基于DCS的乙酸乙酯生產(chǎn)綜合實(shí)訓(xùn)控制系統(tǒng)

王麗飛 文萍 沐寶泉 李傳

摘 要：介紹了乙酸乙酯生產(chǎn)綜合實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的工藝流程，針對(duì)系統(tǒng)的控制要求，采用TDCS9200型DCS實(shí)現(xiàn)對(duì)乙酸乙酯生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的控制，介紹了DCS系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，系統(tǒng)配置和實(shí)現(xiàn)的功能。該乙酸乙酯DCS控制系統(tǒng)自投用以來，運(yùn)行穩(wěn)定，安全可靠，控制效果較好。該實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)有利于提高學(xué)生的工程實(shí)踐操作能力、掌握化工單元過程的操作方法，同時(shí)為培養(yǎng)高層次、具有實(shí)踐技能的石油化工人才提供了良好平臺(tái)。

關(guān) 鍵 詞：DCS;乙酸乙酯;綜合實(shí)訓(xùn)

中圖分類號(hào)：TQ 325 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1671-0460（2015）06-1330-02

Ethyl Acetate Production Comprehensive Training

Control System Based on DCS

WANG Li-fei，WEN Ping，MU Bao-quan，LI Chuan

（College of Chemical Engineering， China University of Petroleum， Shandong Qingdao 266580，China）

Abstract： The technological process of the ethyl acetate production comprehensive training system was introduced. Aimed at the needs of the control， control of the ethyl acetate production comprehensive training system was realized by using TDCS9200 DCS.The hardware and software design，system configuration and function of the DCS were introduced. Since the control system has been put into use， the system is stable， secure and reliable. The control effect of the system is fine. The training system can help students improve the ability of engineering practice， master the operation method of chemical unit process， at the same time， it can also provide a good platform for cultivating petroleum and chemical engineering high level talents which have practical skills.

Key words： Distributed control system （DCS）; Ethyl acetate; Comprehensive training

乙酸乙酯（EA）又名醋酸乙酯，分子式C4H8O2，是一種重要的有機(jī)化工原料，是一種快干性溶劑，具有令人愉快的香氣。乙酸乙酯有多種用途，可作為制造乙酰胺、乙酰乙酸酯、甲基庚烯酮、合成香料以及其它有機(jī)化合物的原料;在紡織工業(yè)中用作清洗劑，在食品工業(yè)中用作芳香劑，在香料工業(yè)中是最重要的香料添加劑。可作為許多類樹脂的高效溶劑，廣泛應(yīng)用于油墨、人造革、膠黏劑等的生產(chǎn)中，也是制造藥物、染料的原料。乙酸乙酯由于其特殊的性能，在世界化工市場(chǎng)相當(dāng)活躍，近年來乙酸乙酯的需求在不斷增加[1-4]。

基于DCS的乙酸乙酯生產(chǎn)綜合實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)是根據(jù)實(shí)際典型流程化工生產(chǎn)，完全按照工廠實(shí)際生產(chǎn)狀況并結(jié)合教學(xué)實(shí)訓(xùn)的要求而進(jìn)行工程化設(shè)計(jì)的教學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)。該實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)能進(jìn)行乙酸乙酯產(chǎn)品的真實(shí)安全生產(chǎn)和連續(xù)化實(shí)體運(yùn)行，是中國(guó)石油大學(xué)（華東）化學(xué)工程學(xué)院專業(yè)工程實(shí)訓(xùn)的重要項(xiàng)目，是國(guó)內(nèi)首套用于高校實(shí)訓(xùn)教學(xué)的中試實(shí)訓(xùn)裝置，對(duì)于強(qiáng)化學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，提高學(xué)生的實(shí)踐操作技能，掌握化工單元過程的操作方法，具有非常重要的作用。

1 原 理

該實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)以乙酸（CH3COOH）和乙醇（C2H5OH）為原料，在催化劑（濃硫酸）的作用下進(jìn)行液相酯化反應(yīng)生成粗乙酸乙酯，經(jīng)過精餾，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行提純，最后進(jìn)行水解反應(yīng)，回收脫水液中的酯、醇[5]。其化學(xué)反應(yīng)方程式為：

2 工藝流程

2.1 酯化段

自醋酸送料泵和乙醇送料泵來的醋酸、乙醇經(jīng)流量計(jì)計(jì)量，進(jìn)入酯化釜中，在硫酸催化下，迅速反應(yīng)，塔頂為酯、水的二元混合物，并含少量酸，氣體經(jīng)冷凝、冷卻后進(jìn)入分相器，在分相器內(nèi)分層，下層的脫水液到釜底殘液罐;上層的酯一部分回流，一部分打到后塔中。

2.2 分餾段

粗酯槽來的粗酯經(jīng)流量計(jì)計(jì)量后，從脫水塔中部進(jìn)入。塔頂氣體經(jīng)冷凝冷卻后，通入軟水經(jīng)靜態(tài)混合器在脫水水洗分相器分層，下層的水相采出到脫水液貯槽，上層的酯相回流進(jìn)塔頂，多余部分根據(jù)脫水回流罐液位及酯相含量采出到粗酯罐或混合酯罐，塔釜得合格的酯，通過精制塔進(jìn)料泵由過料調(diào)節(jié)閥控制進(jìn)入精餾釜，經(jīng)精餾塔去色得成品乙酯。

2.3 水解段

乙酸乙酯和水1∶1 進(jìn)入釜式反應(yīng)器進(jìn)行水解，同時(shí)加入濃硫酸作為催化劑，反應(yīng)達(dá)到平衡后，打入脫醇塔脫醇，釜內(nèi)乙酸打回乙酸原料罐 ，脫醇塔脫出的醇打入乙醇精制塔，用泵打回乙醇原料罐，再供酯化配料使用。

本裝置的原料通過酯化、水解反應(yīng)可以達(dá)到循環(huán)利用，酯化的產(chǎn)物可以作為水解的原料，水解產(chǎn)物又可以作為酯化的原料，即實(shí)現(xiàn)酯化-水解熱態(tài)循環(huán)生產(chǎn)全流程。

3 DCS控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 DCS控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

該實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)采用TDCS9200集散控制系統(tǒng)對(duì)整個(gè)生產(chǎn)流程進(jìn)行控制，完成乙酸乙酯的合成、提純、水解。TDCS9200集散控制系統(tǒng)是一套分層分布式的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)[6，7]，系統(tǒng)采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)為上位機(jī)，現(xiàn)場(chǎng)由傳感器將信號(hào)傳送到TDCS9200中的信號(hào)采集模板，再由采集模板將數(shù)據(jù)通過控制網(wǎng)絡(luò)（CNet）傳送到ST9161主控模板。再由主控模板通過系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)（Snet）將數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)供操作人員觀察和監(jiān)控。同時(shí)操作人員在上位機(jī)上發(fā)出的指令由Snet網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到主控模板，再由主控模板經(jīng)過運(yùn)算發(fā)送指令由Cnet網(wǎng)絡(luò)到I/O模板對(duì)應(yīng)的端子，再到現(xiàn)場(chǎng)的執(zhí)行器。TDCS9200控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 Tdcs9200系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

Fig.1 Network architecture of Tdcs9200

3.2 控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)方案

根據(jù)乙酸乙酯項(xiàng)目的工藝要求，確定控制范圍、輸入、輸出點(diǎn)后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行配置選型。系統(tǒng)設(shè)計(jì)為1個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制站，4個(gè)操作員站（其中1臺(tái)兼工程師站）、一臺(tái)報(bào)表打印機(jī)。配備標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)機(jī)柜，控制站和操作站之間通過系統(tǒng)網(wǎng)連接，通訊介質(zhì)為五類非屏蔽雙絞線。控制站安裝于中控室內(nèi)，用于實(shí)訓(xùn)裝置的數(shù)據(jù)采集和控制;操作員站和工程師站安裝于中控室內(nèi)，用于對(duì)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的監(jiān)視和管理。

乙酸乙酯生產(chǎn)DCS控制系統(tǒng)輸入信號(hào)主要有各個(gè)塔、釜的溫度，各個(gè)塔、釜、罐的液位，各個(gè)塔、釜的進(jìn)料、回流流量。相關(guān)的設(shè)備有：乙酸儲(chǔ)罐、乙醇儲(chǔ)罐、硫酸儲(chǔ)罐、粗酯儲(chǔ)罐、精酯回流罐、酯化釜、酯化塔、脫水塔、酯精餾塔、水解液儲(chǔ)罐、水解釜、脫醇塔、進(jìn)料泵、回流泵、變頻器、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、調(diào)壓模塊等。共有模擬量輸入（AI） 51個(gè)輸入點(diǎn)、模擬量輸出17個(gè)輸出點(diǎn)，開關(guān)量（DO） 32個(gè)點(diǎn)。系統(tǒng)預(yù)留的備用點(diǎn)共AI點(diǎn)14個(gè)、AO點(diǎn)15個(gè)、DI點(diǎn)224個(gè)、DO點(diǎn)10個(gè)。

系統(tǒng)軟件：應(yīng)用正泰中自研發(fā)的SunyTech8.0組態(tài)軟件[8，9]完成對(duì)六臺(tái)泵的變頻PID控制程序，酯化釜等夾套和釜內(nèi)溫度串級(jí)控制程序，以及根據(jù)液位、溫度對(duì)各個(gè)儲(chǔ)罐、塔的進(jìn)料電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的控制程序等，以及所有設(shè)備的啟?？刂频瘸绦?。實(shí)現(xiàn)對(duì)各工藝參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和控制。乙酸乙酯實(shí)訓(xùn)系統(tǒng) 實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面如圖2所示。

圖2 乙酸乙酯實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面

Fig.2 Real time monitoring picture

3.3 DCS控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能

（1）實(shí)現(xiàn)了溫度、壓力、流量、液位等工藝參數(shù)的采集、實(shí)時(shí)監(jiān)控和控制;實(shí)現(xiàn)測(cè)量值、設(shè)定值和輸出值的動(dòng)態(tài)棒圖與數(shù)字雙重顯示，所有的PID調(diào)節(jié)均設(shè)手自動(dòng)切換按鈕，可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)與自動(dòng)控制之間的無擾切換。

（2）實(shí)現(xiàn)電動(dòng)設(shè)備的連鎖控制，專門設(shè)計(jì)了邏輯顯示畫面，提示操作員邏輯的執(zhí)行情況。

（3）實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)的趨勢(shì)顯示，歷史數(shù)據(jù)和歷史曲線的查詢;歷史趨勢(shì)畫面可顯示任意參數(shù)在一定時(shí)間內(nèi)的變化趨勢(shì)。

（4）報(bào)警信號(hào)的實(shí)時(shí)顯示與記錄;

（5）工藝參數(shù)的報(bào)表生成、打印;

（6）監(jiān)控界面的工藝流程圖采用了分層結(jié)構(gòu)，在整個(gè)乙酸乙酯工藝運(yùn)行的總貌圖中，可靈活進(jìn)入各級(jí)流程圖，詳細(xì)顯示各部分運(yùn)行流程及狀態(tài)，所有設(shè)備的啟停、開關(guān)等操作都可在工藝流程圖中實(shí)現(xiàn)。并且在監(jiān)控狀態(tài)下可實(shí)現(xiàn)控制參數(shù)的在線修改。

4 結(jié)束語

基于DCS的乙酸乙酯綜合實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)自投用以來，運(yùn)行狀態(tài)良好，無故障發(fā)生，操作簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，控制準(zhǔn)確可靠。開放性好，硬件可靠，功能實(shí)用。實(shí)現(xiàn)了對(duì)學(xué)生進(jìn)行化工工藝、化工操作、化工設(shè)備、化工儀表、自動(dòng)控制、DCS集散控制等現(xiàn)代化工操作工必備技能的培訓(xùn)，為培養(yǎng)高層次、具有實(shí)踐技能的石油化工人才提供了良好平臺(tái)。

參考文獻(xiàn)：

[1]胡衛(wèi)雅.乙酸乙酯生產(chǎn)工藝流程仿真研究及優(yōu)化[J].廣州化工，2011，39（16）：80-82.

[2]馬菲.JX-300XP DCS在乙酸乙酯控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[J].自動(dòng)化與儀器儀表，2012（5）：169-170.

[3]顧敏明，潘海鵬，高精度矢量控制在乙酸乙酯生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].化工學(xué)報(bào)，2010，61（8）：2079-2083.

[4]王軍，劉文彬，譚淑媛.乙酸乙酯生產(chǎn)工藝現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].應(yīng)用科技，2003，30（3）：51-53.

[5]石學(xué)勇.乙酸乙酯生產(chǎn)過程 DCS 控制的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[J].化學(xué)工程與裝備2010，11： 28-29.

[6]余思思.基于DCS的遠(yuǎn)程I/O站的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[M].2008-05.

[7]浙大正泰中自控制工程有限公司. TDCS9200集散控制系統(tǒng)工程維護(hù)手冊(cè)V2.0-8ZTZ.819.048-2[G].

[8]SunyTech工業(yè)控制應(yīng)用軟件平臺(tái)控制組態(tài)手冊(cè)V2.0-8ZTZ.819.050.2[G].

[9]SunyTech工業(yè)控制應(yīng)用軟件平臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)控手冊(cè)V2.0-8ZTZ.819.049-2[G].