化工精馏塔的PLC温度控制系统设计

化工精馏塔是化工过程装置的核心组成部分， 而对于精馏塔控制来说温度的控制是重中之重， 温度的剧烈变化会导致分离组分纯度降低， 对精馏的效率影响极大， 甚至导致精馏塔无法正常运行。 而PLC的可靠性高， 编程简单， 易于维护， 可以广泛应用于各种控制系统， 所以针对精馏过程的控制特点， 决定使用PLC来实现对精馏塔温度的实用控制。

1 系统工艺简介

精馏过程的实质是利用混合物中各组分具有不同的挥发度， 即同一温度下各组分的蒸汽分压不同， 使液相中轻组分转移到气相， 气相中的重组分转移到液相， 实现组分的分离。 塔底的控温精度对分馏的效果有最直接的影响， 塔底温度高、 塔顶温度低时， 过多的原料会以气体的形式蒸发， 当塔底的温度过低时， 会形成过多的釜残， 物料损耗大。该精馏塔是化工产品叔碳酸C10精馏塔， 从高压釜中送来的物料在塔中进行叔碳酸的轻组分和重组分的分离， 采出产品是轻组分。 系统的主要温度监测点有精馏塔塔底温度， 塔中温度， 塔顶温度， 冷凝器上口温度， 冷凝器下口温度， 导热油出口温度， 导热油入口温度等。 工艺流程如图ｌ所示。

２系统结构

该精馏塔约有35个温度点需要监测， 整个精馏塔的控制系统选用的PLC型号是S７-300， 315-2DP， I/O点数， CPU的响应时间均符合精馏控制系统要求， 可以适应较为恶劣的工作环境。 该系统中温度传感器选用Ｋ型热电偶， 其测温范围适中， 线性度较好。

精馏塔的控制系统要求具有实时监控能力， 还要具有历史数据的记录。 为了便于运行过程中数据的对比和故障后问题的分析判断， 要将相关数据形成历史趋势。 控制系统也要有较高的传输速率和刷新频率， 来确保数据库的实时性。 于是选用ＷinCC来进行上位监控画面的制作， 通过MIP方式与PLC进行通信， 实现不问断的数据传输。 图２为系统的结构图。

３控制系统的设计

由于精馏塔温度的滞后时间常数和惯性时间常数均较大，采用单独的单回路回馈控制， 容易引起系统的较大振荡， 所以实际中采用的是串级控制并且在串级控制主控制器中采用积分分离PID控制的方案。串级控制通常应用于容量滞后较大， 扰动变化激烈而且幅度大的过程， 适用于该温度控制系统。

串级控制系统可以改善过程的动态特性， 提高系统控制质量， 能迅速克服进入副回路的二次扰动， 提高了系统的工作频率， 对负荷变化的适应性较强， 对于维护系统温度的正常起到了良好的效果。

现在以塔底的温度控制为例介绍精馏塔温度的控制。 在精馏系统中塔底的温度对于产品的质量有着直接的影响， 因此将塔底的温度作为主控参数， 而入料是从高压釜中经过加工、加热而来的， 其温度、 流量与塔底的温度有着密切的联系， 因此将蒸汽调节阀门， 物料的输送管道， 物料温度、 流量作为副回路的参数。 图３为串级控制方框图。 图中： F1为压力， 流量等量的变化； F2为高压釜物料预热， 物料流量， 物料的温度等扰动。

对于该串级控制系统， 主、 副调节器所起作用各有侧重。主调节器起定值控制作用， 且主控参数（塔底温度）允许波动范围很小， 一般要求无余差， 因此采用PID调节器， 而且此时需要采用积分分离的PID算法； 副调节器起随动控制作用， 且副控参数（入料温度， 流量）的设置也是为了保证主控参数塔底温度的控制质量， 可以有一定的余差， 因此副调节器采用Ｐ调节器。

由于精馏塔温度具有较大的滞后和惯性时间常数， 故主节器采用常规的PID控制无法进行稳定的控制。 在基本PID控制中， 当有较大幅度的扰动或大幅度改变给定值时， 由于此时有较大的偏差， 以及系统有惯性和较大滞后， 故在积分项的作用下， 会产生较大的超调量和长时间的波动， 特别是对于这种变化缓慢的过程， 这一现象将更严重。 为此可以采用积分分离措施， 即偏差较大时， 取消积分作用； 当偏差较小时才将积分作用投入， 消除静态误差， 从而既保证了控制的精度又避免了振荡的产生。

组态编程时应首先从功能上来考虑， 在程序中使用２个PID功能块， 主控制器PID模块的输出是副控制PID模块的设定， 从而构成一个串级控制回路， ２个PID功能块都有自动／手动选择的功能， 还可以选择是否使用Ｐ、 Ｉ、 Ｄ控制， 以及设定这些参数的大小； 还使用了一个选择功能块ＦＢ使得串级控制具有单回路／串级控制选择的功能， 在串级状态工作时副回路使用主回路的输出为其设定值， 串级不工作时副回路的设定值可以单独给定； 考虑到现场调节装置选择要有一定的灵活性， 程序还需要有选择２个PID回路正反控制作用的功能， 靠改变PID模块增益值的正负完成； 对PID模块中的MAN一０Ｎ按钮进行设置， 可以使自动／手动状态可以无扰动切换。 将功能块连接起来， 就得到了图５所示的串级控制程序示意图。

在图５中DB4是对模拟量进行赋初值的数据块，DB7是对PID控制模块数据赋初值的数据块。 Ａ1101是进行选择功能块FB的输出， 只需要单回路控制时改变FB输出即可。 在主回路控制器中采用积分分离PID算法时， 可以使用积分作用的INT-HOLD选项， 设置积分作用的暂停， 冻结积分作用的输出， 或直接使用手动模式， 按照实际情况进行调整， 实现控制要求。

副调节器根据进料流量信号控制调节阀， 这样就可以在塔内压力波动的情况下， 仍能保持进料流量稳定。 副调节器的给定值则受主调节器输的控制， 后者根据温度改变进料流量给定值， 从而保证在发生进料方面的扰动的情况下， 仍能保持温度满足要求， 用这个方法可以非常有效地克服塔内压力波动对于温度的影响。

在塔精馏中采用的是塔底导热油加热的方式， 温度传感器传来的实际温度与设定值在PLC中进行比较， 根据偏差大小，通过主控制的PID进行计算后给出一个信号。 执行机构将该信号转换成一个输出力， 控制导热油阀门的开度， 调节管道中介质最的大小， 从而达到控制温度的目的。 在PID闭环的调节过程中使用4-20 ｍＡ的电流信号， 4ｍＡ电流对应阀门开度为Ｏ， 20 ｍＡ对应阀门开度为100％．

在塔顶温度的控制中也采用串级控制的方案， 塔顶温度做主参数， 入料流量作为副参数， 原理与塔底温度控制相似， 通过主控制器HD的计算后控制塔顶冷凝器水量来控制温度。

使用该控制方案后， 温度控制效果明显， 在精馏塔压力为6KPa时塔底温度为215℃， 塔顶温度为130℃， 温度超调不超过２℃． 静差小于± １℃． 减小了温度超调和振荡， 加快了系统的动态响应速度， 提高了对于环境变化的适应能力， 可以将精馏塔的温度稳定的控制在该范围内， 为精馏过程的稳定持续运行创造了良好的条件。

４上位监控系统的设计

精馏控制系统除了要能够稳定， 准确的控制要求外， 还要能够进行远程的监控， 变化趋势的比对， 历史温度数据的查询，进行报警设置等， 所以还需要建立上位机的监控画面， 以及数据库的建立。在此选用的是ＷinCC， 可以实现系统的远程控制要求，Microsoft SQL Server 2000可以作为其组态数据和归档数据的存储数据库。 
５结束语

文中依据实际情况设计了一种基于PLC的精馏塔温度控制系统， 该系统已在河北某化工厂投人运行一年多， 系统运行稳定可靠， 使用及维护简洁方便， 可以持久地将温度控制在可靠范围内。 上位监控系统可以实时反映现场设备运行的状态。节约了人力物力。 该温度控制系统为精馏塔的正常运行创造了良好的条件， 提高了设备的效率， 受到了厂方的好评。