摘要：醋酸是一种重要有机化工原料，主要用于生产醋酸乙烯单体、醋酐、对苯二甲酸（PTA）、*、醋酸酯类、醋酸纤维素等。在化工、轻纺、医药、染料等行业具有广泛用途。本文综述了Honeywell第四代
DCS系统ExperionPKS在醋酸行业中的应用。
前言
兖矿国泰化工有限公司30万吨/年醋酸装置一氧化碳制备工段及醋酸工段的操作和控制均采用了美国霍尼威尔公司生产的第四代分布式控制系统ExperionPKS（过程知识）。该系统主要分为四层结构：现场仪表层、控制装置单元层、工厂（车间）层和企业管理层。过去DCS和PLC主要通过被控对象的特点（过程控制和逻辑控制）来进行划分。但是，PKS系统已经将这种划分模糊化了，它包容了过程控制、逻辑控制和批处理控制，通过混合控制能够实现整个生产过程的优化，提高整个工厂的效率运行。
1、醋酸工艺系统简介
1.1工艺流程简介
该工艺采用了西南化工研究设计院自主研发“甲醇低压液相羰基合成醋酸反应法”。该工艺采用双反应器串联，以铑的羰基络合物为催化活性物质，通过增加一个第二转化反应釜，使*个反应器内未反应的原料充分反应，降低反应液中的水含量及配合其他反应工程的方法来提高反应深度，同时使容易分解沉淀的铑催化剂转化为能承受加热蒸发时不分解不沉淀的稳定的铑络合物，减少蒸发器母液的循环量和蒸馏工段的负荷，在产出粗酸时采用蒸发流程，大大提高粗醋酸中醋酸的含量，降低了精制和尾气回收系统的负荷。它主要分为醋酸反应工段、精制工段、轻组分回收工段和催化剂制备再生工段四大部分。工艺流程简图如图1所示。
图1醋酸工艺流程简图
甲醇预热至180℃后，与压缩机来的一氧化碳在2.7MPa压力下进入反应釜底部，在催化剂作用下发生羰基合成醋酸反应。主反应式为：
CH3OH+CO→CH3COOH
反应后的液体物料进入蒸发器，减压至0.2MPa左右，闪蒸后气液相分离，含有催化剂的液体沉入分离器底部，再循环打回反应釜中。闪蒸槽顶部的气体（含有醋酸、水、碘甲烷和碘化氢的蒸气）则被送到精制工序，经脱水、脱氢等蒸馏过程，在成品塔侧部踩出的醋酸产品经冷却后送入成品酸储槽。
1.2工艺系统特点及控制难点
醋酸的生产工艺是个塔体连接非常多的系统,调节回路众多,系统的关联性非常强,一个参数的控制的好坏直接影响到其他参数的控制的成败，一个系统的波动可能带垮整个系统,因为其产品醋酸产品的浓度要求非常高,达到99.9%以上,因此对反应温度,以及流量等参数的控制要求非常平稳,合成反应釜中的温度要求180±0.5℃,醋酸蒸发器液位要求达到±1%,还有如果母液的流量控制的非常不稳定,可控性不太好，这些都对控制的精度提出了很高的要求。
1.3工艺对控制系统的要求
（1）实现各个单元操作的集中监控，包括：温度、压力、流量、液位等物理量的监测与控制,动态参数检测、控制必须准确、可靠，合成反应器的中温要求180±0.5℃,醋酸蒸发器液位要求达到±1%。
（2）必要的遥控措施,对突发事件如停电等,系统应采取相应的保护措施，确保在紧急情况下或需要的时候对一些关键的控制点（阀门等）实施遥控。
（3）配置必要的报警和联锁。
（4）重要参数的记录和方便地查阅其实时趋势和历史趋势。
（5）可随时监测有关单元的有关参数或重要设备的运行情况。
（6）控制系统操作简单，参数设置、调整方便，便于操作，人性化的操作界面。
（7）操作员站显示整个生产工艺流程，修改和打印各种有关参数。
2、ExperionPKS系统的配置和功能
为了满足工艺过程操作和控制的要求，整个PKS系统的控制机柜、操作站、工程师站、上位监控机、打印机根据实际情况分别布置在两个控制室中，两个控制室之间相距450米左右，通过光缆方式进行通讯。系统配置图见图2（如下）：
图2系统配置图
整个控制系统采用冗余方式进行操作和控制，其中包括简单控制回路72套；复杂控制回路25套；模拟量输入409点；数字量输入345点；数字量输出173点；联锁回路55套。
2.1系统硬件配置及功能
（1）现场操作员站共八台，其中*控制室五台，第二控制室三台。都采用工业级DELL计算机P42.8G，内存512MB，21英寸纯平显示器，分辨率为1024X768。机器的总体性能快速、稳定，操作员站可以显示生产过程工艺流程图和过程参数、打印报表、显示过程参数的历史趋势图及控制调整过程参数等。每个操作站都是冗余数据网络上的一个站，虽然操作员站的使用各有分工，但任何显示和控制功能均能在任一站上完成。为防止操作人员、DCS工程师和维护人员的误操作，针对不同的人员赋予不同的操作权限，提高了系统的安全。
（2）工程师站（服务器）采用冗余配置，采用一对配置相同的服务器,以主/从结构方式相互支持。当主服务器出现故障时，从服务器自动转换为主服务器，并从控制器或RTU中采集数据，为操作站提供数据服务。主服务器通过冗余网络将数据库中所有数据处理信息传送到从服务器，使得主从服务器之间可以同步运行，配置图见图3。它主要用于程序开发、系统诊断、控制系统组态、数据库和画面的编辑及修改,工程师能够通过通讯总线，既可调出系统任一个控制器的系统组态信息和有关数据，还可使用户将组态数据从工程师站上下载到各控制器和操作员站。此外，当重新组态的数据被确认后，系统能自动地刷新其内存。并设置软件保护密码，防止一般人员擅自改变控制策略、应用程序和系统数据库。
图3ExperionPKS冗余服务器配置图
（3）控制站采用高性能的全冗余的PKS混合控制器和I/O硬件，分别布置在控制室内的机柜中，混合过程控制器的主要部件是控制处理器模件（CPM），包括机架、控制网络通讯模件、控制处理器模件和可选的冗余模件等。其主要完成功能有：测量值运算、常规调节控制、复杂控制、逻辑控制、顺序控制，批量控制等,所有控制功能采用组态的方式按功能块单独进行。
（4）报表记录打印采用通用网络打印机，任意一台操作站（工程师站）均可以向打印机传递数据并打印；打印机能自动、连续地打印报表、报警、系统维护记录等，也能按命令要求打印报表、屏幕画面、趋势和组态数据表等，并能进行全屏幕拷贝。
2.2系统网络配置及组态软件 （1）过程通讯部分由工业控制网（CONTROLNET）和过程以太网（ETHERNET）组成。CONTROLNET要用来连接操作站/工程师站和控制器。可以支持5对冗余控制器，通讯距离zui远可达10000米。ETHERNET网络作为PKS系统的数据管理网络，主要连接人机接口和各种网络设备，通讯速率为10MB/S或100MB/S，支持TCP/IP协议和NetBEUI协议，保证数据的正常传送，同时保证了设备的互换性，降低了备件成本，CONTROLNET和ETHERNET网络均为1:1冗余配置。
（2）ExperionPKS的控制策略用ControlBuilder生成，ControlBuilder是图形化的面向对象的工具，支持ExperionPKS的控制器和应用控制环境节点ACE。在ControlBuilder中进行控制策略的设计，生成控制策略的文档，并可进行在线监控。ControlBuilder提供全面的I/O的处理，包括FF现场总线和Profibus，提供功能块FBs（FunctionBlocks）的算法库，支持所有连续的、逻辑的、电机控制的、顺序的、批量的以及*的控制功能。Honeywell提供的各种功能块，可以实现不同控制功能。每一个功能块带有一系列的参数，用于直观显示该功能块所具有作用。功能块之间的互联，可以通过“软接线”的方式非常方便地实现，以构筑控制策略和应用。组态完的控制模块见图4：
图4简单调节功能图
在醋酸的整个生产过程中需要顺序控制、常规控制及一些联锁报警等系统，由于在ExperionPKSControlBuilder的控制算法库中，除包括过程变量、调节控制、现场总线（设备和控制块）、电机控制、离散逻辑、顺序控制等标准的算法外，还包括一些通用块，如旗标量、数值、时钟、数组变量等。所以在醋酸的试车期间，多次在线对控制方案进行更改，非常方便，极大的缩短了试车时间，提高了效率。
3、控制策略及实施方案
3.1合成工艺的流量稳定控制系统
原料进料量FT03控制的好坏对工艺操作参数的稳定性影响很大，而且许多控制与此回路有关，故此参数非常重要，为避免系统受到较大干扰而影响下游操作，当负荷发生变化增加时，变化率要有一定的限制，在减负荷时，变化率不做限幅，并且还要考虑吸收原料FT04的影响。在正常情况下，此参数还要同反应液流量FT01及常压塔回流量FT02保持一定的比值关系。控制系统框图见图5
图5合成装置流量稳定控制图
3.2反应炉比值调节控制系统
在造气生产过程中，进入反应炉内的O2与CO2流量应保持一定的比例，若氧碳比过高，就会因炉温过高使耐火砖烧坏，严重时会引起炉子爆炸；如果氧碳比过低，则会造成炉温低，原材料浪费，产气效率低。为此我们采用了双闭环比值控制系统，实现了对主流量的定值控制，克服了主流量干扰的影响，使主流量变的比较平稳，通过比值控制副流量也将比较平稳。如图6所示。
图6CO2与O2流量双闭环比值控制系统
系统投用后不仅实现了比较的流量比值，而且也确保了两物料总量基本不变，并且提降负荷比较方便，大大改善了操作工况，提高了效率。
3.3反应釜PID温度串级调节
在醋酸的生产过程中由于反应釜中温控制要求比较严格,达到±5℃,而且他的好坏还关系到zui终产品的质量的高低,因此对反应中温度控制采用了串级控制。其结构框图如图7所示：
图7反应釜温度串级调节
3.4FS槽选择性控制系统
由于FS槽中的液体的粘度比较大，为了防止槽中的局部温度过冷结晶，通过FS槽两端的温度检测点，选择低值调节策略对蒸汽的加入量进行控制，保证了FS槽内的温度恒定，满足了工艺生产要求。
3.5加焦系统的逻辑控制
根据工艺生产过程的要求，将现场加焦控制引入DCS系统中。当加焦程序通过DCS投入自动运行时，插板阀电机开始向开位方向动作，当电机开到位时，通过现场接近开关进行到位信号反馈，电机停止动作。为了满足工艺生产控制的需要，从插板阀开到插板阀关，我们通过功能块对运行时间进行了可控可调组态，设置开位时间结束后，带动插板阀的电机向关位动作，当关到位时，通过关位接近开关进行到位信号反馈。随后程序续接到下一个阶段直至完成整个加焦过程，整个加焦过程持续10分钟完成。为了确保工艺生产的正常运行，预防自动加焦过程中由于设备、仪表、电气出现故障后，能够维持正常生产，在DCS控制程序中，又增加了手动切换功能，可以保证应急时手动操作加料，维持开车加料。
4、结束语
霍尼韦尔ExperionPKS系统集DCS和PLC的优点于一身，高性能价格比的控制器集成了逻辑控制、回路调节控制、顺序控制和批量控制为一体，它通过提供图形化的控制组态工具ControlBuilder和全套的过程控制算法库，使用户的控制工程化能力显著提高。但在工程设计初期，由于网络结构设计不合理也出现了一些问题，随着Honeywell公司推出的PKS的版本R310，这个版本的zui大好处就是出现ConsoleStation这种全新的操作站，它可以独立于服务器而单独工作[3]，极大地提高了PKS控制系统的稳定性和安全性，自2005年4月投入运行以来，*了醋酸工序复杂的生产工艺，其产品控制的质量指标、控制精度和稳定性不仅带来了产品质量的提高，较好的经济效益，更减轻了工艺人员的操作强度，杜绝了停车事故的发生。
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