MACSⅡ在间甲酚精制加氢扩容改造中的应用
日期：2006-7-23 15:12:25 来源： 中国自动化网
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一． 引言
化学品事业部东区间甲酚装置经过2001年二期扩能改造，工艺水平已达国际先进水平，氧化和烃化单元改造所用的DCS系统为北京和利时系统工程股份有限公司的MACSⅡ系统，该系统运行稳定可靠，DCS系统的使用提升了装置的控制水平，提高了生产效率。为了充分发挥改造优势，消除影响装置的生产的“瓶颈”，挖潜增效，事业部决定对精制加氢单元也实施DCS改造，提高控制水平。
精制加氢单元原自控系统二次表主要采用的是美国Moore公司的PAC353过程控制器，完成对现场信号的处理；以研华工控机为上位采集监控操作站，上位机完成对生产过程的监控，工艺流程实时监控，棒图，历史报警，实时报警，趋势，报表等操作。其他二次表还有FOXBORO公司的SPEC200盘装表，无纸记录仪。上述不同厂家仪表存在增加了维护强度，存在的主要问题有：
1．上位计算机监控软件容易出现故障，造成死机，影响正常生产。
2．SPEC200控制仪表型号多为70年产品，备品备件采购困难，订货周期长。
3．多数仪表已使用很长时间，超过了其正常使用寿命,故障率上升，控制率、完好率下降，同时仪表回路内隐患环节增加，给装置造成了生产、安全方面的诸多不稳定因素。
精制加氢单元DCS改造作为间甲酚装置二期改造的完善项目，DCS系统继续采用北京和利时公司的MACSⅡ,消除了存在的问题和隐患.
二．生产工艺特点
来自分解、中和系统的分解液，含有丙酮、苯酚、水、异丙苯和挥发范围由非常高（乙醛）到非常低（焦油）的各种副产物，进入分解液罐（2115-F），经精制进料泵（301-J/JA）向粗丙酮塔（301-E）进料。
粗丙酮塔（301-E）进料在预热器（304-C/CA）经来自脱烃塔的塔顶蒸汽预热到99~103℃，两个预热器切换使用，进料中的钠盐部分析出在预热器的管程，可用酮水冲洗除去。含丙酮、水和烃类的塔顶馏出物经分凝器（302-C）冷却到90~92℃，在回流罐（302-FA）气液分离。汽相进入丙酮精制塔（303-E_）,液相作为粗丙酮塔的回流，罐中积累的水间歇排至苯酚排出罐（316-F）。
丙酮精制塔（303-E）采用减压精馏，从侧线分离出高纯度的丙酮产品，从塔底脱除水、异丙苯、α—MS和其他组分。高纯度的丙酮产品经冷却后送至丙酮产品罐（301-FD/FE）。
氢氧化钠稀溶液在塔的进料口上方塔板处加入，醛类进行醛醇缩合生成高沸点组分，釜液经塔底泵送到培底冷却器(311—C)冷却到60℃进入丙酮塔底分离器(307—FA)。在此进行相分离，水相进入丙酮汽提塔(310—E)，油相溢流至轻焦油罐(353—F)，做为加氢单元的进料。
由粗丙酮塔(301—E)来的塔底物流和来自苯酚精制塔(306-E)塔底物流一起作为粗苯酚塔(304—E)的进料。塔中大量苯酚和由粗苯酚塔带来的轻质有机物由塔顶馏出，约80%的苯酚留在粗苯酚塔釜以降低塔釜温度并可减少塔顶的苯乙酮浓度。塔釜液送入苯酚回收塔(311-E)。苯酚回收塔从粗苯酚塔釜液中回收苯酚，塔顶蒸汽直接进入粗苯酚塔釜，培釜含酚低于10%的焦油物流在重组分冷却器(323—C)冷却后，送入焦油储罐(317—F)。
粗苯酚塔的塔顶物流与来自苯酚精制塔(306—E)的塔顶切除物流汇合进入脱烃塔。该塔利用水做共沸剂，在上部的45块塔盘从苯酚中分离烃类。在该单元，将进入苯酚精制工序的轻质烃和来自306-E的塔顶物中的杂质一起脱除。脱烃塔的一部分塔顶馏出物向粗丙酮塔进料预热器(304—C/CA)供热，一部分进入脱烃塔回流槽(312—F)中。塔顶馏出物在312—F中进行相分离，水相作为回流，含苯酚的油相通过隔板溢流至油相侧，经328—J/JA送至中和器(214—F)。脱烃塔的塔底物几乎完全是苯酚，送入酚处理器(301-D)。
脱烃塔釜液由塔底泵318—J/JA送出，经换热器(362—C)与酚处理器(301—D)换热后，再经调温水冷却器(363—C)冷却至70℃，进入301—D。处理器采用CT-151固体酸离子交换树脂，使微量酮类与苯酚反应生成高沸点组分，净化苯酚产品。301-D出料经362—C与进料换热后进入苯酚精制塔(306—E)。
经过酚处理器的物流从第31块塔板进入苯酚精制塔(306—E)。塔顶气相经316—C和320—C冷却至70~80℃，流入回流罐(314—F)。314—F中液体一部分为306—E提供回流，另一部分(含有一些剩余的水)返回脱烃塔，塔釜物料由321—J/JA返回粗苯酮塔。
高纯度的苯酚产品由侧线（第5或第7块板）采出，冷却至60~70℃送入苯酚产品罐(301—FA/FB)。
将精制单元来的轻焦油经20%NaOH洗涤后回收其中的苯酚，然后经循环烃系统处理得到含20% α—MS的异丙苯、α—MS混合液。这部分物料在加氢反应器751—D中经加氢处理得到98.0%以上的异丙苯供氧化使用。自装置来的含酚、含丙酮的废水，经PH值调节后在205-E中用萃取的方法回收废水中的苯酚，在203-E中回收废水中的丙酮，使废水中的苯酚、丙酮含量达到环保要求后排放到环保中心。
脱轻、脱重后的轻焦油贮存于310—F，经加氢进料泵751—J/JA送加氢反应器751—D。经加氢进料冷却器751—C冷却后，从加氢反应器顶侧线进入。界区外的氢气经减压调节阀PIC—7504调节至0.86Mpa，后经FRC-7508流量调节阀从反应器顶部加入加氢反应器。氢气进量与物料进量大约比例为6：1，在钯催化剂的作用下，α—甲基苯乙烯与氢气反应生成异丙苯。反应后的气、液相物料进入加氢产品气液分离罐751—F。751—F的气相由加氢尾气冷凝器(氨冷)冷凝后，液相返回751-F，不凝气放空到火炬。715—F的液相经752—J/JA送至加氢产品冷却器752—C冷却后送到加氢产品罐231—F。同时，752—J/JA出口一部分物流通过FIC—7510控制流量作为加氢反应器循环物料。
石油化工装置是连续生产的，由于其生产过程具有高温、高压、易燃易爆、有毒性以及快速反应等特点，因此整个生产过程参数的监控，石油化工生产过程可能会在安全上对其环境构成真正的危险。因此，连续的液位、压力、温度、流量等监控点的监测十分重要。操作员需要保证从中央控制室综合监测系统的运行状态，保证整个系统处在较高的安全生产水平。
三. MACSⅡ系统介绍
MACSⅡ系统为北京和利时公司开发的分散控制系统，其特点如下：
1.MACSⅡ系统的设计采用合适的冗余配置和诊断模块级的自诊断功能，具有高度的可靠性。系统内任意组件发生故障，均不会影响整个系统的工作。
2.整个MACSⅡ系统的可利用率至少为99.9%；系统平均无故障时间为10万小时。
3.MACSⅡ系统是以微处理器为基础的智能分散结构，软、硬件的紧密结合是系统能力得到充分发挥。底层连接的网络化、I/O模块的全智能化、热备份的冗余技术、可靠的带电插拔等技术特征使MACSⅡ系统达到国际先进水平。
4.MACSⅡ极大丰富了系统的软件功能，进一步扩充了控制软件，内含符合IEC1131-3标准的SFC、FBD、LD、ST、FM5种功能。图形工具里，增加了丰富的图形库，很快就能绘出界面友好的流程图。
5.系统网络为100M冗余快速以太网，极大加速了网络速度，增加了网络容量，使负荷进一步减轻。对将来的扩容和改造录下充分的余地。
MACSⅡ在功能、稳定性、可用性等方面满足化工装置的自控需要。
四.系统的设计
1.测点配置
根据现场生产过程测控需要，测控点均为常规测点。即4~20ma模拟量输入测点（AI测电）、4~20ma模拟量输出测点（AO测电）、干接点开关量输入测点（DI测点）开关量输出测点（DO测点）。确定测控点规模如下：
AI(4~20ma):236点
AO(4~20ma):98点
DI:14点
DO:10点
2.硬件配置
根据现场生产过程测控需要，燕化间甲酚扩容DCS系统采用北京和利时系统工程股份有限公司的MACSⅡ分布式控制系统完成对数据的采集和监控。其中包括2台I/O控制站、1台扩展柜、3台操作员站、1台工程师站。I/O控制站由主控单元、智能I/O单元、电源单元和专用机柜四部分组成，完成对现场信号采集、工程单位变换、控制和联锁控制算法、控制输入输出、通过系统网络间数据和诊断结果传送到操作员站等功能。操作员站是最重要的人机交互界面，由高档微机、专用工业键盘和轨迹球组成，进行生产现场的监视和管理，包括工艺流程图显示，报表打印，控制操作，历史趋势显示，报警管理等。工程师站完成组态修改及下装，包括：数据库、图形、控制算法、报表的组态，参数配置，操作员站、服务器站、现场控制站及过程I/O模块的配置组态，数据下装和增量下装等。MACSⅡ系统的网络由上到下分为系统网络和控制网络两个层次，系统网络实现现场控制站与系统操作员站的互联，控制网络实现现场控制站与智能I/O单元的通讯。
整个东区间甲酚装置的DCS系统结构如下图
3.系统组态
MACS系统给用户提供的是一个通用的系统组态和运行控制平台，应用系统需要通过工程师站软件组态产生，即把通用系统提供的模块化的功能单元按一定的逻辑组合起来，形成一个完成特定要求的应用系统。系统组态后将产生应用系统的数据库、控制运算程序、历史数据库、监控流程图以及各类生产管理报表。
3.1 设备组态
3.1.1 系统设备组态
3.1.2 I/O设备组态
I/O设备组态是以现场控制站为单位来完成每个站的I/O单元的配置。本扩容系统共有I/O控制占2个（带1个扩展柜）
15#I/O控制站配置为：
16#I/O控制站配置为：
3.2 数据库组态
MACS数据库生成系统由三部分组成：数据库总控、数据库组态、控制表组态。数据库总控创建新工程，只有创建了工程，才能进行该工程的设备组态、数据库编辑、控制表编辑、图形、报表组态。数据库组态要求工程师及操作员级将用户提供的原始数据填入相应类的表格中。控指标组态软件的编辑是通过在工程师站定义应用系统中定义所有控制表的结构及属性，指定各个控制表的子表名和子表个数，并录入所有相关的信息。对于该工程项目，工程名称是：“JJF”。
3.2.1数据库总控
数据库总控是整个工程开始的窗口，也是整个工程结束的窗口。工程开始，首先由数据库总控创建工程，然后才可以进行其它组态工作，所有组态工作完成后，由总控进行编译，生成下装文件。单击“工程”中的“新建工程”，这时将弹出对话框，新建工程“JJF”。
3.2.2编辑数据库
数据库组态是将测点录入的过程，其中，点名、点说明是必须有的。东区间甲酚DCS扩容系统共计358点，分为四类：模拟量输入（AI）236点、模拟量输出（AO）98点、开关量输入（DI）14点、开关量输出（DO）10点。
4.算法组态
此次组态，采用FBD、LD、FM工具完成回路控制，其中主要是运用功能块进行组态。功能块组态是DCS系统最重要的组成部分。它完成系统各种要求的计算，包括控制回路生成及其它的要求：如逻辑运算、报表定时打印、流量积算等。报警处理，连续量的累加与计算，整个系统包括PID单回路，串级复杂控制回路，串级比例控制回路共98套。其结构如下图:
5. 生成工艺自控流程图
利用MACSⅡ图形组态工具软件绘制精制加氢工段、MHP分解流程图、数据控制表、总貌图及系统状态图，共计12幅。设置图形动态特性，完成文字特性、填充、显示/隐藏等功能；交互特性为用户提供了开窗口和图形切换的功能。
6.编译和生成下装文件
当系统组态、数据库组态、算法组态和流程图绘制好后，就可以进入数据库组态程序，选择“编译”，“联编”，“生成下装文件”即可。
7.数据库下装
进入工程师在线，选择“系统命令”，“下装”，选择下装到“服务器”，“操作员站”，按“确定”即可下装。
五. 工艺自控流程图及其说明
图为精制单元的301-E流程图，以粗丙酮塔底温度调节复杂控制回路来解释MACSⅡ系统是如何实现控制的。
如图301-E所示，301-E塔釜压力PI3307，塔釜温度TR3306，TR3307，TR3308取平均值参与运算值作为TIC3306-FRCA3002串级控制回路的给定值，TY3306A.OP=(TR3306+TR3307+TR3308)/3.0,TY3306B.OP=TY3306A.OP-(PI3307-Basepress)*TCF，基准操作压力初始设定值179.3Kpa，TCF温度修正系数初始设定在0.266/KPa。再通过输出功能模块00FV3002把信号传送到主控单元最终传送至现场，从而完成了整个控制。实现方法见下图。
其它各幅流程图都与301-E类似，其控制方案的实现也是通过功能模块搭起来的。
六.总结
这次改造很成功，自开车到现在该系统运行稳定可靠，DCS系统的使用提升了装置的控制水平，提高了生产效率。消除了影响装置生产的“瓶颈”问题，提高了控制水平。系统运行稳定适应化工生产装置的需要，对苯酚丙酮装置的平稳安全运行能够起到了保驾护航的作用。精制加氢单元扩容改造的成功，提高了产品的产量和质量，降低了成本和物耗，扩大了苯酚和丙酮在市场上的知名度，可为我事业部创造显著的经济效益，产生良好的社会效益，达到经济效益和社会效益的有机统一。采用DCS系统节省了人力资源，提高了工作效率，有利于运行管理的科学化、现代化。
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二．生产工艺特点
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来自分解、中和系统的分解液，含有丙酮、苯酚、水、异丙苯和挥发范围由非常高（乙醛）到非常低（焦油）的各种副产物，进入分解液罐（2115-F），经精制进料泵（301-J/JA）向粗丙酮塔（301-E）进料。
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将精制单元来的轻焦油经20%NaOH洗涤后回收其中的苯酚，然后经循环烃系统处理得到含20% α—MS的异丙苯、α—MS混合液。这部分物料在加氢反应器751—D中经加氢处理得到98.0%以上的异丙苯供氧化使用。自装置来的含酚、含丙酮的废水，经PH值调节后在205-E中用萃取的方法回收废水中的苯酚，在203-E中回收废水中的丙酮，使废水中的苯酚、丙酮含量达到环保要求后排放到环保中心。
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三. MACSⅡ系统介绍
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MACSⅡ系统为北京和利时公司开发的分散控制系统，其特点如下：
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1.MACSⅡ系统的设计采用合适的冗余配置和诊断模块级的自诊断功能，具有高度的可靠性。系统内任意组件发生故障，均不会影响整个系统的工作。
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2.整个MACSⅡ系统的可利用率至少为99.9%；系统平均无故障时间为10万小时。
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4.MACSⅡ极大丰富了系统的软件功能，进一步扩充了控制软件，内含符合IEC1131-3标准的SFC、FBD、LD、ST、FM5种功能。图形工具里，增加了丰富的图形库，很快就能绘出界面友好的流程图。
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5.系统网络为100M冗余快速以太网，极大加速了网络速度，增加了网络容量，使负荷进一步减轻。对将来的扩容和改造录下充分的余地。
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MACSⅡ在功能、稳定性、可用性等方面满足化工装置的自控需要。
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四.系统的设计
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1.测点配置
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AI(4~20ma):236点
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AO(4~20ma):98点
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DI:14点
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DO:10点
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2.硬件配置
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根据现场生产过程测控需要，燕化间甲酚扩容DCS系统采用北京和利时系统工程股份有限公司的MACSⅡ分布式控制系统完成对数据的采集和监控。其中包括2台I/O控制站、1台扩展柜、3台操作员站、1台工程师站。I/O控制站由主控单元、智能I/O单元、电源单元和专用机柜四部分组成，完成对现场信号采集、工程单位变换、控制和联锁控制算法、控制输入输出、通过系统网络间数据和诊断结果传送到操作员站等功能。操作员站是最重要的人机交互界面，由高档微机、专用工业键盘和轨迹球组成，进行生产现场的监视和管理，包括工艺流程图显示，报表打印，控制操作，历史趋势显示，报警管理等。工程师站完成组态修改及下装，包括：数据库、图形、控制算法、报表的组态，参数配置，操作员站、服务器站、现场控制站及过程I/O模块的配置组态，数据下装和增量下装等。MACSⅡ系统的网络由上到下分为系统网络和控制网络两个层次，系统网络实现现场控制站与系统操作员站的互联，控制网络实现现场控制站与智能I/O单元的通讯。
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整个东区间甲酚装置的DCS系统结构如下图
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3.系统组态
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3.1 设备组态
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3.1.1 系统设备组态
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3.1.2 I/O设备组态
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I/O设备组态是以现场控制站为单位来完成每个站的I/O单元的配置。本扩容系统共有I/O控制占2个（带1个扩展柜）
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15#I/O控制站配置为：
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——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户
16#I/O控制站配置为：
——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户
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3.2 数据库组态
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MACS数据库生成系统由三部分组成：数据库总控、数据库组态、控制表组态。数据库总控创建新工程，只有创建了工程，才能进行该工程的设备组态、数据库编辑、控制表编辑、图形、报表组态。数据库组态要求工程师及操作员级将用户提供的原始数据填入相应类的表格中。控指标组态软件的编辑是通过在工程师站定义应用系统中定义所有控制表的结构及属性，指定各个控制表的子表名和子表个数，并录入所有相关的信息。对于该工程项目，工程名称是：“JJF”。
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3.2.1数据库总控
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数据库总控是整个工程开始的窗口，也是整个工程结束的窗口。工程开始，首先由数据库总控创建工程，然后才可以进行其它组态工作，所有组态工作完成后，由总控进行编译，生成下装文件。单击“工程”中的“新建工程”，这时将弹出对话框，新建工程“JJF”。
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3.2.2编辑数据库
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数据库组态是将测点录入的过程，其中，点名、点说明是必须有的。东区间甲酚DCS扩容系统共计358点，分为四类：模拟量输入（AI）236点、模拟量输出（AO）98点、开关量输入（DI）14点、开关量输出（DO）10点。
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4.算法组态
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此次组态，采用FBD、LD、FM工具完成回路控制，其中主要是运用功能块进行组态。功能块组态是DCS系统最重要的组成部分。它完成系统各种要求的计算，包括控制回路生成及其它的要求：如逻辑运算、报表定时打印、流量积算等。报警处理，连续量的累加与计算，整个系统包括PID单回路，串级复杂控制回路，串级比例控制回路共98套。其结构如下图:
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5. 生成工艺自控流程图
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利用MACSⅡ图形组态工具软件绘制精制加氢工段、MHP分解流程图、数据控制表、总貌图及系统状态图，共计12幅。设置图形动态特性，完成文字特性、填充、显示/隐藏等功能；交互特性为用户提供了开窗口和图形切换的功能。
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6.编译和生成下装文件
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当系统组态、数据库组态、算法组态和流程图绘制好后，就可以进入数据库组态程序，选择“编译”，“联编”，“生成下装文件”即可。
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7.数据库下装
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进入工程师在线，选择“系统命令”，“下装”，选择下装到“服务器”，“操作员站”，按“确定”即可下装。
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五. 工艺自控流程图及其说明
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图为精制单元的301-E流程图，以粗丙酮塔底温度调节复杂控制回路来解释MACSⅡ系统是如何实现控制的。
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如图301-E所示，301-E塔釜压力PI3307，塔釜温度TR3306，TR3307，TR3308取平均值参与运算值作为TIC3306-FRCA3002串级控制回路的给定值，TY3306A.OP=(TR3306+TR3307+TR3308)/3.0,TY3306B.OP=TY3306A.OP-(PI3307-Basepress)*TCF，基准操作压力初始设定值179.3Kpa，TCF温度修正系数初始设定在0.266/KPa。再通过输出功能模块00FV3002把信号传送到主控单元最终传送至现场，从而完成了整个控制。实现方法见下图。
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其它各幅流程图都与301-E类似，其控制方案的实现也是通过功能模块搭起来的。
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六.总结
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这次改造很成功，自开车到现在该系统运行稳定可靠，DCS系统的使用提升了装置的控制水平，提高了生产效率。消除了影响装置生产的“瓶颈”问题，提高了控制水平。系统运行稳定适应化工生产装置的需要，对苯酚丙酮装置的平稳安全运行能够起到了保驾护航的作用。精制加氢单元扩容改造的成功，提高了产品的产量和质量，降低了成本和物耗，扩大了苯酚和丙酮在市场上的知名度，可为我事业部创造显著的经济效益，产生良好的社会效益，达到经济效益和社会效益的有机统一。采用DCS系统节省了人力资源，提高了工作效率，有利于运行管理的科学化、现代化。
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