（机械电子工程专业论文）丁腈胶乳生产监控系统的研究与应用.pdf

摘要 摘要 为提高某化工单位新建产能2 万吨年的丁腈胶乳生产项目的自动化程度，降低 劳动强度，提高生产过程的安全可控性，实现生产数据的自动存档与查询，本文从 熟悉丁腈胶乳的生产工艺出发，以先进的自动化技术为手段，对如何实现丁腈胶乳 生产过程的自动监控做了较为深入的研究。 首先，在分析了要构建的丁腈胶乳生产控系统的控制任务和设计要求之后，本 文通过对现行控制技术的对比，提出了适合该厂过程控制要求的监控系统总体方案。 以p l c 为控制核心，以远程怕为采集、输出从站，利用符合现场总线规范的 p r o f i b u sd p 通讯网络组成了分布式的冗余控制系统。 随后，按照工艺顺序及工艺要求对如何实现生产监控系统的主要控制功能做了 详细的设计说明，如具体控制方案的选择，主要仪表设备的选型和控制程序的流程 设计等。尤其是有关温度控制的p i d 改进算法和p d 连续计算结果的离散化处理算 法，在说明原理的基础上，对其提出了多种改进措施，为不同的应用目的和应用场 合提供了不同的选择方案。 最后，参照西门子软冗余技术并根据监控系统的信号类型与i 0 数量对冗余系统 的硬件选型做了简要介绍。同时，对p l c 程序结构和上位监控系统的主要功能模块做 了说明。之后，在系统的联机调试中，用实际应用效果证明了该丁腈胶乳生产监控 系统方案设计的可行性，验证了温度控制子系统中p m 改进算法及其连续结果离散 化算法的正确性。 关键词p l c ；分布式远程耽i ；现场总线；软冗余；p d ；温度控制 摘要 a b s t r a c t t oi m p r 0 v et h ea u t o m a t i o nl e v e l ，b r i n gd o w nt h ew o r ki n t e n s i t y ，a d v 柚c et h es e c u r i t y c o n t r o l l a b i l i t y 锄dm a k et h ep r o d u c t i o nd a t at 0 卸t os a v eo f t h en b rl a t e xp r o d u c t i o ni i la f 她t o r y sn e wp r o j e c t ，h e r c ，a r e rb e i n gf a m i l i a rw i t ht h ep r o d u c t i o nt e c h n o l o g yo ft h e n b rl a t e x 觚dr c f e r r i n gt 0t h ea d v a n c e da u t o m a t i o nt e c l u l o l o g yf o rh o wt 0r e a l i z et h e 卸t o m a t i cm o n i t o r i i 培i nt h en b rl a t e xp r o d u c t i o n ，s o m er e l a t i v er e s e a r c h e sw a sm a d e d e e p l y f i 娼t l y a n e f 姐a l y z i n gt h ec o n t r o l t a s k s 粕dd e s i g i l i n gr e q u i r e 】叮e n t s0 ft h em o n i t o r i n g s y s t e ma c c o f d i n gt 0t h ep r o c e s so ft 王l en b r l a t e xp r o d u c t i o n ，t h eg e n e r a lb l u ep r i n 卜一 d i s t 劢u t e dr e d u n d a n c yc o n t r o ls y s t e mw 硒 p r o p o s e d t 0m e e tt h ep r o c e s sc o n t r o l r c q u i r e m e n t s ，w h o s en e t w o f kc o n n e c t i n gw 嬲c o m p l i e dw i t hp r o f i b u sd ps t 觚d a r d i n 也i ss y s t e m ，弱t l l ec c n t e rc o n t i o l l e rp l ch a si t ss l a v es t a t i 伽_ 1 锄o t ci ot 0i n p u t0 r o u t p u ts i g n a l s s 0 0 n 抓e 刑砌s ，a c c o r d i n gt 0t l l ep f o c c s ss e q u e n c e 卸dr c q u 沁m e n t s ，t h e r cw e r c s p e 咖c a t i o 璐a b o u th o wt 0r e a l i z i n gt h em a i nc o n t r o lf i l n c t i o n so fp r o d u c t i o n 觚d m 0 i l i t o r i n gs y s t e m s u c h 弱t h ec o n t r o ls o l u t i o n s ，i 璐t m m e n ts e l e c t i o n s ，p r 0 伊锄p r 0 c e s s d e s i 印s e s p e c i a l l y 0 nt l l ea d v 觚c e dp da l g o r i t h m 卸dt h ed i s c r e t i z a t i a 1 9 0 r i t h mf o r 跚c c e s s i v ev a l u ea f i t e rp i d ，t h e r cw e 阳s e v e r a li m p r o v e m e n tm e a s u r 鼯m e n t i o n e dt os a t i s f y d i f ! i e i e n tc o n d i t i o n s f i n a l l y ，ab r i e fi n t r o d u c t i o nw 嬲g i v 锄0 nb 蹒i so fs i 伊a lt y p e 锄di o i n t e r f a c e n u m b e 瑙a f t e rr e f e r e n c ct os i e m e 鹏s o f 研a r er c d u n d 柚c y t e c h n o l o g y m e a r l w h i l e ，t h ep i c p r 0 伊锄s t n l c t u r c 觚dm o n i t o r i i 唱s o f h 协ed e s i g n a t i o nw e r ea l s op 陀s e n t e d t h e n ，t l l c f e 弱i b i l i t yo ft l l i s n b rl a t e xp r o d u c t i o na n dm o n i t o r i i l gs y s t e m l u t i 佃w 嬲p r 0 v e d d u r i n gt h eo n l i md e b u g g i n 舀a tt h cs 锄t i m e ，t h ca d v 柚c c dp i da 1 9 0 r i t t 皿a n d 抵 v a l u e sd i s c r e t i z a t i o na l g o r i t l 皿a c c e p t e dt h et e s t i n g k e yw o r d sp l c ；d i s t r j b u t e dr e m o t e 的；p r 嘶b u s ；s o f l w a r er c d u n d 锄c y ； t c m p e r a t u r e c o n 仃o l ；p d ； i 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题的提出和意义 我国丁腈橡胶的生产，自2 0 0 7 年至2 0 1 0 年经历了由产能严重不足到显著增加 的过程。同时，国内丁腈橡胶市场的缺口在不断缩小，但其中高质橡胶的需求增幅 却较大i 。某集团公司正是抓住这一市场供求不足的现状，引进新工艺，再建2 万吨 年的丁腈胶乳生产厂区，意在通过生产高质量的丁腈胶乳来满足市场需求，扩大公 司的市场份额。然而，纵览世界丁腈橡胶生产技术的发展，其主要体现在完善聚合 配方，改造聚合工艺，提高自控水平以及新产品开发方面【2 1 ，因此该公司在消化吸收 了引进的配方和工艺后，决定通过建立更加完善高效的自动化生产监控系统来进一 步提高自己的产品质量和市场竞争力。而本文通过对该公司生产工艺特点的认真分 析，针对公司提出的具体要求，研究设计了与该厂丁腈胶乳生产相适应的整套自动 化监控系统 国内丁腈橡胶的产能之所以在1 0 年之间经历了飞速的发展，主要是因为它有着 广泛的用途和应用领域。例如，在现实生活中大量采用丁腈橡胶生产的软包装、耐 油胶管、阻燃输送带，软胶管、汽车密封制品、耐油垫圈、垫片及套管、电缆胶材 料等。因此通过对该厂丁腈橡胶生产监控系统的设计研究，有助于提高该公司丁腈 胶乳生产的自动化水平和产品质量，同时有助于扩大其产能缓解国内市场高质量丁 腈橡胶的供需缺口压力。 1 2 生产监控系统的发展 如今，自动化技术对加工行业的作用越来越大，在高度工业化的国家，过程自 动化对提高产品质量，开拓新产品领域，保障过程安全，高效利用资源与减少废物 排放起到了不可忽视的作用。在高速发展中国家，大规模工业生产已成了推动过程 自动化应用的主要因素。其中最大的需求来自化工，电力及石化工业。 随着社会工业水平的不断提高，自动化技术从最初的p c s ( p n e u m a t i cc 0 n t r o l s y s t e m ) 第一代控制系统，经过a c s ( a n a l o gc 0 n 昀ls y s t e m ) ，c c s ( c o m p u t c rc 0 n t r o l s y s t e m ) ，到现在的d c s ( d i s t r i b u t c dc o n 仃0 ls y s t 锄) ，再到逐渐推广的f c s ( f i e l d b u s c o n t r o ls y s t e m ) ，每一次新技术的出现都会对传统工业控制领域的控制方法与控制 理念带来新的变革【3 1 。 1 2 1 工业控制技术发展过程 随着计算机技术自2 0 世纪6 0 年代开始进入控制领域，便产生了以计算机为基 1 河北科技大学硕士学位论文 础的第一代工业控制系统c c s ，系统组态如下图1 1 所示。 人型计算机 _ 】r 】1 一。 l 工 变ij 变 送l 送 器ll 器 u 【，一 引 j l 【仪 表 图1 - 1计算机控制系统结构 在计算机控制系统中，一改模拟控制系统的局限性，一些应用于计算机的控制 算法和协调控制方案也随之进入了工业控制系统。从而使自动控制系统发生了质的 飞跃。但在c c s 中，中央处理器只有一个，需要完成过程检测，数据采集，报警和 记录，数据归档，数据记录和过程控制等，系统的可靠性很低，尤其是多任务的大 型系统中，实时性也变差。这些缺点极大的限制了c c s 进一步在大型系统中的应用。 然而，随后出现的第二代计算机网络化工业控制系统d c s ，在一定程度上克服 了c c s 的结构缺点，实现了集中管理与分散控制，其结构如图1 2 所示。 图1 - 2 集散控制系统结构 在d c s 的普及过程中，其网络链接有多种拓扑结构，目前应用较为普遍的分级 式d c s 可分为现场仪表级、过程控制级和人工操作级，由通信和控制两级网络来实 现分布在各层的自动化设备之间的通信连接。过程控制级负责对生产过程的基本控 制，人工操作级完成对系统的监督管理，这样c c s 中央计算机的控制权限就被分散 开来，降低了某个控制器故障对整体系统的影响。另外，在d c s 中由于实现了控制 器和通信网络的硬件冗余【4 】，整个系统的可靠性显著地得到了提高，d c s 便迅速成 为一种主流的工业控制系统。如横河c s 3 0 0 0 系统，h o n e y w e l lt d c 3 0 0 0 系统，a b b 2 刨 一 一 第1 章绪论 i n d u s t r i a li t 系统，和利时m a c s 系统，浙大中控j x 3 0 0 x 系统等。 一般d c s 多是大型系统，尤其是石油化工等过程控制中，随着工艺过程状态参 数的不断变化，分散在不同工艺段的低层控制器之间需要进行协调控制，d c s 分级 式的系统结构使得低层设备之间的信息交换必须经过上级控制器，这样会导致系统 效率变得很低。此外，它是一种既包含数字信号又包含模拟信号的系统，控制器和 每个现场仪表之间都有一对传输线，且单向传输一个信号，这使得接线复杂，成本 提高，维护困难。由于各品牌的d c s 技术封闭，在很大程度上限制了该系统的集成 与应用【5 1 6 】。 d c s 的不足和技术发展的需要促使人们开发了新的现场总线技术。在f c s 中， 通过现场总线连接的智能仪表和控制器之间是双向传输的数字式通信，通信网络兼 有控制功能，可以直接面向安装生产现场的仪表设备，如图1 3 所示。 制器i 衄峨瓢蛐嘲 h 2 高速现场总线 l如p r o f j b u s d p 分布式i o 模彭 桥趣i l 1 5 1 日i鳓 “呷“厂 lh l 低速现场总线 t 如p r o n b u s p a 图1 3 现场总线控制系统结构 在f i 筠的开始阶段发展，现场总线系统就生成了多种协议标准，如w o r df m ， p r 0 舳u s ，m 堰t 等，这些各具特色的协议标准极大的妨碍了f c s 的互操作性。为 此，国际电工技术委员会在2 0 0 0 年伊始颁布了m c 6 1 1 5 8 t s ( h 1 ) 、f fh s e ( h 2 ) 、 c o n t r o l n e t 、p f o f i b u s 、h l t e r b u s 、p n e t 、s w i f t n e t 、w o r i 阑p8 大国际现场总线标 准。尽管在f c s 的设计目标中，使其具有了与之前控制系统相比的诸多优点，并自 9 0 年代诞生以来在众多工业控制领域取得了快速发展，但也存在许多问题，制约其应 用范围的进一步扩大i _ 丌。 首先是现场总线协议的选择和系统集成问题。虽然有了国际性的总线标准，但 种类较多，各具特点。使用时如何为系统的不同部分选择合适的总线协议，提高系 统的整体性能，仍然比较困难。其次，在f c s 中众多仪表通过单根总线进行通信并 获得电源，一旦通信的总线被意外截断，整个生产控制系统就可能瘫痪。另外，f c s 3 河北科技大学硕士学位论文 的总线长度和带负载能力还受本安理论的制约，使其不能充分发挥节约线缆的优点。 过多的组态参数，也需要使用者在组态系统时谨慎选择【8 】。 另外，随着控制系统结构的不断升级，控制理论的发展也经历了经典控制理论、 现代控制理论和智能控制理论三个阶段。其中，经典控制理论以建立系统的传递函 数，通过频域和根轨迹法分析为特点，多用来解决线性、定常系统的单变量问题。 p i d 控制就是这一阶段的主要应用方法之一。现代控制理论以线性系统理论、非线 性系统理论、最优控制理论、随机控制理论和适应控制理论为支撑，可用于解决线 性系统和非线性系统，定常系统和时变系统，单变量和多变量系统问题。而智能控 制作为自动控制发展的高级阶段，开始模拟人类的智能活动和信息处理规律，并将 之应用于控制系统。由于智能控制能够解决传统方法难以解决的复杂系统的控制问 题，因此智能控制方法成了人们随后在控制理论方面研究的重点，如模糊控制、神 经网络控制、进化计算与遗传算法、专家系统等。 1 2 2 工业控制技术发展现状 p l c ( 可编程逻辑控制器) 它代表2 0 世纪6 0 年代末研制的用作逻辑运算的可编 程序控制器，是从模仿原继电器控制原理发展而来。之所以没有在上节中一并介绍， 不是因为它是一种新兴的工业控制技术，而是因为p l c 早期应用时，是作为控制“装 置 单独应用的，而前面的c c s 、d c s 、f c s 都是过去或现在某个时期出现或盛行 的工业控制系统，它们与早期的p l c 之间是“控制系统”与“控制装置”的关系。 在p l c 发展之初，它主要被应用于汽车制造行业，功能简单没有现在的回路控制功 能，只进行顺序控制、逻辑运算、定时、计数等。到现在由p l c 构成的系统和d c s 的区别已越来越小，都有彼此借鉴的趋势。在稍大规模的控制系统中p l c 系统也多 是分布式结构，处理连续量的能力也越来越强，适合过程控制的功能模块也越来越 多，如小型p l c 中现在多集成有常规或稍加改进的p m 控制功能，而大型p i c 中不 仅支持p i d 控制，而且还提供了大量改进功能和模块接口，是工程应用人员可以根 据具体的使用要求来对集成的p i d 控制器进行个性化改进，如模糊p i d 等。d c s 在 继续增强过程控制功能的同时，也具备了很强的逻辑运算能力，此时两种系统从控 制器、通信网络到加模块都可以集成冗余功能，故障模块可以在线诊断或热插拔更 换。f c s 出现以后，p l c 不但是f c s 构架的主要组成部分，同时由于f c s 本来就从 p l c 系统和d c s 发展而来，这使得p l c 自成系统时很方便的利用了f c s 的新技术， 如西门子p l c 系统中普遍使用的p r 0 肋u s 协议，r 0 c k w e l l 、o m r o np l c 系统中常 用的c o n t f o l n c t 协议等。另外，随着以太网通信开始在工业自动化系统高层网络中 的应用，上述p l c 、d c s 、f ( = s 系统间的界限越来越不明显，现在的大多数工业控 制系统往往是由其中两者或三者共同组成的1 9 ，1 0 1 。 4 第1 章绪论 1 2 3 工业控制技术发展趋势 进入2 1 世纪，在现场总线的进一步应用由于自身缺陷而进展缓慢时，以太网和 无线通信正在取得进步，成为工业自动化网络通信技术发展的新方向。 在过去的1 0 年中，以太网凭借着成熟的技术和完善的配套产品己逐渐进入工业 自动化领域。现在，以太网已经广泛的应用在了大型控制系统的p l c 控制器之间， p l c 与操作站之间的高层通信中1 1 1 】。在自动化控制系统的低层网络中，由于应用环 境的特殊，现在仍然主要是通过模拟线路或现场总线来完成控制或通信任务，但由 于以太网和无线网的极大优势，近年来有众多的研究机构在致力于以太网和无线通 信在控制系统低层网络的应用研究。实时性和数据安全性是以太网进入低层控制网 络需要解决的首要问题，其中有人将以太网的实时性应用初步划分了三级：无实时 要求、软性实时要求、硬性实时要求1 1 2 j ，提出了实时以太网协议和r 1 w s n ( r e a l t i m e w i r c l e s ss e n s o rn e t 、) l ，o r k i n g ) 实时无线传感网络的概念1 1 3 j 。在无线网络中布线成本显 著减少，现场设备的安装位置更加灵活，调试监控更加方便。众多有利因素的驱使， 使无线通信在工业控制领域的应用有着更为广阔的前景。这方面如a b b ，a b 公司 研究的i w s n s ( h d u s t r i a lw i r e l e s ss e n s o rn e t 、0 r k s ) 。他们对恶劣工况下无线通信 的抗干扰问题以及如何避免或纠正数据传输包的误码问题等已做了大量的工作。如 研究人员i 己蛆y i l 和m i k a e lg i d l u n d 等介绍的f e c ( f o 聊a r de 玎0 rc 0 玎e c t i o n ) 编码 方法【1 4 】，已经开始在模拟的i w s n 中进行验证。 同时，随着控制技术与网络技术的融合，网络智能控制正成为控制届新的共识。 网络智能控制倡导的是统一的网络协议和结构模型，如统一于t c p 口网络协议，统 一的控制应用协议和统一的网络组态软件。 随着人们对无线通信技术和工业以太网技术的不断研究和改进，二者必将作为 现场底层实时控制和通信的应用标准而取代现有系统中的网络形式和通信方式。但 目前，已有的网络形式和通信方式仍将继续存在，并相互借鉴共同发展。网络化控 制也必将深刻的影响和推动控制论及其应用的发展。 1 3 课题的主要工作 本文以某化工单位丁腈胶乳聚合生产厂区自动化项目为题，首先介绍了工业自 动化系统控制技术的发展状况，然后在分析丁腈胶乳聚合工艺过程及控制要求的基 础上，就如何提高该厂聚合生产过程的自动化程度及控制精度，实现厂区配套设施 的远程监控和确保安全生产等方面进行了较深入的研究。主要工作包括以下几个方 面： 1 ) 查阅与化工过程自动化控制尤其是聚合过程控制相关的资料文献，深入了解 了聚合反应自动控制系统的特点，依据国家法规或行业规范，结合目前自动化控制 5 河北科技大学硕士学位论文 系统的发展现状提出了监控系统的总体设计方案和技术路线。 2 ) 研究了控制系统可靠运行赖以实现的冗余技术及通信技术，完成了控制系统 的硬件选型设计 3 ) 分析了丁腈胶乳的聚合生产过程及原料特性，结合工艺要求和控制技术介绍 了关键工序的仪表选型、控制方案和程序设计。 4 ) 研究了聚合釜温度控制系统的控制策略，实现了对聚合过程反应温度的精确 控制。 5 ) 介绍了联机调试过程中主要环节的调试方法和参数设置。 6 第2 章丁腈胶乳生产监控系统总体设计 第2 章丁腈胶乳生产监控系统总体设计 2 1 丁腈胶乳聚合工艺流程 丁腈胶乳的聚合制备过程是将丁二烯从罐区储料罐经泵房打料泵送入车间，在 车间经碱洗系统除去杂质后送入丁二烯凝液罐暂存。当新的聚合过程开始，需要投 料时，将水、丁二烯与打料泵送入车间的丙烯腈经各自流量计按比例注入聚合反应 釜，待丁二烯和丙烯腈加料完成后，再加入一定量的乳化剂，与此同时聚合釜内搅 拌电机将原料搅拌均匀并保持一定时间的恒温状态。当温度、保持时间达到要求时， 投入适量引发剂开始聚合反应。在经过一段时间的聚合反应后，当检测到聚合转化 率达到要求时，即停止聚合反应，将胶乳半成品从聚合工序转移到抽提工序，在抽 提釜内经负压脱泡工艺后得到成品丁腈胶乳。工艺流程如图2 1 所示。 i - ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ：堡 图2 1 聚合工艺流程简图 作为整个丁腈胶乳生产工艺过程的检测与控制系统，从地域上看，整个系统分 布在罐区控制室和聚合车间主控室；从工艺流程及功能分，整个系统由“原料存储 模块 ，“主车间冷热供水模块 ，“聚合釜温度控制模块 ，“抽提釜脱泡控制模块 和“气体检测与报警控制模块 等子系统组成。 2 2 丁腈胶乳生产监控系统控制任务 作为整个丁腈胶乳工艺过程的自动化系统需要检控众多的过程变量，而且设备 7 与变量检测点比较分散，很多需要区域协调控制。因此，要确定监控系统的整体方 案，需要在了解丁腈胶乳生产过程的工艺流程和工艺要求之后，对整体系统的自控 仪表和设备做初步统计。 罐区及聚合车间控制系统主要监控仪表、设备统计如表2 1 ，2 2 、2 3 所示。 表2 1 丁二烯罐区自控仪表、设备统计 a 罐 b 罐 c 罐d 罐 泵房喷淋合计 仪表设备 t冬|令|督|令|令|令|令 阀门11l1 一一一一 4 液位计 1ll1 一 4 压力变送器 1ll1 4 气体探测仪1 l ll2 6 温度计 1ll1 一一 4 增压压缩泵 一一 2 2 流量计一1 一l 风机 一一一 2 2 水泵一一一一一 ll 卸料泵一一2 2 表2 2 聚合车间自控仪表设备统计 8 第2 章丁腈胶乳生产监控系统总体设计 表2 3 丙烯腈罐区自控仪表、设备统计 2 3丁腈胶乳生产监控系统设计要求 作为化工生产过程，大都兼具繁琐的工艺流程、错综复杂的工艺管道以及与之 相适应的各式各样，功能各异的化工仪表。不仅如此，通常还需要根据化学反应工 艺参数的变化来实时调整各种原料的配比，改变运行设备的工作状态。这些过程如 果是手工操作，不但需要大量的生产操作人员，同时还需要这些一线人员具有一定 的化工、仪表专业知识，而且还可能时常因为上下班交接不当而引发人为生产事故。 因此，该丁腈胶乳生产监控系统的主要设计目标便是：满足生产要求，提高自动化 水平，降低劳动强度，减少人力成本。 另外，按照剧毒化学品目录和危险化学品名录所列，生产丁腈胶乳的 两种主要原料丁二烯、丙烯腈分别属于易燃易爆和高毒物质，因此根据工作场所 安全使用化学品的规定监控系统还须可靠运行以确保生产安全。这里对生产过程 中需要被监控的工艺环节进行了工艺及控制要求的归纳。 1 ) 罐区储料系统有可靠的防误操作功能，能够有效防止因卸料员误操作引起原 料液位超限而溢出或泄露，能够根据罐内原料的温度、压力值向值班人员发出不同 级别的报警信息，自动开启、关闭罐区喷淋系统，将原料温度控制在安全范围内。 2 ) 聚合车间原料计量系统要能够准确的记录进料量、控制进料过程。 3 ) 聚合车间碱洗系统要能够让主控操作人员实时连续的对丁二烯、碱液输送泵 转速做出调整，使碱洗塔内丁二烯流量与碱液流量保持一定比例，实现丁二烯的有 效提纯。 4 ) 聚合车间冷热水恒压供给系统要能够保证生产用水具有足够的压力，同时又 不超过管道、设备的压力限定值。 5 ) 聚合车间热水储罐控制系统能够对罐内水温实现有效控制。 6 ) 聚合釜温控系统要能够可靠控制冷热水阀门的开关顺序，防止手动操作失误。 9 河北科技大学硕士学位论文 7 ) 聚合釜温控系统要能够精确控制釜内温度，实现温度响应过程的稳定性，快 速性和超调量的合理统一。( 聚合釜内温度设定值改变1 时阶跃响应时间不超过 2 0 m i n ，1 5 时不超过3 0 m i n ，超调量不超过0 4 ，恢复稳态后温度波动在0 2 以内) 。 8 1 抽提釜真空脱泡控制系统能够根据釜内料位控制真空阀门的开关，实现自动 脱泡，防止釜内物料吸入真空系统。 9 _ ) 气体检测与报警系统能够根据有害气体的浓度发出声光报警，并自动控制风 机提速，实现报警撤消多方连锁控制。 1 整体系统要求具有功能齐全，易于操作的人机交互界面。 2 4丁腈胶乳生产监控系统总体方案设计 确定一套合适的控制方案是设计一个自动化控制系统的关键内容，控制系统总 体方案选择的合适与否，不仅关乎系统控制功能的实现，运行的可靠性，日常维护 工作量的大小，而且与系统的采购成本，技术集成与建造成本，扩展费用等有直接 的关系。因此，要设计整个丁腈胶乳生产过程的自动化监控系统，需要综合考虑系 统的工艺要求与可选用的自动化技术，在满足系统功能的前提下充分考虑化工生产 对系统安全的要求。 2 4 1 生产监控系统方案分析 本文所研究的丁腈胶乳生产监控系统，在控制规模上属于中小型系统，数字量、 模拟量信号并存，过程控制中兼有多个复杂的温度控制回路。 如果选择d c s 构建该丁腈胶乳生产监控系统，其成熟的系统冗余技术可以提供 电源、c p u 及接口模块的硬件冗余，实现故障模块的无扰切换。同样通信网络也可 以采用安全可靠地冗余结构，实现d c s 信息通路的冗余备份。另外，d c s 强大的模 拟量处理能力和优异的过程控制功能定可以满足温度控制回路的控制要求。但是 d c s 系统的集成成本与使用p l c 构成的系统相比要昂贵的多，这主要是因为d c s 系统面向的多是大型控制系统或其中枢部分，而p l c 多用于中小型和小型系统中。 当然，这个概念不太准确，但很直观。另外，d c s 的数字量i o 模块较p l c 点数少， 一般为8 点、1 6 点1 1 引，而p l c 可以达到3 2 点、6 4 点1 1 纠，这使得在数字量较多的应 用场合，p l c 控制系统具有了明显的价格优势。在应用d c s 的场合一般多有很高的 可靠性要求，为了提高系统运行的稳定性，较高的控制成本往往是可以接受的，如 石油生产、钢铁冶炼、火电厂主机控制系统等。 此外，现在的p l c 控制系统，模拟量处理能力、过程控制功能日益增强。加上 类似d c s 冗余结构的引入，使得p l c 控制系统的应用得到了进一步的推广。如西门 子s 7 3 0 0 4 0 0 系统都具有的软冗余技术，为有一定可考性要求，但需要考虑建造成 】0 第2 章丁腈胶乳生产监控系统总体设计 本的应用场所提供了两者兼顾的系统方案。而s 7 4 0 0 系统的硬件冗余技术，则为需 要更高可靠性的应用场所提供了切换速度更快，冗余功能更加齐全的系统方案。 因此，利用从电源、控制器、到通信网路及通信单元的软冗余p l c 系统组成分 布式i 0 控制系统。以p l c 控制器作为系统主站，处理、计算采样数据并发出控制 命令。支持加模块热插拔功能的分布式从站，分布于现场底层与仪表设备直接相连， 负责过程数据的采集和控制命令的输出。而主从站之间则通过冗余的通信单元和通 信网络，利用实时、可靠、安全的现场总线技术来保证系统数据的完整性。这样就 构成了以p l c 为主体的带冗余措施的分布式i o 控制系统【2 0 】，如下图2 2 所示。 利用p l c 构建控制系统，人机交互功能的实现较d c s 更加方便，它不像d c s 那样人机界面的制作软件常与硬件系统捆绑销售。在以p l c 为主控制器而构建的控 制系统中，工程商可以自主选择通用的监控组态软件( 如i n t o u c h 、i f i x 、w i n c c 、组 态王等) 来完成人机界面的组态设训2 。 图2 - 2 冗余分布式i o 系统结构图 2 4 2 生产监控系统总体方案确定 现在的自动化控制系统多为d c s 、f c s 、p l c 两者或三者技术的融合系统。构 造这样的系统能够依据应用目的的不同以其中的一项技术为主，合理的集成另外一 项或两项技术的有利之处，使整体系统的搭配上具有更大的灵活性，从而使技术获 取渠道多样化，有效降低系统成本。 因此，本文丁腈胶乳的生产监控系统选择了带冗余功能的分布式控制系统方案， 它以p r 0 肋u s 协议为基础，由p r 0 肋u s d p 构成冗余的主从式结构，以西门子公司的 自动化与驱动产品s 7 3 0 0 p l c 作为控制系统的主站，e 1 r 2 0 0 m 作远程i f o 从站【2 2 1 ， m m 4 3 0 变频器接收p l c 系统的控制命令直接控制电机、泵的运行。触摸屏或装有通 用组态软件w i i l c c 的工业p c 通过m p i 网与p l c 链接，实现控制室工作人员对生产 过程的监控和生产数据的自动存储。遵从p r o f i b u s d p 协议的通信网络，完成玑) 从 1 1 河北科技大学硕士学位论文 站与p l c 主站之间实时、高速、双向的数据通信。 2 5小结 构建实用的控制系统方案，应该定位于满足用户工艺要求的基础之上，同时也 要考虑系统实施的成本因素，为用户提供最适合他自己的控制系统。这里，将冗余 技术加入由现场总线构成的分布式控制系统，能够在简化丁腈胶乳生产监控系统硬 件结构的基础上，满足系统的可靠性要求，使系统组态灵活，减少现场施工量，节 约维护成本。 1 2 第3 章监控系统功能设计 第3 章监控系统功能设计 作为整个化工厂区的自动化生产监控系统，需要检测和控制的设备数量众多、 区域分散，而且丁二烯、丙烯腈作为两种危险化工原料【2 3 1 ，应按照危险化学品安 全管理条例中的第二十条规定，在作业场所设置相应的监测、监控、通风、调温、 防泄漏等安全设施、设备，并按照国家标准和行业规范对安全设施、设备进行经常 性维护、保养，保证安全设施、设备的正常使用1 2 4 1 。因此，该生产监控系统的设计 需要综合考虑生产、安全、维护等方面的因素。这就需要从原料进厂到产品成形， 结合生产工艺过程对控制系统的监控功能做出详细的规划。 3 1 卸料模块功能实现 根据工作场所安全使用化学品的规定和常用化学危险品贮存通则【2 5 】 规定，对丁二烯、丙烯腈的操作应在全面通风的场所密闭进行，操作尽可能机械 化、自动化，必须对现场操作人员进行专业培训，实际操作过程中要严格遵守操 作规程。因此卸料模块的主要功能是监控丁二烯、丙烯腈两种原料的卸车转存过程， 辅助罐区操作人员安全有序的完成原料转储，防止操作失误。如图3 1 所示，由于丁 二烯、丙烯腈两种原料的卸车转存过程类似，下面仅以丁二烯原料为例进行说明。 阀2 a阀2 b 图3 1 罐区卸料系统示意图 1 3 液位计b 液位计d 河北科技大学硕士学位论文 3 1 1 卸料模块过程控制分析 罐区卸料如图3 1 所示。在丁二烯罐区每个球罐装有1 个液位计和1 个自动手 动进料阀门，进料主管段装有“泵1 和手动阀“阀l ”当需要卸料( 丁二烯) 时， 先由罐区管理人员通过安装在罐区控制室内的触摸屏观察4 个球罐的液位情况，如 果需要向球罐a 、b 进料，则管理人员先通过触摸屏面板打开球罐a 的进料阀门“阀 1 a ，p l c 监测到“阀1 a 打开后自动闭合“泵1 的电气控制回路，同时将“阀 1 a 的开关状态通过触摸屏显示给管理人员，待管理人员看到“阀1 a 的打开反馈 信号后，通知现场操作人员开始卸料。现场操作人员在接到开始卸料的通知后，首 先打开丁二烯进料主管上的手动阀门“阀1 a ，然后按下现场电气控制柜上的开泵 按钮，开始卸料。球罐a 液位快到上限值时，管理人员在控制室触摸屏面板上选择 关闭进料阀门“阀1 a ，p l c 在接到关阀命令后，首先断开“泵1 电气控制回路， 关闭进料泵，延时后再关闭“阀1 a 。接着管理人员通过触摸屏，打开球罐b 的进 料阀门“阀1 b ，如球罐a 过程，待“阀1 b 打开后通知现场操作人员开泵卸料。 卸料完成后管理人员关闭“泵1 ”及“阀l b 并通知现场操作员关闭手动阀“阀1 。 在整个卸料过程中，自控系统除了实时监测和显示各个球罐的液位等信息及控 制阀门状态外，最主要的是实时监测管理人员的操作，自动判断管理人员的命令可 行性，并根据罐内液位自动判断并发出停泵和关阀命令。在实际的卸料过程中如果 有a 、b 两个球罐需要进料，此时管理员可能的操作过程将有4 种 1 ) 管理员打开a 罐进料阀“阀1 a ，通知现场操作员开始卸料，待a 罐液位 到达上限值时，关“阀1 a ”，系统自动停“泵1 ”，然后开b 罐进料阀“阀1 b ， 再通知现场开始卸料，待需要停止卸料时，关b 罐进料阀“阀1 b ”，系统自动停“泵 1 一。 2 ) 管理员打开a 罐进料阀“阀1 a ，通知现场操作员开始卸料，但a 罐液位 到达上限时管理员没有任何措施。 3 ) 管理员同时将a 、b 两罐的进料阀门打开。 4 ) 管理员将“阀1 c 误当成了球罐a 的进料阀门而打开。 以上4 种操作过程，第1 种是规定的正确操作，但作为实际应用，后3 种情况 也可能存在。这时控制系统程序就需要具有一定的自动判断，自动执行的能力，使 控制系统在给卸料过程带来方便的同时，更能提供必要的安全防护措施。例如出现 第2 种操作时，控制系统能够自动作出停泵关阀动作，并向管理人员发出报警信息。 为了防止第3 种非规定操作过程，在管理员每次按下开阀按钮打开阀门时，监控系 统都会首先检测其它进料阀门的开关状态，此时如果其它阀门都处于关闭状态，则 控制系统判断通过，并进行后续判断。又如实际操作出现第4 种情况时，监控系统 1 4 第3 章监控系统功能设计 要能够通过检测各球罐的进料阀门状态和球罐c 的液位，自动判断开“阀l c ”命令 的可行性。例如管理员按下开“阀1 c 按钮，则系统首先检测4 个进料阀门此刻的 开关状态和球罐c 的液位，如果有阀门正处于打开状态或球罐c 液位正处于上限位 值，则系统不对此次开阀命令做出响应。如果4 个阀门此刻都正处于关闭状态，且 罐c 液位也在上限值以下，这时系统响应管理员的开阀命令打开“阀1 c ，向球罐 c 进料。在此期间，如果系统接到管理员关“阀1 c 命令或检测到罐c 液位达到上 限，系统会首先停止进料泵，然后再关闭“阀1 c 停止进料。 3 1 2 卸料模块控制程序设计 通过以上丁二烯卸料过程的操作分析，丁二烯卸料过程的主要控制要求已基本 明确，因此丁二烯卸料自动控制程序流程设计部分如下图3 2 所示。由于球罐c 、d 的程序控制流程与图中的罐a 或罐b 相同，故在此图中省略。 耆呈l 嚣塞陌孟 的命l 升网i a 癣 等 誊翥晷府 户的信a 罐敝伍 自、超限 来自用 户的命 令 、否 堑墨 攀申考笋申 叩爹| 】| 轨睁 l 南申囱 提示用 户的信 息 ；通泵1 1 气回路 延对 工 关阀1 a 图3 2 丁二烯卸料程序部分框图 由于控制程序在p l c 内部是逐条循环执行的，p l c 上电后第一个执行周期控制 程序初始化，断开进料泵1 电气回路，关闭所有进料阀门。之后，p l c 开始周而复 始的检测来自用户的控制信息和进料阀门状态并执行相应的后续指令。以球罐a 进 料为例，当控制室人员按下触摸屏的“开阀1 a 按钮后，p l c 检测到来自用户的控 制命令，接着检测其它阀门的开关状态，如果此时其它阀门都处于关闭状态，则继 续检测球罐a 内丁二烯液位，如果液位已达到设定的上限值，则通过触摸屏向操作 1 5 甲 河北科技大学硕士学位论文 人员发出提示信息，如果丁二烯液位没有到达设定的上限值，p l c 发出开阀1 a 命令， 同时接通泵1 的电气回路。当p l c 执行完本周期符合条件的所有指令后，返回程序 的起始部位，重新检测来自用户的控制信息和进料阀门的开关状态。此时检测到“阀 1 a ”已经打开，然后继续检测球罐a 内丁二烯液位，开始丁二烯液位没有达到设定 上限值，p l c 继续检测用户控制命令和阀门状态，直到用户发出“关阀1 a ”命令或 丁二烯液位到达设定的上限值。如果是用户发出“关阀1 a ”命令，p l c 断开泵1 的 电气回路，延时后关闭“阀1 a ”；如果是液位达到设定的上限值，则p l c 通过触摸 屏向操作人员发出提示信息，进而自动断开泵1 的电气回路，延时后关闭“阀1 a ”。 3 2 储料模块功能实现 根据有关规定和使用说明，丁二烯，丙烯腈应存储于阴凉、通风处，远离火种、 热源( 如丁二烯存储的坏境温度不宜超过3 0 ) ，作业地应安装监测、监控、通风、 降温装置，且应及时做好存储设备状态的检测记录工作【矧。 因此，原料存储模块的功能主要是检测丁二烯、丙烯腈两种原料储罐的运行状 态，将储罐的状态信息采集处理后显示到管区控制室的触摸屏面板上，供控制室管 理人员实时查看；同时将状态信息与管理员事先设定的各种参数限值进行比较，根 据比较结果向管理人员发出不同级别的颜色和蜂鸣报警1 2 6 ，2 7 】。 3 2 1 存储模块过程控制分析 罐区原料存储系统如图3 3 所示，每个储罐都装有一个带现场显示的远传压力变 送器p t ，一个带现场显示的远传温度计t t ，一套喷淋降温装置。 丁二烯罐区 p t ：带现场显示的远传压力变送器 丙烯腈罐区 t t ：带现场显示的远传温度计 图3 3 罐区喷淋系统示意图 在原料存储期间，压力变送器p t 和温度计t t 分别检测每个球罐内的压力和温 度并远传至控制器，控制器将压力和温度信号规格化处理后通过触摸屏面人机界面 显示，同时控制器将采集回来的压力和温度值与管理员预先设定的上限值进行比较， 根据比较结果发出不同的报警及连锁动作。如与喷淋系统相关的温度变量，当温度 1 6 第3 章监控系统功能设计 计测得罐内温度值高于其高限设定值时，喷淋降温系统自动启动，同时触摸屏人机 界面中喷淋指示灯开始闪烁报警，如果温度继续升高超过了其高高限设定值，则人 机界面中喷淋指示灯开始闪烁报警，且控制台指示温度异常的闪光蜂鸣器开始报警， 通知管理人员采取必要措施。以上两种报警，触摸屏人机界面中的喷淋指示报警当 温度降到某限值，喷淋系统自动关闭后自动停止，但控制台蜂呜器报警只能在温度 低于报警值后由人工确认停止。 对于罐内压力，其报警设置与温度报警设置相似，设有高限和高高限报警值。 当远传压力表盯测得罐内压力值高于其高限设定值时，触摸屏人机界面压力指示灯 闪烁报警，当压力值高于其高高限设定值时，人机界面压力指示闪烁报警，且控制 台压力异常闪光蜂鸣器开始报警。同样触摸屏人机界面压力指示报警随压力将到某 限值自动停止，而控制台蜂鸣器报警只能在压力低于报警值后由人工确认停止。 3 2 2 存储模块控制程序设计 初始化 鬯 童 是 赢 魏 i 否 报警li 报警l 、2 输出i输出 鬯 辱是l 魏 否 报警ll 报警l 、2 输出i输出 图3 - 4 原料存储程序框图 与3 1 节的卸料模块相比，原料存储模块与人的交互动作较少，程序的执行顺序 完全由采集的仪表设备数据信息和人工设定的参数值自动决定，不会因为操作人员 的其他交互动作而改变，因此控制程序的运行逻辑较为简单，如图3 4 所示。 3 3 气体检测模块功能实现 因为丁二烯沸点为4 5 ，常压气态易燃，相对蒸汽密度( 空气= 1 ) 为1 8 4 ， 与空气混合能形成爆炸性混合物( v v ：1 4 1 6 3 ) 。与氧化剂反应或接触热、 1 7 河北科技大学硕+ 学位论文 火星、火焰易燃烧爆炸，且对人有麻醉刺激作用。而丙烯腈为剧毒易挥发性液体， 沸点7 7 3 ，相对蒸气密度( 空气= 1 )