离子膜烧碱DCS控制系统设计与分析.pdf
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1、上海大学硕J 二学位论文 Y 9 0 7 9 3 8 图书分类号:T P 2 7 3 密级 单位代码:1 1 9 0 3 学号:0 3 7 2 0 5 2 6 上海大学工学硕士学位论文 离子膜烧碱D C S 控制系统 设计与分析 姓名:王海林 导师:黄慎之 时间:2 0 0 6 2 上海大学硕士学位论文 摘要 工业是国民经济的支柱,工业生产现代化是国家的重要政策。围绕着如何提 高控制系统的性能和效率,人们总是尝试着将新的技术应用到生产中去。 本文以离子膜法生产烧碱过程控制系统为研究对象,结合生产要求和当前 D C S 技术的最新进展,设计了离子膜烧碱D C S 控制系统,并在此基础上对一些 控
2、制技术进行了研究。工业通讯网络的相关技术标准与安全解决方案是近些年工 业自动化领域的核心技术之一,带动了自动化技术革命性的变化。在通讯体系中, 以P r o f i b u s 为代表的现场总线和工业以太网是近来D C S 系统发展的突破点。随 着工业以太网的逐渐应用和普及,涌现出一些新的问题,例如工业以太网络设备 的管理问题需待解决。接地系统和冗余技术是保证工业生产安全的关键技术,在 当前具有十分突出的重要性。本文对冗余和接地问题的原理、分类、形式进行了 系统分析,并予以归纳总结。 模糊P I D 是目前在工业生产中应用最多的一种模糊控制技术。模糊控制具 有很强的适应性,对于不确定问题的控制
3、有较好的效果;P I D 控制方便且容易理 解。模糊P I D 将两者融合在一块,其既保留了传统P I D 易于理解和控制的特点, 又融合进了模糊控制的思想。在常规控制的基础上提高了控制器的适应性,将会 产生很好的实际效果。离子膜生产的核,t S , 是电解槽室内离子膜两侧的氯气和氢气 的压力之差控制。本文以氯氢压差控制为对象,研究了模糊P I D 技术并予以仿 真实现。对于如何将模糊P I D 控制技术应用到实际生产中去,本文在此以基于 接口技术的分析研究,提出了几种实现方案,并对以动态链接库方案的实现做了 具体研究。 最后,对于本课题所做的工作进行了总结并进一步展望了未来的研究方向。 关键
4、词:D C S工业通信网络安全技术模糊P I D 及工业应用 V 上海大学硕士学位论文 1 1 课题来源 第一章绪论 本课题来源于在上海西门子工业自动化有限公司( S I A S ) 实习期间所参予 完成的两个离子膜烧碱项目。S I A S 是西门子自动化与驱动集团在中国过程自动 化领域的唯一一家技术型运营公司,主要从事工业生产过程控制系统的设计和研 究。本课题是在完成江苏泰州梅兰化工集团和山东潍坊亚星化学两个离子膜烧碱 项目设计的基础上,对模糊控制及一些技术在其中应用进行了分析研究。 1 2 课题的研究对象 目前烧碱( N a O H ) 的生产主要分为隔膜法和离子膜法两类。【1 】隔膜法为
5、传 统生产方式,生产出来的烧碱浓度和纯度均较低,难以满足市场的要求,且生产 中电流利用效率较低。离子膜法为较先进的生产工艺,弥补了隔膜法的以上不足, 同时离子膜法的生产工艺较复杂、建设成本高且安全要求也很高。但离子膜制碱 工艺自动化程度高、节能显著、产品质量好,其副产品氯气质量较高还可作为含 氯产品的原料,污染也小,是世界各国首选的制碱工艺。同等产能,离子膜法比 隔膜法可以节约3 0 的电能,在国家大力推行环保和能源节约政策的背景下,离 子膜制碱法更值得大力推广,也被国家列为化工领域七大重点推广工程之一。1 2 N a O H 俗称烧碱,其电解生产的原理是: 2N a C I + 2 H 2
6、0 一2 N a O H + C 1 2 t + H 2 个 ( 1 1 ) 经过去除杂质和钙镁离子的纯盐水进入电解槽后通以4 1 3 5 K A 强电流,在 阳极室得到烧碱( N a O H ) 并l l 氯气,阴极室得到氢气。 实际的生产过程是较复杂的,例如,阳极通入的二次盐水的P H 值应小于3 , 阳根离子的数量不可过多、纯水的加入量、以及阳极液的部分循环利用量均有要 求,这些主要是出于对离子膜的保护考虑。生产现场的氯气等危害性也很高。 控制目标:安全生产的前提下,得到3 2 浓度的N a O H 上海大学硕士学位论文 1 3 课题研究现状 1 ) D C S 发展现状,发展方向及在我
7、国的应用 D C S ( D i s t r i b u t e dC o n t r o lS y s t e m ) 即集散控制系统或分布式控制系统,融合 了计算机技术、控制技术、通讯技术和图形显示技术于一体,对生产过程进行分 散控制和集中监视、操作、管理。1 3 1 第一阶段是7 0 年代中期:此阶段是D C S 的基本形成阶段。霍尼韦尔公司1 9 7 5 年首次推出的T D C 2 0 0 0 分散型控制系统是一个多微处理器的分级控制系统,实 现了控制系统的功能分散、负荷分散,从而危险也分散,克服了集中型计算机控 制系统危险集中的致命弱点。此后几年问,世界各国也相继推出了自己的第一代
8、分散型控制系统。 第二阶段是8 0 年代初中期:这是D C S 基本控制功能不断完善的时期,也是D C S 得到推广和认同的阶段。 第三阶段是9 0 年代至今:这时系统在原有的过程监控的基础上,引入很多的管 理信息,使其成为过程自动化和管理自动化相结合的综合自动化系统。 2 ) D C S 发展趋势 ( 1 ) 体系上朝着综合化、开放化发展:主要是在通信方面,通信及其接口标 准化,可以使得控制系统无缝的和其它国家,厂商的系统进行对接,完成信息的 共享。预计综合信息管理层还会向高层发展,它将以企业网的形式加入到区域计 算机网或远程计算机网中。控制自动化正都在向着企业全方位解决方案发 展,也就是说
9、将生产的管理和企业经营的管理结合起来,管控一体化。 ( 2 ) 技术方面:越来越先进的主机或通讯设备会越来越多的应用到D C S 中,实 现各种复杂控制策略和先进控制,将反馈控制、顺序控制和批量控制、人工智能 控制、生产管理等方面集成到控制系统中来。 我国开始使用D C S 在上世纪7 0 年代末8 0 年代初,1 9 8 5 年后进入推广应用 阶段。D C S 控制系统的应用,把我国过程控制推向一个新的水平,取得了显著 的经济效益,其发展前景是十分广阔的。 3 ) 先进控制技术在D C S 中应用现状 在过程控制领域,从上世纪4 0 年代开始至今,主流是采用P I D 控制规律的 单输入、单
10、输出简单反馈控制回路方法,是以经典控制理论为基础的。目前,P I D 2 L 海大学硕士学位论文 控制仍广泛应用在各类过程生产中,在当前的D C S 中也占到了9 0 的成分。从 5 0 年代开始,逐渐发展了串级、比值等复杂控制系统,较好满足了生产过程的 需求。从理论上看,串级、比值等仍属于经典控制理论范畴。 自5 0 年代末发展起来的以状态空间为主体的现代控制理论,为过程控制带 来了状态反馈、输出反馈、解耦控制、自适应控制等一系列多变量控制系统设计 方法;对于状态不能直接测量的情况,也可以采用估计器和观测器等工具。但是, 多数过程内在机理复杂,还难以完全从机理上揭示其内在规律。而且很多过程参
11、 数随着时间的变化而变化。这些都给建立数学模型带来很大的困难。所以,当现 代控制理论真正应用于工业生产过程时,遇到了很大的困难。此外,现代控制理 论对数学基础要求很高,限制了很多过程控制领域的技术人员对其进行研究。为 了克服控制理论和实际工业应用之间的脱节现象,需要尽快地将现代控制理论移 植到过程控制领域。世界各国在加强建模理论、辩识技术、先进过程控制等方面 进行了大量的工作。寻求对模型要求不高,在线计算方便,对过程和环境的不确 定性有一定适应能力的控制策略和方法。如预测控制、自适应控制、鲁棒控制、 智能控制( 专家控制、模糊控制、神经网络控制) 等先进控制系统。 预计综合信息管理层还会向高层
12、发展,它将以企业网的形式加入到区域计算 机网或远程计算机网中。控制自动化正都在向着企业全方位解决方案发展,也就 是说将生产的管理和企业经营的管理结合起来,管控一体化。 1 4 课题研究的内容及意义 本课题以江苏泰州梅兰化工集团1 0 万吨年离子膜烧碱项目和山东潍坊亚星 化学6 万吨年离子膜烧碱项目为背景,在此基础上对D C S 控制系统进行了深入 分析。 1 ) 根据工艺要求结合当前D C S 发展的现状,设计了完善的离子膜烧碱D C S 控制系统。 2 ) 对当前过程控制中的工业通信网络和安全技术等关键技术进行了研究。 其中对P r o f i b u s 总线和工业以太网的工作机理进行了分
13、析,重点探讨了工业以太 网所遇到的实时性和网络管理问题及其解决方法,预测了以后D C S 的通信网络 发展趋势。并对D C S 设计中容易忽略的接地、面板技术和新涌现出来的冗余及 3 上海大学硕士学位论文 其管理问题进行了研究和实现。 3 ) 根据需要对氯氢压差模糊P I D 控制进行了可行性研究,进行了理论准备 和M a t l a b 仿真实验,并对其在实际控制中应用的方式进行了研究,为在亚星化 学的扩建项目中应用进行准备。将电解槽内离子膜两侧氯氢压差作为控制对象, 建立基于模糊P I D 的氯氢压差控制的控制逻辑与算法,在M a t l a b S i m u l i n k 环境 下运
14、行仿真。 4 ) 分析了D C S 组态软件的几种接口技术,在此基础上研究了模糊控制在其 中实现的几种方式,并对以动态链接库方式实现进行了实践。 本项目为离子膜烧碱的全自动化过程控制项目。国内很多化工厂都采用离子 膜法生产烧碱,但只有少数的化工厂率先实现了过程集成自动化控制。也就是说 在对离子膜进行全自动化过程控制方面,国内只有几家公司有过控制经验。本项 目为西门子公司承接的第二个离子膜项目,工艺由意大利伍德诺拉公司提供。 模糊P I D 控制在生产中的应用也越来越广泛,但据查所知对该生产过程进行模 糊P I D 控制及仿真实验国内还少有。因此我们在M a t l a b 下进行生产现场仿真调
15、 试,再利用W i n C C 可以嵌入脚本程序,编写一个动态连接库软件在其中调用, 从而更好的为我国氯碱行业实现全面自动化控制进行研究。 4 土海大学嫒士学垃跫文 第二章离子膜法制作烧碱的D C S 控制系统设计 随着国内含氯产品,如聚氯乙烯、P V C 、氯纺等生产的迅速增长,为了满足 生产所需的氯,近年来国内掀起了一轮扩建、新建氯碱项目的高潮。也就是说很 多工厂建设裹予膜烧躐顼霹主要是为了褥疑镑产品氯气。该生产过程楚整令纯工 产业链上的基础第一环。离子膜法为较先进的生产工艺,可显著降低电能耗,产 晶纯度高、污染小、无公害、更符合环保臻求,是世界错国首选的制碱工艺,被 戮寡劐为化工镁域七丈
16、重点壤广工程之一。澍瓣褰子貘露l 碱法工艺笺杂,对控裁 系统的要求商。 2 。1 生产工艺及工段控制 4 1 离子膜制碱技术的原理是: 2 N a C I + 2 H 2 0 一2 N a O H + C 1 2 于+ H 2 t ( 2 1 ) 经过去除杂餍鞠钙镁离子豹绝箍东进入窀解稽后通殴4 。1 3 5 K A 强泡滚,在阳蔽 整得到烧碱( N a O H ) 和氯气,阴极室得到氯气。 戳圈:电解檬现场 圈2 - I 离子膜辘碱工艺翻 整个生产过程由麓水过滤、盐水精制、整流、电解、阴极液循环、淡盐水( 芦匿 极液) 脱氯、氯氮气压缩7 个工段组成: 1 ) 签东过滤;先涛粗盐溶髂褥到盐水
17、,露去豫盐水中懿污泥和颞救炊杂质。流 程为:化盐一反应一澄清一砂滤。该工段只有一些状态点需要监视。 5 上海大学硕士学位论文 2 ) 盐水精制:包括一次精制和二次精制两个工段。 一次精制:除去盐水中残留的固体悬浮物使其小于l p p m 。固体杂质包括: M g ( O H ) 2 、C a C 0 3 、C a S 0 4 、S r C 0 3 、A I ( O H ) 3 。 二次精制:精盐水含钙镁离子约5 - 1 0 p p m 。这些杂质需去除到浓度低于2 0 p p b , 以便盐水符合离子膜电解槽的要求。 该工段的控制重点是离子交换树脂塔的顺序控制,由一个s 7 3 0 0 P L
18、 C 控制 系统来实现。精制按”l e a d l a g ”( 转圈式) 布置在串联的两个离子交换柱中进行。交 换柱中装满T P 2 0 8 或与其等同的替合阳离子交换树脂,对钙、镁、锶等阳离子 有很好的选择性。两台离子交换树脂塔,在经过7 2 小时运行后,里面的树脂过 滤能力下降,需要进行再生才能恢复功能。两台轮流进行生产,当其中一台再生 时由另一台负责生产。 顺控的执行步骤:嘲 ( 1 1 隔离出需要进行再生的那 台离子交换树脂塔 ( 2 ) 盐水置换 ( 3 ) 反洗( 此步为可选) ( 4 ) 再生( 使用H C L ) ( 5 ) 酸洗 ( 6 ) N a O H 洗 ( 7 )
19、碱洗 ( 8 ) 水置换 ( 9 ) 再生结束,将此台交换塔投 入生产准备状态 图2 - 2 离子交换塔顺控步骤 3 】整流工序:该工序给电解提供电源,包含整流单元和极化整流单元两部分。整流器从 变电所接受1 0 K V 高压,将其转换成低电压高电流( 正常生产一般限制在5 V ,1 3 5 K A ) 。 整流器负责提供正常生产时所需的低电压大电流。极化整流器负责提供低电压电流,在 开车和停车阶段接替整流器用来保护电解槽的极性。所有的整流器都是由第三方提供的, 梅兰为九江整流器厂提供,亚星为德国阿尔斯通提供。 6 上海大学碗圭攀经论文 整流器控制:根据进入电解槽阳极液和阴极液的总流量来邋入不
20、同大小的电流。4 1 3 。5 K A 范豳内均可生产,但一般为1 3 5 K A 为满负祷生产,此时的电勰效率最麓。整流幽P L C 系统进行控制著与D C S 进幸亍通讯,接受D C S 的设定。 4 ) 电解工序:电解时阳极液和阴极液以及加酸量( 进入电解槽的盐水需要控制P H 德) 的 流鬃测量控割,嘏据电滚计算绒水豹搬入量,电鼹援电压瓣蕊视。氯氢憨管压差的控到。 5 ) 阳极液脱氯:电解后的阳辍液( 淡盐水) 中含有溶解的氯气和游离氮,需经过聪蕊后 才埘以再次使用躐进行下步处瑷。 6 ) 溺投滚循环:在开车兹豹系绞预热殓段署g 魄解生产时,定浓度和激发的弱圾液对生 产岗碱的质量和骥的
21、寿命有穰大的影响。函此,从电解耩出来的一部分阴极液浓度和温 度需进行控制并将其循环到电解槽中。( 注:新系统在第一次开车前需从外面买入一定浓 度瓣烧碱来循环) 。送入电熬攮锤环搜曩豹翻极渡涅度需要控溯窝流量进雩亍控铡。嗣耩重, 需癸根据阴极液的温度和密度融及流量计算出烧碱产量并纳入生产管濮数据库。髋氯的 过程需要进行串缀控制。 2 2 离子膜烧碱D C S 控铡系统设计方案概述 通过分析工艺对过程控制的要求,并考虑当前自动控制技术的发展及企业管 理翡蒿要,裁定了总体设诗方案,凌定采瘸嚣门子公司翡P C S 7 ( P r o c e s sC o n t r o l S y s t e m7
22、) 过程控制系统作为全厂的自动监控系统。P C S 7 是一种模块化的、基 于现场总线的过程控制系统,它结合了传统D C S 和P L C 的优点及功熊。系统的 繇有矮l 孛都基予统一的硬释平台:赝有款 誓也都集藏在S I M A T I C 程侉管理器 下,具有同一的软件平台;在网络配置上使用标准的工业以太网和P r o f i b u s 现场 总线。由于P C S 7 消除了D C S 和P L C 的界限,真正实现了仪表控制和电气控制 的一铬仡,健系统应用范蠢雯广。它是一静遥鼯予瑗在,瑟岛未来静开羧壅瑶场 总线过程控制系统。现场控制站采用1 台翻门子s 74 0 0 系列的C P U4
23、 1 7 。4H , 具有很强的计算功能和容错憾。有灵活的模块化结构和高度的性能裕懋,是一个 弼予翻造工监和过程工业系统编决方寨酶舞动纯平台。【6 7 7 l 2 2 1 基本硬件配置 嫒转藏况:搀兰离子貘烧辍塞魂控制系绞由疆场控铡蛄( A S 繇控到器) 、操 謦棼 ( O S ) 、工程师工作站( E S ) 、和冗余服务器( R S ) 缎成。 7 上海大学硕士学位论文 本项目中使用一套A S 4 1 7 4 H 系统,过程I O 点为2 0 0 0 点,2 台冗余服务器, 6 台操作员站,l 台工程师站,4 0 个E T 2 0 0 M 。二次盐水部分由两套S 7 3 0 0P L C
24、 控制,通过P r o f i b u s D P 连入D C S 。 1 ) 现场控制站包括1 件西门子S 7 4 0 0 系列的C P U 4 1 7 4 H 。其在稳定、可 靠和故障率低的基础上,将先进控制思想、现代通讯技术和I T 技术的最新发展 集于一身,在C P U 运算速度、程序执行效率、故障自诊断、联网通讯、面向工 艺和运动控制的功能集成以及实现故障安全的容错与冗余。 2 ) 工程师站负责对整个系统的硬件及软件组态,必要时也可以当作操作员 工作站使用。 3 ) 操作员工作站是系统监控操作的人一机界面,它负责各个画面的显示、 数据的显示及设定、马达分组起停、趋势曲线、报警显示及操
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