基于S7-300PLC的煤制油尾气制氢装置控制系统设计

陶彦吉，余淑荣，吴明亮，张 弛，吴明永

(1.兰州理工大学机电工程学院，甘肃 兰州 730050)(2.兰州城市学院培黎石油工程学院，甘肃 兰州 730070)

目前，化石能源在中国一次能源消费中占有90%以上的比例[1]。随着经济的持续发展和国际油价上涨等影响，我国的化工原材料和汽油、柴油等价格居高不下，对我国出口经济的发展产生很大影响。煤炭是我国最主要的能源，也是很多化工产品的原材料[2]。煤化工产业的发展有利于发挥我国煤炭资源优势；有利于补充国内石油资源的不足，保障能源安全；有利于满足国内市场对化工产品的需求，促进经济持续发展。

以伊泰(鄂尔多斯)煤制油项目为例。国内大型煤制油项目中对煤制油尾气的处理，大多采用催化部分氧化工艺和变压吸附(PSA)技术，将膜分离出来的非渗透气经过自热转化(ATR)、变换、脱碳、变压吸附再提纯后得到纯度≥99.9%的氢气，最后送回油品合成单元制备油品[3-5]。在这个过程中，温度控制得当是自热转化环节能够顺利实现的最重要的因素[6]。因此在温度控制系统中，综合利用PLC技术、现代控制理论、计算机技术和变频调速技术等，以实现温度控制的自动化、智能化、网络化。

1 尾气制氢工艺分析与系统划分

1.1 尾气制氢装置工艺分析

尾气制氢流程如图1所示。首先将油洗干汽经过膜分离单元分离为渗透气和非渗透气，渗透气中的主要组分为氢气，非渗透气包括氮气、一氧化碳、甲烷和二氧化碳等。然后将氢气摩尔百分含量≥90%的渗透气经过变压吸附提纯送回油品合成单元；同时非渗透气经过自热转化、变换、脱碳和变压吸附后，得到纯度≥99.9%的氢气，送回油品合成单元。

图1 尾气制氢流程图

1.2 尾气制氢装置系统划分

遵照上述工艺要求，可将尾气制氢装置系统划分为如下主要子系统：自热转化系统、变换系统、脱碳系统、变压吸附系统。

1)自热转化系统。

自热转化系统是将部分氧化与蒸汽转化相结合，其最大特点是氧化反应与转化反应在同一个转化炉内进行，转化反应所需的热量由氧化反应提供，不需外界提供热量。鉴于非渗透气中的甲烷和

一氧化碳的摩尔百分含量均为21%左右，因此采用催化部分氧化法更为经济。具体来讲，在高温条件下原料气中的轻质烷烃与氧气在催化剂镍触媒的作用下，进行不完全氧化反应。当转化炉内温度为1 200℃时，出口甲烷含量≤0.4%。

原料气甲烷在转化炉内的主要反应如下：

CH4+CO2=2CO+2H2-Q

CH4+H2O=CO+3H2-Q

CH4+2O2=CO2+2H2O+Q

因此在自热转化过程中，保证转化炉内的温度符合要求是自热转化系统尤为重要的工作内容。

2)变换系统和脱碳系统。

变换系统和脱碳系统主要完成的工作是利用活性炭或其他吸附剂预先去除C5以上的芳香烃和烃类有害杂质，从而为后面的工艺提供优质的原料。因此在整个系统的控制过程中，这两个系统不是控制的重点。

3)变压吸附系统。

在该子系统中，变压吸附的主要工作过程如下：

①原料气自塔底进入正处于吸附状态的高压吸附塔内，首先在多种吸附剂的依次吸附下，其中的水、二氧化碳等组分被吸附，未被吸附的氢气、一氧化碳从塔顶流出；然后吸附塔的压力从高压降至某一中间压力，这一过程主要是完成回收滞留在塔内密闭空间中的氢气；最后吸附塔的压力降至低压，这一过程可将被吸附剂吸附的杂质从吸附剂中释放出来，并被排出吸附塔。

②在低压状态下用纯氢冲洗吸附剂,以清除尚存留于吸附剂中的杂质。

③吸附塔充压到吸附压力(高压),以准备再次分离原料气。

本子系统的工作过程，主要是通过对电磁阀的顺序启停以及对系统工作时间的长短控制来控制吸附塔内压力的大小，并通过电磁阀位的选择来确定工作的方向。

2 尾气制氢装置控制系统硬件设计

本文的研究对象控制规模较大，需要采用大中型可编程逻辑控制器(PLC)来构建整个系统，但是大型PLC如S7-400价格太高，为节约开支，选择了可满足系统功能要求的S7-300PLC系统，其CPU为315C-2DP。该PLC价格适中、存储空间大、运算速度快，且具有的两个PROFIBUS通道可便于搭建分布式系统及与上位机通信；考虑到现场实际情况，选取西门子远程I/O单元ET200M构成分布式系统，接口模块选择IM153-2，用来连接主机架和扩展机架[5]。温度控制系统是一个相对独立的系统，因此选取S7-200PLC构成智能子站，其CPU为S7-226；选取EM227通讯模块实现与主站之间的通信。系统网络构架如图2所示。

图2 系统网络构架

3 尾气制氢装置控制系统软件设计

尾气制氢装置控制系统软件设计主要包括下位PLC程序设计、SQL Server 2005数据库设计、Excel中报表模板的设计以及用于计算机监控的WinCC组态软件中画面和数据存储、分析软件的设计。

在下位程序的设计中，除了基本的启/停、联锁和模拟量采集之外，其核心的设计主要是对自热转化系统中反应温度的控制和变压吸附系统中压力的控制。PID控制由于微分环节的存在可以有效地克服系统的稳态误差，但是对于时变系统，其鲁棒性较差。同时由于变压吸附、自热转化这两个系统均是典型的非线性、多变量、时变系统，常常不能够建立准确的传递函数，导致采用简单PID算法时，不能准确地选择KP，KI和KD3个参数的值，无法获得最理想的控制效果。而采用模糊PID的控制方法可以将PID控制与模糊控制的优点结合起来，获得理想的控制效果，有效地解决控制中的非线性、滞后问题。下面以对自热转化系统反应温度的控制为例进行说明。

3.1 基于模糊PID的自热转化系统反应温度控制设计

模糊PID的实质是一个二输入三输出的模糊控制器，由于模糊控制本身解耦的特点，可将多输出的控制器分解为多个单输出的控制器进行设计，进而得到PID 3个控制参数KP，KI和KD的值[7-8]。模糊控制分为模糊化、模糊推理和解模糊3个环节，具体思路如下：将采集到的温度偏差、温度偏差变化率作为观测量进行模糊化，根据每次采集的温度偏差及温度偏差变化率所处的区间，查询模糊控制规则表，得到各个输出的模糊论域，再乘以量化因子，即可得到PID 3个参数的实际输出值。进一步的，通过PID调节器调节空压机变频器的频率，即可获得理想的温度控制效果。其控制原理框图如图3所示。

图3 模糊PID控制逻辑

3.1.1模糊化

在该子系统中，选择温度偏差E和温度偏差变化率ΔE作为观测量，PID控制器的3个参数KP，KI和KD作为控制量，利用三角形隶属度函数建立这5个量值的模糊论域，分别为：E={NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB}，ΔE={NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB}以及KP={NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB}，KI={NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB}，KD={NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB}。式中NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB分别代表偏差所处的区间为负向大、负向中、负向小、零、正向小、正向中、正向大。

3.1.2模糊推理

对于二输入三输出的模糊控制，其推理规则为：

ifEisE1and ΔEis ΔE1thenKPisKP1andKIisKI1andKDisKD1or

……

ifEisEnand ΔEis ΔEnthenKPisKPnandKIisKI nandKDisKDn

以KP为例，其具体的模糊控制策略见表1。

表1 KP模糊控制规则表

3.1.3解模糊

所谓解模糊即是将输出值的模糊量转化为实际的输出值，可采用最大隶属度方法进行解模糊，然后乘以量化因子，即可得到实际的输出值。

3.1.4模糊PID在PLC中的实现

在STEP7 V5.5即西门子S7-300PLC系列的编程软件中，选择OB1组织块为主程序块，将离线计算出来的模糊规则表存入DB块中，调用用以实现模糊推理的子程序块FB，将整定的参数写入到PID块对应的参数位即可。

其中E(s)和ΔE(s)的计算方法如下：

E(s)=R(s)-C(s)

ΔE(s)=E(s)-E(s-1)

式中：E(s)为温度偏差；ΔE(s)为温度偏差变化率；R(s)为实际检测温度；C(s)为控制温度。

在STEP7 V5.5中实现模糊推理的流程如图4所示。

图4 PLC实现模糊PID流程

3.2 WinCC组态软件中上位画面设计

本文上位机控制画面的设计采用西门子WinCC V7.0 sp3作为设计软件。与WinCC V6.2相比，该版本有以下主要优点：一是具有Windows Vista风格外观的运行界面，视觉效果更为协调[9]；二是增强了趋势、报警、配方等控件的功能，以趋势控件为例，增加了数据导出按钮，可将数据导出为CSV格式文件[10]；三是将SQL Server 2005数据库集成在WinCC软件中，大大方便了用户安装和使用[11]。除此之外，WinCC V7.0 sp3可以与Windows防火墙配合使用，大大增强了系统的安全性[12-13]。

在本文项目中，WinCC主要实现如下功能：一是过程的实时监控，在上位监控画面可以实时查看各个阀门、电机的状态以及温度、压力等传感器的数值；二是远程操作，由于尾气制氢的现场操作环境很差，因此系统具有远程操作的功能显得极为重要；三是报警功能，对于化工行业来讲，系统运行的安全性是最重要的，因此不但在控制系统的设计中增加了许多保护环节，而且在上位画面的设计中同样增加了报警画面，这样不仅有助于系统安全性的提高，还有助于操作和维护人员对系统的检修；四是数据记录功能，利用集成的SQL Server 2005大型数据库软件，只需在上位机进行简单的编程即可实现过程数据的归档。上位操作画面如图5所示。

图5 上位操作画面

4 结束语

本文运用PLC和传感器设计的尾气制氢装置控制系统实现了尾气制氢过程控制的自动化、智能化和网络化。该系统有以下特点：一是具有很高的可靠性，可编程逻辑控制器自身可靠性高，S7-300PLC对外界干扰具有很强的抵抗力，工作稳定性好；二是采用模糊PID控制算法，对闭环的控制达到了很高的精度；三是上位软件操作方便、画面美观。

参考文献：

[1] 范维唐, 杜铭华. 中国煤化工的现状及展望[J]. 煤化工,2005,33(1):1-5.

[2] 王基铭.中国煤化工发展现状及对石油化工的影响[J].当代石油石化,2010(6):1-6.

[3] 曹德或,粟莲芳.焦炉煤气变压吸附制氢工艺的应用[J].煤气与热力,2008,28(10):B23-B25.

[4] 李文兵,齐智平.甲烷制氢技术研究进展[J].天然气工业,2005,25(2):165-168.

[5] 杜宇乔.变压吸附制氢工艺革新进展[J].广州化工,2009,37(2):58-59.

[6] 冯玉峰,王芳芳.大型煤制油项目中尾气制氢装置纯氧转化工艺的选择[J].安徽化工,2013,39(6):66-68.

[7] 周黎英,赵国树.模糊PID控制算法在恒速升温系统中的应用[J].仪器仪表学报,2008,29(2):405-409.

[8] 王述彦,师宇,冯忠绪.基于模糊PID控制器的控制方法研究[J].机械科学与技术,2011,30(1):166-172.

[9] 王万强,陈国金,张俊芳.S7-300PLC和WinCC组态软件在电厂的应用[J].机电工程,2004,21(7):4-7.

[10] 苏昆哲,何华.深入浅出西门子WinCC V6[M].北京:北京航空航天大学出版社,2004.

[11] 刘锴,周海.深入浅出西门子S7-300PLC[M].北京:北京航空航天大学出版社,2004.

[12] 胡敏.深入浅出西门子S7-300PLC[M].北京:北京航空航天大学出版社,2004.

[13] 段培永,王玉红,李慧.利用VB实现WinCC归档数据处理[J].计算机系统应用,2013(10):139-142.