基于反應(yīng)釜智能控制設(shè)計及相關(guān)攪拌性能參數(shù)的研究

張中領(lǐng)

(1.寧波領(lǐng)易電子科技有限公司,浙江 寧波 315000；2.寧波康大美術(shù)用品集團有限公司，浙江 寧波 315000)

基于反應(yīng)釜智能控制設(shè)計及相關(guān)攪拌性能參數(shù)的研究

張中領(lǐng)1,2

(1.寧波領(lǐng)易電子科技有限公司,浙江 寧波 315000；2.寧波康大美術(shù)用品集團有限公司，浙江 寧波 315000)

反應(yīng)釜是一種有著廣泛應(yīng)用的化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)，其具有明顯的時滯性、非線性和時變性等缺陷，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型；而經(jīng)典、現(xiàn)代控制理論的最優(yōu)控制在反應(yīng)釜控制中也無法完全體現(xiàn)出來。針對上述問題，在分析反應(yīng)釜傳熱特性的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種反應(yīng)釜智能控制系統(tǒng)。可以通過控制執(zhí)行器對反應(yīng)釜內(nèi)溫度及其梯度進(jìn)行有效控制，為提高化工生產(chǎn)質(zhì)量提供了有力保障，具有重要的現(xiàn)實意義。

反應(yīng)釜；智能控制器；攪拌；溫度；性能參數(shù)

Ltd.,Ningbo 315000, China)

反應(yīng)釜是一種在化工合成、石油生產(chǎn)和生物制藥等諸多領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用的化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)。為確?；どa(chǎn)的順利進(jìn)行,需要反應(yīng)釜對生產(chǎn)過程中的溫度、壓力和濃度等多項指標(biāo)進(jìn)行全面、有效地控制。反應(yīng)釜因控制對象繁多和化學(xué)反應(yīng)機理復(fù)雜，導(dǎo)致反應(yīng)系統(tǒng)具有時滯性、非線性和時變性等缺陷，難以為該反應(yīng)系統(tǒng)建立精確的數(shù)學(xué)模型；而經(jīng)典、現(xiàn)代控制理論的最優(yōu)控制在反應(yīng)釜控制中也無法完全體現(xiàn)出來。傳統(tǒng)的PID控制主要用于具有精確模型的線性控制系統(tǒng)，對于反應(yīng)釜這種具有時變性和非線性的控制系統(tǒng)而言，存在無法進(jìn)行自校正和參數(shù)修改不便等缺點。針對上述問題，本文在分析反應(yīng)釜傳熱特性的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種反應(yīng)釜智能控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)是按偏差分擋進(jìn)行控制的，采用了不完全微分PID控制算法和基于規(guī)則修改的自適應(yīng)模糊控制相結(jié)合的控制方法?；贛CS一51系列單片機的智能控制器是反應(yīng)釜智能控制系統(tǒng)的重要組成部分，該智能控制器主要采用了單線總線和I2C總線，在結(jié)合反應(yīng)釜狀態(tài)參數(shù)的基礎(chǔ)上，可以通過控制執(zhí)行器對反應(yīng)釜內(nèi)溫度及其梯度進(jìn)行有效控制[1]。

1 反應(yīng)釜的基本結(jié)構(gòu)

反應(yīng)釜主要包括連續(xù)式反應(yīng)釜和間歇式反應(yīng)釜2種類型。本文主要對連續(xù)攪拌反應(yīng)釜展開論述，連續(xù)攪拌反應(yīng)釜具有產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、熱交換能力強和成本低等特點，是聚合物生產(chǎn)的核心設(shè)備，被廣泛用于石油生產(chǎn)、生物制藥、發(fā)酵和化工合成等工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中。

1.1 連續(xù)攪拌反應(yīng)釜的工作原理

將各種物料按一定的比例進(jìn)行混合，為其添加適量催化劑，并在反應(yīng)釜夾套中通入一定量的高壓蒸汽，以此來提高反應(yīng)釜物料溫度；此外，攪拌器攪拌物料能提高導(dǎo)熱速度，使物料間的溫度均勻分布。反應(yīng)釜內(nèi)溫度達(dá)到期望溫度時，物料進(jìn)行反應(yīng)，為確保反應(yīng)正常運行，需保持一段時間的恒溫狀態(tài)，當(dāng)化學(xué)反應(yīng)結(jié)束時，還需對系統(tǒng)進(jìn)行冷卻處理，如遇到特殊情況還需對系統(tǒng)進(jìn)行二次升溫處理。

1.2 連續(xù)攪拌反應(yīng)釜的結(jié)構(gòu)

根據(jù)連續(xù)攪拌反應(yīng)釜的工作原理，對反應(yīng)釜進(jìn)行了設(shè)計研究，連續(xù)攪拌反應(yīng)釜的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。攪拌機和攪拌容器是連續(xù)攪拌反應(yīng)釜的重要組成部分。攪拌機主要包括攪拌器、攪拌軸及其密封裝置、傳動裝置，并將換熱元件、筒體和內(nèi)構(gòu)件等統(tǒng)稱為攪拌容器。筒體是一個鋼制的罐形容器，其是連續(xù)攪拌反應(yīng)釜的主體部分，反應(yīng)物料的化學(xué)反應(yīng)是在該裝置下完成的。通過換熱元件可以適當(dāng)調(diào)節(jié)反應(yīng)釜內(nèi)的反應(yīng)溫度，夾套是較為常用的換熱元件，換熱元件一般會圍繞在筒體的外部，在夾套和容器外壁之間形成密閉空間，在該空間內(nèi)通入適量的加熱或冷卻介質(zhì)，通過夾套內(nèi)壁進(jìn)行傳熱，進(jìn)而對容器內(nèi)的物料進(jìn)行加熱或冷卻處理。釜內(nèi)的反應(yīng)溫度可以通過電磁閥調(diào)節(jié)介質(zhì)的每秒流量進(jìn)行有效控制。在化學(xué)反應(yīng)中，攪拌器起到關(guān)鍵作用，會為釜內(nèi)物料提供適宜的流動狀態(tài)和過程所需的能量。為確保系統(tǒng)的安全性能，應(yīng)為系統(tǒng)設(shè)置密封裝置，該密封裝置不僅可以降低易燃、易爆、有毒氣體或物料的危害，還可以提高反應(yīng)物料的純度。反應(yīng)釜的傳動裝置由減速機、連軸器、電動機及機架組合而成，在反應(yīng)物料的循環(huán)流動過程中，攪拌電動機為其提供動力。攪拌器是由驅(qū)動攬拌軸的帶動實現(xiàn)轉(zhuǎn)動的，反應(yīng)釜的罐頂和罐底分別裝設(shè)了加料口和出料口，通過加料口將反應(yīng)物料加入到罐中，并將生成物料從出料口提取出來。為了準(zhǔn)確地測量反應(yīng)釜內(nèi)的溫度，需在反應(yīng)室內(nèi)設(shè)置鋼制的溫度計套管，并在套管內(nèi)放置溫度計或溫度傳感器[1]。

圖1 連續(xù)攪拌反應(yīng)釜的結(jié)構(gòu)示意圖

2 反應(yīng)釜智能控制設(shè)計研究

2.1 反應(yīng)釜智能控制方案設(shè)計研究

反應(yīng)釜的被控制對象為溫度，反應(yīng)釜內(nèi)的物料和各系統(tǒng)參數(shù)決定了系統(tǒng)傳遞函數(shù)。采用PID控制和模糊控制相結(jié)合的復(fù)合控制方法，模糊控制適合于模型未知或多變的控制系統(tǒng)，具有適應(yīng)性強和控制靈活的顯著優(yōu)勢，還可以有效抑制噪聲干擾，通過模糊控制對系統(tǒng)進(jìn)行定性分析，并通過PID控制對控制系統(tǒng)進(jìn)行定量描述，使系統(tǒng)控制更為穩(wěn)定精確，使被控變量同時具備較好的靜態(tài)特性和動態(tài)特性。

根據(jù)測量值和設(shè)定值之間的偏差大小不同，設(shè)計了如下方案：系統(tǒng)偏差較小時，通過采用PID控制提高穩(wěn)態(tài)精度；當(dāng)系統(tǒng)偏差較大時，通過采用模糊控制，實現(xiàn)了大范圍的快速調(diào)節(jié)，將ε作為模糊控制和PID控制的分界點，2段分擋控制原理如圖2所示。

圖2 2段分擋控制原理圖

系統(tǒng)反應(yīng)初期處于升溫階段，實際測量值和設(shè)定值之間存在較大溫差，此時通過采用模糊控制使調(diào)節(jié)閥輸出最大，使系統(tǒng)實際溫度盡快接近系統(tǒng)的設(shè)定溫度。在此過程中，應(yīng)對調(diào)節(jié)閥進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，隨溫差的減小逐步降低調(diào)節(jié)閥輸出，直到溫差降至ε時再將控制方式轉(zhuǎn)為PID控制。當(dāng)溫差接近系統(tǒng)設(shè)定溫度時，應(yīng)及時關(guān)閉蒸汽閥門，以防止升溫超調(diào)量過大。反應(yīng)過程中會伴隨大量的熱量放出，即使停止加熱，系統(tǒng)溫度也會在某段時間內(nèi)呈上升趨勢，具有較大的時滯性，所以停止加熱后需要開起冷卻劑閥門，盡量使系統(tǒng)處于恒溫狀態(tài)。恒溫階段是整個工藝的關(guān)鍵，要求控制系統(tǒng)應(yīng)該具備較高的控制精度，此時要采用一段高分辨率的PID控制或高分辨率的模糊控制才可以實現(xiàn)恒溫控制功能，在很大偏差范圍內(nèi)，系統(tǒng)是通過模糊控制器對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)的。當(dāng)偏差較小時，系統(tǒng)采用的是PID控制，在整個控制過程中，這一偏差范圍所占比例較小，所以模糊控制器對整個控制器的性能影響較大。模糊控制對模型未知或多變的控制系統(tǒng)具有很好的適應(yīng)性，模糊控制原理框圖如圖3所示。

圖3 模糊控制原理框圖

在模擬控制系統(tǒng)中，PID控制是控制器較為常用的控制規(guī)律，該系統(tǒng)在常規(guī)PID算法中加入一個低通濾波器，采用了不完全微分PID控制算法，其原理圖如圖4所示。

圖4 不完全微分PID控制算法結(jié)構(gòu)圖

2.2 反應(yīng)釜智能控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計研究

反應(yīng)釜智能控制系統(tǒng)的硬件電路主要由主控制器、電源、過零檢測電路、數(shù)字溫度計和輸出控制電路等部分組成，系統(tǒng)硬件電路如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)硬件電路圖

AT89C2051單片機是該系統(tǒng)的主控制器，AT89C2051是一款與MCS一51系列單片機完全兼容的8位單片機，它有2個16位定時/計數(shù)器、128字節(jié)的內(nèi)部RAM、2KB Flash程序存儲器、15條可編程I/O線、1個全雙工串行UART接口、5個可設(shè)定為兩級優(yōu)先級的中斷源，AT89C2051單片機的功耗較低。DS18B20單線集成溫度傳感器是系統(tǒng)的溫度采集模塊，具有測溫速度快、互換性好和精度高的顯著優(yōu)點，本身內(nèi)置了溫度傳感器，不需要A/D轉(zhuǎn)換電路，與單片機的1位I/O線相互連接，4片DS18B20可以同時掛接在1條I/O線上，單片機的I/O口線資源得到了節(jié)省，具有傳輸距離遠(yuǎn)、通信方便和抗干擾性好等優(yōu)點，在遠(yuǎn)距離溫度采集中可以得到很好的應(yīng)用。通過采用1片8位串行輸入D/A轉(zhuǎn)換器MAX518可以將控制信號送入電動執(zhí)行器實現(xiàn)模擬量的輸出。控制冷卻閥門和加熱閥門開度的工作主要是由D/A轉(zhuǎn)換器MAX518完成的，其可以完成兩路D/A轉(zhuǎn)換。電壓信號通過D/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的電流信號，進(jìn)而實現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。開關(guān)量輸出通道采用的是雙向可控硅控制交流電動機，通過軟件延時及過零檢測對雙向可控硅的導(dǎo)通角進(jìn)行有效控制，進(jìn)而控制電動機的轉(zhuǎn)速和導(dǎo)通時間，使電動機無級調(diào)速成為可能。反應(yīng)釜智能控制系統(tǒng)還設(shè)計了4個8位LED數(shù)碼管、8個薄膜開關(guān)、5個發(fā)光二極管，可通過上述設(shè)備元件實現(xiàn)工作狀態(tài)的設(shè)定及顯示功能。

2.3 反應(yīng)釜智能控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計研究

該系統(tǒng)采用了模塊化的軟件設(shè)計思想，系統(tǒng)主要包括主程序、PID控制算法子程序、模糊控制算法子程序、過零檢測中斷服務(wù)子程序、溫度采集子程序和定時器l中斷服務(wù)子程序等模塊。本文對主程序、PID控制算法子程序和模糊控制算法子程序3個模塊進(jìn)行了詳細(xì)論述。

2.3.1 主程序設(shè)計

系統(tǒng)上電后，通過過零中斷間接控制系統(tǒng)定時，使反應(yīng)釜溫度的采集、控制量計算和輸出工作由DS18B20數(shù)字溫度計功能模塊負(fù)責(zé)完成，主程序流程圖如圖6所示[4]。

圖6 主程序流程圖

當(dāng)Tl定時器溢出中斷、按鍵被按下或是過零中斷發(fā)生時，系統(tǒng)開始執(zhí)行與之相對應(yīng)的中斷服務(wù)子程序；系統(tǒng)沒有發(fā)生中斷時，程序?qū)崿F(xiàn)發(fā)光二極管和LED數(shù)碼管的動態(tài)顯示。該系統(tǒng)將顯示的字段碼存放在3AH至3EH地址當(dāng)中，通過74HC164實現(xiàn)了串行輸入及并行輸出。

2.3.2 PID控制子系統(tǒng)

PID控制算法的流程如圖7所示。

2.3.3 模糊控制算法子程序

該系統(tǒng)采用基于規(guī)則修改的自適應(yīng)模糊控制，由計算機在線確定模糊控制算法的控制規(guī)則，模糊控制器模糊算法流程如圖8所示。

圖7 PID控制算法流程圖

圖8 模糊控制算法子程序流程圖

3 結(jié)語

本系統(tǒng)通過采用改進(jìn)的PID控制及自適應(yīng)模糊控制相結(jié)合的控制方法，設(shè)計了一種反應(yīng)釜智能控制系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)偏差分擋進(jìn)行控制，系統(tǒng)集模糊控制適應(yīng)性強、控制靈活及PID控制穩(wěn)態(tài)精度高的優(yōu)點于一身，完全可以達(dá)到系統(tǒng)所要求的控制精度及要求，有很大的應(yīng)用空間。

[1] 楊軍民. 反應(yīng)釜溫度控制的研究現(xiàn)狀及化工自動化發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 廣東化工，2010(5)：288-290.

[2] 董立新，萬小華，顧幸生. 基于西門子PCS7的攪拌反應(yīng)釜連續(xù)反應(yīng)控制系統(tǒng)[J]. 華東理工大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2011(4):496-501.

[3] 黃昌遠(yuǎn). 基于粒子群優(yōu)化算法的反應(yīng)釜溫度預(yù)測控制研究與應(yīng)用[D].杭州：浙江理工大學(xué)，2014.

[4] 張鐸，蔡曉君，周士達(dá). 小型數(shù)控雕刻機控制系統(tǒng)設(shè)計[J].新技術(shù)新工藝，2014(4)：28-31.

責(zé)任編輯李思文

ResearchonDesignandIntelligentControlandRelatedStirringPerformanceParametersbasedonReactor

ZHANG Zhongling1，2

(1.Ningbo Easy Link Technology Co., Ltd., Ningbo 315000, China；2.Ningbo Conda Art Material Group Co.,

The reactor has a broad application of a chemical reactor, which has a strong time-delay, nonlinear, time-varying and other defects, it is difficult to establish a precise mathematical model for the reaction system , and the classic , modern control optimal control theory in the reactor control is also not fully reflected. To solve the above problems, this paper based on the analysis of the heat transfer characteristics of the reactor, designed a reactor intelligent control system. Through the intelligent controller effective control the reactor temperature gradient. It is great significance of improving the quality of chemical production.

reactor, intelligent controller, agitation, temperature, performance parameters

TP 27

：A

張中領(lǐng)(1970-)，男，研發(fā)總監(jiān)，工程師 ，主要從事機電一體化等方面的研究。

2015-01-12