摘要：醋酸是一種重要有機化工原料，主要用于生產(chǎn)醋酸乙烯單體、醋酐、對苯二甲酸（PTA）、*、醋酸酯類、醋酸纖維素等。在化工、輕紡、醫(yī)藥、染料等行業(yè)具有廣泛用途。本文綜述了Honeywell第四代DCS系統(tǒng)ExperionPKS在醋酸行業(yè)中的應用。
　　
　　前言
　　
　　兗礦國泰化工有限公司30萬噸/年醋酸裝置一氧化碳制備工段及醋酸工段的操作和控制均采用了美國霍尼威爾公司生產(chǎn)的第四代分布式控制系統(tǒng)ExperionPKS（過程知識）。該系統(tǒng)主要分為四層結構：現(xiàn)場儀表層、控制裝置單元層、工廠（車間）層和企業(yè)管理層。過去DCS和PLC主要通過被控對象的特點（過程控制和邏輯控制）來進行劃分。但是，PKS系統(tǒng)已經(jīng)將這種劃分模糊化了，它包容了過程控制、邏輯控制和批處理控制，通過混合控制能夠實現(xiàn)整個生產(chǎn)過程的優(yōu)化，提高整個工廠的效率運行。
　　
　　1、醋酸工藝系統(tǒng)簡介
　　
　　1.1工藝流程簡介
　　
　　該工藝采用了西南化工研究設計院自主研發(fā)“甲醇低壓液相羰基合成醋酸反應法”。該工藝采用雙反應器串聯(lián)，以銠的羰基絡合物為催化活性物質，通過增加一個第二轉化反應釜，使*個反應器內(nèi)未反應的原料充分反應，降低反應液中的水含量及配合其他反應工程的方法來提高反應深度，同時使容易分解沉淀的銠催化劑轉化為能承受加熱蒸發(fā)時不分解不沉淀的穩(wěn)定的銠絡合物，減少蒸發(fā)器母液的循環(huán)量和蒸餾工段的負荷，在產(chǎn)出粗酸時采用蒸發(fā)流程，大大提高粗醋酸中醋酸的含量，降低了精制和尾氣回收系統(tǒng)的負荷。它主要分為醋酸反應工段、精制工段、輕組分回收工段和催化劑制備再生工段四大部分。工藝流程簡圖如圖1所示。　　　　
　　甲醇預熱至180℃后，與壓縮機來的一氧化碳在2.7MPa壓力下進入反應釜底部，在催化劑作用下發(fā)生羰基合成醋酸反應。主反應式為：
　　
　　CH3OH+CO→CH3COOH
　　
　　反應后的液體物料進入蒸發(fā)器，減壓至0.2MPa左右，閃蒸后氣液相分離，含有催化劑的液體沉入分離器底部，再循環(huán)打回反應釜中。閃蒸槽頂部的氣體（含有醋酸、水、碘甲烷和碘化氫的蒸氣）則被送到精制工序，經(jīng)脫水、脫氫等蒸餾過程，在成品塔側部踩出的醋酸產(chǎn)品經(jīng)冷卻后送入成品酸儲槽。
　　
　　1.2工藝系統(tǒng)特點及控制難點
　　
　　醋酸的生產(chǎn)工藝是個塔體連接非常多的系統(tǒng),調(diào)節(jié)回路眾多,系統(tǒng)的關聯(lián)性非常強,一個參數(shù)的控制的好壞直接影響到其他參數(shù)的控制的成敗，一個系統(tǒng)的波動可能帶垮整個系統(tǒng),因為其產(chǎn)品醋酸產(chǎn)品的濃度要求非常高,達到99.9%以上,因此對反應溫度,以及流量等參數(shù)的控制要求非常平穩(wěn),合成反應釜中的溫度要求180±0.5℃,醋酸蒸發(fā)器液位要求達到±1%,還有如果母液的流量控制的非常不穩(wěn)定,可控性不太好，這些都對控制的精度提出了很高的要求。
　　
　　1.3工藝對控制系統(tǒng)的要求
　　
　?。?）實現(xiàn)各個單元操作的集中監(jiān)控，包括：溫度、壓力、流量、液位等物理量的監(jiān)測與控制,動態(tài)參數(shù)檢測、控制必須準確、可靠，合成反應器的中溫要求180±0.5℃,醋酸蒸發(fā)器液位要求達到±1%。
　　
　?。?）必要的遙控措施,對突發(fā)事件如停電等,系統(tǒng)應采取相應的保護措施，確保在緊急情況下或需要的時候對一些關鍵的控制點（閥門等）實施遙控。
　　
　　（3）配置必要的報警和聯(lián)鎖。
　　
　　（4）重要參數(shù)的記錄和方便地查閱其實時趨勢和歷史趨勢。
　　
　?。?）可隨時監(jiān)測有關單元的有關參數(shù)或重要設備的運行情況。
　　
　?。?）控制系統(tǒng)操作簡單，參數(shù)設置、調(diào)整方便，便于操作，人性化的操作界面。
　　
　?。?）操作員站顯示整個生產(chǎn)工藝流程，修改和打印各種有關參數(shù)。
　　
　　2、ExperionPKS系統(tǒng)的配置和功能
　　
　　為了滿足工藝過程操作和控制的要求，整個PKS系統(tǒng)的控制機柜、操作站、工程師站、上位監(jiān)控機、打印機根據(jù)實際情況分別布置在兩個控制室中，兩個控制室之間相距450米左右，通過光纜方式進行通訊。系統(tǒng)配置圖見圖2（如下）：　　　　
　　整個控制系統(tǒng)采用冗余方式進行操作和控制，其中包括簡單控制回路72套；復雜控制回路25套；模擬量輸入409點；數(shù)字量輸入345點；數(shù)字量輸出173點；聯(lián)鎖回路55套。
　　
　　2.1系統(tǒng)硬件配置及功能
　　
　　（1）現(xiàn)場操作員站共八臺，其中*控制室五臺，第二控制室三臺。都采用工業(yè)級DELL計算機P42.8G，內(nèi)存512MB，21英寸純平顯示器，分辨率為1024X768。機器的總體性能快速、穩(wěn)定，操作員站可以顯示生產(chǎn)過程工藝流程圖和過程參數(shù)、打印報表、顯示過程參數(shù)的歷史趨勢圖及控制調(diào)整過程參數(shù)等。每個操作站都是冗余數(shù)據(jù)網(wǎng)絡上的一個站，雖然操作員站的使用各有分工，但任何顯示和控制功能均能在任一站上完成。為防止操作人員、DCS工程師和維護人員的誤操作，針對不同的人員賦予不同的操作權限，提高了系統(tǒng)的安全。
　　
　?。?）工程師站（服務器）采用冗余配置，采用一對配置相同的服務器,以主/從結構方式相互支持。當主服務器出現(xiàn)故障時，從服務器自動轉換為主服務器，并從控制器或RTU中采集數(shù)據(jù)，為操作站提供數(shù)據(jù)服務。主服務器通過冗余網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)庫中所有數(shù)據(jù)處理信息傳送到從服務器，使得主從服務器之間可以同步運行，配置圖見圖3。它主要用于程序開發(fā)、系統(tǒng)診斷、控制系統(tǒng)組態(tài)、數(shù)據(jù)庫和畫面的編輯及修改,工程師能夠通過通訊總線，既可調(diào)出系統(tǒng)任一個控制器的系統(tǒng)組態(tài)信息和有關數(shù)據(jù)，還可使用戶將組態(tài)數(shù)據(jù)從工程師站上下載到各控制器和操作員站。此外，當重新組態(tài)的數(shù)據(jù)被確認后，系統(tǒng)能自動地刷新其內(nèi)存。并設置軟件保護密碼，防止一般人員擅自改變控制策略、應用程序和系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。　　　　
　?。?）控制站采用高性能的全冗余的PKS混合控制器和I/O硬件，分別布置在控制室內(nèi)的機柜中，混合過程控制器的主要部件是控制處理器模件（CPM），包括機架、控制網(wǎng)絡通訊模件、控制處理器模件和可選的冗余模件等。其主要完成功能有：測量值運算、常規(guī)調(diào)節(jié)控制、復雜控制、邏輯控制、順序控制，批量控制等,所有控制功能采用組態(tài)的方式按功能塊單獨進行。
　　
　?。?）報表記錄打印采用通用網(wǎng)絡打印機，任意一臺操作站（工程師站）均可以向打印機傳遞數(shù)據(jù)并打?。淮蛴C能自動、連續(xù)地打印報表、報警、系統(tǒng)維護記錄等，也能按命令要求打印報表、屏幕畫面、趨勢和組態(tài)數(shù)據(jù)表等，并能進行全屏幕拷貝。
　　
　　2.2系統(tǒng)網(wǎng)絡配置及組態(tài)軟件
　　
　?。?）過程通訊部分由工業(yè)控制網(wǎng)（CONTROLNET）和過程以太網(wǎng)（ETHERNET）組成。CONTROLNET要用來連接操作站/工程師站和控制器。可以支持5對冗余控制器，通訊距離zui遠可達10000米。ETHERNET網(wǎng)絡作為PKS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理網(wǎng)絡，主要連接人機接口和各種網(wǎng)絡設備，通訊速率為10MB/S或100MB/S，支持TCP/IP協(xié)議和NetBEUI協(xié)議，保證數(shù)據(jù)的正常傳送，同時保證了設備的互換性，降低了備件成本，CONTROLNET和ETHERNET網(wǎng)絡均為1:1冗余配置。
　　
　?。?）ExperionPKS的控制策略用ControlBuilder生成，ControlBuilder是圖形化的面向對象的工具，支持ExperionPKS的控制器和應用控制環(huán)境節(jié)點ACE。在ControlBuilder中進行控制策略的設計，生成控制策略的文檔，并可進行在線監(jiān)控。ControlBuilder提供全面的I/O的處理，包括FF現(xiàn)場總線和Profibus，提供功能塊FBs（FunctionBlocks）的算法庫，支持所有連續(xù)的、邏輯的、電機控制的、順序的、批量的以及*的控制功能。Honeywell提供的各種功能塊，可以實現(xiàn)不同控制功能。每一個功能塊帶有一系列的參數(shù)，用于直觀顯示該功能塊所具有作用。功能塊之間的互聯(lián)，可以通過“軟接線”的方式非常方便地實現(xiàn)，以構筑控制策略和應用。組態(tài)完的控制模塊見圖4：　　　　
　　在醋酸的整個生產(chǎn)過程中需要順序控制、常規(guī)控制及一些聯(lián)鎖報警等系統(tǒng)，由于在ExperionPKSControlBuilder的控制算法庫中，除包括過程變量、調(diào)節(jié)控制、現(xiàn)場總線（設備和控制塊）、電機控制、離散邏輯、順序控制等標準的算法外，還包括一些通用塊，如旗標量、數(shù)值、時鐘、數(shù)組變量等。所以在醋酸的試車期間，多次在線對控制方案進行更改，非常方便，極大的縮短了試車時間，提高了效率。
　　
　　3、控制策略及實施方案
　　
　　3.1合成工藝的流量穩(wěn)定控制系統(tǒng)
　　
　　原料進料量FT03控制的好壞對工藝操作參數(shù)的穩(wěn)定性影響很大，而且許多控制與此回路有關，故此參數(shù)非常重要，為避免系統(tǒng)受到較大干擾而影響下游操作，當負荷發(fā)生變化增加時，變化率要有一定的限制，在減負荷時，變化率不做限幅，并且還要考慮吸收原料FT04的影響。在正常情況下，此參數(shù)還要同反應液流量FT01及常壓塔回流量FT02保持一定的比值關系。控制系統(tǒng)框圖見圖5　　　　
　　3.2反應爐比值調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)
　　
　　在造氣生產(chǎn)過程中，進入反應爐內(nèi)的O2與CO2流量應保持一定的比例，若氧碳比過高，就會因爐溫過高使耐火磚燒壞，嚴重時會引起爐子爆炸；如果氧碳比過低，則會造成爐溫低，原材料浪費，產(chǎn)氣效率低。為此我們采用了雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了對主流量的定值控制，克服了主流量干擾的影響，使主流量變的比較平穩(wěn)，通過比值控制副流量也將比較平穩(wěn)。如圖6所示。　　　　
　　系統(tǒng)投用后不僅實現(xiàn)了比較的流量比值，而且也確保了兩物料總量基本不變，并且提降負荷比較方便，大大改善了操作工況，提高了效率。
　　
　　3.3反應釜PID溫度串級調(diào)節(jié)
　　
　　在醋酸的生產(chǎn)過程中由于反應釜中溫控制要求比較嚴格,達到±5℃,而且他的好壞還關系到zui終產(chǎn)品的質量的高低,因此對反應中溫度控制采用了串級控制。其結構框圖如圖7所示：　　　　
　　3.4FS槽選擇性控制系統(tǒng)
　　
　　由于FS槽中的液體的粘度比較大，為了防止槽中的局部溫度過冷結晶，通過FS槽兩端的溫度檢測點，選擇低值調(diào)節(jié)策略對蒸汽的加入量進行控制，保證了FS槽內(nèi)的溫度恒定，滿足了工藝生產(chǎn)要求。
　　
　　3.5加焦系統(tǒng)的邏輯控制
　　
　　根據(jù)工藝生產(chǎn)過程的要求，將現(xiàn)場加焦控制引入DCS系統(tǒng)中。當加焦程序通過DCS投入自動運行時，插板閥電機開始向開位方向動作，當電機開到位時，通過現(xiàn)場接近開關進行到位信號反饋，電機停止動作。為了滿足工藝生產(chǎn)控制的需要，從插板閥開到插板閥關，我們通過功能塊對運行時間進行了可控可調(diào)組態(tài)，設置開位時間結束后，帶動插板閥的電機向關位動作，當關到位時，通過關位接近開關進行到位信號反饋。隨后程序續(xù)接到下一個階段直至完成整個加焦過程，整個加焦過程持續(xù)10分鐘完成。為了確保工藝生產(chǎn)的正常運行，預防自動加焦過程中由于設備、儀表、電氣出現(xiàn)故障后，能夠維持正常生產(chǎn)，在DCS控制程序中，又增加了手動切換功能，可以保證應急時手動操作加料，維持開車加料。
　　
　　4、結束語
　　
　　霍尼韋爾ExperionPKS系統(tǒng)集DCS和PLC的優(yōu)點于一身，高性能價格比的控制器集成了邏輯控制、回路調(diào)節(jié)控制、順序控制和批量控制為一體，它通過提供圖形化的控制組態(tài)工具ControlBuilder和全套的過程控制算法庫，使用戶的控制工程化能力顯著提高。但在工程設計初期，由于網(wǎng)絡結構設計不合理也出現(xiàn)了一些問題，隨著Honeywell公司推出的PKS的版本R310，這個版本的zui大好處就是出現(xiàn)ConsoleStation這種全新的操作站，它可以獨立于服務器而單獨工作[3]，極大地提高了PKS控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性，自2005年4月投入運行以來，*了醋酸工序復雜的生產(chǎn)工藝，其產(chǎn)品控制的質量指標、控制精度和穩(wěn)定性不僅帶來了產(chǎn)品質量的提高，較好的經(jīng)濟效益，更減輕了工藝人員的操作強度，杜絕了停車事故的發(fā)生。