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案例頻道1. 糠醛裝置加熱爐工藝簡介
糠醛裝置于1989年建成投產(chǎn)，采用了國內(nèi)外先進(jìn)的工藝技術(shù)，但隨著裝置的長周期開煉，裝置能耗、物耗逐年降低，收率、裝置負(fù)荷率逐年上升。裝置共有加熱爐兩具，主要為溶劑回收系統(tǒng)提供熱源。
1.1 爐-1為精制液加熱爐，介質(zhì)是由萃取塔頂部經(jīng)換熱器去爐-1加熱到215～
1.2 爐-2為抽出液加熱爐，是一、二段萃取塔底的抽出液合流經(jīng)過換熱器一效蒸發(fā)、二效蒸發(fā)之后，從二效蒸發(fā)塔底抽出進(jìn)入加熱爐，加熱至220～
1.3 爐-1、爐-2的溫度控制是裝置的重要控制回路。爐-1出口溫度控制為單回路控制，爐-2出口溫度控制為爐膛與爐出口溫度串級調(diào)節(jié)。
1.4 在廠內(nèi)的瓦斯管網(wǎng)中，糠醛裝置為最下游，一旦瓦斯壓力波動受到干擾最大的就是這兩臺加熱爐的瓦斯壓力，最終將導(dǎo)致爐膛、爐出口溫度的波動。而且，當(dāng)重整裝置產(chǎn)生的氫氣操作不穩(wěn)定，氫氣進(jìn)入瓦斯系統(tǒng)是，也將會引起瓦斯的熱值的變化，導(dǎo)致爐膛、爐出口溫度的波動。
2. 糠醛裝置面臨的主要問題
2.1 爐管結(jié)焦。由于爐管局部長期過熱，爐膛溫度高，爐出口溫度長期超溫，進(jìn)料少或長時間不進(jìn)料，以及進(jìn)料量不穩(wěn)等種種原因，導(dǎo)致爐管結(jié)焦嚴(yán)重。
2.2 爐出口溫度波動大。裝置的兩臺加熱爐的燃料大部分情況下是瓦斯，有時也會燒渣油。來自于總廠高壓瓦斯系統(tǒng)的瓦斯組成和壓力發(fā)生較大波動時，加熱爐的入爐瓦斯壓力也隨之波動，從而導(dǎo)致爐膛溫度的波動，最終導(dǎo)致出口溫度的波動。
2.3 油品變化。糠醛裝置對于加工原料的不同所生產(chǎn)的產(chǎn)品也不同，提降量頻繁，油品切換等等，都將引起爐膛和爐出口溫度的較大波動。
3. 裝置加熱爐控制系統(tǒng)的改造
針對糠醛裝置現(xiàn)狀和存在的問題，于2004年對糠醛裝置加熱爐爐溫自動控制系統(tǒng)提出改造。考慮到系統(tǒng)的精度、采樣周期、故障率和安全性等各項(xiàng)控制指標(biāo)，達(dá)到改善加熱爐控制的目的，順應(yīng)國際發(fā)展潮流和國內(nèi)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)行業(yè)發(fā)展的技術(shù)路線，決定選用無模型控制系統(tǒng)NMCS-6000。NMCS-6000控制器采用的硬件是研華的ADAM5511控制器，安裝MS WINDOWS2000操作系統(tǒng)；人機(jī)接口軟件采用亞控科技公司的“組態(tài)王”V6.5。
4. 無模型控制系統(tǒng)的特點(diǎn)
從50年代末以來，在時滯控制方面先后出現(xiàn)了基于模型的方法和無模型方法兩類，無模控制方法有模糊Smith、自適應(yīng)模糊、模糊PID、模糊自整定、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)估法、專家控制等。無模型控制系統(tǒng)NMCS-6000 DCS正是具有這種控制算法的DCS，具有非常好的魯棒性、自適應(yīng)性。其主要特點(diǎn)是：
4.1 調(diào)節(jié)迅速
無模型控制系統(tǒng)與常規(guī)控制系統(tǒng)的不同就是它的作用強(qiáng)，控制力度大，可以避免被控對象因波動慣性而出現(xiàn)大的偏差，保證受控對象保持在指標(biāo)范圍內(nèi)。
4.2 超前調(diào)節(jié)
無模型控制系統(tǒng)基于有效的預(yù)估算法，從而很有效地解決可控制系統(tǒng)的滯后性。尤其對爐溫控制回路的效果極其明顯。
4.3 綜合解決
無模型控制系統(tǒng)的另一大特點(diǎn)就是控制模型可大可小，不論是針對單個回路，還是將溫度、壓力、流量和液位都引入，無模型控制系統(tǒng)都將全面、有效地完成其控制。
5 系統(tǒng)簡介
5.1 系統(tǒng)配置
由于裝置使用上海福克斯波羅公司的SPEC-200電子組裝式儀表，整個控制系統(tǒng)的信號并不全是4～20mADC標(biāo)準(zhǔn)信號，溫度信號是非標(biāo)準(zhǔn)的毫伏信號，機(jī)柜內(nèi)卡件與卡件、卡件與盤裝控制儀表、顯示儀表之間的信號傳遞是0～10VDC信號。因此，考慮如下配置，直接將無模型控制系統(tǒng)的控制回路聯(lián)接在原控制系統(tǒng)的輸出回路上進(jìn)行切換。
5.2
本系統(tǒng)的硬件分為三部分：控制器、上位監(jiān)控機(jī)及輸出信號切換開關(guān)。
其中上位機(jī)放在主控室的操作臺上，由UPS供電，電源與主操作臺共地。
三個控制器及通訊器安裝在無模型機(jī)柜內(nèi)部，輸出切換開關(guān)在機(jī)柜正面。每個控制器都有一個CPU卡，還可在機(jī)板上安裝4個卡件。本系統(tǒng)有AI 和AO卡件，ADAM5017是8點(diǎn)AI卡件，每個控制器上一個，接受0-10V電壓信號；ADAM5024是4點(diǎn)AO卡件，每個控制器上一個，輸出0-10V電壓信號。
5.3 數(shù)據(jù)通訊
上位機(jī)是研華610H工控機(jī)，安裝MS WINDOWS 2000操作系統(tǒng)。它與ADAM5511控制器之間采用RS232串行通訊。
三個ADAM5511控制器之間用RS485連接，再由ADAM4520 RS485/232轉(zhuǎn)換器與上位機(jī)連接。
人機(jī)接口軟件是亞控科技公司的“組態(tài)王”V6.5。它有簡單易用的制圖工具，功能完善的工程管理，響應(yīng)迅速的運(yùn)行環(huán)境。還有過程報(bào)警、歷史記錄、報(bào)表、聯(lián)網(wǎng)等功能。
由此可見，無論硬件軟件都是相互獨(dú)立的產(chǎn)品，它們之間的接口都是開放的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。
5.4 NMCS6000系統(tǒng)的硬件由三個控制器、上位機(jī)、輸出切換開關(guān)及相應(yīng)的附件組成。
通訊接口示意圖
6 軟件設(shè)計(jì)
無模型控制器的上位機(jī)軟件采用的是北京亞控公司的組態(tài)王軟件V6.5。
6.1 組態(tài)王系統(tǒng)要求
硬件：奔騰PⅢ500以上IBM PC或兼容機(jī)
內(nèi)存：最少64MB，推薦128MB
顯示器：VGA、SVGA或支持桌面操作系統(tǒng)的任何圖形適配器。要求最少顯示256色
鼠標(biāo)：任何PC兼容鼠標(biāo)
通訊：RS
并行口：用于插入組態(tài)王加密鎖
操作系統(tǒng)：Win2000/WinNT4.0（補(bǔ)丁6）/Win XP簡體中文版
6.2 組態(tài)王程序組成員
組態(tài)王程序組中包括三個文件夾和四個文件的快捷方式，內(nèi)容如下：
組態(tài)王6.5：組態(tài)王工程管理器程序（ProjManager）的快捷方式，用于新建工程、工程管理等；
工程瀏覽器：組態(tài)王單個工程管理程序的快捷方式，內(nèi)嵌組態(tài)王畫面開發(fā)系統(tǒng)（TouchExplorer），即組態(tài)王開發(fā)系統(tǒng)；
運(yùn)行系統(tǒng)：組態(tài)王運(yùn)行系統(tǒng)程序（TouchVew）的快捷方式。
信息窗口：組態(tài)王信息窗口程序（TouchVew）運(yùn)行環(huán)境中才能運(yùn)行；
幫助：組態(tài)王幫助文檔的快捷方式；
電子手冊：組態(tài)王用戶手冊電子文檔的快捷方式。
6.3 定義IO設(shè)備
組態(tài)王把那些需要與之交換數(shù)據(jù)的設(shè)備或程序都作為外部設(shè)備。外部設(shè)備包括：下位機(jī)（PLC、儀表、模塊、板卡、變頻器等），它們一般通過串行口和上位機(jī)交換數(shù)據(jù)；其他Windows應(yīng)用程序，它們之間一般通過DDE交換數(shù)據(jù)；外部設(shè)備包括網(wǎng)絡(luò)上的其他計(jì)算機(jī)。
本項(xiàng)目中使用MODBUS RTU和組態(tài)王通信。MODBUS RTU可以為組態(tài)王提供數(shù)據(jù)。MODBUS RTU連接在計(jì)算機(jī)的COM1口。
定義IO設(shè)備
選擇工程瀏覽器左側(cè)大綱項(xiàng)“設(shè)備\COM1”，在工程瀏覽器右側(cè)用鼠標(biāo)左鍵雙擊“新建”圖標(biāo)，運(yùn)行“設(shè)備配置向?qū)А薄?/SPAN>
選擇“仿真PLC”的“串行”項(xiàng)，單擊“下一步”，彈出“設(shè)備配置向?qū)А薄?/SPAN>
為外部設(shè)備取一個名稱，單擊“下一步”，彈出“設(shè)備配置向?qū)А薄?/SPAN>
為設(shè)備選擇連接串口COM1，單擊“下一步”，彈出“設(shè)備配置向?qū)А薄?/SPAN>
填寫設(shè)備地址，單擊“下一步”，彈出“設(shè)備配置向?qū)А薄?/SPAN>
設(shè)置通信故障恢復(fù)參數(shù)（一般情況下使用系統(tǒng)默認(rèn)設(shè)置即可），單擊“下一步”，彈出“設(shè)備配置向?qū)А薄?/SPAN>
檢查各項(xiàng)設(shè)置是否正確，確認(rèn)無誤后，單擊“完成”。
設(shè)備定義完成后，可以在工程瀏覽器的右側(cè)看到新建的外部設(shè)備。在定義數(shù)據(jù)庫變量時，只要把IO變量連結(jié)到這臺設(shè)備上，它就可以和組態(tài)王交換數(shù)據(jù)了。
6.4 構(gòu)造數(shù)據(jù)庫
數(shù)據(jù)庫是“組態(tài)王”軟件的核心部分，工業(yè)現(xiàn)場的生產(chǎn)狀況要以動畫的形式反映在屏幕上，操作者在計(jì)算機(jī)前發(fā)布指令送達(dá)生產(chǎn)現(xiàn)場。變量在畫面制作系統(tǒng)組態(tài)王畫面開發(fā)系統(tǒng)中定義，數(shù)據(jù)庫中變量的集合形象地稱為“數(shù)據(jù)詞典”，數(shù)據(jù)詞典記錄了所有用戶可使用的數(shù)據(jù)變量的詳細(xì)信息。數(shù)據(jù)庫是聯(lián)系上位機(jī)和下位機(jī)的橋梁，所有一切都是以實(shí)時數(shù)據(jù)庫為中介環(huán)節(jié)。
6.5 建立動畫連接
定義動畫連接是指在畫面的圖形對象與數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)變量之間建立一種關(guān)系，當(dāng)變量的值改變時，在畫面上是以圖形對象的動畫效果表示出來；或者由維護(hù)工程師通過圖形對象改變數(shù)據(jù)變量的值。
“組態(tài)王”提供21種動畫連接方式：
屬性變化 線屬性變化、填充屬性變化、文本色變化
位置與大小 填充、縮放、旋轉(zhuǎn)、水平移動、垂直移動
值輸出 模擬值輸出、離散值輸出、字符串輸出
值輸入 模擬值輸入、離散值輸入、字符串輸入
特殊 閃爍、隱含
滑動桿輸入 水平、垂直
命令語言 按下時、彈起時、按住時
6.6 系統(tǒng)配置
6.6.1 配置\運(yùn)行系統(tǒng)
此菜單命令是用于對運(yùn)行系統(tǒng)外觀、定義運(yùn)行系統(tǒng)基準(zhǔn)頻率、設(shè)定運(yùn)行系統(tǒng)啟動時自動打開的主畫面。
6.6.2 配置\報(bào)警配置
此菜單命令用于將報(bào)警和事件信息輸出到文件、數(shù)據(jù)庫和打印機(jī)中配置。
6.6.3 配置\歷史數(shù)據(jù)記錄
此菜單命令是用語對歷史數(shù)據(jù)記錄文件保存路徑和其它參數(shù)（如數(shù)據(jù)文件記錄時樹、記錄起始時刻、數(shù)據(jù)保存天數(shù)）進(jìn)行配置。
6.6.4 配置\用戶配置
此菜單命令用于建立組態(tài)王用戶、用戶組，以及安全區(qū)配置。
6.7 糠醛裝置UCS控制系統(tǒng)
UCS為簡單模型復(fù)雜算法控制系統(tǒng)的縮寫（Uncomplicated Control System）。
6.7.1 UMCA控制器參數(shù)說明，改進(jìn)PID算法參數(shù)
6.7.1.1 UMCA為簡單模型復(fù)雜控制算法的縮寫（Uncomplicated Model Complicated Control Algorithm）。
6.7.1.2 K0：反向區(qū)間（或反調(diào)區(qū)間）系數(shù) 這個參數(shù)就是我們常說的反調(diào)區(qū)間，我們說PID算式的不足之一是積分。積分在生產(chǎn)過程中的作用是百害而無一益，也就是說它除了有消除偏差的作用再也沒有其它用處，而反調(diào)區(qū)間恰恰給這個積分作用加以改善，在這個區(qū)間內(nèi)，也就是Ⅱ、Ⅳ區(qū)我們把該積分算式改變符號使之稱為反調(diào)，從而保證了偏差在可能的范圍內(nèi)盡量的小。
6.7.1.3 K1：智能權(quán)函數(shù)的系數(shù) 智能權(quán)函數(shù)具體的數(shù)學(xué)公式不能評出來，但該算式涉及到的變量可以表示出來。
en：偏差；△en：偏差的變化量
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號