一种小型精细化工生产装置综合自动化控制系统的设计

一种小型精细化工生产装置综合 自动化控制系统的设计

邹志云刘燕军刘兴红赵丹丹郭宇晴郭宁防化研究院，北京 １０２２０５摘要：分析了某小型精细化工生产装置自控系统的现状和问题，提出了设计该小型精细化工生产装置新一代自控系统的基本原则，确定了新一代自控系统应由基本过程控制系统、安全防护控制系统和仿真培训系统等组成，详细论述了采用计算机集成控制系统及配方处理技术实现该小型精细化工生产装置间歇生产过程全面自动控制的技术方案，并讨论了该小型精细化工生产装置的在线质量控制、电气控制、多层安全防护控制和仿真培训系统等的设计技术方案。按此构想设计的新一代小型精细化工生产装置自控系统预期可以达到安全可靠、技术先进的建设目标。关键词：精细化工过程；间歇过程控制；集成控制；安全防护控制；在线质量控制；仿真培训《冶金自动化》２０１４年Ｓ２控系统相连，实现Ｔ艺过程的仿真培训、仿真演示，提高操作人员的培训效率及其安全操作和事故紧急处置技能。自控系统、非正常工况管理系统、安全仪表系统与泄漏自动检测和洗消系统、污染控制与防治系统等一起组成该小型精细化工生产装置的安全防护层。１基本过程控制系统设计技术方案根据工艺专业的初步检测、控制要求确定的该小型精细化工生产装置基本过程控制系统的硬件分系统和软件分系统设计方案分别如图１和图２所示。

图１基本过程控制系统的硬件设计方案

图２基本过程控制系统的软件设计方案分别对原料准备装置、主生产装置１、主生产装置２、主生产装置３、产品灌装线、三废处理装置、辅助工艺装置等现场工艺过程设置现场控制站，运行现场控制软件，通过基础控制器对工艺过程进行就地集中操作、控制。中央控制室中的操作控制装置通过实时以太网、现场总线等数据通信网与各现场控制站进行数据通信。在中央控制室，设置３个操作员站（０ｐｅｒａｔｏｒＳｔａｔｊｏｎ，０ｓ），运行监控软件，对。ｒ艺过程进行遥控和自控；设置１套大屏幕投影显示系统用于工艺过程运行情况的显示及对生产装置的演示介绍；设置１个工程师站（ＥｎｇｉｎｅｅｒＳｔａｔｉｏｎ，ＥＳ），运行组态软件，对控制系统进行组态编程、软件开发和系・６３０・统调试；设置ｌ台问歇生产控制服务器（ＢａｔｃｈＣｏｎｔｒｏｌｓｅｒｖｅｒ），运行ＳｉｍａｔｉｃＢａｔｃｈ等问歇过程批处理控制软件，实现基于工艺操作规程的间歇生产过程的自动操作和运行；设置１台实时数据库与生产管理服务器用于从现场采集、存储和管理Ｔ艺过程实时运行数据，运行实时数据库（ＲｅａｌＤＢ）、制造执行系统（ＭａＪｌｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＥｘｅｃｕｔｉｏｎＳｙｓ—ｔｅｍ，ＭＥｓ）等软件对生产过程进行信息化管理。２工艺过程的配方处理和控制技术方案工艺生产过程的配方（Ｒｅｃｉｐｅ）是按Ｔ艺操作规程确定的控制软件运行菜单，它包括标题（辨识生产的产品及其规格型号）、程序（规定了生产一类产品所需的牛产操作及其顺序）、设备要求（规定了产品生产需要的设备类型、尺寸以及材质等要求）、计算式（与产品生产程序相关的一组数据，包括原料组分的品种规格、数量以及操作条件等工艺参数）等４方面内容。５。。选用ｓｊｍａｔｉｃＰｃｓ７等计算机集成控制系统，应用其ＳｉｍａｔｉｃＢａｔｃｈ等问歇过程批处理控制软件进行编程开发，按ＩｓＡＳＰ８８间歇过程控制标准。６’７１依序建立各生产单元的通用配方、现场配方、主配《冶金自动化》２０１４年Ｓ２方和控制配方。配方中均包括了名称（产品名称）、程序（操作顺序，如加热、混合、反应等操作单元组成的生产程序）、公式（工艺参数，如原料组分和数量、温度、时间等工艺参数计算公式）、设备（要求的设备）等内容。在ｓｉｍａｔｉｃＢａｔｃｈ中可较方便地完成配方的建立和编辑，配方的传递和存取，在线修改配方以及配方在计算机控制系统上的应用实施等任务，从而实现该精细化工牛产装置中各间歇生产工艺过程的全面自动操作和控制。对不同产品的生产，可根据其生产工艺操作规程，采用ｓｉｍａｔｉｃＰＣＳ７计算机集成控制系统，事先用ｓｉｍａｔｉｃＢａｔｃｈ建立其生产工艺配方，开发好控制配方软件，事先在现场安装、调试好，在生产时运行不同的控制配方即町。３计算机集成控制系统设计技术方案应用计算机集成控制技术，设计由过程控制系统（ＰｍｃｅｓｓＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍ，ＰＣｓ）和制造执行系统组成的小型精细化工生产装置计算机集成控制系统（ＣｏｍｐｕｔｅｒＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＰｒｏｃｅｓｓＳｙｓｔｅｍ，ＣＩＰｓ），实现该小型精细化工生产装置生产过程顺序控制、离散控制和调节控制的集成，以及生产过程的操作、控制和管理的集成，提高该小型精细化工生产装置的综合自动化水平。８。９Ｊ。其中的总线式数据通信子系统，主要应用Ｐｍ胁ｕｓ—ＤＰ现场总线和工、业以太网数据通信技术，实现精细化工装置生产工艺过程的单机系统、分散单元、功能软件及运行数据的集成，实现测量、控制数据的高速、可靠实时数据交换，保证计算机集成控制系统的稳定、可靠运行。由于该小型精细化工生产装置的工艺介质一般腐蚀性较强，需要选用耐腐蚀材质制作的设备，或进行搪瓷、喷涂耐腐蚀材料，选用耐腐蚀材料衬里等方法进行防腐。自控系统的传感器、执行机构等与工艺介质接触部分都要考虑可靠、有效的防腐蚀措施，除与工艺设备防腐采用相同的方法外，有时由于传感器、执行机构的口径小难以采用与工艺设备相同的方法，还需进行专门的防腐蚀传感器、执行机构研制或特殊定制加工。有的工艺介质具有易燃易爆等特性，这时就需设计防爆控制系统，可采用隔离防爆或本质安全防爆等防爆方法，必要时也可选用本身防爆的气动仪表。４在线质量控制系统设计技术方案应用近红外光谱仪或拉曼光谱仪及其检测技术，对该小型精细化工生产装置生产所用原料，生产的中间体和产品的组分、浓度等参数进行在线检测，与取样分析化验相结合，设计和应用分析化验实验室信息管理系统（ＬＩＭｓ），联接到该小型精细化工生产装置的计算机集成控制系统中，实现该小型精细化工生产装置生产质量的在线实时控制。其中，通过取样、配样，应用化学计量学方法事先建立该小型精细化工生产装置常用化学品的近红外光谱分析模型库，可实现该小型精细化工生产装置生产过程的全面在线质量控制。１”“。。近红外光谱分析系统在该小型精细化工生产装置质量检测中的应用方案如图３所示。

图３近红外光谱在线分析系统应用方案５电气控制系统设计技术方案电气控制系统包括生产用电控制和照明用电控制两部分，由配电开关柜、就地控制盒和遥控系统等组成。配电开关柜设置在配电室内，就地控制盒设置在生产车间内各工艺装置旁，方便工艺人员就地操作；电气系统的遥控子系统采用ＰＣＳ７的Ｅ他００Ｓ模块，可集成到ＰＣＳ７集成控制系统中，根据工艺过程自动运行要求，实现电动机、泵、电加热器等电气设备的自动起停。设计发电机房，选用柴油发电机等自发电设备，在市电停电时，紧急启用自发电设备。６安全防护控制系统设计技术方案该小型精细化工生产装置的安全防护控制系统包括基本自控系统、非正常工况管理系统（ＡｓＭ）、紧急停车系统（ＥｓＤ）或安全仪表系统（ｓｌｓ）、泄漏自动检测和洗消系统、污染控制与防

・６３ｌ《冶金自动化》２０１４年Ｓ２治系统等层级，町实现精细化学品生产的多层安全保护…。１“。罔４所示为安全防护控制系统组成示意图。图４安全防护控制系统组成示意图其中，非正常工况管理系统（ＡｓＭ）通过应用统计监控、故障诊断、容错控制、报警管理等技术，对工艺过程的运行状况进行监控，及时发现事故苗头，加以纠正，使之回归正常。以ＰＣＳ７．Ｆ安全仪表系统为基础，设计紧急停车系统（ＦＳＤ），通过参数超限检测、报警和遥控阀门等执行机构连锁动作，使工艺过程在出现事故时能安全停车。在生产车间内各有毒有害设备、管路的可能泄漏区域，设置有毒有害物质泄漏检测系统，发现有毒有害物质浓度超限时，启动自动洗消系统，对有毒有害气体喷射消毒蒸汽雾幕进行消毒，对有毒有害液体喷洒消毒粉进行覆盖，再做进一步处理。污染控制与防治系统通过设置废气、废液、废渣等三废收集系统，使用上壤密封剂、防渗膜等，防止污染扩散。７仿真培训系统设计技术方案因为新一代自控系统采用计算机集成控制系统进行自动操作，因此仿真培训系统的设计宜用集成控制系统为平台来进行。仿真培训系统在集成控制系统基础上，增加仿真服务器、教师指令台、学员培训站、大屏幕投影显示系统、仿真演示软件、仿真操作软件和声光显示模拟屏等组件。采用智能过程控制（１Ｐｃ）仿真模式，以集成控制系统操作员监控软件为操作界面，开发工艺过程模．６３２・型及其运算软件，进行仿真培训系统集成‘１４““。该小型精细化工生产装置仿真培训系统的建设方案如图５所示，由１台教师指令台和１２台学员培训站组成。教师在指令台上设置工艺过程运行条件和场景，进行培训考核和计分；同时，可有１２个学员在１２台培训站上进行仿真操作。

图５仿真培训系统设计方案８结束语按以上设计方案建立的小型精细化工生产装置新一代自控系统的各分系统将可达到以下功能要求：（１）基本控制系统能够实现该间歇生产装置的全面自控和遥控，使工艺过程按照工艺操作规程的要求和操作步骤自动、平稳、有序运行，满足生产质量和产量要求。（２）安全防护控制系统能对生产装置运行进行更全面更有效的安全防护，使安全控制系统的安全完整度等级（Ｓ如ｔｙＩｎｔｅ酣ｔｙｋｖｃｌ，ｓＩＬ）达到

更高水平。（３）仿真培训系统能够按照Ｔ艺操作规程和安全规程要求，进行操作人员的仿真培训，使操作培训更加逼真、高效，能形象、生动地进行生产过程的仿真演示。新一代自控系统与原有自控系统相比，运行将更加安全可靠、人机交互界面更加友好、更易于操作。新一代自控系统可独立有效控制各生产单元、各工序的进行与停止，通过输入指令，可以同时实现多种产品的安全、自动生产。因此，预期新一代自控系统可以达到安全可靠、技术先进的设计、建设目标。

参考文献：［１］黄德先，王京春，金以慧．过程控制系统［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２０Ｉｌ：５４９－５８２．

［２Ｊ邹志云，林健，叶超英，等小型间歇化工过程的自控实践［Ｊ］电气自动化，１９９９（增刊）：１１４－１１５．