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标题

化工过程装备控制实验平台的开发和实践

范文

王丽飞章大海张兰赵东亚孙亮

摘 ?????要：针对目前过程装备与控制工程专业的化工装备测控技术课程实验教学中存在的实验对象简单、与工程实际差距较大等问题，设计开发了化工过程装备控制实验平台。以两种原料混合反应为研究对象，包含了储液罐、换热器、调节阀、仪表等工业过程常见设备，控制系统采用集散控制系统（DCS）。该平台贴近工业现场实际，可进行大量的仪表、控制相关的实验，经过教学实践表明，该平台对强化学生对过程控制的理解，提高实验教学质量，培养集设备、控制、工艺知识为一体的复合型应用型人才具有意义。

关 ?键 ?词：化工过程装备;过程控制;实验平台;DCS

中图分类号：TP 273 ?????文献标识码：?A ??????文章编号： 1671-0460（2019）11-2663-04

Development and Practice of the Chemical Process

Equipment??and Control Experiment Platform

WANG Li-fei， ZHANG Da-hai， ZHNAG Lan， ZHAO Dong-ya， SUN Liang

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

Abstract： The experiment objects are simple and quite different from the real industry in the teaching of measurement and control technology of chemical equipment. Chemical process equipment and control experiment platform was designed and developed to solve the above problems. The platform takes mixed reaction of two kinds of raw materials as the research object， including tanks， heat exchanger， electric control valve， instruments and other equipments in the industrial process. The distributed control system （DCS） is used in the platform. The platform is close to the real industry. Many experiments about instrument and control can be supported. The teaching practice shows that the platform has great significance in strengthening students' understanding of process control， improving the quality of experimental teaching， and cultivating compound application-oriented talents integrating equipment， control and process.

Key words： Chemical process equipment; Experimental platform; Process control; DCS

化工裝备测控技术是过程装备与控制工程专业的一门重要的专业基础课，这是一门实践性很强的课程，实验教学环节对于理解和巩固课堂理论知识，培养学生的创新精神和实践能力具有非常重要的作用[1-4]。目前我校用于实验教学的过程装备控制实验装置，以水槽为研究对象，其对象特性过于简单，与实际生产装置相比差异很大。每个实验都是独立的简单控制，缺乏系统的工业流程化概念，从电气、仪表、控制系统等多方面都与工业真实环境相差较大，使学生对化工装备过程控制的认识仅仅是停留在表面，实验装置只能满足验证型、认知型实验的要求，达不到教育部提出的设计型、综合型实验的要求，导致实验教学的效果不佳[5-7]。

针对上述问题，中国石油大学（华东）化工实验教学中心以两种原料混合反应过程为实验对象，设计开发了一套与贴近工业现场、功能完善的化工过程装备控制实验平台，在工艺上模拟流程化工厂，被控对象包含了储液罐、换热器、调节阀、仪表等工业过程常见设备，设计配置了基于工业标准的电气、仪表、计算机控制系统。该平台可用于开展多种仪表、控制相关的实验研究，并且成功应用于我校过程装备与控制工程专业的实验教学，经过两年来的教学实践表明，该平台对强化学生对过程控制的理解，提高实验教学质量，培养集设备、控制、工艺知识为一体具有意义。

1 ?实验平台总体设计

1.1 ?实验工艺流程

本文设计开发的化工过程装备控制实验平台以两种物料混合过程为实验对象，实验的工艺流程为：首先两种原料严格按照一定比例进入混合罐A和混合罐B，混合好后流入半成品罐，然后进入换热器，半成品与经锅炉加热的水在换热器中进行热交换，升温后的半成品进入反应罐，在反应罐内一定的反应条件下，进行反应（图1）。

1.2 ?实验装置

化工过程装备控制实验平台采用控制对象与控制系统分离设计，可以根据需要自主选择各种先进控制技术应用于实验装置[8]。将整个系统按照工艺流程分为原料混合系统、换热系统和反应系统，实验装置由被控对象、检测仪表、执行机构、动力设备和辅助系统等组成，如图2所示。

1.2.1 ?原料混合系统

（1）被控对象：原料罐，混合罐A，混合罐B，半成品罐;

（2）动力设备：1#变频水泵，2#变频水泵;

检测仪表：原料A.B管路上的涡轮流量计，压力变送器，混合罐A、B的液位变送器，半成品罐的液位变送器;

（3）执行机构：原料B管路上的电动调节阀，和分别为A、B原料提供动力的1#、2#变频泵。

1.2.2 ?换热和反应系统

（1）被控对象：加热锅炉，补水罐（右组合罐），列管换热器，反应罐;

（2）动力设备：3#变频水泵，4#变频水泵;

（3）检测仪表：半成品的流量检测，采用浮子流量计，半成品进出换热器的温度采用温度变送器进行检测，锅炉热水的流量采用差压变送器，锅炉内温度和出换热器热水温度采用温度变送器，锅炉的液位传感器;

（4）执行机构：输送半成品的3#变频泵，输送热水的4#变频泵，反应罐出口的电动调节阀，锅炉的调压模块。

1.2.3 ?辅助系统

电磁阀，原料罐，管路等。

1.3 ?实验平台的控制要求

1.3.1 ?实现对工艺参数的回路控制

原料混合系统中，原料的混合要严格按照一定的比例，本系统中采用单闭环流量比值控制，通过原料B管路上的电动调节阀进行调节。

换热系统中，换热器的主要被控变量是半成品出换热器的温度，通过调节被加热的半成品的流量来实现对温度的PID控制，也就是通过3#半成品变频泵来实现调节。另外锅炉内热水的温度通过调压模块进行调节。

反应系统中，要求在规定的温度和液位下进行反应，温度的控制通过半成品在换热器的出口温度进行控制，液位通过反应罐的出口电动调节阀实现调节。

在实验平台上既可以按照上述控制要求对各部分主要参数进行控制，实现整体的联机运行，最后获得成品。也可以按照工艺流程分段单独控制，根据不同的控制要求选择不同的被控变量，采用不同的控制方案进行独立的实验。

1.3.2 ?实现对工艺过程的监控

对整个工艺过程的监控包括对工艺参数的数据显示、设备的运行状态的显示、实时曲线和历史曲线的绘制、历史数据查询、报警信息等。

1.3.3 ?实现设备的启停和安全联锁保护

实现对原料、半成品、热水进行输送的四个变频泵的启停控制。同时，为保护设备的安全运行，按照工业生产实际，实现混合罐液位与进水泵的联锁、半成品罐与3#输送泵的联锁，锅炉液位与进水泵的联锁，锅炉温度与加热电压模块的连锁等。

2 ?控制系统设计

本实验平台的控制系统选用浙大中控JX-300XP集散控制系统，该系统是一个全数字化、结构灵活、功能完善的开放式集散控制系统，利用DCS强大的控制管理能力完成对现场工艺设备相关参数的采集、处理、显示及控制[9]。

2.1 ?网络结构设计

JX-300XP DCS由工程师站（ES）、操作员站（os）、控制站（cs）及過程控制网络组成。本系统采用两层通讯网络结构，如图3所示第一层为过程控制网（Scnet II），连接操作员站，工程师站与控制站等，传输实时信息。第二层网络为控制站内部网络（SBUS），是控制站各卡件之间进行信息交换的通道[10-12]。

2.2 ?系统硬件设计

根据实验平台的工艺和功能需求，本系统设计为1个现场控制站、5个操作员站（其中1个兼工程师站）。系统共有模拟量输入（AI）36个，模拟量输出（AO）16个，数字量输入（DI）8个，数字量输出（DO）32个。考虑到系统的冗余配置，系统的硬件配置如表1。

2.3 ?系统软件实现

本系统使用AdvanTrol-Pro 2.7系统组态软件完成整个实验系统的组态、数据服务和实时监控功能。软件包分为两大部分，一部分为以sckey为核心的系统组态软件，另一部分为系统运行监控软件（AdvanTrol）[13，14]，主要完成以下功能：

（1）实现流量、液位、压力、温度等工艺参数的采集、实时监控和控制;

（2）据工艺要求设计单回路、比值、前馈反馈、串级控制等控制方案等;

（3）实现设备的连锁保护;

（4）监控界面的工艺流程图采用了分层结构，既可以在总貌图中进行整个工艺流程的联机运行，也可以单独对混合装置、反应装置、加热装置分别进行实验，选择不同的控制方案进入相应的组态画面。

（5）在监控状态下可在线设置控制参数的大小，获得控制系统的实时响应曲线。实现工艺参数的趋势显示，历史数据和历史曲线的查询;

（6）报警信号的实时显示与记录;

（7）工艺参数的报表生成、打印。

实验平台的组态画面如图4所示。

3 ?实验教学平台应用效果

实验平台既可以按照整个工艺流程进行联机控制实验，也可以单独对混合装置、反应装置、加热装置分别进行实验[15]。我们开发设计了十个独立的实验，包括原料混合系统的流量比值控制实验、流量变频器实验、压力变频器实验、液位调节阀实验;反应系统的液位变频器实验、前馈反馈实验、串级控制实验;反应系统的换热冷出实验，锅炉温度PID实验、热水流量变频器实验。比如在反应工艺流程中的反应罐液位PID控制实验，在教学中是3个学时，要求学生掌握工艺流程、实验装置操作方法和PID参数的整定方法。实验界面如图5，采用衰减曲线法进行参数整定后，液位的响应曲线如图6所示。实验结果表明该系统能够很好的实现控制要求。

4 ?结束语

化工过程装备实验平台以物料混合过程为实验对象，采用DCS控制系统进行软硬件设计，对液位、流量、温度、压力等过程参数进行检测和控制，实现整个工艺流程的实时监测和自动控制。该平台为过程控制、检测仪表等课程提供了良好的教学、实验环境，使学生对现场的实际操作有了更加直观的认识，为学生工程实践能力和创新能力的提高奠定基础。

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