抽真空或者加N2來控制真空壓力，整個壓力控制過程是非常復(fù)雜的，參照圖4真空壓力控制框圖就可以看出來。反應(yīng)釜內(nèi)的真空度跟分離塔頂部和底部的壓力變化曲線的斜率（折線表）有關(guān)，也跟塔頂壓力變化偏差（折線表）有關(guān)，其控制框圖如圖4所示。

2.4.2反應(yīng)釜溫度控制

圖4 反應(yīng)釜真空壓力控制框圖

反應(yīng)釜的溫度控制分為兩個部分，一部分是蒸餾階段升溫曲線控制，另一部分是產(chǎn)品蒸餾完成后的降溫控制。對于整個過程來講，蒸餾階段的升溫曲線控制最重要，關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量和能源消耗；降溫控制過程則相對簡單，按照一個固定的降溫曲線進(jìn)行降溫即可。下面著重介紹蒸餾階段的溫度曲線控制。

整個反應(yīng)釜的溫度是通過熱油和冷油來控制的，加溫過程開熱油，降溫過程開冷油。為了節(jié)省能耗，保持溫度控制的穩(wěn)定性，熱、冷兩種油不能夠同時打開。由于反應(yīng)釜內(nèi)的溫度變化嚴(yán)重滯后，因此只需通過控制熱油或者冷油的溫度穩(wěn)定即可達(dá)到控制反應(yīng)釜內(nèi)溫度的目的。反應(yīng)釜的具體升溫過程分為如下四個階段：

第一階段，反應(yīng)釜的溫度按照一定的升溫速率快速升到指定的溫度值，然后反應(yīng)釜內(nèi)開始進(jìn)行蒸餾過程。蒸餾過程包括頭液蒸餾、主液蒸餾和尾液蒸餾三個階段。

第二階段，頭液蒸餾，這時需要根據(jù)分離塔內(nèi)的真空度和真空度變化值 （折線表）以及熱油溫度WT8T20的折線表來控制反應(yīng)釜內(nèi)的升溫曲線，這個過程大概持續(xù)幾個小時。

第三階段，主液蒸餾，這是整個蒸餾過程中的主要過程，也是時間最長的過程，這一階段是生產(chǎn)BFE產(chǎn)品的主要階段。在這個過程中溫度曲線受分離塔內(nèi)的真空壓力折線表和變化速率折線表控制，同時熱油溫度設(shè)定變化折線表也對反應(yīng)釜的溫度進(jìn)行控制。

第四階段，尾液蒸餾，這一階段的控制原理同第三階段，只是折線表的參數(shù)不同而已。

反應(yīng)釜加熱油溫度設(shè)定控制框圖如圖5所示。

圖5 反應(yīng)釜加熱油溫度設(shè)定控制框圖

WebField GCS控制系統(tǒng)是中控公司控制系統(tǒng)家族的重要成員，是一套兼具電氣控制、分散控制和多種控制規(guī)模的混合控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅擁有常規(guī)DCS系統(tǒng)強(qiáng)大的模擬量處理和回路控制功能，還兼具快速邏輯控制功能，可靈活實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、過程控制、順序控制和遠(yuǎn)程通信等實(shí)時任務(wù)。該系統(tǒng)構(gòu)造簡單、配置靈活、易于維護(hù)，且符合開放性標(biāo)準(zhǔn)，可廣泛應(yīng)用于傳統(tǒng)流程工業(yè)的各種中小型裝置。鑒于以上的系統(tǒng)功能特點(diǎn)，WebField GCS系統(tǒng)完全符合該項(xiàng)目的功能控制特點(diǎn)和要求，并完美地實(shí)現(xiàn)了該項(xiàng)目的各個需求，得到了用戶滿意的評價(jià)。

3 總結(jié)

本項(xiàng)目自完成試車后，不僅控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，控制功能完全滿足工藝要求，自動控制投運(yùn)率高，而且實(shí)現(xiàn)了異地改造前提出的總要求 “設(shè)計(jì)合理、技術(shù)先進(jìn)、投資經(jīng)濟(jì)”。其主要特點(diǎn)如下：

（1）改造后的控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)清晰，操作管理權(quán)限明確，安全措施可靠，性價(jià)比高，為企業(yè)節(jié)約了大量資金，提高了企業(yè)管理水平 （改造前，在德國該產(chǎn)品一直處于虧損狀態(tài)，控制系統(tǒng)重建后該產(chǎn)品一生產(chǎn)就開始盈利）。

（2）改造后，通過大量的連鎖和順序控制，既保證了整個系統(tǒng)運(yùn)行的安全，也保證了整個過程完全自動化控制和操作員操作維護(hù)的便利性。

（3）反應(yīng)釜的真空壓力控制和溫度曲線控制成功投運(yùn)，不僅提高了產(chǎn)品質(zhì)量和自動化水平，而且大大減輕了勞動強(qiáng)度，提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率。

[1] 候志林.過程控制與自動化儀表 [M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

[2] 王凌峰，陳家進(jìn).現(xiàn)代工業(yè)自動化軟件設(shè)計(jì)：原理與應(yīng)用實(shí)例 [M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.