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摘要 银催化剂工业侧线评价装置d c s 控制系统设计与开发 摘要 银催化剂工业侧线评价装置采用工业装置实际反应条件对新型银 催化剂进行评价实验，能够获得准确的新型银催化剂的实际应用性能 数据，从而保证新型银催化剂在工业装置上的成功应用。 本课题结合银催化剂工业侧线评价装置自动化设计开发与实际应 用，着重研究了以下几个问题： l 、银催化剂工业侧线评价装置反应器温度控制系统设计与工程实 现方法。笔者对该系统提出三种策略及其具体工程实现方法，分别是 手动选择控制策略、自动选择控制策略和带模糊p i d 控制器的超驰控 制策略。仿真对比性试验证明，带有模糊p i d 控制器的超驰控制系统， 保障安全，控制品质优，鲁棒性好，是最优的控制方案。 2 、空速控制和致稳方式切换控制的算法及其工程实现方法。本文 通过对先进仪表和多参数运算功能的研究和应用，实现了银催化剂工 业侧线带流量计冗余的空速的测量和控制，为自控系统提供了监控这 些问接参数的一双“眼睛 。致稳方式的切换及流量控制算法设计，丰 富了该装置的控制手段，使该装置具有更强的仿真和评价性能。 3 、报警、连锁和停车系统的设计和具体工程实现。通过对工艺流 程的深入理解及现场实际情况的汇总，基于c e m u mc s 3 0 0 0 系统，完 成了报警、连锁和停车系统的设计和具体工程实现。 4 、d c s 与工业质谱仪基于m o d b u s 协议的串行通讯。在银催化 剂工业侧线评价装置上，利用m o d b u s 协议的r s 4 8 5 串行通讯方式， 运用一条数据通讯线实现了d c s 控制系统与工业在线质谱仪之间的信 号通讯数字化。并且成功运用独特的双寄存器存储数据技术，提高d c s 控制系统与工业在线质谱仪两套系统之间数据传输准确性、稳定性和 可靠性。实现了d c s 控制系统对装置各系统的统一监控、管理等功能， 提高了装置的自动化水平和管理水平。 本文设计的催化剂工业侧线评价装置是一套功能完备、操作灵活可 靠、自动化控制水平较高的评价装置，能够自动完成对银催化剂的评 价及数据处理，实现了评价装置的综合自动化。银催化剂工业侧线装 置一次开车成功，目前运行平稳，该装置的投用，对高活性银催化剂 的研制开发和工业推广应用具有重要作用。 关键词：c e n t u mc s 3 0 0 0 ，模糊p i d 控制器，超驰系统，报警，联锁， 停车系统，m o d b u s 协议，工业质谱分析仪 a b s t r a c t 一一一 t h ea u t o m a t i o nd e s i g na n d d e v e l o p m e n to f s i l v e rc a t a l y s ta p p r a i s i n gp l a n t b a s i n go n t h ec o m m e r c i a l e o e gp l a n t a b s t r a c t s i l v e rc a t a l y s ti n d u s t r ys i d el i n ea p p r a i s a lp l a n ts i m u l a t st h er e a li n d u s t r y p l a n t s a n da p p r a i s et h ec a p a b i l i t yo fn e wb r a n ds i l v e rc a t a l y s t b a s e do n i n d u s t r ye o e gp l a n t ，s ot h a ti t c a ni n s u r et h en e wb r a n ds i l v e rc a t a l y s tu s e d i nc o m m e r c i a lp l a n ts u c c e s s f u l l y t h i sp a p e rr e s e a r c ha sf o l l o w st h o u g hw o r k i n go nt h ea u t o m a t i o nd e s i g n a n dd e v e l o p m e n to fs i l v e rc a t a l y s ta p p r a i s i n gp l a n tb a s i n go nt h ec o m m e r c i a l e o e gp l a n t ： 1s t ，s i l v e rc a t a l y s ti n d u s t r ys i d el i n ea p p r a i s a lp l a n tr e a c t o rt e m p e r a t u r e c o n t r o ls y s t e md e s i g n t h ea u t h o rt ot h i ss y s t e mp r o p o s e dt h r e eo p t i m i z e d s t r a t e g i e s a n dt h ec o n c r e t ep r o j e c tr e a l i z a t i o nm e t h o d s ，t h e ya r em a n u a l s e l e c t i o nc o n t r o l ，a u t o m a t i cs e l e c t i o nc o n t r o la n dt h eo v e r r i d ec o n t r o ls y s t e m b a s e do nf u z z yp i dc o n t r o l l e r a c c o r d i n gt op r o g r e s so f a c t u a lp r o d u c t i o na n d r e l a t i v es i m u l a t i n ge x p e r i m e n t s ，t h eo v e r r i d ec o n t r o ls y s t e mb a s e do nf u z z y p i dc o n t r o ll e rc a ns a f e g u a r ds e c u r i t y ，c o n t r o lb e t t e r a n di t sr o b u s t n e s si s b e t t e r s o ，t h et h i r dp l a ni st h em o s ts u p e r i o rc o n t r o lp l a n 2 n d ，t h er e a c t o rc u r r e n tv e l o c i t yw i t ht h ef l o wm e t e rr e d u n d a n c yc o n t r o l s v s t e ma n dt h es e l e c t i o na n dc o n t r o ls y s t e mo fn 2a n dc h 4a r ed e s i g n e d t h r o u g ht h er e s e a r c ha n dt h ea p p l i c a t i o n o fa d v a n c e dm e a s u r i n ga p p l i a n c e a n dt h em u l t ip a r a m e t e ro p e r a t i o nf u n c t i o n ，w er e a l i z e dt h ec o n t r o lo f r e a c t i o n 1 1 1 北京化工大学硕士学位论文 c u r r e n t v e l o c i t y a n d p r o v i d e d t h em e t h o do fm o n i t o r i n gt h ei n d i r e c t p a r a m e t e r s t h ed e s i g no fs e l e c t i o na n dc o n t r o ls y s t e mo fn 2a n dc h 4 e n r i c h e dt h i se q u i p m e n tc o n t r o lm e t h o d s ，e n a b l et h i se q u i p m e n tt oh a v ea s t r o n g e rs i m u l a t i o na n dt h ea p p r a i s a lp e r f o r m a n c e 3 r d ，a l a r m 、i n t e r l o c ka n ds h u t d o w ns y s t e mh a sd e s i g n e da n dt h ep a p e r s h o w e dt h em e t h o do fc o n c r e t ep r o j e c tr e a l i z a t i o n t h r o u g ht h er e s e a r c h i n go f t e c h n i c a lp r o c e s sa n dd a n g e r sc o m p i l i n g ，t h ep a p e ro f f e r e dt h ea p p l i c a t i o n m e t h o do fa l a r m i n g 、i n t e r l o c ka n ds h u t d o w ns y s t e mb a s e do nc e m u mt h e c s 3 0 0 0s y s t e m 4 t h ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nd c sa n di n d u s t r ym a s ss p e c t r u m b a s e do nm o d b u sp r o t o c o lh a sr e a l i z e d w eu t i l i z e dar s 一4 8 5d a t a t r a n s m i s s i o nl i n er e a l i z es i g n a lc o m m u n i c a t i o nd i g i t i z a t i o n ，a n ds u c c e s s f u l l y u t i l i z e du n i q u ed o u b l er e g i s t e rt e c h n o l o g y ，i tc a ne n s u r et h ea c c u r a c y ，s t a b i l i t y a n dr e l i a b i l i t yo fd a t at r a n s m i s s i o n t h i sa u t o m a t i o nd e s i g no fs i l v e rc a t a l y s ti n d u s t r ys i d el i n ea p p r a i s a l p l a n ti sas e to fc o m p l e t ef u n c t i o n s ，n i m b l ea n dr e l i a b l eo p e r a t i o na n dh i g h a u t o m a t i o nc o n t r o ll e v e l i tc a nc o m p l e t et h es i l v e rc a t a l y s ta p p r a i s a la n dt h e d a t a p r o c e s s i n ga u t o m a t i c a l l y ，s o ，i t r e a l i z e dt h e a p p r a i s a l i n s t a l l m e n t a u t o m a t i o n t h es i l v e rc a t a l y s ti n d u s t r ys i d el i n ep l a n tw a sd r i v e ns u c c e s s f u l l y 缸s tt i m e ，a n dm o v e ss t e a d i l yn o w t h i sp l a n tp l a y sv i t a lr o l e i nt h e h i g h a c t i v i t y s i l v e r c a t a l y s td e v e l o p m e n t a n dt h e i n d u s t r yp r o m o t i o n a p p l i c a t i o n k e y w o r d s ：c e n t u mc s 3 0 0 0 ，f u z z yp i dc o n t r o l l e r ，o v e r r i d ec o n t r o ls y s t e m ， a l a r mi n t e r l o c k ，s h u t d o w ns y s t e m ，m o d b u sp r o t o c o l ，m a s ss p e c t r u m i v 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 作者签名： 、岔 争。化 日期： 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的规 定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京化工大 学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可 以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用本授 权书。非保密论 作者签名： 论文不属于保密范围，适用本授权书。 日期9 只矿 日期： 望：丝! 兰 导师签名：肛日期： 第一章绪论 1 1 课题概述 1 1 1 课题题目及来源 第一章绪论 课题题目：银催化剂工业侧线评价装置d c s 控制系统设计与开发 课题来源：中国石化北京燕化石油化工股份有限公司化工一厂银催化剂工业侧线 评价装置，工程编号：0 6 0 2 6 4 。 1 1 2 课题研究的背景 环氧乙烷( e o ) 是重要的基本有机化工原料，是以乙烯为原料生产的产品，产量仅 次于聚乙烯塑料，居第二位。它是低沸点( 1 0 4 。c ) 的易燃易爆气体( 在空气中含3 1 0 0 均可爆炸) 。乙二醇是环氧乙烷与水的反应物，是最重的环氧乙烷衍生物。它 是粘稠液体，沸点1 9 7 6 。c ，有毒。除乙二醇外，环氧乙烷产量的l o 2 0 用于 生产表面活性剂及其它多种化工原料。乙二醇的主要应用是制取涤纶纤维和聚酯薄膜 和聚酯树脂，其次是用于汽车冷却系统的抗冻剂( 与水混合后，结冰温度可以降至 一7 0 ) 以及溶剂、润滑剂、增湿剂、炸药等。环氧乙烷与乙二醇通常安排在一个 装置生产。环氧乙烷的生产几经变化，目前广泛采用的是在银催化剂存在下，用氧气 直接氧化，反应温度为2 5 0 - - - - 2 9 0 ，反应压力为2 兆帕。乙二醇的生产方法变化较小， 都是采用环氧乙烷与大量水在1 5 0 - - 2 0 0 ，2 - - 2 5 兆帕的条件下直接水合。 北京燕山石化研究院从1 9 7 3 年开始进行银催化剂的研究工作，先后研制成功了 y s 系列银催化剂，并建立了微型反应器和单管反应器评价装置，建立了从催化剂制备 的小试、中试到能够同时生产银催化剂及其载体的4 0 0t a 工业装置。其中y s 4 、5 、 6 、7 、8 5 0 0 型已先后在燕山、辽化、扬子、上海、天津、抚顺、独山子、东方等国内 环氧乙烷乙二醇装置上顺利使用并已成功进行了工业化生产，目前，国内现有的1 1 套 环氧乙烷乙二醇装置，已有lo 套装置选用了北京燕山石化公司研究院研制生产的银催 化剂【l 】。占领了8 5 的国内市场，总产量8 0 0 多吨，占世界总产量的6 ，银催化剂 销售额总计达5 亿多元人民币，为国家节省外汇4 5 0 0 多万美元，结束了环氧乙：j 射乙 二醇装置银催化剂白2 0 世纪9 0 年代前至今一直靠进口的历史，为中国环氧乙烷乙二 醇行业带来了巨大的经济效益。 北京化工大学硕士学位论文 近年来，随着国际上相继推出了高选择性银催化剂，燕化研究院也开发了新型高 效银催化剂y s 8 和y s 8 5 0 0 。新型y s 一8 5 0 0 银催化剂，其选择性比y s 7 催化剂提高 了1 2 个百分点，达8 4 8 5 ，已于0 3 年年初通过了中国石化股份公司组织的技术鉴 定。据测算，催化剂选择性每提高一个百分点，每生产1 吨产品可减少l o 公斤左右 的原料消耗，对于一个年产3 0 万吨的生产装置来讲，这种新型银催化剂每年可节约 原料费1 2 0 0 万元 2 1 。新型银催化剂的性能特点与传统高活性银催化剂有许多不同之 处，原料气中的微量组分、e d c 和二氧化碳浓度对新型催化剂的性能影响很大，中试 装置的原料气是由高浓度的乙烯、氧气和氮气等气体配制而成，其中微量的杂质气体 很少，而工业e o e g 装置的原料气组分比较复杂，因此现有独立单管中试评价装置 不能完全模拟工业装置来评价这种高选择性催化剂，采用离线评价装置很难获得准确 的催化剂性能数据。为准确获得新型银催化剂的实际应用性能数据，需要建立一套银 催化剂工业侧线评价装置，采用工业装置实际反应条件对新型银催化剂进行评价实 验，从而保证新型银催化剂在工业装置上的成功应用。 1 1 3 课题研究的目的与意义 ”十一五”是我国石油化工行业发展的关键时期在这期间，市场竞争将更加激烈， 国内油气资源短缺和国际油价剧烈波动对石化行业的影响也将更加突出提高产品质 量、降低人工成本和原材料消耗、提高生产过程的自动化程度成为各大化工企业孜孜 以求的目标。无论新装置建设还是老装置改造，d c s 得到了普遍的采用，并且，以 d c s 为基础的先进过程控制技术的研究与应用，为提高企业的自动化水平开辟了新天 地。因此，d c s 成为从事石油化工过程控制专业技术人员的主要研究对象之一。我国 d c s 市场的主流产品有十几种，其中h o n e y w e l l 和横河公司的产品市场占有率最大， 日本横河c e n t u m 系统d c s 具有强大的控制功能和完善的软硬件结构，但在实际应 用中，由于化工工艺复杂，过程干扰不规律，影响质量指标的参数众多，控制对象特 性复杂等实际因素，控制手段和控制方案的优劣，以及对d c s 系统功能的应用水平 高低，将会直接影响到d c s 系统的自动控制水平，因此，也就需要工程技术人员对 生产过程的工艺参数、对象特性，以及控制系统的软硬件功能作深入的研究，以提高 d c s 的应用水平，进而提高生产装置的自动化程度。 1 2i ) c s 系统概述 2 第一章绪论 1 2 1d c s 的发展阶段 d c s 之所以能在较长时间内统治着过程控制领域，得益于其性能随着技术的发展 不断提升和改进1 3 j ，d c s 的发展可分为三个阶段。 第一阶段的d c s 主要依赖于 4 c ”技术，即计算机技术( c o m p u t e r ) 、通信技术 ( c o m m u n i c a t i o n ) 、图形显示技术( c r t ) 和控制技术( c o n t r 0 1 ) ，解决“集中”与“分 散”的问题。 第二阶段的d c s 达到了所谓 4 a ”的目标，即生产过程自动化p a ( p r o d u c t i o n a u t o m a t i o n ) 、办公自动化o a ( o f f i c ea u t o m a t i o n ) 、实验室自动化l a ( l a b o r a t o r y a u t o m a t i o n ) 、工厂自动化f a ( f a c t o r ya u t o m a t i o n ) 。考虑到互用性和开放性，d c s 按系统构成在垂直方向分解成过程控制级、控制管理级、生产管理级。1 9 9 6 年美国 h o n e y w e l l 公司提出了全厂一体化的概念，把过程控制网络、实时操作网络和工厂信 息网络融为一体，率先推出了t p s ( t o t a lp l a n ts o l u t i o n ) 全厂一体化控制系统。t p s 是 第一个采用微软的w i n d o w sn t 操作系统的d c s ，利用微软的o l e ( 对象链接和嵌入) 技术，使用户直接将过程控制画面链接或插入至数据库或其它与w i n d o w sn t 。例如 t d c s 一3 0 0 0 系统，它把t d c s 一2 0 0 0 作为子系统挂在自身的局部控制网络l c n 上。 t d c s 2 0 0 0 作为与生产过程连接的部分承担过程控$ t j ( e h 现场控制单元完成) 和控制管 理级( e h 操作站完成) 的任务，而t d c s 3 0 0 0 则主要承担生产管理以及经营管理级的任 务。 第三阶段的d c s 引入了现场总线，使企业信息沟通的覆盖范围一直延伸到生产 现场。现场总线使现场设备加入工厂信息网络，成为企业信息网络底层，它是实现工 厂底层信息集成的关键技术。现场总线融入d c s 中，推动了d c s 功能的进一步发展， 例如c e n t u mc s 系统。由于系统原来的4 - - - 2 0 m a 模拟通信方式与现场总线方式混 合存在，系统可以灵活地加以扩展，d c s 功能与现场总线仪表专职的控制功能相融合， 保持了产品的实时性与先进性，使原来的系统不致被淘汰，在d c s 向f c s 过渡的初 级阶段，不失为一种较好的选择。c e n t u mc s 现场总线系统得以实现的关键是开发 a c f ll 模件，使系统在技术进步上上了一个新台阶。再如f o x b o r o 公司开发了 “o m c ”( 开放模件控制器) ，将h 1 现场总线融入i a ，使得i a 成为可变规模系统，增 强了其竞争力。 1 2 2d c s 的优点和特点 d c s 的构成方式十分灵活，可由专用的管理计算机站、操作员站、工程师站、记 录站、现场控制站和数据采集站等组成，也可由通用的服务器、工业控制计算机和可 北京化工大学硕士学位论文 编程控制器构成【4 1 。 处于底层的过程控制级一般由分散的现场控制站、数据采集站等就地实现数据采 集和控制，并通过数据通信网络传送到生产监控级计算机。生产监控级对来自过程控 制级的数据进行集中操作管理，如各种优化计算、统计报表、故障诊断、显示报警等。 随着计算机技术的发展，d c s 可以按照需要与更高性能的计算机设备通过网络连接来 实现更高级的集中管理功能，如计划调度、仓储管理、能源管理等。 1 、高可靠性 由于d c s 将系统控制功能分散在各台计算机上实现，系统结构采用容错设计， 因此某一台计算机出现的故障不会导致系统其它功能的丧失。此外，由于系统中各台 计算机所承担的任务比较单一，可以针对需要实现的功能采用具有特定结构和软件的 专用计算机，从而使系统中每台计算机的可靠性也得到提高。 2 、开放性 d c s 采用开放式、标准化、模块化和系列化设计，系统中各台计算机采用局域网 方式通信，实现信息传输，当需要改变或扩充系统功能时，可将新增计算机方便地连 入系统通信网络或从网络中卸下，几乎不影响系统其他计算机的工作。 3 、灵活性 通过组态软件根据不同的流程应用对象进行软硬件组态，即确定测量与控制信号 及相互问连接关系、从控制算法库选择适用的控制规律以及从图形库调用基本图形组 成所需的各种监控和报警画面，从而方便地构成所需的控制系统。 4 、易于维护 功能单一的小型或微型专用计算机，具有维护简单、方便的特点，当某一局部或 某个计算机出现故障时，可以在不影响整个系统运行的情况下在线更换，迅速排除故 障。 5 、协调性 各工作站之间通过通信网络传送各种数据，整个系统信息共享，协调工作，以完 成控制系统的总体功能和优化处理。 6 、控制功能齐全 控制算法丰富，集连续控制、顺序控制和批处理控制于一体，可实现串级、前馈、 解耦、自适应和预测控制等先进控制，并可方便地加入所需的特殊控制算法。 1 2 3 传统d c s 的局限性 d c s 存在着自身无法克服的问题【5 1 。首先是信息传递落后，目前从现场一次仪表 4 第一章绪论 到d c s 和从d c s 到现场的信号大都沿用d d z i h 型仪表的信号规格，即4 - - - 2 0 m a d c 或1 一5 v d c ，采用点到点的传输方式，信号传输精度低，抗干扰和纠错能力差，难 以发挥现场仪表的特长；另外，分散程度不够，每台d c s 的现场控制单元一般都要 处理几十个控制回路，并由此而带来实时性的问题，很难实现紧急停车时要求的m s 级的反应速度；再者，d c s 的成本较高，其网络通信系统结构大多采用封闭式和本公 司专用的标准和协议。因此，d c s 不但面临p l c 控制系统的挑战，而且它将被f c s 完全代替。 但由于在我国绝大部分工程都是以d c s 作为主流控制系统，d d z i i i 型仪表作为 主导仪表；另一方面，d c s 是一个不断发展的控制系统，它采用现场总线技术对自身 进行改造，使d c s 能与现场总线智能仪表和局部现场总线控制系统( f c s ) 连接起来， 因此以上情况必须形成d c s 与f c s 共存的局面，估计要用十年左右的时间才能真正 过渡到f c s 的主导地位，也就是说，f c s 完全取代d c s 有一个较长的过程，但最终 要取而代之。 1 2 4 国内外i ) c s 在我国工业的应用现状 集散控制系统d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 问世于1 9 7 5 年，生产厂家主要 集中在美、日、德等国。我国从7 0 年代中后期起，首先由大型进口设备成套中引入 国外的d c s ，首批有化纤、乙烯、化肥等进口项目。当时，我国主要行业( 如电力、 石化、建材和冶金等) 的d c s 基本全部进口。8 0 年代初期在引进、消化和吸收的同 时，开始了研制国产化d c s 的技术攻关。 近l o 年，特别是“九五”以来，我国d c s 系统研发和生产发展很快，崛起了一批 优秀企业，如北京和利时公司、上海新华公司、浙大中控公司、浙江威盛公司、航天 测控公司、电科院以及北京康拓集团等。这批企业研制生产的d c s 系统，不仅品种 数量大幅度增加，而且产品技术水平已经达到或接近国际先进水平。在2 0 0 1 年全国 应用的4 4 2 6 套d c s 系统中，国产d c s 系统为1 4 8 6 套，占3 5 。短短几年，国外 d c s 系统在我国一统天下的局面从此小再出现。这些专业化公司不仅占据了一定的市 场份额，积累了发展的资本和技术，同时使得国外引进的d c s 系统价格也大幅度下 降，为我国自动化推广事业做出了贡献。与此同时，国产d c s 系统的出口也在逐年 增长。 虽然国产d c s 的发展取得了长足进步，但国外d c s 产品在国内市场中占有率还 较高，特别是大型企业工程的控制方面，基本上还是国外系列产品占主导地位。 d c s 在石化领域应用较早较普遍，国际上著名的d c s 厂商主要有：美国的 5 北京化工大学硕十学位论文 i n v e n s y s ( f o x b o r o ) 、h o n e y w e l l 、e m e r s o n ，日本的y o k o g a w a ，瑞士的a b b 和德国 的s i e m e n s 等。所占比例分别为：h o n e y w e l l ( 1 2 6 ) ，新华控制( 1 0 1 ) ，横河 电机( 1 0 1 ) ，和利时( 8 4 ) ，a b b ( 7 6 ) ，e m e r s o n ( 7 6 ) ，i n v e n s y s ( 6 7 ) ， 浙大中控( 6 3 ) ，上海自仪( 1 5 ) ，四联集团( 1 5 ) ，浙江威盛( 0 8 ) ，其 他( 2 5 3 ) 。 1 2 5i ) c s 技术的现状与发展趋势 d c s 问世以来，经历了多次重大改进和发展，近年来，为了使d c s 更加适用于 工业生产现场，新一代的d c s 还进一步做出了如下改进： 1 、系统开放化：新推出的d c s 大多数采用国际标准化组织开放系统互连( i s o o s i ) 标准模型，通信协议遵循m a p t o p 工业自动化网络协议在局域网内可以联结其它厂 家符合标准的产品。 2 、采用通用工作站：现在推出的d c s 大多数采用通用的工作站，有效克服了以 前各种专用工作站的弊端。 3 、越大型化和微型化：最近推出的d c s 针对不同的用户，有不同规格的d c s 系统。 4 、通信介质多样化：许多d c s 系统增加了光纤接口，可以采用光纤作为通讯介 质，具有良好的抗干扰能力和本质安全。 5 、d c s 与p l c 相互配合：目前，有些集散控制系统都是基于p l c 而建立的， 通过p l c 来控制各种工业设备。 6 、软件不断丰富：主要表现在实时多任务和图形操作系统、功能丰富完善的组 态软件、各种各样的管理软件和先进的控制软件包等方面。 就目前来说，d c s 其基本体系结构本身所涉及的技术已经发展得相当成熟和实 用，d c s 自身的技术将进一步“向上”和“向下”拓展 6 1 。 所谓“向上”，是指对d c s 收集的现场数据，利用先进的数据库技术、通讯技术， 结合用户的工艺实际作进一步的深度加工，从而为用户提供更大的增值作用。现在各 家d c s 通常采用的有以下几种途径：一种是提供针对某些工艺流程的优化软件，可 以使用户提高生产效率；另一种是增加功能，例如增加设备维护功能，更加细致地分 析设备的热应力，机械故障状态，通过监测设备的运行状态来判断设备是否需要维护， 减少意外停车，提高设备的利用率；还有一种方式就是与用户的管理结合起来，参与 用户的全厂信息系统。例如提供c i s ( 实时信息监控系统) 、e r p 等软件，帮助用户 提高管理水平。 6 第一章绪论 所谓“向下”，是指结合当前现场总线技术的发展和具有现场总线通讯功能的现场 仪表不断涌现的趋势，开发出针对各种现场总线通讯协议的现场接口。这时，d c s 与 现场仪表之间不是仅仅测量数据的传输，而且还要传输大量表达仪表状态、参数、管 理等方面的信息，甚至要把简单的控制功能也“下放”到现场仪表中去。为此，d c s 要 增加大量与现场总线技术有关的通讯软件和组态软件。 1 3 研究内容 1 、分析研究日本横河c e n t u mc s 3 0 0 0 系统d c s 软硬件资源的功能，为系统的二 次开发提供技术支持。 2 、银催化剂工业侧线评价装置承担着科研开发和性能评价的任务，对反应系统 的各项参数要求很高，反应器温度控制系统是一个有纯滞后、大惯性的被控对象，而 反应器温度是影响反应速度，以及环氧乙烷的转化率和选择性等质量指标的关键因 素，因此，反应器温度控制是侧线装置设计的重点和难点。 传统的银催化剂评价装置的温度控制是由夹套水温度与控制电加热器的可控硅 调节器构成的串级调节系统，温度控制并不理想，就此，本文提出三种改进控制方案 及具体实现方法，分别是手动选择控制、自动选择控制和带模糊p i d 控制器的超驰控 制方案，并结合生产实际和软件仿真对三种方案进行研究和分析。 3 、空速是银催化剂侧线评价装置比较重要的参数之一，经实践证明，提高空速， 转化率略有下降，而选择性，设备的生产能力有所增加。空速过高，分离困难，动力 消耗增加。而空速是间接变量，无法用现场仪表直接测量，因此，本文需要结合d c s 的多参数运算功能，研究带流量冗余的空速的控制策略及其实现的具体方法。 4 、银催化剂工业侧线评价装置可选用氮气致稳或甲烷致稳两种工况，各种不同 工况下系统的压力和气体组成都会有所变化，为了反应组分体积比能够控制在理想范 围内，致稳气体的调配起到了至关重要的作用。因此，本文要完成对致稳方式切换和 流量控制算法的设计和具体工程实现方法。 5 、乙烯氧化生产环氧乙烷装置，原料气中含有乙烯和氧气，操作点靠近爆炸极 限稍有不慎就会发生爆炸事故。因而完善的安全联锁系统对装置的安全稳定操作尤为 重要。本文力图通过d c s 实现报警、联锁和停车系统功能的研究，实现d c s 报警、 联锁和停车系统设计。 6 、银催化剂工业侧线装置使用的在线工业质谱，在其对反应气体进行全组分分 析时，每一路样品气会产生2 5 个组分含量信号，总共6 路样品气循环切换分析，再 加上十多瓶标准气的流路输出信号以及质谱内部各种故障报警输出信号，统计之后发 7 北京化工大学硕士学位论文 现，在与d c s 通讯过程中，一共有将近2 0 0 个模拟量或开关量要进行传输。若采用 传统的模拟量或开关量信号传输模式，则在d c s 与质谱之间至少要铺设数十根信号 电缆，并在d c s 机柜中增设数个模拟量输入卡。这样不仅投资大，而且给日后d c s 和质谱的管理和维护也带来了不小的难度，为此，实现在线工业质谱仪与d c s 控制 系统之间数字通讯功能，建立一种准确、简洁、方便的数据总线通讯方式就成为当务 之急。本文力图通过对银催化剂工业侧线评价装置d c s 控制系统( c s 3 0 0 0 ) 与工业 在线质谱仪( m a x 3 0 0 i g ) 之间基于m o d b u s 协议的r s 一4 8 5 串行通讯的研究，实 现高精度气体组分数据在线实时的数字通讯。 8 第二章银催化剂工业侧线评价装置d c s 应用 第二章银催化剂工业侧线评价装置d c s 应用 2 1 银催化剂工业侧线工艺路线 环氧乙烷( e o ) 是重要的基本有机化工原料，其生产方法主要是乙烯直接氧化法， 所使用的催化剂为银催化剂。燕化公司研究院自1 9 7 3 年开始，致力于银催化剂的研 究、开发及评价工作，陆续建立了三套银催化剂单管评价中试装置，在银催化剂的研 制开发和工业推广应用中发挥了重要作用。近年来，随着国际上相继推出了高选择性 银催化剂，燕化研究院也开发了新型高效银催化剂y s 8 和y s 8 5 0 0 。新型银催化剂 的性能特点与传统高活性银催化剂有许多不同之处，原料气中的微量组分、e d c 和二 氧化碳浓度对新型催化剂的性能影响很大，中试装置的原料气是由高纯度的乙烯、氧 气和氮气等气体配制而成，其中微量的杂质气体很少，而工业e o e g 装置的原料气 组分比较复杂，因此现有离线独立单管中试评价装置不能完全模拟工业装置来评价这 种高选择性催化剂，很难获得准确的催化剂性能数据。为准确获得新型银催化剂的实 际应用性能数据，需要建立一套银催化剂工业侧线评价装置，采用工业装置实际反应 条件对新型银催化剂进行评价实验，从而保证新型银催化剂在工业装置上的成功应 用。银催化剂工业侧线评价装置总流程框图见图2 1 。 银催化剂工业侧线评价装置，采用化工一厂工业乙二醇装置的氧化反应原料，模 拟工业乙烯氧化制环氧乙烷反应器条件，评价各种牌号银催化剂性能。工业装置生产 环氧乙烷工艺采用的是氧气直接氧化法，乙烯与氧气在催化剂的作用下，在列管式固 定床反应器中直接发生选择性环氧化反应，生成环氧乙烷，反应器夹套内通入高压热 水或导热油等撤热介质，将反应热移出。由于乙烯和纯氧混合容易发生爆炸，所以在 混合气中必须通入大量的惰性气体如氮气或甲烷，以稀释反应气，使它们的组成控制 在爆炸极限以内。为了控制反应，调整催化剂活性，在反应原料气中还要加入微量的 氯代烷烃( 二氯乙烷) l 7 j i 引。 由于工业反应器内使用的催化剂与侧线装置反应管内可能评价的催化剂牌号小 同，具体性能和操作条件也可能不同。侧线装置本应具备调配控制所有原料气组分的 能力，考虑到现场条件限制和安全生产要求，侧线装置没有设置补加氧气措施。由于 化工一厂乙二醇装置原料气的二氧化碳的含量较高，不能满足侧线装置要求，故侧线 装置建立了二氧化碳再吸收系统，用以调节控制原料气中的二氧化碳浓度。 9 北京化工大学硕士学位论文 图2 - 1 银催化剂工业侧线评价装置总流程框图 f i g 2 - 1f l o wc h a r to fs i l v e rc a t a l y s ta p p r a i s i n gp l a n tb a s i n go nt h em o m m e r c i a le o e gp l a n t 侧线评价装置从工业反应器入口管线引入混合氧气后的混合反应原料气，经c 0 2 吸收塔与贫碳酸盐溶液逆流接触脱除二氧化碳，进入冷却塔冷却至常温脱除夹带水 分，再由原料气成分在线调节控制系统调控加入乙烯、致稳气及e d c 气体，达到反 应器原料气组成要求后经预热器加热至规定温度，进入侧线反应器。在侧线反应器内， 乙烯与氧气反应生成环氧乙烷，反应副产物主要为二氧化碳和水，反应产生的大量热 量被反应器壳程的水撤出。反后物料经过反后冷却器冷却脱水后，进入工业装置的解 吸塔。在侧线反应器的入口和反后冷却器后设置采样点，进行在线分析，以调节控制 反应原料气组成，获取催化剂性能数据。 银催化剂侧线评价装置的反应系统主要由三台反应器构成，能够模拟多种工艺的 反应器条件。可以根据需要选择使用合适的反应管。 具体流程见图2 2 l o 第二章银催化剂工业侧线评价装置d c s 应用 反酋蓑热雾 反直器 岭却霉j 水霉 图2 - 2 银催化剂工业侧线流程图 f i g 2 - 2f l o wc h a r to f s i l v e rc a t a l y s ta p p r a i s i n gp l a n tb a s i n go nt h em o m m e r c i a le o e gp l a n t 2 2 控制系统设计原则 l 、控制系统应安全、可靠、实用，且易于操作、维护。 2 、在满足控制要求的前提下，系统应力求简单、经济，性能价格比高。 3 、考虑到今后的发展和工艺的改进，在硬件配置上应留有一定的裕量。 北京化1 j 大学硎十学位论文 2 3 控制规模( i o 点数) i ，o 其中： r t d t c a i a o d i d 0 2 4 横河c e n t u mc s 3 0 0 0 系统介绍 2 4 1 系统结构 1 1 5 点 1 9 点 7 点 3 4 点 1 6 点 1 5 点 2 4 点 c e n t u mc s3 0 0 0 集散控制系统( d c s ) 是一个结构真正开放的系统，它是由以下 元件所组成的：( 见图2 - 3 系统结构图) 。 域的最小配置：1 个f c s ( 控制站) ，1 个h i s ( 操作站) 。 域的最大配置：一个域中可有h i s 、f c s 、b c v ( 总线转换器) 总共最多“个站，其 中h i s 最多1 6 个。通过b c v 可将域互联，互联的域最多1 6 个，在整个多域系统中 最多2 5 6 个站p j 。 图2 - 3 系统结构图 f i g 2 3 c o n s t r u c t u r ec h a r to f c s 3 0 0 0s y s t e m l2 第二章银催化剂工业侧线评价装置d c s 应用 1 、h u m a ni n t e r f a c es t a t i o n ( h i s ) 操作站 用于运行操作和监视【1 0 1 。采用了微软公司的w i n d o w s2 0 0 0 或w i n d o w sx p 作为 操作系统或横河公司指定的工业用高性能计算机，因此系统工作站具有很强的安全性 和可靠性。 在h i s 的监视器上，操作员可以观察到所有挂在通信总线的各个装备状况，甚至 可以观察到控制站上的某一个i o 点的情况。屏幕的刷新速度快达1 秒。 h i s 可以显示各种画面；如流程图、控制组、趋势等。它也可以监视设备，通过 指令窗口发送指令，记录报警及其它事项和确认报警。 通用p c 型h i s 硬件构成： ( 1 ) p c 机可选用d e l l 或其它品牌p c a t 兼容机。 ( 2 ) 选用通用p c 机做h i s 必须配备v 7 0 1 卡( 置于p c i 槽上的控制总线接口卡，用 于将p c 型h i s 接入v n e t ，它有两排d i p 开关，可指定域地址和站地址 ) ，可选配操 作员键盘( 防尘防水平面触摸键，有9 针r s 2 3 2 接口和u s b 接口两种) 。 2 、f i e l dc o n t r o ls t a t i o n ( f c s ) 现场控制站 用于过程i 0 信号处理，完成模拟量调节、顺序控制、逻辑运算、批量控制等实 时控制运算功能1 1 2 j 。 f c s 所有的模件都采用集成度高、散热量低的固态电路以及表面封装技术，防尘、 抗干扰能力强，适合各种恶劣的运行环境。模件的编址与物理位置的对应关系简单明 了，容易掌握。模件通用性强，种类规