深圳惠朋星自动化系统有限公司 俞世清 王喜阳 黄忠
摘要:本文依据氰化钠装置过程控制特点开发了氰化钠反应器在线浓度模型计算,并定义一种新型的流量随动控制算法.该算法基于SAIA PCDXX7过程控制设备,具有跟踪速度块、稳定性好、浮点运算精度高的特点。能够很好地满足氰化钠装置核心反应器浓度控制要求，实际运行效果明显，具有很好的推广应用价值。
关键词：SAIA PCDXX7，模型计算，随动控制
一、 概述
某厂氰化钠装置采用氰氢酸（HCN）和氢氧化钠（NaOH）反应生成NaCH工艺路线，反应过程为连续反应过程。来料氰氢酸流量为开环控制模式，上游工艺提供的氰氢酸波动大，原DCS系统碱（NaOH）跟踪效果差，对反应过程影响很大，存在氰氢酸过量或欠量问题。因此，既不能保证产品品质，又加重了环保负担，同时存在原料的很大浪费。
经过细致的工艺过程分析，该装置的核心为氰化钠反应器（R101），为连续酸碱中和反应过程，具有反应速度块、浓度增量变化慢的特点。给相应的控制带来了一定的难度。
基于以上特点要求控制系统本身具有
（1） 计算精度高：32位浮点运算
（2） 运行速度块：PID执行周期小于10ms
（3） 内存空间大：至少512K数据存储区域
在综合以上要求基础上，考察现有的DCS、PLC，经过综合评估，我们将原有集散控制系统（DCS）替换为SAIA PCDXX7过程控制设备。并开发了相应的在线浓度模型计算、酸碱流量随动控制算法。
本装置自投运半年来，具有反应过程控制稳定、浓度控制精度高、酸碱跟踪及时的特点。保证了整个装置的平稳、连续、高效运行。
二、 系统组成
本系统分为控制单元和操作单元二部分。控制单元完成现场温度、流量、压力、液面等数据采集、浓度模型计算、回路控制及随动控制、液位压力单回路控制、手动/自动切换控制与调节、设备启动与停止控制、顺序控制功能。
操作单元完成分为工程师站和操作员站二部分，主要完成系统温度、压力、流量等参数显示、动态流程图画面显示、人机操作、参数整定、历史趋势记录、报警显示等以及工程师系统组态、系统调试、系统故障诊断功能。
控制站/工程师 、操作员站及工程师站通过MPI网络连接。
三、 主要控制算法与实现
1、工艺分析
本装工艺流程酸碱中和反应过程：
HCN+NaOH=NaCH+H2O；
HCN：氰氢酸，NaOH：氢氧化钠，NaCH：氰化钠，H2O：水
控制指标为NaCH浓度。
C（t）= f（K1*F1（t），K2*F2（t））；
K1、K2为酸碱量反应比例；F1（t）：HCN流量，F2（t）：NaOH流量。
在相同当量单位下：CC=K1/K2=fx（C（t））；
流量跟踪比与NaCH浓度存在一定的函数关系，实际分析为非线性函数。
2、 控制算法
基于以上的工艺分析可以设计以下的控制策略
2．1浓度计算
将浓度在20-75%范围内进行细分，细分间隔为0.1%。在多组采样数据基础上进行分段线性化处理。细分后浓度样本按浮点数二维非线性表模式保存在PCD.XX7非易失内存中。
实际计算按以下公式完成：
Y=（（X-Ax1）/（Ax2-Ax1））*（Bx2-Bx1）+Bx1
（Ax1、Ax2、Bx1、Bx2为细分样本数据，X为当前浓度、Y为当前跟踪比例，x：0-550）
2．2流量随动控制
FB1为变结构PID控制模式，控制输出要求比例跟踪HCN流量。并依据FB2结果实时调整。实际的随动跟踪结果见以下历史记录：
由上图可见跟踪响应非常及时，而且控制也很稳定。
四、 主要功能及特点
1、系统硬件：
本系统控制单元硬件采用瑞士思博SAIA PCDXX7系列PCD3.M5547及相应的I/O模件。集成了MPI、工业Ethernet、RS232、RS485、USB等通讯口。内存空间1M，可扩展外存储器4G。CPU采用32位嵌入式低功耗MCU，主频100M。32路PID运算控制周期为8ms。
80K程序，CPU运行负荷为25%。I/O卡件支持热插拔。
附: 瑞士思博的SAIA PCDXX7系列是与SIEMENS S7-300/400兼容的产品,作为与SIEMENS产品线的重要补充,不仅仅是简单取代SIEMENS的组件,更重要的是SAIA PCDXX7产品的结构以及开放性和灵活性方面提供更高的技术补充,SAIA PCDXX7与SIEMENS STEP7工具兼容,意味着用户现有的经验和技巧可以继续使用,现有的投资能够得到保障;另外可以使用客户定制的功能扩展SAIA PCDXX7 CPU的操作系统,其灵活性和面向用户的特点,使其能够提供一个完全满足客户特定需求的控制平台.
2、系统软件：
系统软件包采用SIEMATIC STEP7 V5.2编程环境,上位监控采用WinCC。用SCL高级语言开发了浓度计算功能块及流量随动控制功能块。并嵌入到CPU OS中，保证了系统关键控制回路－－-流量跟踪控制的实时性。
3、整体功能提升：
本系统采用的是SAIA PCD过程控制设备作为系统的核心，并配置了SIEMATIC软件包,既保证了硬件体系的高标准，又保证了软件体系的兼容性，同时在上位软件采用脚本，保证了新系统与原有系统操作人机界面风格一致性。
3、人机界面风格：菜单操作模式
操作站人机界面包括：
（1） 动态流程图画面
（2） 控制组画面
（3） 调整画面
（4） 仪表一览画面
（5） 报警一览画面
五、 结论
在过程控制领域中，随动控制，特别是对于具有快速反应的流量控制，对控制系统的处理能力、处理速度都有较高的要求，传统意义上的回路控制存在跟踪速度慢的问题，难以适应快速反应过程的快速流量跟踪要求。SAIA PCD过程控制设备无论从复杂的数学运算到CPU执行速度、系统内存都具有独到之处，也是一种很好的基础解决方案。
实践证明，在氰化钠装置上基于SAIA PCD.XX7过程控制设备开发的流量随动控制算法具有控制稳定、跟踪速度块，完全满足了工艺要求，保证了生产过程的高效、稳定，提升了产品品质，具有很好的实际推广应用价值。
Abstract : This file give a new arithmetic of dynamic control following liquid flow and calculative methods on-line for model of NaCH’s reaction consistency. Based on the process control device (PCD.XX7) by SAIA, the system have been realized dynamic following control quickly, have characters of stabilization and precision. The practical application in control of the reactor in NaCH equipment proved that the control system is effective, and can be extended in the same process control.
Key words：SAIA PCDXX7,mathemati model，following control