蔡珊珊 湯占軍 瞿廣飛 郭世海

(昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院，昆明 650504)

硫酸生產(chǎn)過程中基于InTouch和InControl的爐溫控制系統(tǒng)研究

蔡珊珊 湯占軍 瞿廣飛 郭世海

(昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院，昆明 650504)

給出硫酸生產(chǎn)過程DCS系統(tǒng)的控制方案和硬件配置。通過對(duì)基于InTouch和InControl的爐溫控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究，探究了硫酸生產(chǎn)過程DCS系統(tǒng)的可行性，結(jié)果表明：爐溫控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，溫度控制快速、準(zhǔn)確，對(duì)實(shí)現(xiàn)硫酸生產(chǎn)過程DCS系統(tǒng)具有一定的參考價(jià)值。

DCS系統(tǒng) 硫酸生產(chǎn)工藝 爐溫控制系統(tǒng) InTouch InControl PID

硫酸作為化學(xué)工業(yè)中約上千種化工產(chǎn)品的原料，在冶金、石油、國(guó)防及輕工業(yè)等領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用[1]。隨著現(xiàn)代化的發(fā)展，硫酸的需求量越來(lái)越大，傳統(tǒng)的硫酸工藝控制方法已經(jīng)不能滿足控制需求。

DCS系統(tǒng)是一種集散型工業(yè)控制系統(tǒng)[2]，它以微處理器為基礎(chǔ)，對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行集中監(jiān)視、操作、管理和分散控制。DCS系統(tǒng)將若干臺(tái)計(jì)算機(jī)分散應(yīng)用于過程控制，全部信息通過通信網(wǎng)絡(luò)由上位機(jī)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化控制，因此DCS系統(tǒng)具有常規(guī)儀表分散控制和計(jì)算機(jī)集中控制的優(yōu)點(diǎn)[3]。筆者根據(jù)DCS系統(tǒng)的特點(diǎn)，將它應(yīng)用于硫酸生產(chǎn)工藝控制中，并通過爐溫控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究探究了硫酸生產(chǎn)過程DCS系統(tǒng)的可行性，以提高硫酸生產(chǎn)工藝的可靠性和穩(wěn)定性，減少操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

1 系統(tǒng)的控制方案①

硫酸生產(chǎn)過程DCS系統(tǒng)主要通過工藝環(huán)節(jié)和檢測(cè)環(huán)節(jié)兩部分來(lái)確定控制方案。

煙氣制備硫酸的生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。整個(gè)工藝包括煙氣凈化工藝、煙氣干燥工藝、煙氣轉(zhuǎn)化工藝和煙氣吸收工藝。凈化工段主要由冷卻空塔、洗沖填料塔、空塔循環(huán)塔、填料塔循環(huán)塔、石墨間冷器和電霧沖洗泵槽組成，涉及的參數(shù)有濃度、液位及溫度等。吸收工段采用填料塔，主要負(fù)責(zé)串酸，干燥工段通過串酸工藝與吸收工段相連。轉(zhuǎn)化工段由外熱交換器和四段中間換熱式轉(zhuǎn)化器組成，主要控制參數(shù)是溫度。凈化、干燥、轉(zhuǎn)化、吸收作為煙氣制酸工藝的四步工序，尤其是干燥(轉(zhuǎn)化之前)與吸收(轉(zhuǎn)化之后)工藝，兩者在制酸工藝上置于首位，十分重要，因此必須密切協(xié)調(diào)，嚴(yán)格操作。

圖1 煙氣制備硫酸的生產(chǎn)工藝流程

系統(tǒng)需要檢測(cè)的信號(hào)有溫度、液位、流量、濃度、壓力及pH值等[4]。這些過程參數(shù)分別通過熱電阻或熱電偶、液位計(jì)、流量計(jì)、濃度計(jì)、壓力計(jì)及pH值傳感器等檢測(cè)后，配上相應(yīng)的變送器經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡發(fā)送到上位機(jī)中。

2 系統(tǒng)配置

硫酸生產(chǎn)過程DCS系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)(圖2)可分為現(xiàn)場(chǎng)控制裝置、操作管理裝置和通信系統(tǒng)3部分。系統(tǒng)采用分層結(jié)構(gòu)模式，可分為過程控制級(jí)、控制管理級(jí)、生產(chǎn)管理級(jí)和經(jīng)營(yíng)管理級(jí)[5]。系統(tǒng)所需設(shè)備包括3個(gè)操作員站、一個(gè)工程師站、3個(gè)工控機(jī)、3個(gè)ADAM4520、22個(gè)ADAM4017+、15個(gè)ADAM4055和17個(gè)ADAM4024。

圖2 硫酸生產(chǎn)過程DCS系統(tǒng)配置

工程師站負(fù)責(zé)完成系統(tǒng)配置、系統(tǒng)生成和系統(tǒng)下裝。操作員站通過專用薄膜鍵盤、觸摸屏及鼠標(biāo)等完成總貌顯示、流程圖/趨勢(shì)顯示、報(bào)警觀察與處理、報(bào)表打印及運(yùn)行狀態(tài)/故障顯示等。

ADAM4520采用RS-422/RS-485模式傳輸信號(hào)，具有傳輸速率快、傳輸范圍大和聯(lián)網(wǎng)能力強(qiáng)的特點(diǎn)。ADAM4520中的電路可自動(dòng)偵測(cè)數(shù)據(jù)流的方向，免除了網(wǎng)絡(luò)中的握手請(qǐng)求，僅需兩根導(dǎo)線即可構(gòu)建一個(gè)RS-485網(wǎng)絡(luò)。其傳輸速率最高可達(dá)115.2kbit/s[6]。

3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

硫酸生產(chǎn)過程DCS系統(tǒng)把計(jì)算機(jī)、儀表和電控技術(shù)融合在一起，并結(jié)合相應(yīng)的組態(tài)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、處理及工藝畫面顯示等功能。由圖2可以看出，系統(tǒng)的硬件和軟件都是按模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的，將各種基本模塊按實(shí)際的需要組合就能成為一個(gè)系統(tǒng)。而溫度是硫酸生產(chǎn)過程中非常重要的工程參數(shù)，溫控是生產(chǎn)過程中的重要模塊。因此，以爐溫作為控制研究對(duì)象，可為探究硫酸生產(chǎn)過程DCS系統(tǒng)提供實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

3.1硬件平臺(tái)構(gòu)建

為驗(yàn)證DCS系統(tǒng)的可行性，在實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)了一套爐溫控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)(圖3)。爐溫控制系統(tǒng)的控制對(duì)象為電加熱爐，輸出控制信號(hào)用于控制電加熱爐兩端的電壓，被控量為電加熱爐的爐內(nèi)溫度?？販胤秶鸀?～1 000℃?？刂迫蝿?wù)是通過PID的輸出信號(hào)來(lái)控制晶閘管導(dǎo)通角的大小進(jìn)而控制爐溫。

圖3 爐溫控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)硬件有220V交流電源、可控硅晶閘管、電爐、溫度傳感器、變送器、I/O模塊、計(jì)算機(jī)和可控硅調(diào)壓器。筆者采用的溫度傳感器為熱電偶、變送器為智能儀表、數(shù)據(jù)采集卡為ADAM模塊。系統(tǒng)周期性地對(duì)爐溫進(jìn)行檢測(cè)，溫度信號(hào)經(jīng)過變送器轉(zhuǎn)變成4～20mA電信號(hào)，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換模塊ADAM4017+變成RS-485格式的數(shù)字信號(hào)并進(jìn)行傳輸，最后經(jīng)RS-232/RS-485轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)變成RS-232格式的數(shù)字信號(hào)進(jìn)入計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)將采樣值與設(shè)定溫度的下限值進(jìn)行比較，如果比下限值低，則按一定的控制算法輸出一個(gè)控制量，該控制量經(jīng)RS-232/RS-485模塊轉(zhuǎn)換成RS-485格式的數(shù)字信號(hào)后進(jìn)行傳輸，最后經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換模塊ADAM4024轉(zhuǎn)變成模擬量信號(hào)，用來(lái)控制可控硅調(diào)壓器以控制晶閘管，使?fàn)t溫升高。

3.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)上位機(jī)控制軟件由組態(tài)控制軟件InTouch和InControl組成。InTouch組態(tài)軟件界面主要由主畫面、溫度控制及保護(hù)板狀態(tài)等組成[7]。軟件部分完成軟硬件的通信連接、參數(shù)設(shè)置、系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控、爐溫記錄和歷史曲線顯示。

PID控制的核心技術(shù)是整定出PID控制器的3個(gè)最優(yōu)參數(shù)，使PID控制達(dá)到所期望的控制效果[8]。PID參數(shù)整定有經(jīng)驗(yàn)湊試法、衰減曲線法、臨界比例度法和響應(yīng)曲線法[9]。筆者采用的是經(jīng)驗(yàn)湊試法，即先調(diào)P控制，其次PI，最后PID。經(jīng)過多次調(diào)試，最后在InControl中的Turning選項(xiàng)屬性框中設(shè)定P=48、I=8、D=0.3。爐溫控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)曲線如圖4所示。

圖4 爐溫控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)曲線

從圖4可以看出，系統(tǒng)在一定時(shí)間后逐漸趨于穩(wěn)定，溫度控制在202.97℃左右，基本滿足要求，投運(yùn)結(jié)果比較理想，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)的硫酸工藝控制方法不能滿足控制需求的問題，筆者構(gòu)建了一套硫酸生產(chǎn)過程DCS系統(tǒng)，并通過對(duì)基于InTouch與InControl組態(tài)的PID爐溫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)探究了硫酸生產(chǎn)過程DCS系統(tǒng)的可行性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，爐溫控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，溫度控制快速、準(zhǔn)確。由于系統(tǒng)采用的是低功耗處理器，易維護(hù)，因此對(duì)實(shí)現(xiàn)硫酸生產(chǎn)過程DCS系統(tǒng)具有一定的實(shí)際應(yīng)用參考價(jià)值。

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FurnaceTemperatureControlSysteminSulfuricAcidProductionBasedonInTouchandInControl

CAI Shan-shan, TANG Zhan-jun, QU Guang-fei, GUO Shi-hai

(FacultyofInformationEngineeringandAutomation,KunmingUniversityofScienceandTechnology,Kunming650504,China)

TH862

A

1000-3932(2016)10-1033-04

2016-02-29

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(KKGD201303043)；昆明理工大學(xué)教育技術(shù)基金項(xiàng)目(013115)