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工大新闻

过程控制器在小型化工装置中的应用

作者: 发表时间:2010-08-30 17:16:00

引言

随着经济和科学技术的不断发展,现代化的生产任务也变得越来越复杂,同时,对各种自动化生产的要求(如对工艺对象的控制)也越来越高。对于一些小型的化工厂和化工单元装置,其控制调解回路少,控制简单,采用PLC或者DCS等控制系统存在着成本高,操作复杂等缺点。现阶段智能调节器、无纸记录仪,PID调节仪、过程控制器等产品不断成熟,功能不断完善,在自动控制系统中起着越来越重要的作用。本系统主要使用的是可编程多回路过程控制器,他包含PID控制模块、程序控制模块、ON/OFF控制模块等,可实现单回路控制、多回路控制,具有累计报表、事件记录/统计分析列表、组态备份、通讯等功能,可以保证系统稳定、可靠的进行,在帮助操作人员高效、安全地完成作业的前提下也为厂家节省大量的人力、物力。

1 系统工艺处理要求

随着经济和科学技术的不断发展,现代化的生产任务也变得越来越复杂,同时,对各种自动化生产的要求(如对工艺对象的控制)也越来越高。对于一些小型的化工厂和化工单元装置,其控制调解回路少,控制简单,采用PLC或者DCS等控制系统存在着成本高,操作复杂等缺点。现阶段智能调节器、无纸记录仪,PID调节仪、过程控制器等产品不断成熟,功能不断完善,在自动控制系统中起着越来越重要的作用。本系统主要使用的是可编程多回路过程控制器,他包含PID控制模块、程序控制模块、ON/OFF控制模块等,可实现单回路控制、多回路控制,具有累计报表、事件记录/统计分析列表、组态备份、通讯等功能,可以保证系统稳定、可靠的进行,在帮助操作人员高效、安全地完成作业的前提下也为厂家节省大量的人力、物力。

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图1    工作原理图

2 控制系统

2.1 硬件部分

根据物料的特性和工况条件,现场仪表选用薄膜压力表和双金属温度计;远传仪表为:热电阻,测量蒸汽流量选用涡街流量计,测量蒸汽压力选用CXT型直装式压力变送器,测量一二效液位选用导波雷达液位计,进料流量监测选用转子流量计,PH机和数台气动调节阀。

2.2   二次仪表

本装置共有模拟量输入点13个,模拟量输出点5个,调节回路5个。经过工艺研究和对比,从现场操作工方便操作、及时干预和监控,价格性能比,安装成本等方面考虑,我们最终选用C6000过程控制器。C6000过程控制器是一款采用触摸屏的可编程多回路过程控制器,利用其强大的控制能力、灵活多变的可编程能力来完成整个系统的控制。

2.2.1  远传显示与报警

在系统运行过程中,操作人员需要实时监控蒸汽温度、压力,一二效分离室温度,循环水进水、出水温度等等,并通过过程控制器的触摸屏设定相应的上下限值。使用C6000的模拟量输入模块,根据各个采集量的特点进行通道、信号类型、量程、单位、断线处理、小信号切除以及报警上下限等组态的设置,可以简单实现测量量数据的集中显示。

2。2。2  调解回路控制

2.2.2.1 PID调节

一二效分离室的液位和一效加热室的温度得保持是整个蒸发过程可以正常运行的前提,通过触摸屏设定一二效分离室液位和一效加热室的温度上下限值和目标值,设定后进入自动控制程序,输出4~20mA模拟信号控制阀门的开度,使液位和温度维持在目标值附近波动,当液位或者温度超过上下限值范围时,系统便立即报警,从而确保生产的正常进行和废水处理量。我们采用单回路PID控制进行阀门开度的控制,控制系统图如图2所示。PID参数的确定选用临界比例度法确定。

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图2    闭环系统结构图

被控对象稳定后,把控制器的积分时间放到最大,微分时间放到零,通过外界干扰或者使控制器设定值作一阶跃变化,观察由此而引起的测量值振荡,从大到小,逐步把控制器的比例度减小,看测量值振荡的变化是发散的还是衰减的,如果是衰减的则把比例度继续减小,如果发散的则把比例度放大。重复上述步骤,直到测量值按恒定幅度和周期发生振荡,此时的比例度显示值就为临界比力度Su。从振荡波形图来看,来回振荡一次的时间就是临界周期T k,得到了临界比例度和临界周期我们根绝经验公式就可以算出控制器的Kp,Ti,Td参数,具体参数如图3参数表所示。

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图3  扩充临界比例度法参数整定表

2.2.2.2 非线性控制

参考C6000过程控制器的分程控制方法,我们使用一个PID模块来控制两个AO输出给对应的调节阀。PID输出被分为两个区:0%~50%时为控制加酸调节阀,50%~100%时为控制加碱调节阀。PID控制选择反作用方式,PH值增大,PID输出减小,此时加酸调节阀打开;当PH值减小,PID输出增大,此时加碱调节阀打开;若PH值正好,PID输出50%,此时酸碱调节阀都处在关闭状态,如图4 调节系统框图所示。

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图4   污水排放阀调节系统框图

整个实现过程中我们使用了条件判断函数”IF()”和四则运算,C6000过程控制器还提供了多种函数运算,包括数学运算、关系运算、逻辑运算、条件运算、统计功能函数等等,可以实现多种控制。

PH值控制是一个复杂的非线性控制。PID控制是线性的,如果用PID直接控制PH值,效果不是很理想。我们利用C6000过程控制器中的指数运算和四则运算,对PID输出作非线性处理,补偿了PH值的线性,取得了较好的控制效果,补偿图如图5所示。

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 图5    PID输出非线性补偿图

3 通讯

C6000过程控制器安装在现场仪表柜上,便于现场操作工人进行工艺参数修改、调整,通过以太网通讯端口将实时状态传送到总控室控制台,可以实现远程输入输出、实时监控、组态管理、历史数据读取等等,如图6所示。

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 图6    以太网通讯图


4 结束语

本系统已成功应用利尔化学化工厂废水处理系统。实践证明,采用过程控制器进行废水蒸发浓缩系统监控,可以大大提高设备运行可靠性,能够达到废水合格排放;且采用过程控制器编程设置简单,便于安装调试和扩展。采用过程控制器自动控制具有灵活性,可以在现场改变某些工艺参数、工作程序等,使设备运行更加平稳可靠、维护更加简单、快捷。这一系统的成功运行,为大流量连续污水处理摸索出了一条切实可行的方法。此项目已产生了良好的经济效益和社会效益。整个控制系统的实施,也为小型装置的自动化生产提供了技术参考。

参考文献

[1] 胡寿松.自动控制原理[M].北京:国防工业出版社,2000.281-306.

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[5] 王树青。工业过程控制工程[M]。北京:化学工业出版社,2004。139-156。

[6] 朱麟章.过程控制系统及设计[M]. 北京:机械工业出版社,1996.145-148.

[7] 何衍庆 俞金寿.集散控制系统原理及应用[M].北京:化学工业出版社,2002.100-105.


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