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1、10万吨/年PVC精馏装置DCS系统设计 摘要PVC材料已经成为我国第一、世界上产量第二大的合成材料，广泛应用于轻工、建材、农业、日常生活、电力、包装、公共事业等领域。庞大的社会需求给PVC的生产企业带来了前所未有的机遇和挑战。一方面巨大的社会需求使得企业有充足的生产动力；另一方面由于价格等客观因素的影响使得很多企业仍使用很落后的生产线。生产的低效率、低性能、低自动化程度是日前亟待解决的问题。而利用计算机控制技术对生产进行管理以及对生产进行数据采集和控制，越来越受到人们的关注。DCS集散控制系统就是顺应这一形势发展起来的的技术。利用DCS控制系统能实现更有效的管理和控制。本文以某化工厂的10万
2、吨/年PVC精馏装置DCS工程设计为依托。运用PC机为上位机，西门子S7-300可编程控制器为下位机以及WinCC软件的强大的组态技术实现PVC精馏装置的控制和管理。本文完成的主要工作如下：A. 分析了国内外PVC生产的现状、我国在PVC生产中的不足以及DCS集散控制系统在该领域的应用情况。B. 结合精馏装置的特点和具体要求确定控制系统的控制装置，完成整个控制系统的控制的回路的设计。C. 根据工艺控制流程图和自动控制工艺条件表完成管道及仪表流程图的绘制；再根据控制系统的控制方案和管道仪表流程图完成仪表回路图的绘制。D. 根据精馏装置的特点和工艺的具体要求检测仪表、执行机构、辅助仪表的选型以及仪
3、表安装图的绘制。E. 利用西门子S7-300 PLC完成整个控制系统的硬件配置和控制程序的编写，使用WinCC组态软件完成整个系统的软件组态。关键字：PVC；DCS；PLC；WinCC；仪表；控制系统The DCS engineer design of 100000 tons/year PVC distillation device of a chemical plantAbstractPVC material is a kind of synthetic material that its production has become the first largest in China, a
4、nd second largest in the world, Widely used in light industry, building materials, agriculture, daily life, electricity, packaging, utilities and other fields. Large social demand has brought unprecedented opportunities and challenges for PVC production enterprises. On the one hand, huge social dema
5、nd which makes production firms has plenty of power; On the other hand, due to objective factors such as the price of influence that many companies still use very backward production line. The low efficiency of production, low performance and low degree of automation is a problem to be solved. The c
6、omputer control technology is used to analyse the production and management and to data acquisition and control of production, people pay more and more attention to the technology. DCS (distribution control system) is the technology that conforms to the situation. Using the DCS control system can re
7、alize more effective management and control.The research of this thesis is based on the DCS engineer design of 100000 tons/year PVC distillation device of a chemical plant. Using PC as upper machine, Siemens S7-300 programmable controller as the next machine and WinCC softwares powerful configuratio
8、n technology achieve the control and management of PVC distillation device.The main works accomplished in this paper are as follows:A. Analyzes the production situation of PVC at home and abroad, the insufficiency in the production of PVC and DCS (distribution control system) and its application in
9、the field.B. According to the characteristics of the distillation unit and the specific requirements determine the control device of control system, complete the whole control systems control circuit design.C. According to the process control flow chart and flow chart of table completed pipeline aut
10、omatic control technology and instrument drawing; then according to the control scheme of the control system and pipeline flow chart meters complete instrument circuit diagram drawing.D. According to the characteristics of the distillation device and process specific requirements complete the select
11、ion of the testing instruments, actuators and auxiliary instrument and draw instrument installation diagram E. Using Siemens S7-300 PLC to complete the whole control systems hardware configuration and control programs, use WinCC configuration software to complete the whole system software configurat
12、ion.Key words: PVC; DCS; PLC; WinCC; Instrument; The control system目录摘要IABSTRACTII第1章 绪论21.1 选题的背景及意义31.2 国内外PVC及DCS研究现状和发展动态41.2.1 PVC的发展现状41.2.2 DCS系统的发展现状41.2.3 DCS系统在PVC生产中的应用51.3 本论文的主要工作5第2章 PVC精馏装置DCS控制方案设计72.1 PVC精馏装置主要工艺流程72.2 PVC精馏装置控制系统的分析与设计72.2.1 高沸塔控制系统回路分析72.2.2 低沸塔控制系统回路分析82.2.3 成品冷凝
13、器控制回路分析92.3 PVC精馏装置管道及仪表流程图的设计92.4 PVC精馏装置DCS结构设计112.4.1 DCS系统结构简介112.4.2 DCS系统的优点122.5 DCS系统的硬件选型132.5.1 I/O及存储量的估算132.5.2 PLC的硬件选型142.6 系统的冗余设计162.6.1 冗余原理162.6.2 硬件冗余162.6.3 软冗余设计18第3章 PVC精馏装置控制系统仪表选型及图纸设计203.1 仪表的选型203.1.1 就地压力表选型203.1.2 温度感应元件选型213.1.3 压力变送器选型223.1.4 物位测量仪表的选型233.1.6 气动控制阀选型243
14、.2 PVC精馏装置控制系统图纸的设计273.2.1 系统回路图的设计283.2.2 仪表安装图的设计283.2.3 I/O通道表设计283.2.4 控制室平面布置图设计283.2.5 仪表柜接线图设计283.2.6 仪表柜安装图29第4章 下位机控制系统的软件设计与实现304.1 PVC精馏装置的控制目标304.2 PVC精馏装置的自动控制的软件设计与实现304.2.1 控制系统的PID控制回路的设计304.2.2 PLC硬件组态324.2.3 程序所用到的模块介绍334.2.4 控制系统PID控制PLC功能模块的实现36第5章 上位机监控系统的设计395.1 WinCC组态软件介绍及设计原
15、则395.1.1 WinCC介绍395.1.2 监控界面的设计原则405.2 PVC精馏装置控制系统的组建405.2.1 PVC精馏装置项目的建立415.2.2 计算机属性设置415.2.2 建立通讯连接425.2.2 监控数据变量添加435.3 各监控界面的设计与实现455.3.1 导航主界面的设计455.3.2 报警页面的设计465.3.3 趋势页面的设计475.3.4 报表页面的设计49第6章 结论与展望516.1 结论516.2 展望51附录一 程序54附录二 图纸目录74第1章 绪论 1.1 选题的背景及意义聚氯乙烯（PVC）是我国第一、世界上产量第二大的合成材料，广泛应用于轻工、建
16、材、农业、日常生活、电力、包装、公共事业等领域。中国的PVC生产企业与发达国家的发展水平还有差距，突出表现为生产PVC产品的精馏装置容积小、控制手段落后等。许多PVC生产厂家仍使用30m3以下的精馏装置，整体投资大、运行费用高、生产强度高、没有规模效益等缺点。因此加快精馏装置大型化步伐，采用DCS集散控制系统SFC技术实现密闭式加料顺序控制和批量控制等先进控制技术显得尤为重要。本课题主要有以下几方面：1、 积极消化国外精馏装置控制技术，推广DCS国产化在PVC精馏装置DCS控制中，国外YOKOGA生产的CS3000控制系统和美国霍尼威尔HONEWELL公司的TDCS3000由于起步早和强大的研
17、发投入，占了较大的份额，并有成功的应用。以浙大中控、北京和利时系统工程股份有限公司和新华控制工程有限公司为代表的我国具有自主知识产权的DCS供应商都是在大学或科研院所创办企业的基础上发展起来的，人才资源比较丰富。在体制上都实行了股份制或合资形式，有较好的运行机制。大体上在1998年左右开始推出自行研制开发的DCS，依靠自身产品的质量、功能，良好的服务以及低廉的价格，逐步取得用户的信任，打开了市场。浙大中控于1997年推出了全数字化的新一代集散控制系统JX300。吸纳了九十年代微处理器、CRT图形显示和网络通讯等领域的最新技术，成为近几年国外著名DCS系统在中国市场的最主要竞争对手之一。公司本着
18、不断改进完善系统性能，采用了高性能的微处理器和成熟的先进控制算法，全面提高了JX300的功能和性能，使其兼具了高速可靠的数据输入、输出、运算、过程控制功能和PLC联锁逻辑控制功能，能适应更广泛更复杂的应用要求，成为一个全数字化、结构灵活、功能完善的新型开放式集散控制系统。尤其近几年浙大中控发展迅猛，JX300X在化工企业如烧碱离子膜和PVC乙炔、聚合装置中有许多成功的案例。2、提高DCS应用水平1）采用自定义控制与连续控制结合，提高控制质量或控制水平，例如，在批量控制开始时将控制阀慢慢打开，然后在被控变量达到某一设定值时自动切换到连续控制等。2）配方管理和开停车控制等。生产管理和控制结合。3）
19、将生产过程数据传送到管理部门，用于生产过程的调度、计划等，建立管理信息系统，将信息集成，实现综合自动化。3、提高生产控制自动化水平，降低工人生产强度，提高经济效益。在PVC的生产过程中，为了保证生产连续、安全、高效的进行，必须对其中的过程参数（如温度、压力、物位和流量等）进行检测和控制。由于人不可能寸步不离、二十四小时的进行观察和控制；再加上人不可能达到像控制系统的精确控制。所以采用DCS集散控制系统既能大大降低人员的劳动强度和劳动时间，又能保证生产过程连续、高效、安全可靠地进行。从长远来看大大降低了生产成本，提高了经济效益。1.2 国内外PVC及DCS研究现状和发展动态1.2.1 PVC的发
20、展现状聚氯乙烯（Polyvinyl Chloride，简称PVC）是我国第一、世界第二大通用型合成树脂材料。由于具有优异的难燃性、耐磨性、抗化学腐蚀性、综合机械性、制品透明性、电绝缘性及比较容易加工等特点，目前，PVC已经成为应用领域最为广泛的塑料品种之一，在工业、建筑、农业、包装、电力、日常生活、公用事业等领域均有广泛应用，与聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PS）和ABS统称为五大通用树脂。中国聚氯乙烯产业开始于二十世纪五十年代。二十世纪九十年代以来，随着中国经济的快速发展，以及建筑行业大力推广使用节能、节约的建筑材料，使得中国聚氯乙烯产品市场需求急剧增长。中国聚氯乙烯行业依靠规模
21、扩张的粗放型的发展模式已经难以适应市场要求。在淘汰落后产能的同时，构建上下游一体化产业链，加大科研投入，采用更加清洁环保的生产工艺已经成为聚氯乙烯企业可持续发展的主要方向1。1.2.2 DCS系统的发展现状DCS是集计算机技术控制技术、图形显示技术、通讯技术之最新成果于一身。以其控制功能强大、人机界面友好、组态灵活方便、管理集中、危险性分散的优点。具有传统仪表 无法比拟的优越性。自问世以来，随着功能不断完善，可靠性的逐步提高，管理功能不断增 强。其在化工行业的应用不断扩大，应用水平也在不断提高。从全球来看，DCS主要生产厂家都集中在美、日、德等国。如美国HONEYWELL的TDC3000MIC
22、RO TDC3000,TDC3000X系统等；FOXBORO的I/AS；WESTING HOUSE的WDPF系统；WAILEY的NETWORK90、INFI90系统等；日本横河的CENTUM、CS系统等；YEWPACK的MARK II系统；德国SIEMENS的TELEPERM系统；ABB公司的MOD300、SIPAOS200系统等2。我国国产DCS的攻关工作起步较早，基础的引进和吸收工作从20世纪70年代中期开始。80年代初期就开始了技术攻关工作。在80年代末到90年代初世界著名的DCS厂家基本上在中国都成立了合资公司或分支机构，开始了大规模的市场瓜分工作并在90年代初基本完成。当时，我国主要
23、行业如电力、石化、建材和冶金等合作的DCS基本全部进口。从90年代初我国开始形成了几家以自主研制为主的DCS专业化公司，如北京的和利时公司和航天测控公司，杭州的浙大中控公司和威盛公司以及上海的新华公司等。这些公司不仅占据了一定的市场份额，积累了发展的资本和技术，同时使得国外引进的系统价格也大幅度下降，为我国自动化推广事业作出了贡献。1.2.3 DCS系统在PVC生产中的应用由于PVC的生产过程较为复杂，所以采用大型DCS控制系统进行控制必不可少。我国的PVC生产过程中既有国产装置，也有引进装置。全国有60多个生产厂。有乙炔与氯化氢反应生产法和乙烯氧氯化法两种流程。PVC聚合过程属间歇生产过程，
24、主要是料配比、加料、升温、聚合、出料逻辑顺序控制、聚合釜温度压力控制和后处理分离精制控制。在PVC生产过程中顺序控制占有很大比重，有近百个切断阀、几十个泵、马达、开关按照不同的生产要求和时间顺序启动关闭。DCS控制单元同时具有反馈模拟控制的顺序控制。PVC生产可以根据市场需求，调整配方生产多品种、多型号的产品。因配方改变控制方案随之改变。装置的生产灵活性也是间歇过程特有的要求。DCS丰富的计算功能、逻辑功能和通讯能力为多品种生产提供了便利3。PVC聚合温度按照严格的温度曲线实行控制，DCS逻辑功能和反馈控制的巧妙结合,将聚合温度偏差控制在0.02-0.06的范围内同时方便了操作保证了产品质量。
25、随着DCS在PVC生产中的应用不断扩大一些优化控制软件也应运而生。1.3 本论文的主要工作本文首先对整个PVC精馏装置工艺流程进行了研究分析，然后对下位机进行了具体的硬件选型；实现了网络的具体布局，硬件冗余的实现。选用西门子的STEP7实现对下位机控制程序的开发，基于WinCC 7.0组态软件实现了上位机的监控系统的开发，实现了上位机的监控功能。如：PID控制、各监控界面的组态。论文基本内容如下：第二章详细地分析了PVC精馏装置的工艺流程；根据工艺完成了DCS整个结构的设计；完成了DCS主要硬件的选型（如PLC的选型）；之后进行了系统的冗余的设计和工艺过程仪表的选型。第三章在详细分析了PVC精
26、馏装置控制系统的组成，对PVC精馏装置控制系统的总体控制目标进行了分析。基于PID常规控制理论，主要实现了高沸塔和低沸塔的液位和温度的PID自动控制，并完成了下位机（PLC）的控制程序的设计。第四章基于WinCC软件开发平台，完成了上位机DCS监控系统人机界面的组态。第五章进行了PVC精馏装置测控系统的总体设计，其中包括管道及仪表流程的设计、仪表回路图的设计等各种图纸的设计及绘制。第六章对全文进行总结，提出了本文的不足之处以及有待完善的地方。第2章 PVC精馏装置DCS控制方案设计 2.1 PVC精馏装置主要工艺流程PVC精馏装置工艺流程框图如图2.1所示。全凝器过料槽低沸塔高沸塔成品冷凝器成
27、品槽图2.1 精馏装置工艺流程框图由压缩机出来的粗聚氯乙烯选择进入全凝器，使大部分的气体冷凝液化，经低沸加料槽后，送入低沸塔，未凝气体进入尾气冷凝器，其冷凝液全部进入低沸塔，经低沸塔塔釜加热器加热将冷凝液中低沸物蒸出，经塔顶冷凝器用5水控制回路比后，由塔顶汇入尾气冷凝器处理，塔釜氯乙烯进入高沸塔，尾气冷凝器中的气体经尾排吸附器回收一部分氯乙烯后，惰性气体排空，自低沸塔流入高沸加料槽的氯乙烯经调节阀控制流量，减压加入高沸塔，高沸塔加热器将大部分氯乙烯蒸出，分解成粗氯乙烯，经塔顶控制部分回流，大部分粗氯乙烯进入成品冷凝器，被冷凝的氯乙烯在固碱干燥器中脱水进入单体储槽，按需要送聚合工序，在高沸塔塔釜
28、分离收集到二氯乙烷（EDC）为主的高沸物进入高沸物接受曹，定期压入塔，将残液蒸馏，将蒸出的二氯乙烷（EDC）又冷凝成液体，进行包装外销，未冷凝下来的氯乙烯回到气柜4。2.2 PVC精馏装置控制系统的分析与设计PVC精馏装置主要由高沸塔、低沸塔和成品冷凝器等组成。整个控制系统包括高沸塔控制系统、低沸塔控制系统内和成品冷凝器控制系统。2.2.1 高沸塔控制系统回路分析1） 高沸塔塔釜液位控制回路高沸塔塔釜液位控制回路是低沸塔为控制对象，以高沸塔塔釜液位为被控变量，以出高沸塔的VCM为操纵变量，以控制阀作为执行器来进行控制的。根据控制阀的作用形式选型的安全原则，控制阀选择气开式，流量特性为等百分比特
29、性，当控制阀故障引起信号中断时，以保证高沸塔工艺流程的连续进行，保证高沸塔里的VCM液体不被放空，保证设备安全和人身安全，阀处于全关状态，控制增益为正，测量变送环节增益为正，当操纵变量增大即高沸塔塔底出料管道流量增加时，被控变量塔釜液位也随着降低，因此被控变量的增益为负，因整个控制回路增益之积为正，从而推出控制器的增益为正，为正作用。2） 高沸塔塔顶冷凝器温度控制回路高沸塔塔顶冷凝器温度控制回路是高沸塔为控制对象，以高沸塔塔顶冷凝器温度为被控变量，以进高沸塔的5水为操纵变量，以控制阀作为执行器来进行控制的。根据控制阀的作用形式选型的安全原则，控制阀选择气关式，流量特性为等百分比特性，当控制阀故
30、障引起信号中断时，以保证高沸塔工艺流程的连续进行，保证设备安全和人身安全，阀处于全开状态，控制增益为负，测量变送环节增益为正，当操纵变量增大即高沸塔水流量增加时，被控变量高沸塔塔顶冷凝器温度也随着降低，因此被控变量的增益为负，因整个控制回路增益之积为正，从而推出控制器的增益为负，为反作用。3） 高沸塔塔釜液相温度控制回路高沸塔塔釜液相温度控制回路是高沸塔为控制对象，以高沸塔塔釜液相温度为被控变量，以再沸器的热水为操纵变量，以控制阀作为执行器来进行控制的。根据控制阀的作用形式选型的安全原则，控制阀选择气关式，流量特性为等百分比特性，当控制阀故障引起信号中断时，以保证高沸塔工艺流程的连续进行，保证
31、设备安全和人身安全，阀处于全开状态，控制增益为正，测量变送环节增益为正，当操纵变量增大即进再沸器的热水流量增加时，被控变量塔釜液相温度随着升高，因此被控变量的增益为正，因整个控制回路增益之积为负，从而推出控制器的增益为正，为正作用。2.2.2 低沸塔控制系统回路分析1） 低沸塔塔釜液位控制回路低沸塔塔釜液位控制回路是低沸塔为控制对象，以低沸塔塔釜液位为被控变量，以出低沸塔的VCM为操纵变量，以控制阀作为执行器来进行控制的。根据控制阀的作用形式选型的安全原则，控制阀选择气开式，流量特性为等百分比特性，当控制阀故障引起信号中断时，以保证低沸塔工艺流程的连续进行，保证低沸塔里的VCM液体不被放空，保
32、证设备安全和人身安全，阀处于全关状态，控制增益为正，测量变送环节增益为正，当操纵变量增大即低沸塔塔底出料管道流量增加时，被控变量塔釜液位也随着降低，因此被控变量的增益为负，因整个控制回路增益之积为正，从而推出控制器的增益为正，为正作用。2） 低沸塔塔顶冷凝器温度控制回路低沸塔塔顶冷凝器温度控制回路是低沸塔为控制对象，以低沸塔塔顶冷凝器温度为被控变量，以进低沸塔的5C水为操纵变量，以控制阀作为执行器来进行控制的。根据控制阀的作用形式选型的安全原则，控制阀选择气关式，流量特性为等百分比特性，当控制阀故障引起信号中断时，以保证低沸塔工艺流程的连续进行，保证设备安全和人身安全，阀处于全开状态，控制增益
33、为负，测量变送环节增益为正，当操纵变量增大即低沸塔水流量增加时，被控变量低沸塔塔顶冷凝器温度也随着降低，因此被控变量的增益为负，因整个控制回路增益之积为正，从而推出控制器的增益为负，为反作用。3） 低沸塔塔釜液相温度控制回路低沸塔塔釜液相温度控制回路是低沸塔为控制对象，以低沸塔塔釜液相温度为被控变量，以再沸器的热水为操纵变量，以控制阀作为执行器来进行控制的。根据控制阀的作用形式选型的安全原则，控制阀选择气关式，流量特性为等百分比特性，当控制阀故障引起信号中断时，以保证低沸塔工艺流程的连续进行，保证设备安全和人身安全，阀处于全开状态，控制增益为正，测量变送环节增益为正，当操纵变量增大即进再沸器的
34、热水流量增加时，被控变量塔釜液相温度随着升高，因此被控变量的增益为正，因整个控制回路增益之积为负，从而推出控制器的增益为正，为正作用。2.2.3 成品冷凝器控制回路分析成品冷凝器出口温度控制回路是以成品冷凝器为控制对象，以成品冷凝器出口温度为被控变量，以成品冷凝器的水为操纵变量，以控制阀作为执行器来进行控制的。根据控制阀的作用形式选型的安全原则，控制阀选择气关式，流量特性为等百分比特性，当控制阀故障引起信号中断时，以保证成品冷凝器连续进行，保证设备安全和产品质量，阀处于全开状态，控制增益为负，测量变送环节增益为正，当操纵变量增大即成品冷凝器流量增加时，被控变量成品冷凝器温度也随着降低，因此被控
35、变量的增益为负，因整个控制回路增益之积为正，从而推出控制器的增益为负，为反作用。2.3 PVC精馏装置管道及仪表流程图的设计首先根据PVC精馏装置的工艺流程图，确定精馏装置的监测点和控制点，按照管道仪表流程图设计规定(HG20559)，绘制精馏装置工艺和管道仪表流程图。管道及仪表流程图又称为P&ID(Piping and Instrumentation Diagram)。它是自动化工程设计中从工艺流程到工艺设计的重要程序，是工厂安装设计的依据。管道仪表流程图是利用统一规定的文字代号和图形型号，通过图示的方法把工艺装置中所需要的全部设备、管道、仪表、阀门及其他重要管件，按它们各自的功能和生产工艺
36、要求组合起来，起到描述工艺装置的结构和功能的作用0。P&ID主要包括以下几部分内容：1) 设备示意图：带位号、名称和接管号的各种设备示意图0。2) 管路流程线：带有规格、编号、管件、阀门以及仪表测量点的各种管路流程线。3) 自动监测和控制方案：根据过程检测控制系统设计符号和它的使用方法，用仪表图形型号表达已经确定的自动控制方案。4) 标注：用来标记字母的代号、设备的位号和其他说明等。5) 图例：用来表明字母的代号、图形的符号和其他说明等。6) 标题栏：用来表明工程设计的项目、时间、设计阶段以及设计的图名、图号等。常用设备字母代号如下表所示0：表2.1 常用设备字母代号序号设备的符号设备的名称序
37、号设备的符号设备的名称1C压缩机6T塔2E冷换设备7V容器3F加热炉8Z其他设备4P泵9S分离器5R反应器（釜）10M计量罐表2.2 常用介质代号序号代号介质的名称序号代号介质的名称1CCW循环冷却水11SW脱盐水2RCCW循环冷却回水12WL废液3PW工业水（软化水）13WS废水4IW工业水（新鲜水）14PA压缩空气5HW热水15LC低压蒸汽冷凝液6WW废水16LS低压蒸汽7DW生活水17IA仪表空气8VG放空气18N氮气9FG燃料气19PG工业气体10AW氨水20GN氮气1) 仪表功能标志是由若干个大写的英文字母组合而成用来表示怎样操作需要操作的变量。2) 功能标志不表示除了仪表功能以外的
38、其他的结构等。3) 功能标志应该选择和被测变量对应的首位字母。4) 为了修饰读出功能，功能标志的首位字母后面可以添加一到两个字母作为修饰。仪表位号的编制：1) 仪表位号是由数字编号和字母代号组合而成。2) 对于相同装置、相同被测量的仪表位号，他们应该采用连续的顺序号，不同被测量的仪表位号不能连续编号0。3) 可以通过在仪表位号的后面添加后缀字母的方法来区别仪表回路中功能相同的仪表。4) 当一台显示仪表同时适用于多个检测时，显示仪表的位号不表示工序号，只编顺序号。5) 两个以上的回路共同使用一台仪表时，每个回路的仪表位号应该分别标注。根据任务书提供的PVC精馏工艺流程图，以及相关的工艺参数、条件
39、等情况确定工艺过程控制方案。然后运用标准的图例符号，在工艺流程图上按其流程顺序选取测量点，然后用AutoCad P&ID软件绘制出柴油加氢精制装置的管道及仪表流程图。为了避免工艺流程图上出现疏密不均的情况，在标注控制点的时候，应该适当地改变工艺流程图的布局，这样可以保证设备上控制点的密度分布均匀。一般情况下，测量控制点应该标注在设备进口的旁边。（详情请见图PVC.2501）2.4 PVC精馏装置DCS结构设计2.4.1 DCS系统结构简介如图2.2所示为DCS系统结构图。在控制方面我们采取的是集散控制的思想。因此，可把整个控制系统分为三层：第一层为信息管理层。它主要完成整个系统关键技术数据的设
40、定；用户以不同身份登陆系统；实时数据的显示以及运行状态的控制；报警与故障的提示及处理；历史趋势的查看等功能。这些功能的实现主要由上位机、组态软件、通讯模块等来完成。具体来说，是通过上位机的组态来实现这些功能的5。第二层为系统控制层。它主要实现实时数据的采样与处理；控制算法的实现；异常现象自动处理等功能。这些功能的实现主要由可编程逻辑控制器（PLC）的相应模块来完成。具体来说，是通过下位机编程来实现这些功能的。第三层为设备层。设备层主要接收来自PLC的控制命令，执行相应的动作或提供相应的数据。这些功能的实现主要由路由器、交流接触器、温度变送器、压力变送器、流量变送器、模拟信号隔离分配器等组成。H
41、ub前端设备传感器前端设备传感器前端设备图2.2 DCS系统结构图2.4.2 DCS系统的优点本设计采用集散控制系统。集散控制系统较传统控制系统具有如下优势：1） 系统构成灵活。从总体上看，DCS就是由各个工作站通过网络通信系统组网而成的。你可以把它想象成“因特网”，根据生产需求，你可以随时加入或者撤去工作站。系统组态非常灵活。2） 操作管理便捷。DCS的人机反馈都是通过CRT和键盘、鼠标等实现的。你可以想象成在因特网冲浪一样，监视生产装置乃至整个工厂的运行情况。3） 控制功能丰富。原先用模拟控制回路实现的复杂运算，现通过高精度的微处理器来实现。4） 信息资源共享。你可以把工作站想象成因特网上
42、的各个网站，只要你在DCS系统中，并且权限够大，你就能了解到你想要的任何参数。5） 安装、调试方便。相比模拟控制系统，那么多的飞线头，一大堆类似发丝的电线。DCS系统算是很方便了。6） 安全可靠性高6。2.5 DCS系统的硬件选型2.5.1 I/O及存储量的估算1、I/O点数的估算在选择I/O模块之前，应根据控制系统的控制要求，估算出控制系统的数字量I/O点数及模拟量I/O通道数，以及确定数字量和模拟量的信号类型。为便于系统今后的升级，在统计出的I/O点数基础上，一般I/O点数应留有1520的裕量7。考虑裕量后的I/O点数即为I/O点数估算值，该估算值是I/O站选型的主要依据。依据PVC精馏装
43、置的设备及控制要求，控制系统的I/O点数为： 7个模拟量输入信号，7个模拟量输出信号。考虑到应留有1520的裕量，取15的裕量，模拟输入量AI总数应为7（1+0.15）=8.05，取9点；模拟输入量AO总数应为7（1+0.15）=8.05，取9点。共取18个I/O点。2、存储器容量估算存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试之后才知道。为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来替代程序容量估算。用
44、户程序所需存储器容量不仅与PLC系统的功能相关，并且与功能的实现方法、程序编写水平有关，不同程序员编写的同一功能程序所占的存储空间也不同。因此，存储器容量应留有一定的裕量，为了使用方便，应留有估算容量的3050的裕量。对于经验缺乏者，留有的裕量应更大些7。存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同经验公式，大体上都是按数字量I/O点数的1015倍，加上模拟I/O点数的100倍估算。其经验公式7为：存储容量=（1.31. 5）（DI10+DO5+AI/AO100字节）其中：DI为数字量输入总点数；DO为数字量输出总点数；AI/AO为模拟量I/O总通道数；本系统存储容量（KB）=
45、1.5（18100字节）/1024=2.64KB根据经验公式计算出的存储器容量只具有参考价值，当PLC要求容量已明确时，仍应依据其他影响因素对其进行修正。主要需考虑以下三方面因素7： 经验公式主要针对一般应用系统的直接控制功能而言的，对于特殊的应用或功能可能需要增大存储容量； PLC对存储器的使用规模与管理方式的不同，会影响存储容量的需求； 程序编写程序的水平对存储容量的需求有较大的影响。估算存储容量时的不确定因素较多，因此存储容量很难估算准确。工程实践中，大多采用经验公式粗略估算，在此基础上加大裕量，实际选型时参考此估算值，采用就高不就低的原则。2.5.2 PLC的硬件选型氯碱工业的控制系统
46、一般对可靠性要求较高。本系统选用了西门子公司的S7-300系列PLC。该设备能满足PVC精馏装置控制系统可靠性的要求，具有以下优越的特性：（1）在系统硬件方面，西门子S7-300系列PLC为模块化结构，模块的功能多样，用户可根据自己的需求选择模块，系统构成灵活方便。可随时更换故障模块，不必整体更换整套设备，节约资金，硬件可靠性高7。（2）在软件上，西门子CPU支持一些特殊功能块图库，使编程简便。如供计数、测量、各种定位控制、凸轮控制和闭环控制、PID控制等特殊功能模块。西门子系列PLC常用的用户编程语言主要有：语句表（STL）、梯形图语言（LAD）、功能块图（FBD）。本系统的PLC是由模块组成的，主要有机架、电源模块、CPU模块、通信模块。下面介绍这些模块的选型及主要参数。机架用于PLC的安装调试，有160mm、482mm、530mm、830mm、2000mm等规格，选用482mm的机架， 电源模块的选型电源模块将用于将 AC 或 DC 网络电压转换为所需的24 V DC 工作电压，用于对 SIMATIC S7-300 的供电。若要提高供
