史玉立，刘天宋

基于DCS的DFPA生产线裂解环节的过程控制研究

史玉立，刘天宋

（常州刘国钧高等职业技术学校，江苏 常州 213025）

对中小型化工企业生产二氟甲基吡唑羧酸（DFPA）生产过程进行研究，采用DCS控制系统对DFPA生产过程进行了改造，设计了单回路控制、串级控制等过程控制算法，完成了该生产线的自动化改造。现场实际运行证明，DCS控制系统使控制过程更为稳定、可靠，在提高了中小型化工企业的经济效益的同时，也提高化工企业的生产安全水平。

二氟甲基吡唑酸； 过程控制算法；DCS系统

含氟化合物在医药、材料、农药、液晶等方面都有独特的作用，在氟化学领域生产中须要进行微反应的技术应用。二氟甲基吡唑酸（DFPA）是新一代琥珀酸脱氢酶抑制剂（SDHI）类杀菌剂的母核，在医疗保健和农用化学品中应用极广，市场前景可观。

1 DFPA生产工艺控制要求

当前，宿迁科莱博生物化学有限公司生产二氟甲基吡唑羧酸（DFPA）合成方案如图1所示，化工生产工艺较为复杂。

图1 二氟甲基吡唑羧酸（DFPA）合成方案路线图

该生产工艺的控制要求主要有：

1）重点参量的控制。对生产过程中的重要参数，如温度、压力等，用各类检测仪器仪表、调节阀和切断阀来实现参数的监控显示、高限报警、联锁等控制；对生产过程的管道流量，采用流量计显示参数，并通过累积、算法等控制调节阀实现控制。

2）化工动作的控制。对生产过程的反应釜搅拌动作，采用变频器和转速计实现搅拌速率的显示、报警及调速。对原料、催化剂等自动计量投量系统，采用流量计、调节阀和紧急切断阀门等，实现整个工艺过程中投放物料量和顺序的控制。

3）设置紧急安全控制系统。通过设置各类紧急切断系统、冷却系统、反应阻断系统并通过声光报警装置来实现安全控制。

4）控制系统保障机制。化工自动控制系统要确保系统控制的可靠性，如控制系统要设置UPS不间断电源和备用电源，以确保当发生意外停电时，反应釜的安全控制继续有效进行。

5）设置现场安全报警监测系统。对整个生产现场，须要设置参量高限报警与反应釜安全防爆联锁，泄放管外接密闭事故泄料槽，现场应有可燃气体浓度监测报警装备（探头监控半径7.5 m）、消防设备、应急生产工艺报警等。

2 DCS控制系统设计

集散控制系统（DCS）采用计算机技术为基础，对生产过程采用分散控制、操作显示集中，兼顾自动控制和综合协调。其通用性强、使用灵活、调试方便、运行安全可靠，多应用该技术于化工行业中，实现生产数据的监控和报警、故障状态的记录和联锁等，可降低操作的复杂性，大幅减少操作工的劳动量，使化工生产过程更为安全、可靠[1-2]。

本文以宿迁科莱博生物化学有限公司的二氟甲基吡唑羧酸（DFPA）生产线为例，设计DCS控制系统。该控制系统由控制单元（由主控芯片、数据采集卡、通讯协议管理等组成）、操作单元（由工程师站、服务器站、数据管理站等组成）及通讯网络（生产信息网、管理网、SBUS总线系统等构成）等组成，组织框架如图2所示。

图2 DCS控制系统组成

控制单元对DFPA总体生产过程进行精确监控。控制单元由主控制卡、数据转发卡、I/O 卡件等构成。控制站是控制系统与现场进行 I/O 数据采样、信息交互、控制运算、逻辑控制的核心装置，完成整个工业过程的实时控制功能。硬件设计时各单元必须严格按照安全生产原则进行冗余设计，保证生产过程中的安全与可靠。操作单元主要保证生产控制过程中的人机交互，系统工具可以对生产控制系统进行故障分析、组态文件管理、报表离线查看以及数据提取等功能，在C/S 网络环境下，服务器站为与其连接的客户端提供生产相关实时信息和数据。

3 裂解工艺环节控制系统设计

在该生产工艺中裂解工艺是生产中最重要的环节，其控制系统需要特别进行设计。其生产过程如图3所示。

图3 裂解环节工艺图

四氟乙醚经计量槽后输送至再沸器中，升温气化后送入分子筛完成脱水，而后送入裂解器进行高温裂解，生成乙酰三氟后送至缩合釜完成下一步反应。该反应过程采用蒸汽完成温控过程，对反应物温度、压力、剂量精准度要求较高。

经分析，对该环节主要采取以下控制模式：

普通参数控制部分采用常规单回路PID控 制[3]。如在再沸器部分，通过温度控制仪表与再沸器调节阀组成温度自动调节系统，其控制框图如图4所示，其输入为反应器温度设定值，通过与温度变送器反馈回的实际测量温度进行比较运算，得出温度偏差值，PID控制器输出指令对蒸汽阀的开度进行控制，使反应器内温度趋近于设定值，同时设置高限报警点（正常工作温度+10 ℃），并设置高高限，当参数达到高限关闭蒸汽阀。

图4 DCS控制系统组成

反应釜中液位控制主要通过进料阀开度来控制，其控制框图如图5所示。其输入为液位设定值，将仪表实际测得值与设定值进行比较后，PID控制阀门开度，保证反应釜内也为趋近于设定值，满足一定偏差范围内的控制要求。

图5 反应釜内液位控制系统框图

裂解器部分的温度和压力控制要求较高，而其控制精度直接影响最终产品质量的高低。在这种工艺要求下单回路控制已经无法满足需要了，因此在该阶段针对反应釜温度及压力参数设计了串级控制系统。将裂解器内压力控制器的检测值作为主控制变量，反应釜内温度作为副控制变量。将反应釜内压力实时值与设定值之间的偏差作为主回路的输出，从而确定副回路中四氟乙醚进料阀的控制开度，使其成为随动控制系统完成实时调节，较大程度上减小了干扰对压力参数的影响，保证系统的稳定性，提高主回路控制效率。其控制框图如图6所示。

图6 裂解器压力串级控制系统框图

在进行DCS控制改造后，裂解环节改造后实物图及DCS监控如图7、图8所示。

图7 改造后裂解塔实物图

图8 DCS实时监控图

工厂实现了化工工艺的自动化监控，控制更为精细有效，极大地提高了生产效率。同时原先生产现场须要安排员工实时监控仪表并进行操作，现企业操作室远离生产一线，移至安全距离以外。同时自动化装置添加针对现场完善的声光报警、安全装置等措施。安排员工平时在操作室完成监控及远程操控，生产现场只需要定期巡检即可，大大减少了生产过程所需人数，降低成本的同时提升了工作的安全稳定性。同时上位机的使用对生产过程的相关数据实时监控，为生产过程的进一步优化提供了数据[4]。

4 结 论

宿迁科莱博生物化学有限公司二氟甲基吡唑羧酸（DFPA）生产线进行自动化改造[5]，有利于中小微型化工企业经济效益的提高，还可以降低生产过程中的风险性，提升工艺的本质安全水平，走上“经济、安全”的可持续发展新模式。

［1］牛建璋. 石油化工行业DCS控制系统信号干扰原因及对策[J]. 中国设备工程，2020（14）：151-152.

［2］林波. 现场总线控制系统(FCS)的应用技术探析[J]. 石化技术，2020，27（6）：356-357.

［3］胡艳，郭钛星，韩璞.史密斯预估PID控制算法研究及其在DCS中的实现[J]. 计算机仿真，2016，33（5）：409-412.

［4］李先林. 浅谈化工控制系统升级改造施工[J]. 工业建筑，2014，44（S1）：1045-1047.

［5］金阿铭．化工工艺安全设计中的危险因素及解决对策［J］．黑龙江科学，2015（1）34．

Study on Process Control of Cracking Process in DFPA Production Line Based on DCS

,

（Changzhou Liu Guojun Vocational Technical College, Changzhou Jiangsu 213025, China）

The production process of difluoromethylpyrazole carboxylic acid (DFPA) in small and medium-sized chemical enterprises was studied. The DCS control system was used to transform the DFPA production process. The single loop control, cascade control and other process control algorithms were designed, and the automatic transformation of the production line was completed. The actual operation showed that DCS control system made the control process more stable and reliable. It not only improved the economic benefits of small and medium-sized chemical enterprises, but also improved the production safety level of chemical enterprises.

DFPA; Process control algorithm; DCS System

2020-08-18

史玉立（1987-），女，江苏省常州市人，讲师，硕士， 2012年毕业于江苏大学电力系统及其自动化专业，研究方向：电气自动化应用、电力系统自动化等。

TQ056.8

A

1004-0935（2021）01-0086-03