基于PLC的分步结晶法精萘制取工艺自动控制系统的研究与应用
详细内容
1 引言
分步结晶法精萘制取工艺是由20 世纪60 年代法国Prosbd 公司开发,是一种间隙式区域熔融法,也是利用固体萘与杂质熔点的差别实现分离的。现场工艺流示意程图如图1所示:
现以60-75罐为例进行说明:原料从60-75罐打入结晶箱2,在结晶箱2中经过进料、预冷、结晶、排液、发汗和熔化6个步骤。其中排液过程将液体排入结晶箱1,在最后一步熔化后,将液体排入75-80罐。
该工艺过程中,既要实现长达4小时的顺序控制,又对结晶箱进行快速升降温控制,恒温控制,爬坡控制等多种控制方式,控制要求多,难度大,操作工的控制经验很大程度上决定了最终的控制效果。故实现该系统远程自动控制在减轻操作工劳动强度,降低出错率,提高控制精度和生产效率方面有重要意义。
2 自动控制系统构成
2.1 下位机软冗余控制系统[1]
精萘生产是一个长达4小时的顺序控制,中间不允许停车,所以保证系统安全持续运行十分重要。本系统核心控制器为西门子S7-300PLC。该型号PLC不支持硬件冗余,为了保证控制系统安全稳定运行,使用“软冗余技术”。该技术是Siemens实现冗余功能的一种低成本解决方案,可以应用于对主备系统切换时间为秒级的控制系统中。通过软件编程实现两个PLC(master和slave)的无扰切换。当运行的PLC出现故障停机的时候,另一台CPU获得控制权限,并依据切换前一时刻备份的系统数据继续维持系统运行。控制系统网络结构如图2所示。
Siemens软件冗余系统的软件、硬件包括:
(1) 1套STEP7编程软件V5.4,加软冗余软件包V1.x;
(2) 2套PLC控制器及I/O模块,315-2DP;
(3) 3条通讯链路:
主系统与从站通讯链路:PROFIBUS1、
备用系统与从站通讯链路:PROFIBUS2、
主系统与备用系统的数据同步通讯链路:以太网(通信模块为CP343);
(4) 4个ET200M从站,每个从站包括2个IM153-2接口模块和若干个I/O模块;
(5) 以太网通信模块CP343-1除实现系统数据同步外,还实现PLC与上位机Win的通信。
2.2 上位机Win监控系统
Win与PLC建立通信[2]
因为下位机为软冗余系统,所以必须保证Win永远连接获得控制权的CPU。通过FB101的背景数据块中的状态字和控制字,可以知道系统的运行的情况和当前哪个系统为主系统,哪个为备用系统。再在Win中作全局脚本,根据状态字,来判断那个CPU运行,进而来切换Win所连接的IP。
Win报表改进
Win是自带报表系统的,但是自带的报表只能在装有Win软件的电脑上打开,不能拷贝到任意电脑上去查看。本系统使用EXCEL做报表。使报表既能通过Win查看,又能考到其它装有office软件的电脑上查看。全局脚本中的VBS对EXCEL有很好的支持,通过编写VBS脚本,可以实现将需要的数据从Win中读取出来并保存到EXCEL表格中的功能。为了能够在Win画面上显示保存的报表,需要将OWC11.DLL(存储路径为C:\Program Files\mon Files\Microsoft Shared\Web ponents\11\OWC11.DLL)控件注册到Win中,在画面添加该控件,通过编写脚本可实现EXCEL报表在Win画面上的显示。
操作记录:
西门子Win操作记录功能是一个单独收费的插件。为了节约成本,本系统采用Win的报警控件作操作记录。将所有操作变量都组态到报警中去,并做好相关的文字说明。例如当操作员点击开阀时,控制开阀的变量发生变化,报警中就会出现开阀的报警,同时记录下开阀的时间。在长期归档选项中可以查阅所有进行过的操作。这个功能为现场出现故障时,操作员分析故障原因带提供了方便。
3 自动控制系统程序设计
3.1 顺序控制程序
该精萘制取工艺由进料、预冷、结晶、排液、发汗和熔化等6个环节组成。
(1) 进料。开启进料泵,原料工业萘由泵装入结晶箱。
(2) 预冷。给降温阀一个较小的开度。通过调节结晶箱内循环介质的温度,使结晶箱内的萘冷却至结晶点。此时,硫茚等杂质富集于液相,萘逐步结晶于结晶管上,晶体逐渐增大。
(3) 结晶。降温阀全开。开结晶器温度进一步降低后,结晶开始大量析出,萘以柱状晶体构成网状结晶层,硫茚存在于这些晶体周围的液相中。此时,网状晶体的密度不宜过高,以利于晶体内的液相排出。
(4) 排液。开启放料阀。富集了硫茚等杂质的液相自流出结晶箱,排人残液槽。
(5) 发汗。开快速升温阀(升温分快速升温和爬坡升温两个阶段)。逐步提高结晶箱传热介质的温度,使结晶箱内的结晶逐渐被加热,并部分熔化。随着温度的提高,晶体内包含的低熔点杂质首先熔化,并逐渐渗透到晶体外表面,少部分的萘也随之熔化,晶体表面的不纯物液膜逐渐被替换。熔化后的液体自流出结晶箱,排人相应的馏分槽。
(6) 熔化。上一步爬坡升温到设定值后,通过PID控制进行恒温。当试样的结晶点达到规程要求后,结晶箱内的物料全部熔化,根据需要再次进料。
依据上述程序编写顺序控制程序。控制流程图3所示。
3.2 发汗阶段控制算法
发汗阶段分为快速升温和爬坡升温两个阶段。
快速升温既要保证升温速度快,让结晶箱中低熔点杂质尽快熔化,又要保证固体萘不会随之一起熔化。所以按一定规则进行快速升温。本系统采用模糊控制规则实现快速升温控制。控制框图如图4所示。
模糊控制的好处是能够将现场控温经验融入到控制算法中去,通过模糊推理计算出当前需要的控制值[3]。依据现场实际情况将温度设定值和温度实际值之差分为“正大PB”、“正中PM”、“正小PS”三段,每段对应不同的阀门开度,控制规则如1所示:
使用三角形模糊集合的隶属度函数,如图5所示:
依据隶属度函数可以算出当前误差所对应各个隶属度值(隶属度1、隶属度2、隶属度3、)。
模糊规则清晰化计算公式:
阀门开度=
误差大于0小于PS时对应的隶属度计算程序:
A(
L #WU_CHA
L 0.000000e+000
>=R //误差落在0-PS范围内
)
A(
L #WU_CHA
L #PS
= L 0.0
A L 0.0
JNB _001
L #WU_CHA
L 0.000000e+000
-R
T #temp
_001: NOP 0
A L 0.0
JNB _002
L #temp
L #PS
/R
T #temp_1
_002: NOP 0
A L 0.0
JNB _003
L 1.000000e+000
L #temp_1
-R
T #LISHUDU_1//隶属度0的值
_003: NOP 0
A L 0.0
JNB _004
L #WU_CHA
L #PS
/R
T #LISHUDU_1//隶属度1的值
_004: NOP 0
爬坡控制
爬坡控制是PID控制的设定值按一定速率递增,从而使被控系统温度按一定斜率增长的控制方式。
快速升温之后结晶箱温度已经接近固体萘的熔点,此时需要温度继续缓慢升温来进一步分离低熔点杂质,同时又要保证温度控制不能出现超调,因为出现超调会导致结晶箱中的萘熔化,从而造成原料浪费。所以需要采用爬坡控制。爬坡速率为4℃/h,程序每秒钟给温度设定值加一次增量(4/3600)。当温度增到 “设定值2”后停止增加,开始恒温。
3.3 控制效果
4 结束语
本系统采用软冗余技术, 既保证了系统稳定运行,又保证了低成本投入。Win中嵌入EXCEL报表,使报表使用更加灵活方便。流程控制定制符合现场工艺要求,操作员之需要一键点击流程开始即可,中间过程由程序自动控制,减少了人为干预,同时也避免了误操作。发汗过程控制算法既保证了升温的快速性,又减少了物料流失。整个控制流程从开始到完成约4小时,比以前手动状态缩短了2小时,极大提高了生产效率。精萘的一级品率高达100％,产品收率达90％左右。该项目09年投入使用至今故障率为零,获得客户有关领导的一致好评。
参考文献:
[1] Siemens AG Siemens software redundancy principle and configuration[Z].
[2] 崔坚.西门子工业网络通信指南[M].北京:机械工业出版社,2004.
[3] 孙增圻.智能控制理论与技术[M].北京:清华大学出版社,2006.
作者简介:华祖贵(1957-),高级经济师,研究方向:新型煤化工技术,焦炉煤气综合利用技术,炼焦新技术。