（检测技术与自动化装置专业论文）丁辛醇联合装置先进控制系统设计与研究.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 本课题来源于德国b a s f 公司与中国石化扬子公司合作的扬巴一体化石化 项目中的丁辛醇子项目。针对丁辛醇装置多、工艺复杂、控制复杂，以及丁醛蒸 馏塔塔顶温度精确控制的要求，本文研究开发了一套基于d c s 、现场总线、o p c 、 广义预测控制等工业控制技术及策略的丁辛醇联合装置控制系统。 针对丁辛醇联合装置采用不同厂家、不同产品等特点，本文设计并实现了基 ，于工业以太网、p r o f l b u s 。d p 、m o d b u s 的控制系统。 针对丁辛醇复杂的工艺以及软件严格标准化要求，本文应用t o o k i t 实现了丁 辛醇控制策略，完成了软件的设计。 为了精确地控制丁醛蒸馏塔塔顶温度，本文研究了g p c + p i d 以及数据融合 先进控制策略代替传统的串级控制。仿真证明了该策略的先进性和有效性。 本文在最后从化工工艺的角度介绍了辛醇在界区外灌区与丁辛醇灌区间的输 送系统及醛闪蒸系统的设计方法与实现。 项目顺利结束并通过丁厂可接受性测试。测试表明了丁辛醇联合装置先进控 制系统具有控制稳定可靠、精度高、操作简单等优点，同时也证明了融入先进控 制策略、计算机技术以及j 勖口开放的d c s 仍具有强大的生命力。 关键词：丁辛醇丁醛t o o k i t 现场总线0 p c 广义预测控制数据融合 a b s t r a c t s p o n s o r e d b vt h eo x os u b p r o j e c t o fb a s f y p ci p s p r o j e c t ，t h i s t h e s i s p r e s e n t e d a no x ou n i t e de q u i p m e n ta d v a n c e dc o n t r 0 1s y s t e mb a s e do nd c s 、 f i e l d b u s 、o p c 、g p ca n ds o m eo t h e ra d v a n c e di n d u s t r yc o n t r o lt e c h n o l o g y a n d s t r a t e g y , w h i c h d e a l e dw i t hm a n ye q u i p m e n t 、c o m p l e xt e c h i n c s 、c o m p l e xc o n t r o l s t r a t e g y , h i c a tp r e c i s i o nr e q u e s t o nt h ec o n t r o lo ft h et o p s i d et e m p e r a t u r eo fb a d i s t i l l a t i o nt o w e r a c c o r d i n gt ot h ee q u i p m e n t sc a m ef r o md i f f e r e n tm a n u f a c t u r e r so rt h e i rd i f f e r e n t p r o d u c t s t h et h e s i sp r e s e n t e dt h ec o n t r o ls y s t e mb a s e d o ne t h e m e t 、p r o f b u s d p 、 m o d b u s a c c o r d i n g t ot h ec o m p l e xc o n t r o ls t r a t e g yo fo x o p l a n ta n ds t r i c tr e q u e s to nt h e s t a n d a r d j z a t i o n t h i st h e s i sp r e s e n t e dt h es o f t w a r eb a s e do nt h et o o l k i t i no r d e rt oc o n t r o lt h e t o p s i d et e m p e r a t u r e o ft h eb ad i s t i l l a t i o nt o w e r a c c u r a t e l y ，t h i s t h e s i s p r e s e n t e d a na d v a n c e dc o n t r o l s t r a t e k v w h i c hb a s e do n g p c + p i da n dd a t af u s s i o nt ot a k e t h e p l a c eo ft r a d i t i o n a lc a s c a d ec o n t r 0 1 t h e s i m u l a t i o nc o n f i r m e dt h a tt h es t r a t e g yi sa d v a n c e da n d e f f i c i e n c y a tt h ee n do ft h i st h e s i s p r e s e n t e dt h e w a y so fd e s i g na n di m p l e m e n t o ft h e2 e h t r a n s p o r t a t i o ns y s t e mb e t w e e no x o a n do s b la n dt h ea l d e h y d ef l a s hs y s t e m t h e p r o j e c tw a s f i n i s h e da n dp a s s e dt h ef a t s u c c e s s f u l l y , t h et e s t i n gp r o o f e dt h a t t h eo x 0u n i t e de q u i p m e n t sa d v a n c e dc o n t r o ls y s t e mh a st h em e r i t so fs a f e t ya n d s t a b i l i z a t i o n 、h i g l lp r e c i s i o n 、e a s yo p e r a t i o n ，a n da l s oc o n f i r m e do p e n e dd c sw i t h a d v a n c e dc o n t r o ls t r a t e g y 、c o m p u t e r t e c h n o l o g yh a st h es t r o n g e rl i f e k e yw o r d s ：o x o ，b a ，t o o l k i t ，f i e l d b u s ，o p c ，g p c ，d a t af u s i o n 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 盥堂 日期丛丝鱼：! ：2 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留沦文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或 部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 日期：型生：2 ：2 上海大学硕士学位论文 本文所有示意图检索清单 0 1 、图1 一l丁辛醇工艺流程图1 0 2 、图2 1 丁辛醇详细工艺及装置图6 0 3 、图2 2 羟基合成反应7 0 3 、图2 3 联合装置控制系统图1 2 0 4 、图2 4m d 控制器卡件布置图1 3 0 5 、图2 5 系统以太通信网络一1 4 0 6 、图2 6d c s 与t r j c o ne i c m 4 1 1 9m o d b u s 通讯连接2 0 0 7 、图2 7 时间同步信号电路2 0 0 8 、图2 8 容器模块2 l 0 9 、图2 9e s d 通讯状态监测电路2 l 1 0 、图2 1 0d c s 与s 7 3 0 0c p 3 4 1m o d b u s 通讯连接2 2 1 1 、图2 1 1 以太网和p r o f i b u s - d p 、m o d b u s 总线的互连模型2 3 1 2 、图3 一lt o o l k i t 调用关系2 7 1 3 、图3 2 设各控制功能块内部逻辑框图2 9 1 4 、图3 3t k m v n c 逻辑框周3 0 1 5 、图3 4 t k m v n c 工作流程图3 l 1 6 、图3 5 p i d 功能块内部结构图3 2 1 7 、图3 6 t k 址p i d 模块框图：3 2 1 8 、图3 - - 7 t k m p i d 控制流程图3 3 1 9 、图3 - - 8v n cd y n a m o 结构层次图3 4 2 0 、图3 9 数据库、容器、页及槽的关系图3 7 2 1 、图3 l o 组对象项对象关系图3 9 2 2 、图3 一l i o p c 定制接口与自动化接口4 1 2 3 、图3 1 2 丁辛醇系统o p c 数据接口4 1 2 4 、图3 1 3 系统软件结构图4 2 2 5 、图4 一l 丁醛蒸馏塔进出料及塔温控制图4 5 2 6 、图4 - - 2 预测控制结构图4 7 2 7 、图4 3 广义预测控制结构框图5 3 上海大学硕士学位论文 2 8 、图4 4 融入传感器信息的多传感器加权数据融合框图5 5 2 9 、图4 5 丁醛蒸馏塔塔顶温度控制方框图5 5 3 0 、图4 6m a t l a b 仿真框图5 8 3 l 、图4 7 系统输出y ( t ) 5 9 3 2 、图4 8 控制输出u ( t ) 5 9 3 3 、图5 一lo x o 灌区向o s b l 灌区输送辛醇逻辑图6 2 3 4 、图5 2 辛醇在o s b l 与o x o 灌区间的输送系统图6 3 3 j 、图j 一3 醛闪蒸系统图6 3 3 6 、图5 4 闪蒸压缩机k 2 1 2 5 进口罐图6 4 3 7 、图5 5 闪蒸压缩机k 2 1 2 5 图6 6 3 8 、图5 6k 2 1 2 5 控制策略图6 6 3 9 、图5 7k 2 1 2 5 控制策略的d c s 实现图6 7 v 儿 上海大学硕士学位论文 本文所有数据表格检索清单 1 、表2 1s i 卡读写p l c 数据通讯协议1 9 2 、表3 1t o o l k i t 基本模块2 7 3 、表3 2p r o f i b u s d p 状态信息表3 3 4 、表3 3 对象动态字段连接表3 6 j 、表4 1 融合输入与输出5 7 6 、表4 2 输出响应5 9 - 上海大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 丁辛醇是重要的基本有机化工原料。用丁醇生产的各种醚类、胺类可分别用作乳胶漆、 织物加工粘合剂、农药和橡胶加工及皮革处理剂等。用丁醇生产的邻苯二甲酸二丁酯和脂 肪族二元酸酯类增塑剂，广泛用于各种塑料和橡胶制品的生产。丁醇是生产丁醛、丁酸、 丁胺和醋酸丁酯等有机化合物的原料，可用作树脂、油漆、粘接剂的溶剂及选矿用消泡剂， 也可用做油脂、药物( 如抗菌素、激素和维生素) 和香料的萃取剂及醇酸树脂涂料的添加剂。 辛醇主要用于制造苯二甲酸二辛脂( d o p ) 。d o p 产品素有王牌增塑剂之称，是一种物美价廉 的理想增塑剂，广泛用于聚氯乙烯、合成橡胶、纤维素脂的加t 等。辛醇可用作柴油和润 滑油的添加剂，还可用作照相、造纸、涂料、油漆和纺织等行业的溶剂、陶瓷工业釉浆分 散剂、矿石浮选剂、消泡剂、清净剂等。 丁辛醇的生产工艺有两种路线，一种是以乙醛为原料，巴豆醛缩台加氢法；另一种是 以丙烯为原私l 的羟基合成法。由于工艺流程长，设备腐蚀严重，极不经济，巴豆醛缩合加 氢法已基本淘汰。当今丁辛醇生产的主要方法是以丙烯为原料的羟基合成法，本课题项目 就是采用此类方法，其工艺路线如图卜l 所示。 氢气 图1 - 1 丁辛醇工艺路线图 羟基合成法以合成气( c o - i - h 2 ) 和丙烯为原料，在鲒膦络合物催化剂作用下在反应器 第1 页共7 3 页 上海大学硕士学位论文 r 2 1 0 0 里生成混合丁醛液。混合丁醛液经蒸馏塔c 2 2 0 0 进行蒸馏分离成正、异丁醛。正丁 醛在反应器c 2 4 0 5 直接加氢后经精馏塔c 2 4 1 0 精馏后生成正丁醇。混合丁醛经反应器c 2 3 0 1 进行缩合反应后生成辛醛，辛醛在反应器c 2 3 0 5 进行加氢再经精馏塔c 2 3 1 0 精馏生成辛醇。 异丁醛在反应器c 2 5 0 5 直接加氢后经精馏塔c 2 5 1 0 精馏后生成异丁醇。 1 2 丁辛醇装置控制技术及发展状况 随着我国经济的飞速发展，许多行业对丁辛醇产品的需求量也快速增长，然而我国 的丁辛醇产品的产量和品种方面都无法满足这些需求，造成这种供不应求或者无法供应局 面的因素有很多，一方面与我国的丁辛醇生产厂家自身因素有关，另- - 方面也与所采用的 落后的丁辛醇生产技术有关。丁辛醇生产技术包括两个方面：丁辛醇工艺技术和丁辛醇装 置控制技术。液相循环羟基合成工艺技术十分成熟，在丁辛醇生产过程中被各国广泛采用， 改进的空问不大，因此短期内在改进生产工艺方面下功夫以提高丁管醇产量非常困难，也 不适合我国的国情。但随着计算机技术、分散控制技术和先进智能控制技术的发展，为改 善丁辛醇装置控制性能从而提高丁辛醇产品产量和质量，缓解供需矛盾开辟了一条行之有 效的新途径。 r 辛醇装置控制经历了以f a 个阶段： 1 直接数字控制( d d c ) 7 0 年代以前，计算机在丁辛醇装置控制中的主要应用方式是实现集中控制，控制算法 以p i d 、串级、比值和前馈为主，其硬件可靠性低，成本高，应用不普及。 2 分散集中控制( d c s ) 7 0 至8 0 年代，丁辛醇装置普遍采用分散集中控制( d c s ) 。其主要特点是在硬件上将 控制回路分散，数据显示、实时监控等功能集中化，硬件可靠性大大提高，控制效果甚好。 但在控制算法上仍无显著改进，工艺操作条件仍由人工给出。 3 两级优化控制 8 0 年代以后开始在7 d c s 的基础上，实现高级过程控制和优化控制。硬件上采用上位机 和分散控制器或电动单元组合式仪表结合，构成两级计算机优化控制系统。在算法上，将 控制理论研究的新成果，如多变量解耦控制、多变量约束控制、动态矩阵控制( d m c ) 等 高级过程控制应用于其中。 4 计算机集成控制( c 】p s 第2 页共7 3 页 上海大学硕士学位论文 近年来，采用高可靠、智能化仪表和集中分散控制系统( d c s ) 、开发模型预测控制 ( m p c ) 、广义预测控制( g p c ) 、神经网络、模糊控制等高级控制策略，在各层次上实现优 化，推行管理信息系统( m i s ) ，进行辅助管理和决策，进而组织计算机集成的管理与控制 一体化系统( c i p s ) ，已成为发达国家过程工业自动化和计算机应用的标准发展模式。工 业以太网技术、现场总线技术、光纤技术、o p cm i r r o r 技术不断应用于d c s ，使得d c s 更 加开放、功能更加强大、性能更加稳定可靠。 d c s 组态软件经历了d o s ，w i n d o w s 3 1 ，w i n d o w s9 x n t 到现在的w i n d o w s x p ， w i n d o w s 2 0 0 0 四代操作系统。最初的组态软件基于d o s 操作系统，仅能实现画面监控、报 警、趋势以及报表等基本功能，开发出的人机界面既不友好也不标准规范，不易操作。随 着操作系统的发展，组态软件在人机界面方面在图形化、标准化方面取得了长足的发展。 近年来，随着n e t 、t c p i p 、d c o m 、a d o 等新的技术出现，各组念软件厂商也纷纷推出基 于这些新技术的组态软件，这些组态软件基于n e t 构架，支持_ _ j 业以太网，采用先进的 o p cm i r f o r 技术，数据库管理功能更加强大。 1 3 研究目的与意义 尽管近年来我国丁辛醇无论生产工艺还是装置的控制水平都有很大的改进和提高，但 与发达国家相比还有较大的差距，主要有以下问题： 1 丁辛醇装置采用单个装置独立控制集中管理的模式，自动化程度不高，因而造成 原材料、能源巨大的消耗。发达国家普遍采用联合装置联合控制集中管理的模式，大大地 提高了自动化水平，节省了原材料、能源的消耗。 2 控制策略单一，几乎所有的控制均采用简单的p i d 控制，不能满足一些特殊的控 制要求。 3 d c s 应用水平和层次不高，很多还只是停留在监控、报警等初级层次上，未能充 分利用现代d c s 的控制、管理、决策等先进功能； 4 d c s 应用不够标准规范。 本项目课题针对这些问题，采用先进标准的t o o l k i t 、o p cm i r r o r 、现场总线以及广 义预测控制、数据融合技术对丁辛醇联合装置控制系统进行了研究。广义预测控制采用在 线滚动优化指标和反馈自校正策略，力求有效地克服受控对象的不确定性、迟滞和时变的 动态影响，从而达到预期的控制目标。本文采用的g p c + p i d 控制具有一般串级控制结构， 上海大学硕士学位论文 一方面继承了串级控制的抗干扰性好的优点，另一方面又具备了广义预测控制跟踪性能 好、鲁棒性强的优点。 项目课题的完成能使我国丁辛醇年产量提高2 5 5 k t ，有效地缓解了丁辛醇供求矛盾， 同时目前在国内o p cn l i r r o r 技术、g p c q - p i d 控制策略、t o o l k i t 技术在实际工程应用等 方面还处于摸索阶段，因此本课题在这几个方面的研究和开发具有一定的创新意义。 1 4 本文的主要内容 本文共分以下六章： 第一章为绪论部分，介绍了丁辛醇生产工艺、丁辛醇联合装置分散控制系统( d c s ) 及 控制策略算法的概况，然后提出了在丁醛蒸馏装置中引入，。义预测控制( g p c ) ；最后介绍 了在项目课题中所完成的工作和研究。 第二章为j 辛醇联合装置硬件部分，介绍了丁辛醇合成工艺路线及装置系统和以太网 与现场总线的混合网络的控制系统。 第三章为丁辛醇联合装罱控制软件部分，首先介绍了系统平台d e l t a v 以及t o o l k i t 深 层工作机理，然后介绍了先进o p c 和组态数据库技术，最后介绍了整个系统的软件结构。 第四章介绍了广义预测控制( g p c ) 及融入传感器信息的多传感器加权数据融合原理， 提出了g p c q - p i d 控制代替p i d 串级控制来控制丁醛蒸馏塔塔顶温度的方法，并对g p c q - p i d 的控制方法及多传感器加权数据融合进行了仿真。 第五章介绍了界区间辛醇输送系统及醛闪蒸系统的设计与实现。 第六章总结与展望。 一圭塑查兰堡主堂垡笙塞 一 2 1 引言 第二章丁辛醇联合装置硬件系统 乙烯装置来的丙稀和从合成气装置来的合成气在泡罩塔型反应器里在2 m p a a 和1 0 0 c 的条件下反应。反应器中有高沸物，参与反应的原料、催化剂以及产品都溶解在高沸物中。 通过闪蒸将反应产物粗丁醛与高沸物和催化剂分离。粗丁醛是正丁醛和异丁醛的混合物， 精制后得到正丁醛和异丁醛。r 醛在不同的单元内进一步反应得到正丁醇、异丁醇和辛醇。 丁辛醇联合装置主要包括以下四个单元：醛化单元、正丁醛单元、异了醛单元、辛醇单 元。四个独立的单元又划分为五个工段： 醛化单元 2 1 0 01 。段羟基合成 2 2 0 01 段丁醛蒸馏 辛醇单元 2 3 0 0j ：段辛醇生产 2 3 0 1缩台 2 3 0 5辛醛加氢 2 3 1 0辛醇精馏 正一醇单元 2 4 0 0r 段正t 。醇生产 2 4 0 5正丁醛加氢 2 4 1 0 正丁醛精馏 异_ r 醇单元 2 5 0 0 1 ：段异丁醇生产 2 5 0 5异丁醛加氢 2 5 1 0异丁醛蒸馏 丁辛醇装置的设计年操作时间8 0 0 0 小时，在此基础上各单元设计生产能力如下 装置产品年产量吨年 正丁醛2 2 8 ，0 0 0 醛化单元粗丁醛 异丁醛2 5 ，6 0 0 辛醇单元辛醇1 1 0 ，0 0 0 正丁醇单元正丁醇 1 0 0 ，0 0 0 异r 醇单元异丁醇2 5 ，0 0 0 _ 辛醇装置采用巴斯夫( b a s f ) 低压羟基合成工艺，丙烯与一氧化碳在铑催化剂的作用 下反应。反应产物是讵丁醛和异丁醛的混合物，混合物精制后得纯正丁醛和纯异丁醛，然后 在不同的单元内进一步反应获得辛醇、正丁醇、异丁醇。 第5 页共7 3 页 上海大学硕士学位论文 2 2 丁辛醇工艺流程 丁辛醇详细工艺及装置如图2 - 1 所示。 图2 - 1 丁辛醇详细工艺及装置图 第6 负共7 3 负 上海大学硕士学位论文 2 2 1 醛化单元 2 1 0 0 工段羟基合成 醛化单元的生产能力是2 5 5 ，o o o t y 的粗正一异丁醛混合物。正一异丁醛产品设计比例是 9 0 ：i o ，但根据不同的反应条件，正一异丁醛设计比可以在9 0 ：1 0 到8 0 ：2 0 范围内调节。 原料丙稀和合成气在铑催化剂存在的条件下，在鼓泡塔型反应器( r 2 1 0 0 ) 中进行羟基合成 反应( 反应装置和反应式如图2 2 所示) 生成正丁醛和异丁醛混合物。催化剂由醋酸姥和三 苯基膦( t p p ) 组成，在反应条件下分子式为h r h c o ( p h 3 ) ，其中p h 3 代表三苯基膦。为了 减少带入系统的水分，合成气经过冷却器e 2 0 8 0 e 2 0 8 1 冷却后再进入反应器。 c h 3 c h 2 c h 2 + c o h 2 一c h 3 c h ：c h 2 c l i o + c h 3 c h ( c ，) c l i o + 苗0 产物 图2 - 2 羟基合成反应 反应生成丁醛的选择性非常高。少量副反应物为丙稀加氢气生成丙烷( 1 3 ) ，丁醛 加氯气生成丁醇( 9 9 ；副产 物微量轻组分和高沸物) ，反应压力3 6 m p a a ，温度范围1 0 0 c 1 8 0 。c 。反应器中装有b a s f 加氢催化剂b 1 - 8 5 。反应热通过外部的冷循环来移走，冷循环由相分离器v 2 3 3 0 ，循环泵 p 2 3 2 0 ，冷却器e 2 2 2 0 - - 3 ( c 2 2 2 0 再沸器) 以及开车加热器e 2 3 2 0 组成。氢气和辛醛从冷 循环加入系统。加氢反应的产品( 粗丁醛) 通过热换器e 2 2 3 0 - - 3 换热后撤走，然后在冷 却器e 2 3 2 2 中进一步冷却，在v 2 3 3 2 中减压并脱气，然后再送至初馏塔c 2 3 4 0 或中问储罐 t 2 6 3 5 。辛醇单元内从热换器e 2 3 3 0 排出的加氢废气可以用来调节反应器r 2 1 0 0 内氧气的 浓度，剩余的废气进入废气总管作为带压废气的一部分送往合成气装置做燃料。 3 辛醇精馏 在初馏塔c 2 3 4 0 ，粗辛醇中的轻组分( 庚烷、丁醇、水等) 被分离出来。一小部分塔 顶有机相直接加到正丁醛初馏塔c 2 4 4 0 以回收丁醒，水相( 9 9 ：选择性 9 9 ，副产品：微量的轻组分和高废物) 。加氢产品( 租 f 丁醇) 冷却后在v 2 4 3 0 中分离出气相。次带压废弃物流可以送回醛化反应器r 2 1 0 0 或进 入废气总管作为带压废气的一部分送往合成气装置做燃料。液相产品在相分离器7 2 4 3 2 减 压脱气后送到f 丁醇粗馏塔c 2 4 4 0 或t z 问储罐1 2 6 4 0 。 2 丁f 丁醇精馏 在初馏塔c 2 4 4 0 中轻组分从塔顶分离，收集到分离器v 2 4 4 1 中的部分有机相直接输送 到废水处理单元a 2 3 8 0 8 2 作为萃取溶剂，剩下的有机部分作为回流。部分水相送到fr 醛的加氢反应器，剩余的送到废水萃取塔c 2 3 7 0 。 初馏塔c 2 4 4 0 塔底物流送至丁醇提纯塔c 2 4 5 0 ，c 2 4 5 0 塔顶物流在换热器e 2 2 2 01 中 冷凝，冷凝热同时用作丁醛精馏塔c 2 2 2 0 的再沸器e 2 2 2 0 1 的热源。冷凝后的一小部分 塔顶物流循环至初馏塔c 2 4 4 0 。精制的诈丁醇从塔c 2 4 5 0 倒线采出，经换热器e 2 4 5 3 冷却 后送到中间储罐t 2 6 4 5 。c 2 4 5 0 塔底物送至正丁醇残液塔c 2 4 4 0 回收正丁醇。含有重组分 的塔底物流用泵送至残液槽t 2 6 6 2 后作为残液i i 的一部分送出界区做焚烧处理。 2 2 4 异丁醇单元 2 5 0 0 工段：异丁醇生产 1 异丁醛加氢和异丁醇精馏 异丁醛和氢在装有b a s f 加氢催化剂h l - - 8 4 的加氢反应器r 2 5 2 0 中反应，操作压力 3 6 m p a a ，温度1 0 0 n 1 7 0 。c 。反应器物流经过冷却器e 2 5 3 0 冷却后，经脱气罐v 2 5 3 0 和v 2 5 3 2 脱气。粗丁醇用泵送至初馏塔t 2 5 4 0 。带压废气可以用在反应器r 2 1 0 0 中或进入废气总管 上海大学硕士学位论文 送往合成气装置做燃料。 2 异丁醇精馏 初馏塔c 2 5 4 0 塔顶分离出的轻组分冷凝后在v 2 5 4 1 中得到的有机相大部分都用作塔回 流，剩下部分间断地送至残液罐，水相循环至加氢单元或间断地送至废水萃取塔c 2 3 7 0 。 初馏塔c 2 5 4 0 侧线采出料得到异丁醇，然后在较小的侧塔c 2 5 5 0 中进一步精制，冷凝后的 产品送到异丁醇储罐t 2 6 5 0 。塔底物流以及间断底塔顶物流送到残液罐后作为残液i i 的一 部分送出界区作焚烧处理? 2 3 联合装置控制系统 针对丁辛醇生产工艺、设备操作控制、数据采集处理、第三方系统数据交换与企业管理 信息系统实现数据共享等的要求，本系统采用多级网络结构，共分为五层，如图2 3 所示。 1 仪表层及第三方系统。本层主要有现场过程仪表及传感器、执行机构以及第三方系 统( 马达控制中心的s i m o c o d e 、压缩机组s 7 3 0 0 控制系统、紧急停车及干燥系统) 。该层 的_ _ = 要功能是将流量、温度、压力、液位等过程量变送成4 2 0 m a 信号送至控制层。 2 控制层。本层由1 7 台冗余m d 控制器组成，m d 控制器卡件布置图如图2 4 所示，其 中r j 边4 个卡件为公共部分，2 卞电源卡，2 个控制器，第5 至1 6 为不同的i o 卡，最右边为 扩展延伸卡。1 7 台控制器中其中两台用于m o d b u s 通信，一台用于合成分析小屋控制、另一 台用于蒸馏分析小屋控制，其余1 3 台为合成、蒸馏、加氢、罐区等控制器。控制层的主要 功能有两个：一是执行控制策略，即将采集的过程值送至操作及监控层或控制器本身进行控 制策略运算从而向执行机构发出控制量；二是完成与第三方系统的通信，与第三方系统通信 有两种方式：一是通过p r o f i b u s d p 与马达控制中心s i m o c o d e 进行通讯；二是通过m o d b u s 与压缩机组、干燥单元、冷藏单元、紧急停车系统、火气系统进行通讯，这两种通讯分别由 p r o f i b u s d p 卡和s i 卡来完成。 3 操作层。本层由一台p l u s 站，8 台双屏操作员站组成。 4 监控管理层 i 恪摔管理层主要包括以下5 个应用站服务器：a m s 服务器、历史+ m i s 接口服务器、w e b 服务器、o p c 服务器、3 2 ) - 管控网事件服务器，其各自的功能将在第三章介绍。 第】1 页共7 3 页 上海大学硕士学位论文 2 4 以太网与现场总线的混合网络 系统的通信网络主要包括三个部分：一是基于t c p i p 协议的1 0 0 1 0 0 0 m 自适应工业以 太主干网网络，其网络节点为工程师站、操作站、应用站和m d 控制器；二是基于p r o f i b u s - d p ；龇 一j 隧酬p 粤船 蓁【匡翻 漕 爹陲署耩 谨囤 鎏i ! 世掣堰霉f = 一 j ： ! f 。 。矧避醛 i 鬃 | 靴 j | ： l 睡阿网熏 l 。 。l 壤国慝 | 瀚： 群 喧骥璺墓雾二二 割 图2 - 3 联合装置控制系统图 其网络节点为带p r o f i b u s 通信 的d 控制器、s l f o d e c o o e 、变 上海大学硕士学位论文 频装置以及控制压缩机组、干燥单元的s 7 系列p l c ；三是基于s l 串e 1 通信卡m o d b u s 协议 的串口通信网络，其网络节点为带s l 串口通信卡的m d 控制器和紧急停车系统的p l c 。下 面分别对上述网络进行详细介绍。由图2 5 可以看出，系统的通信建立在以太网t c p i p b 1 图2 - 4m d 控制器卡件布置倒 和现场总线的混合通信协议之上，通过网关实现高速计算机网络一一以太网和相对低速现 场总线的互连，以实现计算机系统和现场仪表、设备的互连和互操作。当计算机向现场仪 表、设备发送信息时，它首先基于以太网和t c p i p 协议将信息发送给相应的网关，然后， 出网关根据现场总线协议发送给相应的现场仪表设备。反过来，当现场仪表、设备有信息 发送给汁算机时，需要由网关作为代理，通过以太网和7 i c p i p 协议发送给相应的计算机， 系统还支持通过互连网络进行远程访问。以太网作为控制系统主干网有以下几个优点： ( 1 ) 由于通过交换以太网和网关，实现了计算机之间以及计算机和现场仪表、设备的 高速互连，系统控制功能可以安排在网络中的任意一台，甚至同时安排在几台计算机上实 现，实现控制功能的全分散和互相备份、冗余，系统可靠性大大提高。 ( 2 ) 整个系统完全建立在网络上，系统的各种功能由各组成部分通过一致的标准和协 议共同完成，整个系统实现全开放，用户不会受任一厂家产品的限制。用户所需的每个系统 组成部分，例如控制软件、操作软件、数据库软件等，都可以从不同的厂商那里购买，并自 主地实现系统集成，从而实现了整个系统的真正全开放。 ( 3 ) 由于控制算法可以分散在多个计算机上，大大增强了整个系统的计算能力，可以 实现以前难以实现的复杂控制算法，如神经网络控制等，甚至一台计算机只用于实现某 特别复杂的控制算法。 ( 4 ) 系统中，现场总线上的仪表、设各主要用于数据的采样、控制的输出以及实现简 单的控制算法。计算机则可以利用软件没计的高度灵活性，虚拟实现多种标准的现场总线 站点，并在整个系统中走己核，b 作用。 上海大学硕士学位论文 2 4 1 工业以太主干网络 冈25 系统以太通信网络 上海大学硕士学位论文 以太网是最广泛使用的网络标准( i e e e 8 0 2 3 ) ，它采用介质访问控制协议( m a c ) 的 通信标准，即c s m a c d ( 载波监听多路访问冲突检测协议) 。当网上任一站点在传送数据 前，先检测是否已有数据在介质上传送，若有则等待对方送完才能送出。数据送出后，在 传送的过程中不断检测是否与其它站点送出的数据发生碰撞，须等待一段时间后再重新尝 试传送。由于介质访问负载轻，以太网使用一种简单的算法操作网络，在网络负载轻时几 乎没有时延。与令牌环或令牌总线协议比，以太网访问信道不需要通信带宽。标准的以太 网支持l o m b s 的数据传输率，也支持1 0 b s 。与控制系统相关的以太网主要缺点是它不支 持任何报文的优先权，介质访问时间是非确定性的。最糟的情况下，延迟没有边界。在网 络负载重的时候，报文冲突是主要的问题，因为这会影响数据的吞吐和时延。以太嘲中标 准的二进制指数后退算法( b e b ) 的截获效应会导致不公平的竞争，这会降低系统的实质 性能。b e b 算法中，经过一系列冲突，报文可能会被丢弃，因此，并不能保证点对点的通 信，有可能出现失败或报文丢失。由于有效帧有最小长度限制，以太网使用大报文发送小 量数据，因此，在相同的数据传输率下以太网发送同样的数据要占用更多的时间。 以太网被认为是几乎所有网络相关自动化问题的有效解决方案设备层通信、控 制、高速数据传输等，但将之用于工业控制则要认真考虑其互操作性和安全性。众所刷知， 在自动化环境中，以太网在杆 互竞争的两个客户设备问不能提供互操作性和互抉性。这是 因为以太网技术自身只提供了一系列的物理介质定义和一个共享的构架构架包括物理介 质、简单的帧格式和l a n 内设备数据包传输的寻址方案。依据开放式系统互连7 层参考模 型，以太网仅提供了物理层和数据链路层协议。所以，所有以太网都可以支持在其之上的 一种或多种上层协议，实现数据传输和网络管理功能。上层协议决定了网络支持的功能级、 连接到网络的设备和网络中设备实现互操作。 2 4 2 p r o f i b u s - d p 网络i z 。 p r o f i b u s d p ( d e c e nc r a l iz e d p e r i p h e r y ) 是p r o f i b u s 中的一种，专门用于自动控制 系统和设备级分散的i 0 之问进行通信使用。直接数据链路映像( d d l m ) 提供的用户接口， 使得对数据链路层的存取变得简单方便，传输可使用r s 一4 8 5 传输技术或光纤介质，两种 介质都支持从9 6 k b i t s 到1 2 k b i t s 的波特率，传输距离与所选用的波特率和传输介质 有关；采用主从轮询方式，具有确定的传输响应时问，可应用于对时间要求苛刻的复杂控 制系统中，例如传动系统p r o f i b u s d p 的数据链路层包括两个子层：介质访问控制层( m a c ) 上海大学硕士学位论文 与现场总线路链控制子层( f l c ) 。d p 采用集中与分散结合的介质访问控制方式，控制总线 上的站点与确定性的方式访问总线。f l c 子层则主要负责管理服务原语和服务访问点 ( s a p ) 。根据应用需求的不同，p r o f i b u s 发展了三个不同版本的d p 通信标准：d p v 0 、d p v l 和d p v 2 。三个版本之间的区别主要存在于用户层的不同实现，具体对用户来说，就是可 以获得不同的通讯功能。 针对工业现场的实际情况，为了降低系统成本和简化实现，p r o f i b u s d p 将其系统中 的站点分为三种类型：一类d p 主站( d p m l ) 、二类d p 主站( d p m 2 ) 及d p 从站。一类d p 主站是中央控制器，网络上的主动站，能主动发起通讯请求，协调控制对网络介质的访问， 个主站能够按照预先定义好的算法控制多个从站，与它们进行周期性及非周期性通讯， 主站可实现一些复杂的控制算法。典型的主设备包括可编程控制器p 【j c 、分散控制系统d c s 和个人计算机( p c ) 等；二类d p 主站包括编程器、组态设备或操作面板。它们在d p 系统 组态时或对系统运行监视时使用。二类d p 主站主动参与介质访问控制，可以与一类d p 主 站或者d p 从站进行非周期性通信；d p 从站是网络上的被动站点，不能主动发起通讯请求， 只能作为被动的响应者，它f ；参与网络介质的访问控制，从站自己可实现一些简单的控制 算法。典型的从站包括：输入输出设备、驱动器、h m i 及阀门等。 p r o f i b u s d p 系统用个字节来表示站点地址，其中的最高位，h 于地址扩展，因此实 际上只有7 位用来表示实际地址，也就是o 1 2 7 。其中1 2 7 是一个全局地址，用于广播或 多播：地址1 2 6 是一个站点上缺省地址，不能被分配给主站。因此，一个处于同一域 p r o f i b u s d p 网络实际只能包括1 2 6 个活动站点。地址0 1 2 5 可以分配给主站或从站，但 一个地址只能分配给一个站点。另外，根据系统中是否有多个活动主站可以将p r o f i b u s p p 配置成单主和多主两类系统。单主系统指d p 网络系统中包括一个主站和多个从站。所有 的d p 系统都必须至少一个d p 主站，因此单主系统是最简单的系统配置方式。单主系统中 的所有从站都属于系统中的唯一主站，由该主站控制对从站的周期性轮询和其它的非周期 性通讯活动。单主系统可以获得最短的总线循环时间。与单主系统不同，p r o f i b u s d p 多 主系统可以包含多个主站和多个从站。系统中的每个从站都从属于不同的主站，_ 般来说， + 个主与从属于它的从站构成一个相对独立的子系统。系统中的所有主站都可以读取一个 从站的输入输出镜像值，但只有它所从属的主站才能对它进行写入操作。 p r o f i b u s d p 采用的是一种令牌循环与集中式轮询结合的混合式介质访问制方式。令 牌循环是指总线上主站之间的令牌传递，集中轮询则是指主站与从属它的从站之间的主从 上海大学硕士学位论文 轮询。通过这种介质访问控制方式，总线上的站点从控制介质访问的角度被划分为主站与 从站两种类型，主站参与介质访问控制，是主动站，从站不参与介质访问控制，是被动站 点。这点与基金会现场总线f f 不同，f f 总线上所有活动的站点都要参与介质访问控制。 在丁辛醇联合装置控制系统p r o f i b u s 网络采用一类d p 主站( d p m l ) 方式，带p r o f i b u s - - d p 通讯卡的控制节点作为主站，s i m o c o d e 作为从站，d e l t a vp r o f i b u s d p 卡最多可以 支持6 4 个从站，每个从站最大可允许2 4 4 字节的输入和2 4 4 字节的输出。为了减少控制 的通讯负荷，系统中每块p r o f i b u s - - d p 卡所带的s i m o c o d e 从站不超过2 0 个。 2 4 3m o d b u s 网络 3 2 m o d b u s 应用协议是i , i k 控制领域中的一种应用层协议，具有开放性和透明性。近几年 来，随着m o d b u s 应用协议不断拓展，已经将w e bs e v e r 、，r c p i p 、工业以太网等关键技术 引入到m o d b u s 应用协议解决方案中，形成了m o d b u s 应用协议族，基于m o d b u s 应用协议 族的f 业以太网解决方案已经逐渐应用于各种现场级测控领域。 基于串行链路和t c p i p 的m o d b u s 应用协议是根据i s o 各层模型定义的两个通信规范。 基于串行链路的m o d b u s 协议与t i a e i a 标准2 3 2 一f 和4 8 5 一a 有关；基于t c p i p 的m o d b u s 协议与i e t f 标准r f c 7 9 3 和r f c 7 9 1 有关。m o d b u s 应用协议是o s i 模型第7 层上的应用层 报文传输协议，可用于连接在不同类型总线或网络的设备问的客户机服务器的通信。在 t c p i p 以太网、各种媒体上的异步串行传输( e i a t i a 一2 3 2 一e 、e i a 一4 2 2 、e i a t i a 一4 8 5 一a 、 光纤、无线等等) 以及m o d b u sp l u s 高速令牌传递网络的连接中使用m o d b u s 协议。 在m o d b u s 系统中有两种有效的传送模式，即a s c i i 和r t u ( 远程终端装置) ，其中a s c i i 传送模式中的帧是用唯一的字符i ”来表示帧的开始，用回车( c r ) 表明帧的结束