基于DCS的DFPA生產(chǎn)線裂解環(huán)節(jié)的過(guò)程控制研究

史玉立，劉天宋

基于DCS的DFPA生產(chǎn)線裂解環(huán)節(jié)的過(guò)程控制研究

史玉立，劉天宋

（常州劉國(guó)鈞高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇 常州 213025）

對(duì)中小型化工企業(yè)生產(chǎn)二氟甲基吡唑羧酸（DFPA）生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行研究，采用DCS控制系統(tǒng)對(duì)DFPA生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行了改造，設(shè)計(jì)了單回路控制、串級(jí)控制等過(guò)程控制算法，完成了該生產(chǎn)線的自動(dòng)化改造?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行證明，DCS控制系統(tǒng)使控制過(guò)程更為穩(wěn)定、可靠，在提高了中小型化工企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，也提高化工企業(yè)的生產(chǎn)安全水平。

二氟甲基吡唑酸； 過(guò)程控制算法；DCS系統(tǒng)

含氟化合物在醫(yī)藥、材料、農(nóng)藥、液晶等方面都有獨(dú)特的作用，在氟化學(xué)領(lǐng)域生產(chǎn)中須要進(jìn)行微反應(yīng)的技術(shù)應(yīng)用。二氟甲基吡唑酸（DFPA）是新一代琥珀酸脫氫酶抑制劑（SDHI）類殺菌劑的母核，在醫(yī)療保健和農(nóng)用化學(xué)品中應(yīng)用極廣，市場(chǎng)前景可觀。

1 DFPA生產(chǎn)工藝控制要求

當(dāng)前，宿遷科萊博生物化學(xué)有限公司生產(chǎn)二氟甲基吡唑羧酸（DFPA）合成方案如圖1所示，化工生產(chǎn)工藝較為復(fù)雜。

圖1 二氟甲基吡唑羧酸（DFPA）合成方案路線圖

該生產(chǎn)工藝的控制要求主要有：

1）重點(diǎn)參量的控制。對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的重要參數(shù)，如溫度、壓力等，用各類檢測(cè)儀器儀表、調(diào)節(jié)閥和切斷閥來(lái)實(shí)現(xiàn)參數(shù)的監(jiān)控顯示、高限報(bào)警、聯(lián)鎖等控制；對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的管道流量，采用流量計(jì)顯示參數(shù)，并通過(guò)累積、算法等控制調(diào)節(jié)閥實(shí)現(xiàn)控制。

2）化工動(dòng)作的控制。對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的反應(yīng)釜攪拌動(dòng)作，采用變頻器和轉(zhuǎn)速計(jì)實(shí)現(xiàn)攪拌速率的顯示、報(bào)警及調(diào)速。對(duì)原料、催化劑等自動(dòng)計(jì)量投量系統(tǒng)，采用流量計(jì)、調(diào)節(jié)閥和緊急切斷閥門(mén)等，實(shí)現(xiàn)整個(gè)工藝過(guò)程中投放物料量和順序的控制。

3）設(shè)置緊急安全控制系統(tǒng)。通過(guò)設(shè)置各類緊急切斷系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、反應(yīng)阻斷系統(tǒng)并通過(guò)聲光報(bào)警裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)安全控制。

4）控制系統(tǒng)保障機(jī)制?；ぷ詣?dòng)控制系統(tǒng)要確保系統(tǒng)控制的可靠性，如控制系統(tǒng)要設(shè)置UPS不間斷電源和備用電源，以確保當(dāng)發(fā)生意外停電時(shí)，反應(yīng)釜的安全控制繼續(xù)有效進(jìn)行。

5）設(shè)置現(xiàn)場(chǎng)安全報(bào)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。對(duì)整個(gè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，須要設(shè)置參量高限報(bào)警與反應(yīng)釜安全防爆聯(lián)鎖，泄放管外接密閉事故泄料槽，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)有可燃?xì)怏w濃度監(jiān)測(cè)報(bào)警裝備（探頭監(jiān)控半徑7.5 m）、消防設(shè)備、應(yīng)急生產(chǎn)工藝報(bào)警等。

2 DCS控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

集散控制系統(tǒng)（DCS）采用計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程采用分散控制、操作顯示集中，兼顧自動(dòng)控制和綜合協(xié)調(diào)。其通用性強(qiáng)、使用靈活、調(diào)試方便、運(yùn)行安全可靠，多應(yīng)用該技術(shù)于化工行業(yè)中，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的監(jiān)控和報(bào)警、故障狀態(tài)的記錄和聯(lián)鎖等，可降低操作的復(fù)雜性，大幅減少操作工的勞動(dòng)量，使化工生產(chǎn)過(guò)程更為安全、可靠[1-2]。

本文以宿遷科萊博生物化學(xué)有限公司的二氟甲基吡唑羧酸（DFPA）生產(chǎn)線為例，設(shè)計(jì)DCS控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)由控制單元（由主控芯片、數(shù)據(jù)采集卡、通訊協(xié)議管理等組成）、操作單元（由工程師站、服務(wù)器站、數(shù)據(jù)管理站等組成）及通訊網(wǎng)絡(luò)（生產(chǎn)信息網(wǎng)、管理網(wǎng)、SBUS總線系統(tǒng)等構(gòu)成）等組成，組織框架如圖2所示。

圖2 DCS控制系統(tǒng)組成

控制單元對(duì)DFPA總體生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行精確監(jiān)控?？刂茊卧芍骺刂瓶ā?shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡、I/O 卡件等構(gòu)成?？刂普臼强刂葡到y(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行 I/O 數(shù)據(jù)采樣、信息交互、控制運(yùn)算、邏輯控制的核心裝置，完成整個(gè)工業(yè)過(guò)程的實(shí)時(shí)控制功能。硬件設(shè)計(jì)時(shí)各單元必須嚴(yán)格按照安全生產(chǎn)原則進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)，保證生產(chǎn)過(guò)程中的安全與可靠。操作單元主要保證生產(chǎn)控制過(guò)程中的人機(jī)交互，系統(tǒng)工具可以對(duì)生產(chǎn)控制系統(tǒng)進(jìn)行故障分析、組態(tài)文件管理、報(bào)表離線查看以及數(shù)據(jù)提取等功能，在C/S 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，服務(wù)器站為與其連接的客戶端提供生產(chǎn)相關(guān)實(shí)時(shí)信息和數(shù)據(jù)。

3 裂解工藝環(huán)節(jié)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在該生產(chǎn)工藝中裂解工藝是生產(chǎn)中最重要的環(huán)節(jié)，其控制系統(tǒng)需要特別進(jìn)行設(shè)計(jì)。其生產(chǎn)過(guò)程如圖3所示。

圖3 裂解環(huán)節(jié)工藝圖

四氟乙醚經(jīng)計(jì)量槽后輸送至再沸器中，升溫氣化后送入分子篩完成脫水，而后送入裂解器進(jìn)行高溫裂解，生成乙酰三氟后送至縮合釜完成下一步反應(yīng)。該反應(yīng)過(guò)程采用蒸汽完成溫控過(guò)程，對(duì)反應(yīng)物溫度、壓力、劑量精準(zhǔn)度要求較高。

經(jīng)分析，對(duì)該環(huán)節(jié)主要采取以下控制模式：

普通參數(shù)控制部分采用常規(guī)單回路PID控 制[3]。如在再沸器部分，通過(guò)溫度控制儀表與再沸器調(diào)節(jié)閥組成溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其控制框圖如圖4所示，其輸入為反應(yīng)器溫度設(shè)定值，通過(guò)與溫度變送器反饋回的實(shí)際測(cè)量溫度進(jìn)行比較運(yùn)算，得出溫度偏差值，PID控制器輸出指令對(duì)蒸汽閥的開(kāi)度進(jìn)行控制，使反應(yīng)器內(nèi)溫度趨近于設(shè)定值，同時(shí)設(shè)置高限報(bào)警點(diǎn)（正常工作溫度+10 ℃），并設(shè)置高高限，當(dāng)參數(shù)達(dá)到高限關(guān)閉蒸汽閥。

圖4 DCS控制系統(tǒng)組成

反應(yīng)釜中液位控制主要通過(guò)進(jìn)料閥開(kāi)度來(lái)控制，其控制框圖如圖5所示。其輸入為液位設(shè)定值，將儀表實(shí)際測(cè)得值與設(shè)定值進(jìn)行比較后，PID控制閥門(mén)開(kāi)度，保證反應(yīng)釜內(nèi)也為趨近于設(shè)定值，滿足一定偏差范圍內(nèi)的控制要求。

圖5 反應(yīng)釜內(nèi)液位控制系統(tǒng)框圖

裂解器部分的溫度和壓力控制要求較高，而其控制精度直接影響最終產(chǎn)品質(zhì)量的高低。在這種工藝要求下單回路控制已經(jīng)無(wú)法滿足需要了，因此在該階段針對(duì)反應(yīng)釜溫度及壓力參數(shù)設(shè)計(jì)了串級(jí)控制系統(tǒng)。將裂解器內(nèi)壓力控制器的檢測(cè)值作為主控制變量，反應(yīng)釜內(nèi)溫度作為副控制變量。將反應(yīng)釜內(nèi)壓力實(shí)時(shí)值與設(shè)定值之間的偏差作為主回路的輸出，從而確定副回路中四氟乙醚進(jìn)料閥的控制開(kāi)度，使其成為隨動(dòng)控制系統(tǒng)完成實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，較大程度上減小了干擾對(duì)壓力參數(shù)的影響，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高主回路控制效率。其控制框圖如圖6所示。

圖6 裂解器壓力串級(jí)控制系統(tǒng)框圖

在進(jìn)行DCS控制改造后，裂解環(huán)節(jié)改造后實(shí)物圖及DCS監(jiān)控如圖7、圖8所示。

圖7 改造后裂解塔實(shí)物圖

圖8 DCS實(shí)時(shí)監(jiān)控圖

工廠實(shí)現(xiàn)了化工工藝的自動(dòng)化監(jiān)控，控制更為精細(xì)有效，極大地提高了生產(chǎn)效率。同時(shí)原先生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)須要安排員工實(shí)時(shí)監(jiān)控儀表并進(jìn)行操作，現(xiàn)企業(yè)操作室遠(yuǎn)離生產(chǎn)一線，移至安全距離以外。同時(shí)自動(dòng)化裝置添加針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)完善的聲光報(bào)警、安全裝置等措施。安排員工平時(shí)在操作室完成監(jiān)控及遠(yuǎn)程操控，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)只需要定期巡檢即可，大大減少了生產(chǎn)過(guò)程所需人數(shù)，降低成本的同時(shí)提升了工作的安全穩(wěn)定性。同時(shí)上位機(jī)的使用對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的相關(guān)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控，為生產(chǎn)過(guò)程的進(jìn)一步優(yōu)化提供了數(shù)據(jù)[4]。

4 結(jié) 論

宿遷科萊博生物化學(xué)有限公司二氟甲基吡唑羧酸（DFPA）生產(chǎn)線進(jìn)行自動(dòng)化改造[5]，有利于中小微型化工企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的提高，還可以降低生產(chǎn)過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)性，提升工藝的本質(zhì)安全水平，走上“經(jīng)濟(jì)、安全”的可持續(xù)發(fā)展新模式。

［1］牛建璋. 石油化工行業(yè)DCS控制系統(tǒng)信號(hào)干擾原因及對(duì)策[J]. 中國(guó)設(shè)備工程，2020（14）：151-152.

［2］林波. 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(FCS)的應(yīng)用技術(shù)探析[J]. 石化技術(shù)，2020，27（6）：356-357.

［3］胡艷，郭鈦星，韓璞.史密斯預(yù)估PID控制算法研究及其在DCS中的實(shí)現(xiàn)[J]. 計(jì)算機(jī)仿真，2016，33（5）：409-412.

［4］李先林. 淺談化工控制系統(tǒng)升級(jí)改造施工[J]. 工業(yè)建筑，2014，44（S1）：1045-1047.

［5］金阿銘．化工工藝安全設(shè)計(jì)中的危險(xiǎn)因素及解決對(duì)策［J］．黑龍江科學(xué)，2015（1）34．

Study on Process Control of Cracking Process in DFPA Production Line Based on DCS

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（Changzhou Liu Guojun Vocational Technical College, Changzhou Jiangsu 213025, China）

The production process of difluoromethylpyrazole carboxylic acid (DFPA) in small and medium-sized chemical enterprises was studied. The DCS control system was used to transform the DFPA production process. The single loop control, cascade control and other process control algorithms were designed, and the automatic transformation of the production line was completed. The actual operation showed that DCS control system made the control process more stable and reliable. It not only improved the economic benefits of small and medium-sized chemical enterprises, but also improved the production safety level of chemical enterprises.

DFPA; Process control algorithm; DCS System

2020-08-18

史玉立（1987-），女，江蘇省常州市人，講師，碩士， 2012年畢業(yè)于江蘇大學(xué)電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專業(yè)，研究方向：電氣自動(dòng)化應(yīng)用、電力系統(tǒng)自動(dòng)化等。

TQ056.8

A

1004-0935（2021）01-0086-03