楊南

化工部長(zhǎng)沙設(shè)計(jì)研究院 ，湖南長(zhǎng)沙，410116

精細(xì)化工生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

楊南

化工部長(zhǎng)沙設(shè)計(jì)研究院 ，湖南長(zhǎng)沙，410116

隨著我國(guó)工業(yè)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)對(duì)化工產(chǎn)品的需求量越來(lái)越大，化學(xué)產(chǎn)業(yè)占我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的比重也逐年升高。傳統(tǒng)的化學(xué)生產(chǎn)模式產(chǎn)量小，且產(chǎn)品質(zhì)量較差，只能生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單的產(chǎn)品，已經(jīng)難以滿足我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)需求。精細(xì)化工可以有效解決上述問題，但我國(guó)的精細(xì)化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展比較滯后，精細(xì)化工產(chǎn)業(yè)的自動(dòng)化、智能化水平較低，目前市場(chǎng)要求化學(xué)產(chǎn)業(yè)可以實(shí)現(xiàn)多位間歇批量生產(chǎn)，需要化學(xué)生產(chǎn)過(guò)程的柔性更高，但國(guó)內(nèi)很多企業(yè)仍然停留在局部檢測(cè)的水平，導(dǎo)致化工生產(chǎn)效率與質(zhì)量均不高，而且難以保證化工生產(chǎn)的安全性。本文將深入研究我國(guó)精細(xì)化工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，并提出精細(xì)化工生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)的構(gòu)建方案，為我國(guó)精細(xì)化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供參考。

精細(xì)化工；生產(chǎn)過(guò)程；控制系統(tǒng)；構(gòu)建；設(shè)計(jì)

目前，我國(guó)現(xiàn)有的化工產(chǎn)業(yè)仍然停留在比較原始的生產(chǎn)模式，很多企業(yè)仍然沒有實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化生產(chǎn)模式，嚴(yán)重制約了我國(guó)化學(xué)產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。精細(xì)化工具備較高的生產(chǎn)效率，同時(shí)可以最大限度的提高化學(xué)產(chǎn)品的質(zhì)量，精細(xì)化工可以有效保證生產(chǎn)過(guò)程安全性，降低化學(xué)生產(chǎn)過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)。精細(xì)化工不僅僅需要化工工藝的支持，還需要控制系統(tǒng)的支持，將自動(dòng)化控制系統(tǒng)應(yīng)用于精細(xì)化工生產(chǎn)中，可以有效降低化工生產(chǎn)的人力成本。精細(xì)化工具備傳統(tǒng)化工生產(chǎn)模式難以比較的優(yōu)勢(shì)，精細(xì)化工生產(chǎn)模式將是我國(guó)化工產(chǎn)業(yè)未來(lái)數(shù)十年的發(fā)展趨勢(shì)，而精細(xì)化工過(guò)程控制系統(tǒng)將是我國(guó)精細(xì)化工產(chǎn)業(yè)的必然選擇，下面將詳細(xì)闡述精細(xì)化工的概念以及我國(guó)精細(xì)化工產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀。

1 精細(xì)化工簡(jiǎn)介

精細(xì)化工產(chǎn)業(yè)的主要產(chǎn)品是精細(xì)化學(xué)品，精細(xì)化工產(chǎn)業(yè)是工業(yè)領(lǐng)域中的新興領(lǐng)域，同時(shí)也為新材料制造提供了解決方案，精細(xì)化工產(chǎn)業(yè)涉及的產(chǎn)品很多，而且這些產(chǎn)品的附加值較高，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種高新領(lǐng)域，比如激光制導(dǎo)武器中的稀土產(chǎn)品、高像素?cái)z像頭、電子工業(yè)產(chǎn)品中的貼片式元件等，精細(xì)化工產(chǎn)業(yè)與傳統(tǒng)應(yīng)用型產(chǎn)業(yè)具備一定差異性，傳統(tǒng)工業(yè)產(chǎn)業(yè)，如機(jī)械等都具備接觸的產(chǎn)品，但精細(xì)化工的產(chǎn)品一般不會(huì)直接供應(yīng)給消費(fèi)者，而是應(yīng)用于其他工業(yè)生產(chǎn)，為其他工業(yè)生產(chǎn)提供原料，精細(xì)化工率已經(jīng)成為衡量國(guó)家工業(yè)水平的重要指標(biāo)。

2010年以來(lái)，全球精細(xì)化工產(chǎn)業(yè)的年均增長(zhǎng)率超過(guò)6%，全球精細(xì)化工產(chǎn)品種類10萬(wàn)種，而且西方發(fā)達(dá)國(guó)家的精細(xì)化工產(chǎn)業(yè)占化工產(chǎn)業(yè)比重60%以上，美國(guó)的精細(xì)化工產(chǎn)品年均銷售額已經(jīng)突破1250億美元。目前，我國(guó)精細(xì)化工產(chǎn)品的生產(chǎn)率較低，且精細(xì)化工率僅僅35%，另外，現(xiàn)有的很多精細(xì)化工企業(yè)都屬于中外合資，但我國(guó)精細(xì)化工產(chǎn)業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越強(qiáng)，我國(guó)精細(xì)化工產(chǎn)業(yè)的時(shí)長(zhǎng)潛力十分巨大。我國(guó)已經(jīng)具備25個(gè)門類的精細(xì)化工產(chǎn)品，全國(guó)精細(xì)化工產(chǎn)品總值超過(guò)1500億元，國(guó)家已經(jīng)在逐步加大精細(xì)化工產(chǎn)業(yè)的投入。

2 精細(xì)化工生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)框架

2.1 工藝分析

本次研究的精細(xì)化工生產(chǎn)線的重點(diǎn)是反應(yīng)釜，反應(yīng)釜廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，包括化肥、石油、醫(yī)藥、食品等，其主要作用是完成氫化、存儲(chǔ)、蒸餾、中和、水解、結(jié)晶等，精細(xì)化工的反應(yīng)釜必須實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化進(jìn)料、出料、反應(yīng)、指標(biāo)控制等，反應(yīng)釜的主要結(jié)構(gòu)包括電機(jī)、減速機(jī)、內(nèi)盤管、夾套、攪拌槳、放料閥、加熱管等。本次研究的項(xiàng)目是某公司的精細(xì)化工中間體生產(chǎn)線，該生產(chǎn)線共包括13個(gè)反應(yīng)釜，根據(jù)生產(chǎn)工藝可以將生產(chǎn)線分為三個(gè)部分包括配液、反應(yīng)以及后處理，而且這三段工藝分別涉及了三個(gè)反應(yīng)釜，配液是為生產(chǎn)過(guò)程提供液體物料，反應(yīng)工業(yè)流程的工藝最復(fù)雜，需要控制的指標(biāo)很多，后處理流程將對(duì)反應(yīng)釜的水相中萃取回收有機(jī)物。

圖1 精細(xì)化工生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)的框架圖

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是以精細(xì)化工生產(chǎn)過(guò)程控制為基礎(chǔ)，且本次生產(chǎn)的原料比較貴重，需要嚴(yán)格控制溫度，而且生產(chǎn)過(guò)程不能終止，否則會(huì)造成原料浪費(fèi)，可能造成產(chǎn)品不良率上升，除此之外，反應(yīng)釜壓力也是一項(xiàng)十分重要的指標(biāo)，如果反應(yīng)釜的壓力過(guò)高，將直接導(dǎo)致反應(yīng)釜出現(xiàn)泄露，甚至威脅生產(chǎn)安全，因此，本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)必須具備較高的可靠性與容錯(cuò)性。本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)基于全自動(dòng)化集成設(shè)計(jì)的思路，本系統(tǒng)的核心是S7-400H冗余系統(tǒng)，并將WinCC作為系統(tǒng)的操作監(jiān)控終端。S7-400H冗余系統(tǒng)實(shí)際分為兩個(gè)子系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)均具備獨(dú)立中央控制器UR1/UR2，另外每個(gè)系統(tǒng)均具備一塊容錯(cuò)功能的CPU以及一塊PS407電源模塊，本系統(tǒng)采用了過(guò)程控制原理，控制人員在中控室利用控制終端進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)控制，系統(tǒng)的控制方式為S7-400H工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)。圖1為精細(xì)化工生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)的框架。

3 系統(tǒng)各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)使用的控制器為過(guò)程控制單元，屬于典型的集散型控制系統(tǒng)，本次設(shè)計(jì)選用的控制器為CPU 414-5H PN/DP，CPU具備2MB的代碼與2MB的數(shù)據(jù)內(nèi)存，CPU具備容錯(cuò)冗余安全功能。系統(tǒng)的總線模塊為IM153-2，該模塊一共具備12個(gè)I/O接口，系統(tǒng)的通訊模塊主要負(fù)責(zé)連接現(xiàn)場(chǎng)終端，本次設(shè)計(jì)采用ET200M分布式I/O模塊，屬于S7-300系列，系統(tǒng)的質(zhì)量流量計(jì)輸出為兩路脈沖信號(hào)，一組為質(zhì)量脈沖信號(hào)，控制精度為1/2400Kg，另一組為簡(jiǎn)單的數(shù)字量輸入模塊，系統(tǒng)的電源采用了10A的PS407模塊。除了上述系統(tǒng)直接硬件設(shè)計(jì)外，還需要對(duì)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程操作終端進(jìn)行設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)的終端機(jī)以IPC-510為基礎(chǔ)，同時(shí)需要對(duì)終端進(jìn)行防沖擊、防腐蝕、防磁等設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的人機(jī)交互模塊均采用TP1200觸摸屏。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)采用的軟件編程系統(tǒng)為Step7，該軟件包是一種用于SIMATIC可編程邏輯控制器的組態(tài)軟件系統(tǒng)，已有的Step7系統(tǒng)包括了兩個(gè)版本，一種屬于簡(jiǎn)化單機(jī)程序系統(tǒng)，包括STEP 7 Micro/DOS和STEP 7 Micro/Win，另一種屬于標(biāo)準(zhǔn)軟件包，包括STEP 7 等。本系統(tǒng)采用的編程系統(tǒng)為STEP 7 V5.5+SP2+HF1 Chinese，該系統(tǒng)的大部分模塊已經(jīng)漢化。本系統(tǒng)的軟件為S7 Graph順序控制程序。除了系統(tǒng)的主控制模塊設(shè)計(jì)之外，還需要對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)子單元進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括氣動(dòng)開關(guān)閥程序設(shè)計(jì)、模擬量采集程序設(shè)計(jì)、電機(jī)控制程序設(shè)計(jì)、智能空壓介質(zhì)控制設(shè)計(jì)以及水與有機(jī)相的分離程序設(shè)計(jì)，除了上述程序模塊設(shè)計(jì)外，還需要重點(diǎn)對(duì)反應(yīng)度的溫度進(jìn)行控制，控制的基礎(chǔ)為PID閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。

3.3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

精細(xì)化工生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)的通信方式采用了S7-400H冗余配置，因此系統(tǒng)中的S7-400H與S7-300之間的通訊必須為容錯(cuò)連接模式，而SIMATIC 工業(yè)以太網(wǎng)本身就提供了容錯(cuò)連接方式，但這種連接僅僅局限在上位機(jī)與S7-400H之間，向S7-400H與S7-300之間增加Y-LINE，可以實(shí)現(xiàn)冗余連接，另外，S7-400H與S7-300之間的冗余連接采用了PROFIBUS-DP通訊協(xié)議，PROFIBUS-DP通訊協(xié)議屬于典型的開放式現(xiàn)場(chǎng)總線，其傳輸速度可以靈活選擇9.6KB-12MB之間的任一頻道，在使用前需要將總線上的通訊速度調(diào)節(jié)為一致，PROFIBUS-DP通訊總線的自動(dòng)化程度較高，PROFIBUS-通訊協(xié)議主要分為三個(gè)部分包括PROFIBUS-DP、PROFIBUS-A以及PROFIBUS-FMS。

4 結(jié)語(yǔ)

精細(xì)化工生產(chǎn)模式具備傳統(tǒng)化工生產(chǎn)模式難以比較的優(yōu)勢(shì)，精細(xì)化工過(guò)程控制系統(tǒng)可以有效提高化工生產(chǎn)效率，保證化工產(chǎn)品的質(zhì)量，降低化工生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)。本文結(jié)合某產(chǎn)線實(shí)際建設(shè)情況，深入探究了精細(xì)化工過(guò)程的工藝與控制要點(diǎn)，最終確定了基于全自動(dòng)化集成設(shè)計(jì)的思路，本系統(tǒng)的核心是S7-400H冗余系統(tǒng)，并將WinCC作為系統(tǒng)的操作監(jiān)控終端。本文結(jié)合化工生產(chǎn)的特定與工藝流程，確定了系統(tǒng)的總體硬件與軟件設(shè)計(jì)方案，系統(tǒng)對(duì)化工生產(chǎn)過(guò)程的關(guān)鍵步驟進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，監(jiān)控的內(nèi)容包括水和有機(jī)相分離的問題以及壓空介質(zhì)問題等，除此之外，本文深入研究了反應(yīng)釜的溫度控制問題，根據(jù)反饋的數(shù)據(jù)可以看出，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)已經(jīng)具備較好的使用效果，最后對(duì)系統(tǒng)的界面以及網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)計(jì)，希望本文的研究有利于推動(dòng)我國(guó)精細(xì)化工產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。

[1]王靜,李鐘琦.PROFINET技術(shù)在廣東清遠(yuǎn)抽水蓄能電站的應(yīng)用[J].中國(guó)儀器儀表.2013(09):46-48.

楊南/1988年生/男/安徽蚌埠人/本科/助理工程師/研究方向?yàn)榛瘜W(xué)工程與工藝