300T丙烯腈催化剂生产装置过程控制改进徐会坤

1、300T/年丙烯腈催化剂生产装置过程控制改进 摘要：本文简单介绍了丙烯腈催化剂生产装置的工艺流程与控制系统的配置。阐述了丙烯腈催化剂生产装置的现状，表明需要改造的原因。讲述了在浆料配制过程中温度难以控制，混盐与硅溶胶加料过程重复性差不够均匀，引起生产工艺指标波动大的问题，重点介绍了配制釜温度控制方案的改进和进料流量控制方案的改进。同时也介绍了S7-300 PLC在催化剂生产装置中的应用。 关键字：程序功能块、温度控制、流量控制。一概述 丙烯腈催化剂生产装置产能为300吨/年，由混盐配制、浆料配制、喷雾造粒、焙烧氧化四大部分组成，其混盐和浆料的配置单元是由继电器回路来实现手动控制；喷雾干燥机由无

2、锡林洲干燥机厂提供成套设备，采用S7-200的PLC来控制；焙烧炉由上海电炉厂提供成套设备，同样采用S7-200的PLC来控制。由于混盐和浆料的手动配置可靠性差，工艺参数难以调节，产品的指标值重复性差，产品质量难以保证，工人劳动强度大，效率低。同时喷雾干燥机和焙烧炉的监控、报警、数据纪录均由常规仪表担当，所以需要改进以提高装置生产的自动化程度。 改进的任务是新增加一台S7-315 2DP PLC来实现混盐和浆料配置单元的自动控制，并通过PLC PROFIBUS-DP通讯端口来实现对喷雾干燥单元和焙烧炉的过程监控。进行报警记录打印，数据的记录，实时和历史曲线的记录。同时把装置废水处理加入到控制系

3、统中，进行自动检测和自动排放。达到减轻人力，提高效率，稳定控制，积累数据，提高产品质量目的。二丙烯腈催化剂生产工艺流程简介300吨/年丙烯腈催化剂装置的工艺流程主要有四大部分组成，包括混盐和浆料的配置、离心喷雾干燥机和焙烧炉，其中离心喷雾干燥机和焙烧炉这2个部分的控制由设备自带的控制系统来完成，新增的PLC只要通过通讯接口，能够监控设备运行的状态和报警，通过上位机能对设备进行遥控，修改设定参数。记录实时和历史数据。新增PLC关键要控制的是混盐和浆料的配置流程，混盐和浆料的配置是确保产品质量的关键。混盐单元主要由混盐配置、混盐贮存和输送、混盐计量3个工艺流程组成；浆料单元主要由浆料配置、浆料贮存

4、和输送2个工艺流程组成。1. 混盐配置自动打开阀HV102，将混盐纯水计量槽V103内的纯水放入R101混盐配制釜，放完后延时自动关闭阀HV102，同时自动打开R101搅拌。打开蒸汽调节阀TV103，加热纯水至80±2后。依次分别向R101混盐配制釜中加入经计量的各种硝酸盐,每加一种硝酸盐后，有一定的间隔时间让其充分溶解，且在此过程中，调节回路TIC103根据温度来控制蒸汽进汽阀门TV103，来保证R101混盐配制釜内的温度保持在80±2。同时，通过上位机可以监视搅拌状态。 2.混盐贮存和输送从R101混盐配制釜中取样送分析，约2小时分析结果出来后(合格)，打开阀HV103

5、将混盐放入V101A/B混盐贮槽，同时关闭蒸汽阀门TV103。液位计LIA101A/B显示液位，联锁P102A/B起停。开启混盐输送泵P102A/B，使混盐打循环备用。图2.1 混盐单元工艺流程简图3. 混盐计量“混盐计量”开始后，关闭混盐循环阀V17，自动打开混盐计量进料阀FV102，通过FIS102流量计计量，到设定值自动关阀FV102，开启V17继续混盐循环。4. 浆料配置浆料配置是要把配置好的混盐、硅溶胶、加钼酸胺配以一定量的纯水进行配置。将经计量的纯水自纯水计量槽V106放入R102浆料配制釜，打开TV107蒸汽调节阀，加热纯水至67后，自动打开R102搅拌。向R102浆料配制釜中加

6、入经计量的钼酸铵，约20分钟加完，然后在67±2下恒温15分钟左右，使钼酸铵充分溶解。打开硅溶胶计量槽底阀HV104，通过电磁流量计(FIC104)和调节阀组成的单回路调节系统，在9-12分钟内，将计量好的硅溶胶匀速地加入至R102浆料配制釜内，在此过程中，R102浆料配制釜内的温度不得低于40。加完硅溶胶后，延时几分钟后再自动关闭阀HV104。当FIC104流量为0时立即自动打开混盐计量槽的底阀HV105，通过电磁流量计(FIC105)和调节阀，在15-20分钟内，将计量好的混盐匀速地加入至R102浆料配制釜内，在此过程中，R102浆料配制釜内的温度不得超过64，加完后，在64&#

7、177;2下恒温1.5小时左右，然后取样送分析。图2.2 浆料单元工艺流程简图5.浆料贮存和输送约30分钟浆料分析结果出来后(合格)，打开阀HV108，将浆料放入V102储槽，同时关闭蒸汽阀门TV107，点击打开V102搅拌，打开HV109阀，启动P103泵，使浆料打循环备用。输送浆料时，自动打开HV110阀，同时自动关HV109阀，使浆料输送至V201浆料高位槽，自动开V201的搅拌，待喷雾时使用。6. 离心喷雾干燥、焙烧炉、废水处理系统离心喷雾干燥与焙烧炉系统原采用SIMATIC S7-200 PLC来控制，新的SIMATIC S7-300 PLC通过PROFIBUS-DP通讯口与它们进行

8、通讯，来进行读写数据。将原来手工控制的废水处理单元并入PLC控制系统中，自动检测废水池的液位LIA301和PH值AIS301，实施废水单元的自动检测自动排放。三自动化控制系统的配置1.硬件控制系统新增24点模拟量输入、8点模拟量输出、120点开关量输入、76点开关量输出。根据控制任务的分析，考虑到离心喷雾干燥系统和焙烧炉系统均采用西门子的S7-200 PLC来控制，本项目采用S7315-2DP PLC作为主站。根据I/O点数及其特性，配置了如下的模块:PLC CPU为315-2DP, 1块8点模拟量输入模块SM331，4块4点模拟量输出模块SM332，3块16点数字量输入模块SM321，8块1

9、6点数字量输出模块SM322，8块扩展接口模块IM360，1块扩展接口模块IM361，2块CP5611卡，2块电源模块PS307，3块上位机本系统采用2台上位监控机，由1台工程师站和1台操作员站组成，在使用时，均可用作监控。上位计算机采用高性能的工业控制计算机，DP总线联接到上位机内的CP5611卡上，PLC和仪表的数据通过OPC的方式传输到上位监控软件。2.软件2.1 PLC编程软件STEP 7 V5.1 STEP7是用于SIMATIC可编程逻辑控制器组态和编程的标准软件包，是SIMATIC工业软件的组成部分。标准软件包运行在操作系统95/98/NT/2000/XP下，并与Windows的图

10、形和面向对象的操作原理相匹配。可对硬件和网络实现组态，具有简单、直观、便于修改等特点。该软件提供了在线和离线编程的功能，可以对PLC在线上载或下载。利用STEP7可以方便地创建一个自动化解决方案。2.2人机界面监控软件简介日本CONTEC公司的FADOCTOR是在Windows 95/98/ NT/2000上运行的，FA(Factory Automation) / PA(Process Automation)用的软件包。由系统管理程序和各模块构成。核心系统由系统管理程序、监控 (Monitor) 模块和I/O模块（或OPC模块）构成。在FADOCTOR中，还有多个模块程序。模块程序按功能划分。

11、同一模块程序又可分为组态程序、运行程序。FADOCTOR可由系统管理程序和需要的模块组合，构成满足用户需要的系统。一个模块和系统管理程序组合起来，就能构筑成最小的系统。模块间有机地连接，数据相互交换简便、透明。3. PROFIBUS-DP总线地址使用STEP7标准软件包，把S7315-2DP配置为主站（MASTER），同时分配一个PROFIBUS地址，将所有的从站集成到DP主站系统中。系统中新增加的PLC设置为主站，PROFIBUS地址1，工程师站PROFIBUS地址为2，操作员站PROFIBUS地址为3，离心喷雾干燥系统PROFIBUS地址为4，焙烧炉PROFIBUS地址为5。图3.1 30

12、0吨年的丙烯腈催化剂生产装置监控系统图四生产过程的程序块控制1.混盐配制及贮存输送的程序控制混盐配制及贮存输送的程序被存放在OB1组织块下的功能块FB1中，FB1调用第一混盐配制釜控制功能块FB101、第二混盐配制釜控制功能块FB102、温控加热功能块FB7等。实现混盐配制及贮存输送的自动控制。点击“配制”按钮后，自动打开纯水放水阀HV102，将纯水放入R101混盐配制釜，放到零点设定值后，延时t min后自动关闭纯水放水阀HV102，同时自动打开R101搅拌。启动蒸汽调节阀TV103，加热纯水至设定值(80±2)后，依次向R101混盐配制釜中加入经计量的各种硝酸盐，每加一种硝酸盐后

13、，有一定的间隔时间(t min)让其充分溶解，且在此过程中自动保持混盐配制釜内温度在80±2。混盐分析结果出来后，在合格的情况下，点击打开放料阀HV103，将混盐放入V101A/B混盐贮槽，系统标志位复位，同时关闭蒸汽阀门TV103。打开混盐循环阀V17，点击启动P102A/B泵，使混盐打循环备用。2.浆料配制的程序控制浆料配制操作的程序被存放在OB1组织块下的功能块FB2中，FB2又调用了混盐计量功能块FB201、硅溶胶计量功能块FB202、和浆料配制功能块FB203。在浆料配制过程中FB203又调用了硅溶胶加料PID功能块FB241、混盐胶加料PID功能块FB341，根据浆料配制

14、过程中温度控制SET值的不同，FB203先后四次调用了温度控制功能块FB7。2.1 混盐计量FB202功能块在混盐循环阀V17打开、P102A/B泵启动打循环的情况下，点击“混盐计量”按钮，自动打开混盐计量进料阀FV102，同时关闭V17，通过FIS102流量计计量，将设定量的混盐打入V105计量槽。2.2 硅溶胶计量FB201功能块选择P101A/B泵，按“启动”按钮，硅溶胶输送至V104硅溶胶计量槽，通过液位开关LSA104联锁停P101A/B泵。调用的FB201功能块为硅溶胶进料控制,控制程序如下：图4.1 硅溶胶进料控制梯形图2.3浆料配制FB203功能块浆料配制是整个催化剂生产工艺的

15、关键，功能块FB203又嵌套了多个控制功能块。点击“浆料配制”按钮，FB203执行纯水的计量和加水过程，结束后R102搅拌启动，FB203调用FB7温度功能块升温， TV107蒸汽调节阀动作，加热纯水温度TE107至设定值，向配制釜中加入钼酸铵后恒温。点击“加料” 按钮，FB203调用了PID功能块FB241与温度块FB7，将计量好的硅溶胶在规定的温度与时间内匀速加完，置标志位后，FB203立即调用了又PID功能块FB341与温度块FB7，同样将计量好的混盐在规定的温度与时间内匀速加完，置标志位后，FB203再次调用了FB7温度功能块，恒温控制。时间后点击“放料” 按钮，FB2中所有标志复位。

16、五控制方案的改进1. 硅溶胶与混盐加料流量控制改进通过电磁流量计(FIC104，增设)和调节阀(FV104，增设)组成的调节回路在9-12分钟内，将计量好的硅溶胶均匀地加入至R102浆料配制釜内；通过电磁流量计(FIC105，增设)和调节阀(增设)，在15-20分钟内，将计量好的混盐均匀地加入至R102浆料配制釜内。FIC104和FIC105是浆料配置的主要控制环节，硅溶胶和混盐的投放要求以均匀流量的方式来投放，考虑到硅溶胶及盐液是通过自重来进行投放的，在控制时要采用控制阀开度的大小来进行恒流控制，在投料的初期，由于物料自重比较大，控制阀开度相对较小，然后逐渐加大阀门开度，来达到恒流控制效果。

17、项目改造前是通过人工控制阀门大小来加硅溶胶与混盐的。物料通过自身的重量与物理高度从计量槽流入配制釜中，只有势能，无泵等设备驱动动能。操作人员一人在上面计量槽旁看物料液面的下降幅度，一人在下面手工调节闸阀开度来平衡流量，互相呼应，根据经验操作，在规定的时间下投完料。操作原始，重复性差，浆料的工艺指标值波动幅度大，影响成品质量。点动“加料”按钮FT-104流量值是否降为零？打开HV-104，FV-104关闭延时1MIN 关闭HV-104，打开HV117吹扫启动PID调节延时30SFV-104动作关闭HV-117，打开HV-104FT104流量显示上升硅溶胶加料结束，置标志位 图5.1硅溶胶自动加料

18、框图改造中采用S7标准的PID功能模块FB41，组成单回路流量定值控制回路。以硅溶胶的投料为例，实际加料量为500KG，要求在9-12分钟内均匀投完。针对工艺要求，在程序的编制中我们采用了一个中间值10.5分钟，流量SP =500/10.5*60/1000=2.85T/H（密度假设为1T/M3）。在用工业水的调试中发现投料时间远远大于工艺规定的时间平均值9-12分钟，实际为17分钟。经过重复试验仍在16-17分钟之间，比理想值慢了将近50%左右。现场观察物料流量从始止终比较均匀，怀疑流量计读数有误，经检验排除。考虑到电磁流量的使用跟温度、压力、黏度等没有关系，但跟流速有关，工况流速规定为1-1

19、0M/S，否则影响计量精度。从现有的工况条件来看，物料通过自身的势能由计量槽流入配制釜中，无外界动能，故压头小，流速慢，问题就出在这。但现实工况没有增加流速的有效措施。工艺要求在规定的时间均匀地投完料，对于流量计瞬时计量读数精度不需考虑。而现实运行时发现流量比较均匀，只要投料时间在9-12分钟区间就满足工艺控制要求。把设定值上升48%,经过工业水的试验，全部放完为10.5-11分钟间，通过多次实验重复性非常好，流量恒定。在后来的真物料试生产中，考虑到介质密度的不等，适当调整流量SP值。经过生产的验证，控制很稳定，一直处于10.5分钟左右。混盐的加料流量控制与浆料类似，不再做介绍。2. 浆料配制

20、釜温控方案的改进浆料配制釜采用蒸汽夹套式加热，在温度测量反馈通道上有着较大的滞后，时间常数大。系统的稳定性差，控制质量下降。对于具有滞后时间大的生产过程，采用常规的控制方法进行控制，因对象输出存在滞后，偏差要在滞后时刻后才能反应出来，这使得控制器的输出加大，造成过调，控制质量下降，甚至使系统不稳定。以前浆料配制釜温度曾尝试采用常规调节器进行控制，由于超调过高，不能满足工艺要求，不得不切除。通过人工调节蒸汽阀门来达到温度控制要求。根据现场双金属温度计值，操作工凭经验来开大开小阀门开度。温度有超调趋势时，迅速通过工业水来冷却。调节过程总体虽是振荡衰减过程，但过渡过程偏长，有一定的余差，调节质量不高

21、。在S7 PLC程序中也曾尝试用标准的PID模块来实现配制釜温度的控制，调试下来温度超调现象同样存在。分析下来只有通过采样控制有可能完成浆料配制釜温度控制。采样控制时，把每个采样周期分成预先规定的几个时间间隔，每个时间间隔内有一定的控制规律。采样控制的方案中，偏差信号输入到控制器，仅在预设时间段T1内被采样开关所接通，在这段时间内控制器按积分作用规律输出信号。称这段时间周期为“调一调”；为避免不必要的过调，在T>T1时，控制器不接受信号，处于等待状态，控制器输出保持不变，这是“等一等”的阶段。当滞后时刻，系统的输出发生变化，控制器根据偏差的大小和方向作下一步的调整，这是“瞧一瞧”的时刻。如此重复上述调整过程，可使系统趋于新的稳态值。借鉴采样控制的思想，同时综合工艺要求，按每一次投料过程控制值不同，把温度控制SP 值分为4段，故我们在控制程序中新增加一FB7温度控制功能块，建成一个控制模型，用于温度的自动控制。控制思路是把温度控制分为若干段，根据设定值与过程值的差值来控制阀门的开度。从而起到“调一调”、 “等一等”、“瞧一瞧”控制思想，把系统滞后时间引起的超调消灭。FB7功能块的调试验证是一个比较繁琐过程，首先是区间合理的划分，其次是每一个区间的阀门开度的正确设置。要经过无数次的反复调试实践修正才能确定下最佳控制参数。通过真假物料的反复