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WirelessHART成功實(shí)現(xiàn)控制功能

時間:2011-08-31 16:45:56來源:xiaonan

導(dǎo)語:?采用無線變送器進(jìn)行監(jiān)測,其可靠性和控制性能就成為了首要考慮因素。為了更加直觀的比較無線變送器與有線方案,我們在氣提塔和吸收塔的關(guān)鍵回路上采取了無線儀表和有線儀表平行安裝的方式。

      在氣提塔和吸收塔上進(jìn)行的測試顯示,無線儀表與有線儀表具有相同的性能
      艾默生過程管理公司 Terry Blevins, 德克薩斯大學(xué)Frank Seibert

      近幾年奧斯汀德克薩斯大學(xué)一直在進(jìn)行分離(Separation)實(shí)驗項目的研究,當(dāng)涉及工藝流程修改時,對相關(guān)過程設(shè)備需要增加新的測點(diǎn)并對工藝流程進(jìn)行測試。在實(shí)驗中發(fā)現(xiàn),增加或改變測點(diǎn)時,過程的啟動和停車所用的時間要比真正運(yùn)行的時間多三倍,因此降低儀表安裝時間和工廠的停機(jī)時間是最重要的。由于無需敷設(shè)電纜或重新布線,無線變送器為過程測點(diǎn)的重新配置提供了極大的靈活性,因為無需電纜接線,無線設(shè)備可靈活地安裝在氣提塔和吸收塔上,有效減少停機(jī)和維護(hù)工作,從而提高了效率。然而,在汽提塔的測點(diǎn)中,有很多的測點(diǎn)涉及到控制回路,因此,采用無線變送器進(jìn)行監(jiān)測,其可靠性和控制性能就成為了首要考慮因素。為了更加直觀的比較無線變送器與有線方案,我們在氣提塔和吸收塔的關(guān)鍵回路上采取了無線儀表和有線儀表平行安裝的方式。本文詳細(xì)描述了整個測試的結(jié)果。

      工藝設(shè)備
      為了評估無線變送器在控制應(yīng)用中的性能,我們專門安裝了一套裝置,該裝置目前用于測試與火電廠二氧化碳收集相關(guān)的節(jié)能氣提工藝。從流程上來說,它包括一臺吸收塔通過氨類溶劑把二氧化碳從模擬堆棧氣流中去除,然后通過氣提塔還原二氧化碳,并對吸收塔內(nèi)的 再生氨溶液進(jìn)行回收再利用。右圖就是該裝置。

吸收塔

      吸收塔主要測試特定溶劑和填料或塔板內(nèi)件,吸收塔有2個10英尺長的填料床,液體收集器和液體再分布器位于塔的中間。在分離研 究計劃里有一個二氧化碳收集實(shí)驗,環(huán)境空氣混雜著再循環(huán)的氣提二氧化碳和補(bǔ)足二氧化碳從塔的底部進(jìn)入,當(dāng)氣流通過填料向上流動的時候,二氧化碳被向下流動的氨液吸收,流出來的溶液稱作富氨液,再進(jìn)入到氣提段以去除吸收到的二氧化碳。
      氣提塔主要測試填料,并判斷特定溶劑的能效。塔內(nèi)也有2個10英尺長的填料床,液體收集器和液體再分布器位于塔的中間。從吸收塔流出的溶液 稱作單乙基氨飽和溶液,與氣提塔底部的液體一起通過交叉流平板交換器進(jìn)行加熱,然后再注入氣提塔頂部。釜式重沸器生成的蒸氣可分離部分二氧化碳。塔頂?shù)酿s出物進(jìn)入到列管式冷凝器,蒸汽在冷凝器中凝結(jié),貧氨液則回到吸收塔的給料槽。

      無線設(shè)備安裝
      用于過程工業(yè)的無線現(xiàn)場設(shè)備經(jīng)過幾年的開發(fā)和設(shè)計已經(jīng)取得了飛速的發(fā)展,經(jīng)過對已有無線技術(shù)的分析,我們決定在分餾研究計劃中采用符合WirelessHART標(biāo)準(zhǔn)的無線設(shè)備(有關(guān)WirelessHART 技術(shù),請參閱www.ChemicalProcessing.com/articles/2008/071.html “充分利用WirelessHART技術(shù)”一文),在控制塔壓和蒸氣流量的控制回路中應(yīng)用無線壓力和差壓變送器。

      WirelessHART無線網(wǎng)關(guān)安裝在工藝裝置區(qū)域的中間位置,通過以太網(wǎng)與控制系統(tǒng)相連。控制系統(tǒng)使用的是DeltaV系統(tǒng),系統(tǒng)與無線網(wǎng)關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化的集成,實(shí)現(xiàn)WirelessHART儀表校驗、組態(tài)和診斷功能。控制系統(tǒng)對無線儀表的組態(tài)方法和傳統(tǒng)儀表完全相同,區(qū)別在于無線儀表由電池供電,無需安裝供電電纜。

      我們改變了原有的塔壓和蒸氣流量控制模式,現(xiàn)在操作人員可以在有線和無線輸入之間進(jìn)行切換。當(dāng)某個控制回路輸入信號由無線儀表實(shí)現(xiàn)時,系統(tǒng)就會自動將PID模塊更改為無線控制,儀表面板可以顯示當(dāng)前所選輸入信號類型和選擇開關(guān)位置,這樣,操作人員通過顯示界面即可直觀地比較有線和無線方案的測量結(jié)果,并隨時可以選擇有線或無線信號作為控制回路輸入。

      我們在控制模型中加入了矩陣圖以計算自動控制的絕對誤差積分(IAE),用于控制回路測量值和控制周期都將自動記錄,以便比較采用有線和無線方案的控制回路性能。

      試驗過程
      在最近的一項填料性能試驗中,對無線壓力變送器和差壓流量變送器進(jìn)行了初步測試,該試驗是為了檢驗Raschig-Jaeger RSP-250整裝填料的蒸餾效率和液壓性能(氣提塔也可用作蒸餾塔)。分餾塔通過環(huán)己烷/正庚烷混合系統(tǒng)進(jìn)行分餾,壓力對蒸餾性能的影響也在研究范圍內(nèi),標(biāo)準(zhǔn)的測試壓力是2.4, 4.83, 24和60 psia,對無線儀表測試,基準(zhǔn)壓力是24 psia,Raschig-Jaeger公司同意在實(shí)驗運(yùn)行過程中應(yīng)用無線儀表進(jìn)行測試。

      表1顯示了有線儀表和無線儀表在分餾塔上實(shí)現(xiàn)的壓力控制。在實(shí)驗中,對PID整定參數(shù)、濾波參數(shù)及控制組態(tài)參數(shù)設(shè)置相同,結(jié)果如表1所示,兩種方案性能沒有差別。

控制性能 

 

 


采用有線測量方案

采用WirelessHART測量方案

回路

FIC202

塔蒸氣流量

PC215

塔壓

FIC202

塔蒸氣流量

PC215

塔壓

設(shè)定點(diǎn)平均值

511.32

24.01

509.66

24.01

絕對誤差積分

控制

9134.33

145.46

10645.15

198.60

測量值更新次數(shù)

13655.00

6649.00

1184.00

912.00

控制時間(秒)

6830.00

6829.00

5926.50

5925.00

表1:有線和無線控制結(jié)果相當(dāng)

      在蒸汽流量控制的測試上,我們也得到了相似的結(jié)果。有線儀表的濾波時間是10秒,無線儀表是0秒。工廠原有的PID整定既可應(yīng)用于有線儀表,也可應(yīng)用于無線儀表,當(dāng)設(shè)定點(diǎn)改變時,可以看到相同的動態(tài)控制。

      根據(jù)圖表所示,從無線儀表應(yīng)用在壓力控制和蒸汽流量控制時所測得的絕對誤差積分來看,采用無線儀表與有線儀表的控制性能相當(dāng),和有線相比,無線控制回路僅使用了1/10數(shù)量的測量值進(jìn)行流量控制,1/6數(shù)量的測量值進(jìn)行控制壓力,因此可節(jié)省電池能耗。

      測試結(jié)果表明,應(yīng)用WirelessHart無線變送器結(jié)合修正后的PID算法功能模塊實(shí)現(xiàn)控制,其控制性能與采用傳統(tǒng)硬接線變送器與標(biāo)準(zhǔn)PID算法具有相同的可靠性。 在另一項測試中,用傳統(tǒng)硬接線變送器進(jìn)行了合成和填料效率的測量(理論塔板高度),然后采用無線變送器進(jìn)行同樣的操作, 結(jié)果證明兩者的控制性能幾乎相同。

性能比較

性能比較

      擴(kuò)展應(yīng)用
      用WirelessHART無線變送器測量氣提流量和塔壓節(jié)省了布線成本。采用WirelessHART變送器和修正PID算法功能模塊進(jìn)行塔壓和加熱器蒸汽流量控制,實(shí)現(xiàn)的動態(tài)響應(yīng)和性能與有線儀表加傳統(tǒng)PID運(yùn)算完全一樣。
在實(shí)驗進(jìn)行中,我們把WirelessHART技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了擴(kuò)展,首先用三臺多點(diǎn)無線溫度變送器(每臺設(shè)備有4個熱電阻輸入)來監(jiān)測吸收塔的溫度分布情況,另外將兩臺無線pH變送器分別安裝在吸收塔入口和出口,間接測量氨溶液中二氧化碳的濃度。采用無線變送器提高了溫度和pH值測量的精度和可靠性,從而改善了氣提塔和吸收塔的操作條件,由于無線儀表由電池供電,消除了有線儀表回路接地的影響。

作者介紹
Frank Seibert,  奧斯汀德州大學(xué)分餾研究項目技術(shù)經(jīng)理
Terry Blevins, 艾默生過程管理德州奧斯汀公司技術(shù)研究員


關(guān)于艾默生過程管理
艾默生過程管理(www.emersonprocess.cn)是艾默生業(yè)務(wù)的一部分,其在幫助各行業(yè)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)、過程控制及輸配自動化等領(lǐng)域中,始終居于領(lǐng)先地位,并廣泛服務(wù)于化工、石油和天然氣、煉油、紙漿和造紙、電力、水和廢水處理、冶金和礦業(yè),食品和飲料、生命科學(xué)及其它行業(yè)。公司將先進(jìn)的產(chǎn)品和技術(shù)與具有行業(yè)特點(diǎn)的工程、咨詢、項目管理和維護(hù)服務(wù)相結(jié)合。艾默生旗下的品牌包括PlantWeb™, Syncade™, DeltaV™, Fisher®, Micro Motion®, Rosemount®, Daniel™, Ovation™, Bettis™, EIM, 和 AMS Suite.

關(guān)于艾默生
總部位于美國圣路易斯市的 Emerson (紐約證券交易所股票代碼: EMR)是一家全球領(lǐng)先的公司,該公司將技術(shù)與工程相結(jié)合,通過網(wǎng)絡(luò)能源、過程管理、工業(yè)自動化、環(huán)境優(yōu)化技術(shù)及工具和儲存業(yè)務(wù)為工業(yè)、商業(yè)及消費(fèi)者市場客戶提供創(chuàng)新性的解決方案。公司 2010 財年的銷售額達(dá) 210 億美元。如欲了解進(jìn)一步信息,歡迎訪問www.Emerson.com (全球)、www.Emerson.com.cn(中國)。

 

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