（化学工程专业论文）聚甲醛装置自控设计.pdf

四川大学工程硕士学位论文 聚甲醛装置自控设计 化学工程专业 研究生：贺德明指导教师：黄卫星陈昌荣 本设计是基于聚甲醛工厂的自控工程设计。共聚甲醛工艺以高浓度甲醛 为主要原料，得到聚合级三聚甲醛和二氧戊环，进行连续聚合生成聚甲醛。 原料甲醛容易氧化成甲酸，引起腐蚀；中间产物三聚甲醛和二氧戊环易结晶 或自聚成副产品。由于有机化工反应的复杂性，要求反应物测量非常精确， 这对仪表的使用性能提出了严格的要求。整个自控设计遵循通用的化工设计 规范，并重点讨论了在具体工艺条件下，为达成工艺目标所作的自控设计工 作。 强调控制系统安全和可靠性，d c s 系统采用工业界目前的主流品牌，详 细配置由专业厂家确定，本文提出技术要求如控制器性能、规模、冗余量等。 与之相应的仪表防爆方式、接地系统设计往往被弱化，以至影响系统的安全 和可靠性，文中对此作了详细的叙述和分类，能够直接指导现场施工。 现场仪表与工艺介质和测控要求紧密相关，致使现场仪表的选型种类繁 多，在设计时忽略一个条件或参数都可能造成应用失败。通过对过去使用经 验的总结，充分了解聚甲醛工艺介质特性，对原先使用的几大类型仪表重新 作了设计。设计系统投用至今已有一年，完全达到预期的效果。其中包含的 大量工程实践经验和行之有效的方法，可供同类生产装置选型借鉴。 聚甲醛工艺流程是连续与间歇生产混杂路线，连续过程控制已为化工厂 所熟悉，在此作了典型的批量生产单元一半缩醛配制的详细控制和操作设计。 整个装置最困难的高精度流量控制，采用失重法计量，国内尚无厂家生 产，也无资料参考。经过大量的生产经验累积，分析出其工作原理，得到改 进的方法，并建立了初步的数学模型。将来应用数据采集和分析系统就可将 模型逐步精确，为先进控制打下基础。 关键词：聚甲醛自控设计批量控制失重流量法 四川大学工程硕士学位论文 c o n t r o ls y s t e m d e s i g no np o m p l a n t g r a d u a t e ：h ed e - r u i n g s u p e r v i s o r s ：h u a n gw c i x i n g ，c h e r tc h a n g - r o n g t h ed e s i g ni sf o rt h ep r o c e s sc o n t r o lo fp o m ( p o l y f o r m a l d e h y d e ) p l a n t w i t hh i g h c o n c e n t r a t e df o r m a l d e h y d ea st h e m a t e r i a l ，t h et r i o x y m e t h y l e n e a n dd i o x o l a n ew a s s y n t h e s i z e da n dw a sf u r t h e rp o l y m c r i z e dt op o m 。t h ef o r m a l d e h y d ew a se a s i l yo x i d i z e dt o f o r m i ca c i d t h ei n t e r m e d i a t ep r o d u c te a s i l yc r y s t a l l i z e do rs c l f - p o l y m e r i z e dt ob y - p r o d u c t d u et oc o m p l e x i t yo fo r g a n i cc h e m i c a lr e a c t i o n , a c c u r a t em e a s u r e m e n tw a se m p h a s i z e d t h e w h o l ed e s i g nc o n f o r m e dt og e n e r a lc h e m i c a ld e s i g nr e g u l a t i o n sa n d , e s p e c i a l l y , f o c u s e do n t h ep r o c e s sc o n t r o ld e s i g nw o r kt of u l f i l lac e r t a i no b j e c tu n d e rs p e c i a l i z e dp r o c e s sc o n d i t i o n s s a f e t ya n dr e h a b m t ya r ei m p o r t a n tf o rc o n t r o ls y s t e m t h em a j o rm a n u f a c t u r ef o rd c s 田i s t r i b u t c dc o n t r o ls y s t e m ) w a ss e l e c t e dt h ed e t a i lc o n f i g u r a t i o no fh a r d w a r ew a s s c tb y s p e c i a l i s t sw h e nt e c h n o l o g yr e q u i r e m e n t sw e l ec l e a rs u c ha sc o n t r o l l e rp e r f o r m a n c e , s i z ea n d r e d u n d a n tr e q u i r e m e n t c o n s i d e r i n gt h ei m p o r t a n c eo ft h ee x p l o s i o n - p r o o fm e t h o da n de a r t h d e s i g n , w h i c hu s u a l l yc a u s e 翻h 】r eo ft h ew h o l es y s t e m , t h et h e s i sd i s c u s s e dt h e g ni n d e t a i l a n dg a v eo u tt h eg u i d e l i n e sf o rf i e l dc o n s t r u c t i o n t h e r e 瓣m a n yp o s s i b i l i t i e sf o ri u s i z l 】m e ms e l e c t i o n s d e p e n d i n go nt h ep r o c e s s m e d i u ma n dm c a s u r u m e n ta n dc o n t r o lr e q u i r e m e n t s m o s to fi n s t r u m e n t sw c l er e d e s i g n e d b a s e do ne x p e r i e n c ea n dm c d i n l nc h a r a c t e r i s t i c si nt h et h e s i s t h eo p e r a t i o nf o ro u ey e a rh a s p r o v e dt h e i re f f e c t i v e n e s st h a tt h ed e s i g ne x p e c t e d t h ep r o c e s sf o rp o mi sm a d eu po fc o n t i n u o u sa n db a t c hw a y t h ef o r m e rw a ss i m i l a r t og e n e r a lc h e m i c a lp l a n t w h i l ef o rt h el a t t e r , t h ed e t a i l e dc o n t r o la n do p e r a t i o nd e s i g n sw c a r r i e do u tf o rt y p i c a lb a t c hu n i t t h ef l o w - r a t ec o n t r o lw i t hh i g ha c c u r a c yi sv e r yd i f f i c u l t w h i c hm a yr e a l i z eb yt h c l o s s - w e i g h tm e t h o d a c c o r d i n gt oa c c u m u l a t e de x p e r i e n c e sa n da n a l y s i sf o ri t sp r i n c i p l e ，a l l i m p r o v e dm e t h o da n dap r i m a r ym a t h e m a t i c a lm o d e lw e l ee s t a b l i s h e d , w h i c hp a v e st h eb a s e f o rf u n h e l a d v a n c e dc o n t r 0 1 k e y w o r d s ：p o l y f o r m a l d e h y d e ；c o m r o ld e s i g n ；b a t c hc o n t r o l ；l o s s - w e i g h t - 一 四川大学工程硕士学位论文 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的科研成果，也不包含为获得四川大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均己在论文中作了明确说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在四川大学读书期间在导师指导下取得的，论文 成果归四川大学所有，特此声明。 燧澎 学生签名： 鬈、彤瞧 2 0 0 7 年5 月 四川大学工程硕士学位论文 第一章控制器与控制理论 1 1d c s 的发展历程 工业自动化控制仪表主要包括变送器、调节器、调节阀等设备，控制仪 表从基地式调节器( 变送、指示、调节一体化的仪表) 开始，经历了气动、电 动单元组合仪表到计算机控制系统( d d o ，直到今日的分散控制系统d c s 。 5 0 年前的中国除了几个可以生产压力表之类最简单仪表的工厂以外，仪 器仪表工业几乎是一片空白，更谈不上控制仪表的生产。建国以后，随着第 一个五年计划中国基础工业大规模建设序幕的拉开，西安、上海等仪器仪表 基地也投入建设，中国仪器仪表工业才真正形成一个产业【l l 。 通常控制仪表只能完成较为单一的控制功能，例如某个温度、压力、流 量参数的自动控制；而控制系统则指可以完成构成较为复杂、测量控制点数 较多的控制。例如某个设备、某个装置、某个工序、某个车间的控制。 控制仪表和控制系统广泛使用在各行各业中，实现工艺参数的自动调节 和工艺过程的连锁、顺序控制，是实现生产过程自动化的基础。 从上世纪5 0 年代到8 0 年代，是中国生产可完成p i d 调节功能的控制仪表 的发展阶段 2 】，从上世纪9 0 年代开始，中国控制系统的生产规模才真正形成。 1 1 1 控制仪表 5 0 年代中后期，中国开始生产气动0 4 型调节器，如0 4 - y t - 4 1 0 6 1 0 气动压 力调节器、0 4 - w t q - 4 1 0 6 1 0 气动温度调节器、0 4 c f 一4 1 0 6 1 0 气动流量调节器 等等【3 】。从1 9 5 8 年开始，中国开始研制电动单元组合仪表，1 9 6 4 年，全套2 7 个品种的d d z - i 型仪表全部投入生产，采用磁放大器和6 n 1 型电子管作为主要 放大元件，结构上采用多单元制，所以仪表体积大、性能差、构成系统仪表 用量多，实际应用量很少。从1 9 6 5 年起，中国开始研制d d z 一1 i 型电动单元组 合仪表，采用o - - l o m a 直流电流信号制并以晶体管作为主要放大元件，1 9 7 0 年， 国家组织了全国统一设计，规范了d d z i i 型电动单元组合仪表的型号、性能 指标、连接部件、外形尺寸。d d z - i i 型电动单元组合仪表在全国得到较为普 遍的应用，一批由数十个甚至更多调节回路组成的控制系统在各行各业投入 运行【4 1 。与此同时，气动单元组合仪表q d z - i 、q d z - i i 也研制成功并在石油、 四川大学工程硕士学位论文 化工等有防爆要求的场合得到较多的应用。以上这些仪表曾在类似国内电力 行业国产2 0 0 m w 甚至3 0 0 m w 机组上这样一些较大规模的设备上应用 5 1 。接着 开始研制d d z i i i 型电动单元组合仪表，它采用国际通用的4 - 2 0 m a 信号制、 以线性集成电路作为主要放大元件并具有防爆安全功能。国产d d z h i 型电动 单元组合仪表投产后不久，国外仪器仪表的先进技术进入中国，西安仪表厂 引进日本横河公司i 系列仪表、北京电表厂引进日本北辰公司e k 系列仪表， 上海地区最早的合资企业上海福克斯波罗公司在中国生产s p c 2 0 0 组件组装 仪表，这3 类仪表的水平虽然高于中国的d d z i i i 型电动单元组合仪表。但它 们整体上仍属于模拟式电动单元组合仪表。很快，国外的智能数字调节器开 始引入中国，西安仪表厂引入日本横河公司的y s 8 0 智能数字调节器，四川仪 表表总厂、上海调节器厂引进日本山武霍尼威尔公司的k m m 智能数字调节 器，天津市自动化仪表厂引进日本富士公司f c 系列p m k 智能数字调节器、大 连仪表厂引进日本日立公司v 1 8 7 m a 智能数字调节器、上海福克斯波罗公司 生产7 6 0 智能数字调节器 6 1 。国内也先后研制出d t z b 2 3 1 0 a 、c s 9 1 0 等型号 的智能数字调节器，并以其为主体，构成国产d d z s 系列数字模拟综合控制 仪表。 1 1 2 集散型控制系统d c s 1 9 7 5 年前后，大规模集成电路由4 位微处理器发展成8 位，在形成单板机 产品投入工业应用的同时，自动化仪表行业在原来采用中小规模集成电路而 形成的直接数字控制器( d d c ) 的自控和计算机技术的基础上，结合阴极射线 管( c r x ) 、数据通信技术，开发出了以集中显示操作、分散控制为特征的集散 系统，后来逐渐统一称为分散型控制系统( d c s ) 。在以后的2 0 多年中，d c s 产品虽然在原理上并没有多少突破，但由于技术的进步、外界环境变化和需 求的改变，设计思想发展了，共出现了3 代d c s 产品。1 9 7 5 年至8 0 年代前期为 第一代产品，8 0 年代中期至9 0 年代前期为第二代产品，9 0 年代中期至2 l 世纪 初为第三代产品【7 】。3 代产品的区别，可从d c s 的三大部分，即控制站、操作 站和通信网络的发展来判断。 d c s 从1 9 7 5 年问世以来，大约有三次比较大的变革，七十年代操作站的 硬件、操作系统、监视软件都是专用的，由各d c s 厂家自己开发的，也没有 四川大学工程硕士学位论文 动态流程图，通讯网络基本上都是轮询方式的；八十年代就不一样了，通讯 网络较多使用令牌方式；九十年代操作站出现了通用系统，九十年代末通讯 网络有部份遵守t c p i p 协议，有的开始采用以太网【8 】。总的来看，变化主要 体现在i ，o 板、操作站和通讯网络。控制器相对来讲变化要小一些。操作站主 要表现在由专用机变化到通用机，如p c 机和小型机的应用。但是目前它的操 作系统一般采用u n i x ，也有小系统采用n t ，相比较来看u n i x 的稳定性要好 一些，n t 则有死机现象。i o 板主要体现在现场总线的引入d c s 系统 9 】。 从理论上讲，一个d c s 系统可以应用于各种行业，但是各行业有它的特 殊性，所以d c s 也就出现了不同的分支，有时也由于d c s 厂家技术人员工艺 知识的局限性而引起，如h o n e y 、e l l 公司对石化比较熟悉，其产品在石化 行业应用较多，而b a i l e y 的产品则在电力行业应用比较普遍 1 0 】。用户在选 择d c s 的时候主要是要注意其技术人员是否对该生产工艺比较熟悉；然后要 看该系统适用于多大规模，比如n t 操作系统的就适应于较小规模的系统。 进入9 0 年代，国内一批公司进入d c s 领域，如浙江威盛自动化公司于1 9 9 2 年推出f b 2 0 0 0d c s 系统：和利时自动化工程公司于1 9 9 2 年推出h s 1 0 0 0 系 统；浙大中控公司于1 9 9 3 年推出s u 0 c o nj x 1 0 0 系统；上海新华控制工程公 司1 9 8 8 年成立，首先推出d a s 1 0 0 计算机监控系统，随后升级为x d p s 系统。 到目前为止，国产d c s 系统大体上经历了近2 0 年左右的发展历程，已从 产品的幼稚期、发展期到达成熟期，国产d c s 系统主要在中小型企业和中小 规模工艺设备上应用，而近年来在一些特殊行业及大规模工艺设备上也开始 应用，在与国外设备的竞争中为国产d c s 系统争得一席之地。据统计，在2 0 0 1 年全国主要工业部门应用的4 2 0 0 套d c s 系统中，国产系统超过1 3 0 0 套，约占 1 3 。而在国内电力行业，2 0 0 1 年以前应用的6 7 9 套d c s 系统中，国产d c s 超 过4 0 0 套。2 0 0 3 年，新华控制工程公司、北京和利时公司、浙大中控2 0 0 3 年销 售额均达到5 7 亿元【l ”。 1 2 d c s 结构 d c s 由四部份组成：i o 板、控制器、操作站、通讯网络。i o 板和控制 器国际上各d c s 厂家的技术水平都相差不远，如果说有些差别的话是控制器 内的算法有多有少，算法的组合有些不一样，i o 板的差别在于有的有智能， 四川大学工程硕士学位论文 有些没有，但是控制器读取所有i o 数据必须在一秒钟内完成一个循环：操作 站差别比较大，主要差别是选用p c 机还是选用小型机、采用i n 还是采用 n t 操作系统、采用专用的还是通用的监视软件，操作系统和监视软件配合比 较好时可以减少死机现象；差别最大的是通讯网络，最差的是轮询方式，最 好的是例外报告方式【1 2 1 ，其速度要相差七八倍。 d c s 的骨架系统网络，它是d c s 的基础和核心。由于网络对于d c s 整个系统的实时性、可靠性和扩充性，起着决定性的作用，因此各厂家都在 这方面进行了精心的设计。对于d c s 的系统网络来说，它必须满足实时性的 要求，即在确定的时间限度内完成信息的传送。这里所说的“确定”的时间限 度，是指在无论何种情况下，信息传送都能在这个时间限度内完成，而这个 时间限度则是根据被控制过程的实时性要求确定的。因此，衡量系统网络性 能的指标并不是网络的速率，即通常所说的每秒比特数( b p s ) ，而是系统网络 的实时性，即能在多长的时间内确保所需信息的传输完成【l 引。系统网络还必 须非常可靠，无论在任何情况下，网络通信都不能中断，因此多数厂家的d c s 均采用双总线、环形或双重星形的网络拓扑结构。为了满足系统扩充性的要 求，系统网络上可接入的最大节点数量应比实际使用的节点数量大若干倍。 这样，一方面可以随时增加新的节点，另一方面也可以使系统网络运行于较 轻的通信负荷状态，以确保系统的实时性和可靠性。在系统实际运行过程中， 各个节点的上网和下网是随时可能发生的，特别是操作员站，这样，网络重 构会经常进行，而这种操作绝对不能影响系统的正常运行，因此，系统网络 应该具有很强在线网络重构功能。 1 3d c s 发展趋势 受信息技术( 网络通信技术、计算机硬件技术、嵌入式系统技术、现场总 线技术、各种组态软件技术、数据库技术等) 发展的影响，以及用户对先进的 控制功能与管理功能需求的增加，各d c s 厂商( h o n e y w e l l 、e m e r s o n 、 f o x b o r o 、横河、a b b 为代表) 纷纷提升其d c s 系统的技术水平，并不断丰富 其内容。以h o n e y w e l l 公司最新推出的e x p e r i o n p k s ( 过程知识系统1 ，e m e r s o n 公司的p l a n t w e b ( e m e r s o n p r o c e s sm a n a g e m e n t ) ，f o x b o r o 公司的a 2 ，横河公司 的r 3 ( p r m - - i 厂资源管理系统) ，a b b 公司的i n d u s t r i a li t 系统为标志的新一 四川大学工程硕士学位论文 代d c s 已经形成。如果把当年f o x b o r o 公司的f a s e r i e s 看作第三代d c s 系统的 里程碑，以上几家的最新d c s 可以划为第四代【i ”。第四代d c s 的最主要标志 是两个r 开头的单词：i n f o r m a t i o n ( 信息) 和i n t e g r a t i o n ( 集成) 。 信息和集成( i n f o r m a t i o na n di n t e g r a t i o n ) 这两个“r 开头的单词基本描述了 当今d c s 系统正在发生的变化。我们已经可以采集整个工厂车间和过程的信 息数据，但是用户希望这些大量的数据能够以合适的方式体现，并帮助决策 过程，让用户以他明白的方式，在他方便的地方得到他真正需要的数据。 信息化体现在各d c s 系统已经不是一个以控制功能为主的控制系统，而 是一个充分发挥信息管理功能的综合平台系统。d c s 提供了从现场到设备， 从设备到车间，从车间到工厂，从工厂到企业集团整个信息通道。这些信息 充分体现了全面性、准确性、实时性和系统性。基本上大部分d c s 提供了过 去常规d c s 功能、s c a d a 功能以及加e s ( 制造执行系统) 的大部分功能。与e r p 不同，m e s 汇集了车间中用以管理和优化从下定单到产成品的生产活动全过 程的相关硬件或软件组件，它控制和利用实时准确的制造信息来指导、传授、 响应并报告车间发生的各项活动，同时向企业决策支持过程提供有关生产活 动的任务评价信息。m e s 的功能包括车间的资源分配、过程管理、质量控制、 维护管理、数据采集、性能分析及物料管理，其作用简述如下。 资源配置与状态( r e s o u r c ea 1 l o c a t i o na n ds t a t u s ) ：管理机器、工具、 劳工技能、材料、设备和其它实体，使其在操作前按顺序可得，同时提供资 源的具体历史信息，保证设备正确安装并提供实时状态。上面提到的所有d c s 都以不同的软件名称提供了类似的功能如设备管理、知识管理、能源管理等。 派遣生产单元( d i s p a t c h i n gp r o d u c t i o nu n i t s ) ：管理以工件、订单、批 量、时序等为形式的生产单元流程，提供派遣信息，并可改变预先的调度方 案和通过缓冲区管理来控制加工数量。过去的连续过程生产装置是按某种产 品的生产能力进行设计，物料平衡公式和设备的选型也是按该生产能力进行 ( 也许加上1 0 的富裕量) 。极少有装置生产能力小于设计生产能力的情形。 然而，如果该产品由于市场需求降低，从而要求生产量降低时，则该装置的 各种物理参数和控制参数很难适应，不能保证产品的质量。当由于市场竞争、 管制、或其它任何原因要停止该产品，而转生产另一种产品时，通常我们不 得不停止该装置，或进行大投资改装。当今，灵活满足市场需求，快速响应 四川大学工程硕士学位论文 市场已经变成主要的经营驱动力，我们的过程控制或生产控制必须适应这种 需求。仪器仪表协会也制定了批量控制的标准a n s f i s a $ 8 8 0 1b a t c hm o d e l s a n dt e r m i n o l o g y ，为我们开发和应用批量控制提供了很好的指导。第四代的 d c s 基本都提供了自主的或集成的批处理功能软件。他们把批量控制 ( b a t c h c o n t r o l ) 力【 a d c s 系统，变成一种类似先进控制算法模块的组件。 文档控制( d o c u m e n tc o n t r 0 1 ) ：控制与生产单元相关的记录，具有编 辑和指令下达等功能。第四代d c s 基本都能自动生成各种操作记录、日志以 及各种档案文件。 数据收集，获取( d a t ac o l l e c t i o n a c q u i s i t i o n ) ：提供获取内部数据的接 口，构成相应的表格和记录，数据的收集可以是自动或手动方式。 劳工管理( l a b o rm a n a g e m e n t ) ：提供职员有关状态，并与资源配置关 联来决定最优分配，值得一提的是，在现代生产过程中，人和设备越来越变 成有机配合的整体。 质量管理( q u a l i t ym a n a g e m e n t ) ：提供度量的实时分析来保证产品质 量控制并鉴定需注意的问题，建议更正的建议，也包括s p c s q c 的跟踪和离 线检查操作的管理以及l i m s 的分析等。 维护管理( m a i n t e n a n c em a n a g e m e n t ) ：跟踪和指导设备和工具维护的 活动来保证生产和调度的进程，也提供紧急问题的反应，如报警，并维护历 史信息来支持问题的诊断。例如，e m e r s o n 声称通过其设备管理功能，用户可 以在正确的时间、以正确的方式维护正确的设备，节省掉大部分的例行大修 时间并排除非计划停车时间。 产品跟踪( p r o d u c tt r a c k i n g ) ：提供工作的可见度和相关的状态信息， 在线跟踪功能可产生历史记录。 性能分析( p e r f o r m a n c ea n a l y s i s ) ：通过分析不同功能的汇总信息，提 供实际生产操作与历史记录和期望结果的报告。 d c s 的集成性则体现在两个方面：功能的集成( 如上面所述) 和产品的集 成。过去的d c s 厂商基本上是以自主开发为主，提供的系统也是自己的系统。 当今的d c s 厂商更强调系统的集成性和解决方案能力，d c s 中除保留传统 d c s 所实现的过程控制功能之外，还集成了p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i c c o n t r o l l e r ，可编程逻辑控制器) ，r t u ( r e m o t et e r m i n a lu n i t ，远程终端设备) ， 四川大学工程硕士学位论文 f c s ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ，现场总线) ，各种多回路调节器，各种智能采集 或控制单元等。此外各d c s 厂商不再把开发组态软件或制造各种硬件单元视 为核心技术，而是纷纷把d c s 的各个组成部分采用第三方集成方式或o e m 方 式。例如，多数d c s 厂商自己不再开发组态软件平台，而转入采用兄弟公司( 如 f o x b o m 用w o n d e r w a r e 软件为基础) 的通用组态软件平台，或其它公司提供的 软件平台( e m e r s o n 用i n t d l u f i o n 的软件平台做基础) 。此外，许多d c s 厂家甚 至i o 组件也采用o e m 方式( f o x b o r o 采用e u r o t h e m 的i o 模块，横河的r 3 采用 富士电机的p r o c e s s i o 作为i o 单元基础【l ”，h o n e y w c u 公司的p k s 系统则采用 r o c k w e l l 公司的p l c 单元) 作为现场控制站。 1 3 1d c s 变成真正的混合控制系统 过去我们区分d c s 和p l c 主要通过被控对象的特点( 过程控制和逻辑控制) 来进行划分。但是，第四代的d c s 已经将这种划分模糊化了。几乎所有的第四 代d c s 都包容了过程控制、逻辑控制和批处理控制，实现了混合控制。这也是 为了适应用户的真正控制需求。因为，多数的工业企业绝不能简单地划分为 单一的过程控制和逻辑控制需求，而是由过程控制为主或逻辑控制为主的分 过程组成的。我们要实现整个生产过程的优化，提高整个工厂的效率，就必 须把整个生产过程纳入统一的分布式集成信息系统。例如，典型的冶金系统、 造纸过程、水泥生产过程、制药生产过程和食品加工过程、发电过程，大部 分的化工生产过程都是由部分的连续调节控制和部分的逻辑联锁控制构成。 第四代的各d c s 系统几乎全部采用i e c 6 1 1 3 1 3 标准进行组态软件设计。而该标 准原为p l c 语言设计提供的标准。同时一些d c s ( 如h o n e y w e l l 公司的p k s ) 还直 接采用成熟的p l c 作为控制站。多数的第四代d c s 都可以集成中小型p l c 作为底 层控制单元。今天的小型和微型p l c 不仅具备了过去大型p l c 的所有基本逻辑 运算功能，而且高级运算、通信以及运动控制也能实现。 1 3 2d c s 包含f c s 功能并进一步分散化 过去一段时间，一些学者和厂商把d c s 和f c s ( 现场总线控制系统) 对立起 来。其实，真正推动f c s 进步的仍然是世界主要几家d c s 厂商。而且d c s 会 包容f c s ，实现真正的d c s 。所有的第四代d c s 都包含了各种形式的现场总 四川大学工程硕士学位论文 线接口，可以支持多种标准的现场总线仪表、执行机构等 m 】。此外，各d c s 还改变了原来机柜架式安装i o 模件、相对集中的控制站结构，取而代之的是 进一步分散的们3 模块( 导轨安装) ，或小型化的i o 组件( 可以现场安装) 或中小 型的p l c 。分布式控制的一个重要优点是逻辑分割，工程师可以方便地把不 同设备的控制功能按设备分配到不同的合适控制单元上，这样，操作工可以 根据需要对单个控制单元进行模块化的功能修改，下装和调试。另外的优点 是各个控制单元分布安装在被控设备附近，既节省电缆，又可以提高该设备 的控制速度。一些d c s 还包括分布式h m i 就地操作站，人和机器将有机地融 合在一起，共同完成一个智能化工厂的各种操作。 例如，e m e r s o n 的d e l t a v ，f o x b o m 的a 2 中的小模块结构，o v a t i o n 的分散 模块结构等。可以说现在的d c s 厂商已经越过炒作概念的误区，而是突出实 用性。一套d c s 可以适应多种现场安装模式：或用现场总线智能仪表、或采 用现场i o 智能模块就地安装( 既节省信号电缆，又不用昂贵的智能仪表) 或采 用柜式集中安装( 特别适合改造现场) 。一切由用户的现场条件决定，充分体 现为用户设想的理念。 1 4 先进控制展望 1 4 1 现代控制理论的发展 50 年代末发展起来的以状态空间方法为主体的现代控制理论，为过程控 制带来了状态反馈、输出反馈、解耦控制等一系列多变量控制系统设计方法 t 7 1 ；与此同时，计算机技术的持续发展使得计算机控制在工业生产过程中得 到了广泛的应用，这一切都孕育着过程控制领域的新突破。 1 9 8 0 年前后，来自过程控制界两位探索者j r i c h a l e t 和c 1 lc u t l e r 分别 报道了其各自研究的有关解决实时动态环境下带约束多变量耦合系统控制问 题的成果，这就是著名的模型预测启发式控制( m p h c ) 和动态矩阵控制 ( d m c ) 。这一事实表明过程工业己开始接受现代控制概念。从而引发了预测 控制等先进控制策略在工业过程控制中的大量应用【博】。整个8 0 年代，出现 了许多约束模型预测控制的工程化软件包。基于模型控制的理论体系己基本 形成，并成为目前过程控制应用最成功，也最具有前途的先进控制策略。 近年来，人工智能技术有了长足的进步并在许多科学与工程领域中取得 四川大学工程硕士学位论文 了较广泛的应用。就过程控制而言，专家系统、神经网络、模糊系统是最具 有潜力的三种工具 1 9 1 。 有关基于非线性模型( 机理和经验) 的控制有了较大的发展。但是，非线 性控制尚属开发中的先进控制策略，实际的工业应用尚不多见。 1 4 2 先进控制的主要特点 ( 1 ) 与传统的p i d 控制不同，先进控制通常是一种基于模型的控制策略， 如模型预测控制。目前，专家控制、神经控制和模糊控制等智能控制技术正 成为先进控制的一个重要发展方向。 ( 2 ) 先进控制通常用于处理复杂的多变量过程控制问题，如大时滞、多 变量耦合、被控变量与控制变量存在着各种约束等。先进控制是建立在常规 单回路控制之上的动态协调约束控制，可使控制系统适应实际工业生产过程 动态特性和操作要求。 ( 3 ) 先进控制的实现需要足够的计算能力作为支持。由于先进控制受控 制算法的复杂性和计算机硬件两方面因素的影响，早期的先进控制算法通常 是在计算机控制系统的上位机上实施的。随着d c s 功能的不断增强，更多的 先进控制策略可以与基本控制策略一起在d c s 上实现。后一种方式可有效地 增强先进控制的可靠性、可操作性和可维护性。 1 4 3 先进控制分类 著名过程控制专家d e s e b o r g 给出的按应用程度分类的过程控制策略 有： 第一类：传统控制策略手动控制p i d 控制比值控制串级控 制前馈控制； 第二类：先进控制经典技术增益调整时滞补偿解耦控制； 第三类：先进控制流行技术模型预测控制内模控制自适应控 制统计质量控制； 第四类：先进控制潜在技术最优控制- 非线性控制专家控 制- 神经控制模糊控制； 第五类：先进控制研究中的策略鲁棒控制h o o 控制综合 四川大学工程硕士学位论文 1 4 4 过程工业先进控制与优化软件产业化 自2 0 世纪8 0 年代以来，在国外，以多变量模型预测控制与优化为主要特 征的先进控制技术在石油、化工、钢铁等行业得到了广泛的应用和发展，产 生的经济效益非常显著。 由于先进控制技术难度和实施的复杂，目前这项技术主要掌握在为数不 多的公司手中。1 9 9 6 年之前，著名的先进控制软件包主要有美 s e t p o i n t 公司 f l 自s m c a ( s e t p o i n tm u l t i v a r i a b l ec o n t r o la r c h i t e c t u r e ) ，和d y n a m i cm a t r i xc o n t r o l 公司的d m c 。s e t p o i n t 公司成立于1 9 7 7 年，曾承担过大量石油化工装置的先 进控制项目的设计工作，其特点是工程经验丰富，工程业绩遍及全世界，它 是最早进入中国的过程控制公司，在中国已有多套f l j s e t p o i n t 公司设计的先进 控制在运行【2 。d y n a m i cm a t r i xc o n t r o l 公司是由先进控制理论的创始人之一， c h a r l i ec u r e r 本人于1 9 8 4 年创办的，该公司长期从事动态矩阵控制软件的研 究和应用，其软件的高品质和先进控制的高性能吸引了大量的客户，至1 9 9 4 年为止，已实施了5 0 0 多个先进控制项目。上述两家公司均于1 9 9 6 年初被美国 a s p e nt e c h 公司收购。现a s p e nt e c h 公司推出的先进控制包融合了s m c a 和 d m c 两者的优点，其商品名为d m cp l u s 。可以说，当前a s p e n t e c h 公司已成 为力量最强大的先进控制供应商，据统计，至1 9 9 7 年底，全世界共实施先进 控制项目1 5 0 0 套，其中a s p e nt c c h 公司所完成的项目1 0 5 0 套，d i 7 0 t 2 “。全 世界最大的5 套催化裂化装置( 处理量6 0 0 7 0 0 万t a ) ，全部采用a s p e nt c c h 公 司的d m c 技术。1 9 9 8 年a s p e nt e c h 公司又兼并了加拿大的著名过程控制公司 t r e i b e rc o n t r o l ，进一步控制了北美的先进控制业务。法国a d e r s a 公司也分别 在1 9 7 3 年和1 9 8 6 年推出了自己的先进控制软件包c o m 和h c o n 。 英国p r e d i c t i v ec o n t r o ll t d 公司成立于1 9 8 8 年，专门从事先进控制系统的 设计，它的先进控制软件包c o n n o i s s e u r 也具有较高的知名度。 美 h o n e y w e l l 公司原是著名的d c s 系统供应商，近年来也在向着先进控 制和实时优化的方向发展，它兼并了美国的过程控制公司p r o f i m a t i c s 后，在 先进控制的业务上有较大的发展。近年来它致力于推进在中国市场的业务， 实施了较多的先进控制项目。h o n e y w e l lh i s p c cs o l u t i o n s 部门专门从事先进 控制和优化业务，它推出了工厂一体化解决方案( t o t a lp l a n ts o l u t i o n ，t p s ) ， 是由先进控制包t p sp r o f i t 和实时优化包t p sp r o f i t m a x 两部分所组成。 四川大学工程硕士学位论文 先进控制的成功实施，必须是多专业、跨学科的紧密合作，同时要求具 备丰富的工程能力和经验。要由工艺专家和自控专家共同合作来完成工程项 目。国外的实践为我们提供了很好的借鉴，如原s e t p o i m 公司虽为过程控制公 司，但公司技术人员中具有化工背景的职工所占比例高达7 0 。 现在国家已经充分认识到这一点，明确提出“工业过程自动化高技术产业 化”高技术产业化的重要组成部分之一。国家计委高技术产业发展司已经于 2 0 0 0 年开始组织实施工业过程自动化高技术产业化重大专项( 以下简称专项) 计划，专项将支持：( 1 ) 工业过程自动化新一代主控系统及其综合自动化开 发和产业化；( 2 ) 先进控制、优化软件开发与产业化，主要包括先进控制技 术、过程优化技术、实时监控软件平台、信息集成软件平台、系统集成技术 等。 四川大学工程硕士学位论文 第二章现场仪表的发展现状 化工过程中常用的传感器有压力、流量、物位、温度等传感器。现代传 感技术的显著特点是小型化和智能化。传感器采用的j 口- r 技术如集成技术、 薄膜技术、微机械加工技术、离子注入技术等能制作出质地均匀、性能稳定、 可靠性高的敏感元件。 2 1 压力传感器 硅压力传感器是最早用微机械加工工艺制造的，主要有硅压阻式和电容 式，应用最广的是硅压阻式。硅压阻式传感器利用硅的压阻效应，在硅单晶 膜片适当部位扩散形成力敏电阻而构成。硅单晶不仅是一种最广泛使用的半 导体材料，而且也是一种力学性能十分优良的弹性材料。由于硅材料的单晶 结构，使硅压阻式压力传感器的迟滞极小，重复性好。 硅电容式压力传感器与压阻式压力传感器相比，具有灵敏度高，稳定性 好，压力量程低等优点。其核心部件是对压力敏感的电容器，电容器的间隙 由硅膜片腐蚀得到，一般为1 5 m ，这也是硅电容式压力传感器灵敏度高的 重要原因 2 2 】。敏感电容的电容量由电极面积和两个电极间距离决定。当硅膜 片两边存在压差时，硅膜片产生形变，电容器极板间的距离发生变化，从而 得到差压值。 在上述基础上，用大规模集成电路工艺将信号调理电路、微处理单元与 敏感元件集成在同一块芯片上称为集成智能传感器。最早推出的是 h o n e y w e l l 公司的s t - 3 0 0 0 ，其敏感元件是在同一块硅片上用离子注入等 i c 技术，配置差压、静压、温度三种传感元件，有效解决了静压，差压和温 度之间交叉灵敏度对测量的影响问题【2 ”。 检测电路为惠斯登电桥，桥路输出电压与差压成正比；p f a 是反馈放大 器，放大系数可调；微处理器( p m ) 接受输入的操作码，决定工作模式；温度 测量元件( t s ) 和压力测量元件( p s ) 对差压信号补偿。 四川大学工程硕士学位论文 2 2 压差式流量计 压差式流量计是基于节流原理来进行测量的。其原理是当充满管道的流 体流经节流装置时，流束收缩，流速提高，静压减小，在节流装置的前后就 产生了一定的压差。这个压差的大小与流量有关，根据流量与压差之间的关 系即可得到流量的大小。 2 2 1 孔板流量计 孔板是常用的节流装置，已实现标准化，中国采用国际标准i s 0 5 1 7 6 。 其流量方程由柏努利方程： 工+ 旦：蔓+ 旦 2 日 2 岛 和连续方程 p , e f , = 岛k e = q 得流量方程： q = | 卸( 2 1 ) 由流量方程可知。流量与差压的平方根成正比，k 为流量系数，与取压位 置、流动损失、和流速沿截面分布的不均匀性有关。在节流装置一定时，上 述因素均己确定，只需要计算雷诺数。一般情况下，此类流量计使用范围 d n 5 0 1 0 0 0 ，r e _ _ 8 0 0 0 ，精度为l 级【2 4 1 。孔板对直管段要