精萘提纯过程控制系统①

史运涛 张 圆

(北方工业大学现场总线技术及自动化重点实验室)

精萘提纯过程控制系统①

史运涛 张 圆

(北方工业大学现场总线技术及自动化重点实验室)

利用Step7 V5.0和WinCC V6.2系统，设计并实现了一个复杂精萘提纯的生产过程控制和监控系统。阐述了系统工艺流程、硬件配置、控制方案设计、软件实现及其特点。控制系统主要是利用静态矩阵和动态矩阵来调用参数，实现多级控制。该方案可使萘的纯度达到99.8%。

过程控制系统 精萘提纯 静态矩阵 动态矩阵 Step7 V5.0 WinCC V6.2

萘作为多环芳烃在精细化工中有着不可取代的独特作用，主要用于生产日用品、燃料及医药等，例如鞣革剂、香料、植物保护剂及橡胶防老化剂等。本控制系统以工业萘为原料，采用独特的降膜结晶技术制备精萘。此工艺具有操作简单、能耗低、不需要溶剂及三废排放少等优点，结晶温度为78℃，精萘纯度高达99.8%。

1 工艺流程和设备简介

工艺采用独特的降膜结晶技术，降膜结晶分离过程主要经降膜结晶、部分熔融(“发汗”)和熔化3个步骤完成。其工艺流程如图1所示。

降膜结晶。控制系统原料以山东某化工厂生产的纯度大于95%的工业萘为原料，其中杂质主要是萘的伴生物——硫茚，二者沸点仅相差2℃。采用精馏技术难以分离，因此当前工业界采用独特的降膜结晶分离，对工业萘精制主要集中考察硫茚在结晶过程中生成的固相与液相之间的分配。萘-硫茚物系为双组元固体溶液型，当熔体被冷却到固液两相区，所析出的晶体中萘含量比液相的大。若温度降至固相线以下，熔体将全部结晶析出。实际操作中所能达到的晶体纯度与热历程密切相关，即与过程温度变化及其发展直接相关。本控制系统采用七级结晶提纯，可制备得到高纯度的最终产品。

图1 降膜结晶分离系统工艺流程

部分熔融(“发汗”)。结晶过程中，在晶体层间不可避免地会有一些杂质含量较高而熔点较低的溶液被结晶出来，导致晶体的纯度降低。对晶层缓缓加热，晶层受热后部分熔化进行“发汗”，熔化“汗液”中的萘与硫茚重新分配和富集。由于“汗液”中包含有更多的杂质，“汗液”在传热和传质推动下逐步向晶层外排出，使晶层中的萘含量得以提高[1]。“发汗”是晶层提纯的有效方法。

熔化。将换热介质的温度升高, 使晶层加热到熔点以上直到全部熔化。回收提纯后的物料有效地强化了萘熔体传热和传质过程，极大地提高了萘的纯度。

精萘提纯系统主要的控制设备包括储罐、泵、电磁阀、调节阀、液位传感器、压力传感器、温度传感器和流量传感器。

2 控制系统的硬件组成

AS站(Automation Station)和OS站(Operation Station)构成两级集散控制系统，其结构如图2所示。AS站的控制器是S7-315PLC，负责现场数据采集、预处理和过程控制。OS站负责向上位机传送数据等并负责全系统的监视、操作、管理和信息综合[2]。

图2 控制系统结构

2.1 AS站硬件配置

从工艺要求、系统测量的I/O点数、扫描速度及自诊断功能等方面考虑，AS站采用中型控制系统CPU315-DP PLC。它由无槽位限制的模块式结构组成，电源模块(PS)、CPU和通信模块(CP)安装在一个导轨上。3个DP从站由接口模块IM153-2(IM)、数字量和模拟量数字采集控制模块(SM)组成，它们统一安装在同一导轨上。模拟量输入模块为本安型6ES7 331-7RD00-0AB0、模拟量输出模块为本安型6ES7 332-5RD00-0AB0、数字量输入模块为6ES73211BL000AA0、数字量输出模块为6ES73221BL000AA0。自动化站的结构如图3所示。

图3 自动化站结构

开关量输入点有62个,开关量输出点有43个,模拟量输入点有60个,模拟量输出点有19个，共计184个。因此又扩展了3个ET200M分布式I/O站，通过IM152-1接口模块分别与AS站上的DP口相连接，构成了Profibus主从网络。

2.2 OS站硬件配置

按集中管理、集中显示、分散控制的思想，系统设有一个工程师和一个操作员监控站，选用西门子工控机PC RI45 Intel PIII(主频700Hz，内存512MByte)加三星 22寸彩色显示器。系统的网络结构如图4所示。工程师站和操作员站通过CP5611接口卡连接。OS站和AS站之间的通信是通过安装在AS站导轨上的CPU和通信模块CP343-5(6GK7 3435FA000XE0)，把数据传送到OS站的CP5611卡上。Profibus电缆两头各有一个Profibus-DP连接器，一个连接器插在通信模块CP343-5的接口上，另一个插在CP5611卡的接口上。采用FMS文件传输协议与上位机OS站进行通信。

图4 AS和OS网络结构

3 控制方案的设计

3.1 下位机程序设计

本控制系统有4大控制功能：静态矩阵、动态矩阵、能量和原料供给、温度矩阵。

静态矩阵。静态矩阵由一级矩阵组成，包括相应的泵、开关阀和调节阀的状态，温度控制相位，设定点和设定值，手动/自动控制方式，所有设备的每个位置执行的监视时间。

动态矩阵。动态矩阵由7级矩阵组成，每级矩阵均包括静态矩阵的所有内容。

能量和原料供给。给料系统包含能量供给值、温度控制相位、两个产品设定点和设点值、每个位置监视点。能量供给由纯净水和蒸汽组成，它们分别通过蒸汽储罐和管道控制相应电动阀门在需要时供给。原料供给由图1中的T-4罐注入。

温度矩阵。温度控制矩阵由调节阀控制调节温度，在不同时期控制料罐的温度。每个位置完成不同相位，不同相位温度控制有不同温度爬坡率，使温度逐渐达到所要求的温度值。通过4次循环，多级发汗结晶把工业生产的萘经过多级提纯达到所希望的纯度。

3.2 上位机工程师站(ES)、OS监控程序设计

上位机ES站的主要功能是对PLC(Step7 V5.0 SP2硬件)进行组态、编程和网络组态。硬件组态包括通信模块数据采集，控制模块的地址、参数类型、参数配置、采集的数据类型。网络组态包括网络参数、网络地址和网络速度。组态完成后，Step7软件进行程序下装也可进行在线修改。

3.2.1 温度矩阵

温度矩阵分为两大部分，第1部分为TICRA-200的温度矩阵，第2部分为TICRA-235的温度矩阵。在TICRA-200的温度矩阵中可进行起始温度、爬坡速率、操作矩阵、工作区参数的分配。在TICRA-235的温度矩阵中可进行时间、温度、操作矩阵和工作区参数的分配。在两个矩阵中都可进行操作矩阵和工作区的读写。

3.2.2 动态矩阵

动态矩阵中可进行开关阀、调节阀、泵的操作，可进行给料、能量、状态、设定值、监视时间、操作矩阵和工作区参数的分配，可进行操作矩阵和工作区的读写，其工作流程界面如图5所示。

图5 动态矩阵流程界面

3.2.3 静态矩阵

静态矩阵中可进行开关阀、调节阀、泵的操作，可进行能量、状态、设定值、监视时间、操作矩阵和工作区参数的分配，可进行操作矩阵和工作区的读写。

在温度矩阵、动态矩阵、静态矩阵这3个界面中点击操作矩阵按钮弹出操作矩阵面板。

在动态流程图、静态流程图、能量流程图、温度矩阵、动态矩阵、静态矩阵这6个界面中有动态开车、停车和静态开车、停车小面板。点击右上角的启动/停止下方的SEQ1可调出动态开车、停车小面板，点击SEQ2可调出静态开车、停车小面板。点击小面板中的开车、停车按钮可进行开停车操作。在SEQ1、SEQ2右侧的显示框内直接赋值同样可以开停车，输入1为开车，输入0为停车。

界面的左下方显示的是配套蒸汽、罐区蒸汽、新鲜水、循环水和主蒸汽的累计值；点击全部清零按钮，这5个累计值同时清零；点击开始累计按钮，这5个累计值同时开始累计，投料量、产品产量和残液产量分别清零。

3.2.4 PID参数调节界面、控制回路面板

在PID参数调节界面和控制回路面板中可以给设定值SP、输出值OP、比例系数Kc、积分时间Ti、微分时间Td赋值，并可以进行手动和自动的切换。此界面最上方左侧为回路的工号和位号；接下来是该回路的设定值SP、过程值PV和输出值OP的数值和棒形图显示，并且分别标有工程单位、工程刻度和百分度。将鼠标放在SP值或OP值的方框上，屏幕上将出现一绿色大写字母I，点击该方框，相应区域变色，即可输入数值。当回路处于自动状态时，阀门的输出值是由计算机给出的，当回路处于手动状态时，阀门的输出值是由操作人员给出的。OP值下方的滚动条为手动输出值，用鼠标单击滚动条两旁的箭头或直接拖动滚动条中间的小方块可以修改该值。滚动条下方为自动、手动按钮，将鼠标移动到自动按钮的上方，出现一个绿色的闪电箭头，点击该按钮，完成操作后按钮上的自动二字由黑色变为红色，同时手动按钮上的手动二字由红色变为黑色，回路的状态也随之改变为自动。点击手动按钮的动作与点击自动按钮相同，完成操作后按钮上的两个字变色，同时回路的状态也随之改变为手动。对于各控制回路来说，不要随意修改比例系数Kc、积分时间Ti和微分时间Td。如果需要修改，应与工程师联系。修改方法与输入SP、OP值的方法相同。

3.2.5 自动开车界面

在此界面中可以设定动态的开停车循环、阶段、位置及运行时间等参数，还可以设定静态的开停车状态、运行时间等参数。将鼠标放在数值的方框上，屏幕上将出现一绿色大写字母I，点击该方框，相应区域变色，即可输入数值进行赋值。

4 软件实现

控制模式有4种，分别为自动模式、手动模式、暂停模式和关机模式。

自动模式时，Sequencer1的值为1，自动调取该级矩阵数据。第1步，在自动模式下Sequencer1执行当前位置，即它激活在操作矩阵中指定的设备位置。如果位置指定了能量状态的变化，Sequencer1将请求能量交换程序去改变相应的状态。第2步，等待设定值到达操作矩阵的规定值，设定值在指定操作矩阵中。Sequencer1会花大部分的时间在这一步进行等待，连续检查该设定值。操作员可以在这一时间段内操作设备。第3步，该矩阵准备执行下一个位置，即计算下一个周期、阶段和执行位置。这3个步骤重复进行，直到完成所有矩阵位置的检测，Sequencer1进入手动模式。

手动模式时，Sequencer1的值为0并进行等待，不以任何方式控制运行过程。操作员可以手动重启Sequencer1，设置其周期、阶段和位置。如果不存在指定的结束周期、阶段和位置，Sequencer1会停留在自动模式，直到由操作员手动停止。

暂停模式跟自动模式是一样的，不同点是Sequencer1的设定值已经达到矩阵的规定值时，它不会自动执行下一个位置。操作员可以手动关闭暂停状态并且Sequencer1可自动进行到下一个位置。

关机模式是通过Sequencer1向操作员发出请求，进入关闭状态，它将设备设定在预定义的状态上，然后Sequencer1进入手动模式。

处理数据保存在数组中，有两组数组。一组保存操作矩阵数据，如图6所示。另一组存储并运行临时数据，它被称为工作矩阵，如图7所示。工作矩阵用于临时数据的存储，当一个新的阶段开始时，该阶段的操作矩阵数据被复制到工作矩阵中并且所有的后续动作都按照工作矩阵中的数据进行工作。

图6 操作矩阵向工作矩阵装载

图7 工作矩阵执行

5 结束语

对山东某公司工业萘深加工为精萘提纯改造工程，提出一种动态矩阵控制方法。该方法通过调用不同的矩阵来快速调节参数，从而实现多级控制。该工程是由原来的TI系列控制器，采用两台CPU通过点对点的通信方式、APT软件实现PCS系统，改造升级为S7-315PLC一套系统控制。改造完成后不但系统功能有了显著提升，网络速度也有所提高。目前运行情况良好，完全达到预期的控制目标，使萘的纯度提高到99.8%，减少了工业杂质排放，达到了节能环保的目的。该系统的控制方法在我国化工应用领域有普遍推广和实用价值。

[1] 张建文,张政,秦霁光.降膜结晶分离技术实验研究[J].过程工程学报,1999,20(1):17～24.

[2] 何益,胡姗姗,刘增强.基于PLC和WinCC的化工精馏塔控制系统设计[J].化工自动化及仪表，2011,38(6):710～712.

ControlSystemforRefinedNaphthalenePurificationProcess

SHI Yun-tao, ZHANG Yuan

(KeyLaboratoryofField-busTechnologyandAutomationinNorthChinaUniversityofTechnology)

Having Step7 V5.0 and WinCC V6.2 systems adopted to design a complex process control and monitoring system for refined naphthalene purification was implemented, including the description of the system’s technological process, hardware configuration, control scheme design, software implementation and characteristics. This system mainly makes use of static matrix and dynamic matrix to call parameters and to achieve multilevel control. This program can achieve control objectives desired and make the purity of naphthalene come up to 99.8%.

process control system,refined naphthalene purification,static matrix, dynamic matrix, Step7 V5.0,WinCC V6.2

史运涛(1975-)，教授，从事随机混杂系统的故障诊断与容错控制，风力发电系统故障诊断与容错控制，钢铁行业、有色冶金行业复杂工业过程的建模、仿真与优化控制的研究。

联系人张圆(1993-)，硕士研究生，从事随机混杂系统的故障诊断与容错控制，风力发电系统故障诊断与容错控制，工业过程控制的研究，claire0512@qq.com。

TH865

B

1000-3932(2017)06-0534-05

2017-01-01，

2017-05-02)