WirelessHART成功实现控制功能

艾默生过程管理公司 Terry Blevins， 德克萨斯大学Frank Seibert

近几年奥斯汀德克萨斯大学一直在进行分离（Separation）实验项目的研究，当涉及工艺流程修改时，对相关过程设备需要增加新的测点并对工艺流程进行测试。在实验中发现，增加或改变测点时，过程的启动和停车所用的时间要比真正运行的时间多三倍，因此降低仪表安装时间和工厂的停机时间是最重要的。由于无需敷设电缆或重新布线，无线变送器为过程测点的重新配置提供了极大的灵活性，

因为无需电缆接线，无线设备可灵活地安装在气提塔和吸收塔上，有效减少停机和维护工作，从而提高了效率。然而，在汽提塔的测点中，有很多的测点涉及到控制回路，因此，采用无线变送器进行监测，其可靠性和控制性能就成为了首要考虑因素。为了更加直观的比较无线变送器与有线方案，我们在气提塔和吸收塔的关键回路上采取了无线仪表和有线仪表平行安装的方式。本文详细描述了整个测试的结果。

工艺设备

为了评估无线变送器在控制应用中的性能，我们专门安装了一套装置，该装置目前用于测试与火电厂二氧化碳收集相关的节能气提工艺。从流程上来说，它包括一台吸收塔通过氨类溶剂把二氧化碳从模拟堆栈气流中去除，然后通过气提塔还原二氧化碳，并对吸收塔内的 再生氨溶液进行回收再利用。右图就是该装置。

吸收塔主要测试特定溶剂和填料或塔板内件，吸收塔有2个10英尺长的填料床，液体收集器和液体再分布器位于塔的中间。在分离研 究计划里有一个二氧化碳收集实验，环境空气混杂着再循环的气提二氧化碳和补足二氧化碳从塔的底部进入，当气流通过填料向上流动的时候，二氧化碳被向下流动的氨液吸收，流出来的溶液称作富氨液，再进入到气提段以去除吸收到的二氧化碳。

气提塔主要测试填料，并判断特定溶剂的能效。塔内也有2个10英尺长的填料床，液体收集器和液体再分布器位于塔的中间。从吸收塔流出的溶液 称作单乙基氨饱和溶液，与气提塔底部的液体一起通过交叉流平板交换器进行加热，然后再注入气提塔顶部。釜式重沸器生成的蒸气可分离部分二氧化碳。塔顶的馏出物进入到列管式冷凝器，蒸汽在冷凝器中凝结，贫氨液则回到吸收塔的给料槽。

无线设备安装

用于过程工业的无线现场设备经过几年的开发和设计已经取得了飞速的发展，经过对已有无线技术的分析，我们决定在分馏研究计划中采用符合WirelessHART标准的无线设备（有关WirelessHART 技术，请参阅www.ChemicalProcessing.com/articles/2008/071.html “充分利用WirelessHART技术”一文），在控制塔压和蒸气流量的控制回路中应用无线压力和差压变送器。

WirelessHART无线网关安装在工艺装置区域的中间位置，通过以太网与控制系统相连。控制系统使用的是DeltaV系统，系统与无线网关标准化的集成，实现WirelessHART仪表校验、组态和诊断功能。控制系统对无线仪表的组态方法和传统仪表完全相同，区别在于无线仪表由电池供电，无需安装供电电缆。

我们改变了原有的塔压和蒸气流量控制模式，现在操作人员可以在有线和无线输入之间进行切换。当某个控制回路输入信号由无线仪表实现时，系统就会自动将PID模块更改为无线控制，仪表面板可以显示当前所选输入信号类型和选择开关位置，这样，操作人员通过显示界面即可直观地比较有线和无线方案的测量结果，并随时可以选择有线或无线信号作为控制回路输入。

我们在控制模型中加入了矩阵图以计算自动控制的绝对误差积分（IAE），用于控制回路测量值和控制周期都将自动记录，以便比较采用有线和无线方案的控制回路性能。

试验过程

在最近的一项填料性能试验中，对无线压力变送器和差压流量变送器进行了初步测试，该试验是为了检验Raschig-Jaeger RSP-250整装填料的蒸馏效率和液压性能（气提塔也可用作蒸馏塔）。分馏塔通过环己烷/正庚烷混合系统进行分馏，压力对蒸馏性能的影响也在研究范围内，标准的测试压力是2.4, 4.83, 24和60 psia，对无线仪表测试，基准压力是24 psia，Raschig-Jaeger公司同意在实验运行过程中应用无线仪表进行测试。

表1显示了有线仪表和无线仪表在分馏塔上实现的压力控制。在实验中，对PID整定参数、滤波参数及控制组态参数设置相同，结果如表1所示，两种方案性能没有差别。

表1：有线和无线控制结果相当

在蒸汽流量控制的测试上，我们也得到了相似的结果。有线仪表的滤波时间是10秒，无线仪表是0秒。工厂原有的PID整定既可应用于有线仪表，也可应用于无线仪表，当设定点改变时，可以看到相同的动态控制。

根据图表所示，从无线仪表应用在压力控制和蒸汽流量控制时所测得的绝对误差积分来看，采用无线仪表与有线仪表的控制性能相当，和有线相比，无线控制回路仅使用了1/10数量的测量值进行流量控制，1/6数量的测量值进行控制压力，因此可节省电池能耗。

测试结果表明，应用WirelessHart无线变送器结合修正后的PID算法功能模块实现控制，其控制性能与采用传统硬接线变送器与标准PID算法具有相同的可靠性。 在另一项测试中，用传统硬接线变送器进行了合成和填料效率的测量（理论塔板高度），然后采用无线变送器进行同样的操作， 结果证明两者的控制性能几乎相同。

无线仪表控制

用WirelessHART无线变送器测量气提流量和塔压节省了布线成本。采用WirelessHART变送器和修正PID算法功能模块进行塔压和加热器蒸汽流量控制，实现的动态响应和性能与有线仪表加传统PID运算完全一样。

图1： 有线仪表（上）和无线仪表（下）的控制结果相同

在实验进行中，我们把WirelessHART技术的应用进行了扩展，首先用三台多点无线温度变送器（每台设备有4个热电阻输入）来监测吸收塔的温度分布情况，另外将两台无线pH变送器分别安装在吸收塔入口和出口，间接测量氨溶液中二氧化碳的浓度。采用无线变送器提高了温度和pH值测量的精度和可靠性，从而改善了气提塔和吸收塔的操作条件，由于无线仪表由电池供电，消除了有线仪表回路接地的影响。

作者介绍

Frank Seibert, 奥斯汀德州大学分馏研究项目技术经理

Terry Blevins， 艾默生过程管理德州奥斯汀公司技术研究员

关于艾默生过程管理

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