基于PCS7的聚合反應(yīng)器系統(tǒng)控制策略仿真實(shí)現(xiàn)

錢(qián)琳琳，朱博帆，何毅晨，羅 軍

（北京聯(lián)合大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，北京 100101）

聚合反應(yīng)是高分子放熱反應(yīng)生產(chǎn)過(guò)程，反應(yīng)器內(nèi)溫度高、壓力大，變量具有非線性、大時(shí)滯以及強(qiáng)慣性等特性，因此如何使反應(yīng)器中的各個(gè)變量的控制達(dá)到“穩(wěn)、準(zhǔn)、快”，一直是化工過(guò)程控制領(lǐng)域的難點(diǎn)。

SMPT1000高級(jí)多功能過(guò)程控制實(shí)訓(xùn)裝置是將全數(shù)字仿真技術(shù)與半實(shí)物實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)合，專(zhuān)門(mén)用于對(duì)多種化工生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)驗(yàn)仿真，尤其適合具有高復(fù)雜性和高危險(xiǎn)性的聚合反應(yīng)器的仿真。該裝置由立體流程設(shè)備盤(pán)臺(tái)、高精度工業(yè)仿真引擎及實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)軟件、IO接口與輔助操作臺(tái)及工業(yè)控制系統(tǒng)四部分組成， 它提供了典型的 4～20 mA、DI/DO、Profibus DP、OPC等信號(hào)接口，可與多種控制廠商的控制器互連[1]。

本文針對(duì)SMPT1000中的聚合反應(yīng)器仿真裝置進(jìn)行了控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，構(gòu)建了混合罐液位及B料流量比例控制、反應(yīng)器液位及C料流量比例控制、閃蒸罐液位控制、反應(yīng)器溫度控制、閃蒸罐壓力控制、反應(yīng)產(chǎn)物流量控制6個(gè)控制回路，選用西門(mén)子公司的SIMATIC PCS7過(guò)程控制系統(tǒng)平臺(tái)及STEP7 V5.4組態(tài)軟件實(shí)施控制方案。仿真結(jié)果證明了方案中各控制策略的可行性和高效性[2]。

1 工藝流程、控制要求與特性分析

1.1 工藝流程原理

如圖1所示為一個(gè)含上下游工藝的反應(yīng)器流程，包括混合罐、預(yù)熱器、反應(yīng)器和閃蒸罐4個(gè)部分。工藝核心為原料A與原料B在催化劑C的作用下，生成主產(chǎn)物D和副產(chǎn)物E，反應(yīng)方程式為

圖1 反應(yīng)器工藝流程Fig.1 Process flow of reactor

式中，主反應(yīng)生成物D是所需產(chǎn)品，副反應(yīng)生成物E是雜質(zhì)，主、副反應(yīng)均為強(qiáng)放熱反應(yīng)。為了獲得較高轉(zhuǎn)化率，采用A物料過(guò)量的工藝，成品轉(zhuǎn)化率計(jì)算公式為D/B×100%。

原料A與原料B分別由A進(jìn)料泵P101、進(jìn)料閥門(mén)FV1101、B進(jìn)料泵P102、進(jìn)料閥門(mén)FV1102輸送進(jìn)入混合罐V101內(nèi)混合；混合物料經(jīng)預(yù)熱器E101預(yù)熱升溫后，進(jìn)入反應(yīng)器R101進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)所需的催化劑C由催化劑輸送泵P103、進(jìn)料閥門(mén)FV1104從反應(yīng)器頂部加入；在反應(yīng)過(guò)程中，反應(yīng)放熱強(qiáng)烈，因此R101需要使用從閥門(mén)FV1201進(jìn)入夾套的冷卻水進(jìn)行冷卻，反應(yīng)溫度、停留時(shí)間、反應(yīng)物料濃度及混合配比最終影響產(chǎn)品D的轉(zhuǎn)化率；反應(yīng)體系氣相壓力對(duì)溫度敏感，在冷卻失效產(chǎn)生的高溫條件下，過(guò)高的氣相壓力將使反應(yīng)器有爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，在反應(yīng)器頂部設(shè)一路抑制劑，當(dāng)反應(yīng)壓力過(guò)高危及安全時(shí)，由閥門(mén)XV1101通入抑制劑F，該抑制劑會(huì)使催化劑C迅速中毒失活，從而迅速中止反應(yīng)；冷卻水被反應(yīng)器加熱后形成的熱水經(jīng)閥門(mén)FV1202通往E101預(yù)熱器對(duì)進(jìn)料進(jìn)行預(yù)熱，回收一部分熱量，多余的熱水經(jīng)閥門(mén)FV1203通往公用工程。R101反應(yīng)器底部出口物料含有產(chǎn)品D、雜質(zhì)E、催化劑C、以及未反應(yīng)的原料A和少量原料B，為了回收原料A，在反應(yīng)器下游設(shè)置閃蒸罐V102，將混合物中過(guò)量的原料A通過(guò)真空泵P104和閥門(mén)PV1101分離提純，并循環(huán)使用；閃蒸罐V102底部產(chǎn)品D混合物料由輸送泵P105加壓經(jīng)閥門(mén)FV1106送入下游分離工序進(jìn)行提純精制。

1.2 控制需求分析

1.2.1 流量控制要求

根據(jù)工藝流程中主副反應(yīng)方程式，要求3股料A∶B∶C 的比例約為 9∶3∶1，在混合罐中 A 料與 B 料流量比為3∶1，在反應(yīng)器中A、B混合物料與C料的流量比為12∶1；要求閃蒸罐出口流量穩(wěn)定在一個(gè)固定值以保證產(chǎn)量。

1.2.2 液位控制要求

在滿足安全和工藝要求的前提下保證混合罐液位處于一定的液位高度；要求反應(yīng)器液位處于50%的穩(wěn)態(tài)值，以便有足夠的反應(yīng)停留時(shí)間，使化學(xué)反應(yīng)盡可能充分地進(jìn)行；要求產(chǎn)物及剩余原料在閃蒸罐進(jìn)行分離，保證閃蒸罐液位處于安全位置。

1.2.3 壓力安全控制要求

為保證生產(chǎn)安全，保證在整個(gè)反應(yīng)過(guò)程中壓力不超過(guò)140 kPa；為保證閃蒸罐正常工作，要求在整個(gè)過(guò)程中處于30～70 kPa壓力范圍內(nèi)。

1.2.4 溫度控制要求

打開(kāi)預(yù)熱器循環(huán)回水管線閥門(mén)后，一部分吸收反應(yīng)熱的循環(huán)冷卻水對(duì)混合物料進(jìn)行預(yù)熱，要求預(yù)熱器溫度在一定范圍；為保證反應(yīng)的安全進(jìn)行，需要反應(yīng)器溫度維持在穩(wěn)態(tài)值為95℃。

1.2.5 產(chǎn)物組分控制要求

為得到一定的轉(zhuǎn)化率的產(chǎn)品，要求對(duì)反應(yīng)器最終產(chǎn)物的組份進(jìn)行控制，要求產(chǎn)物D組分穩(wěn)態(tài)值達(dá)到78%以上。

1.2.6 安全因素控制

設(shè)計(jì)報(bào)警和停車(chē)方案，在混合罐液位、反應(yīng)器液位、閃蒸罐液位、反應(yīng)器壓力、閃蒸罐壓力超出設(shè)計(jì)要求范圍時(shí)，視其嚴(yán)重程度分別進(jìn)行報(bào)警和停車(chē)。

1.2.7 節(jié)能環(huán)保指標(biāo)控制

出于對(duì)效能、環(huán)境等因素的考慮，要求在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)施中對(duì)冷卻水用量、冷水回收利用等予以充分考慮。

1.3 對(duì)象特性分析

1.3.1 液位的影響因素分析

影響液位的決定性因素是各個(gè)罐的入口和出口閥門(mén)的流量。對(duì)混合罐液位沒(méi)有明確的高度要求，控制中主要從安全和優(yōu)化方面考慮；反應(yīng)器液位有具體穩(wěn)態(tài)指標(biāo)，主要從控制效果方面考慮；閃蒸灌液位沒(méi)有明確的穩(wěn)態(tài)值表要求，設(shè)計(jì)師主要從安全及工藝方面考慮即可。

1.3.2 壓力的影響因素分析

在空間一定的情況下，影響壓力的因素主要是溫度。反應(yīng)器的液位控制在50%前提下，影響反應(yīng)器壓力的主要因素是反應(yīng)器的溫度。影響閃蒸罐的壓力的主要因素是閃蒸罐體積、閃蒸罐內(nèi)的溫度以及真空泵的頻率?？刂谱￠W蒸罐的液位后，相當(dāng)于使閃蒸罐的體積一定；閃蒸罐溫度主要由反應(yīng)器出料決定，相對(duì)穩(wěn)定；可以通過(guò)調(diào)整真空泵變頻器頻率來(lái)控制閃蒸罐的壓力。

1.3.3 反應(yīng)器溫度的影響因素分析

反應(yīng)器中物料的化學(xué)反應(yīng)是一個(gè)劇烈的放熱反應(yīng)（主副反應(yīng)均為劇烈的放熱反應(yīng)），發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后，如果不加控制，反應(yīng)器溫度會(huì)快速上升，而且反應(yīng)器壓力也會(huì)躥升。影響反應(yīng)器溫度的主要因素有 A、B、C 進(jìn)料量、A、B、C 物料比、冷水流量等。 在不同階段溫度受到的變化因素會(huì)有不同，在溫度上升階段，主要影響因素是A、B、C進(jìn)料量和A、B、C物料比；在穩(wěn)態(tài)階段，冷水流量是影響溫度的最主要因素。

1.3.4 產(chǎn)物組分的影響因素分析

影響組分的主要因素是A、B、C進(jìn)料比，該比例決定了組分的最大值；其次，反應(yīng)器溫度上升的快慢影響組分上升的速度；再次，閃蒸罐液位的大小影響組分上升的速度。

1.3.5 冷水流量累計(jì)的影響因素分析

冷水的消耗主要是在液位、溫度、組分依次進(jìn)入穩(wěn)態(tài)值后。A料和B料的混合物在C料的催化下生成產(chǎn)物D，一定的液位條件下，發(fā)生較為充分的化學(xué)反應(yīng)，放出大量的熱量。為了把反應(yīng)器溫度控制在95℃左右，必須依靠冷水降溫。

2 反應(yīng)器控制策略設(shè)計(jì)

用戶對(duì)反應(yīng)器液位、反應(yīng)器溫度、閃蒸罐壓力和反應(yīng)產(chǎn)物流量提出了穩(wěn)態(tài)控制要求，綜合考慮穩(wěn)態(tài)要求、產(chǎn)量要求、能耗要求和安全要求，設(shè)計(jì)了混合罐液位及B料流量比例控制回路、反應(yīng)器液位及C料流量比例控制回路、閃蒸罐液位控制回路、反應(yīng)器溫度控制回路、閃蒸罐壓力控制回路、反應(yīng)產(chǎn)物流量控制回路。另外，產(chǎn)物組分主要由A、B、C流量比決定，其中核心算法為復(fù)合PID控制算法。

2.1 混合罐液位及B料流量比例控制回路

混合罐液位不是用戶要求必須控制的變量，但考慮到它是整個(gè)工藝流程的源頭，混合罐液位穩(wěn)定與否影響著反應(yīng)器變量的穩(wěn)定，混合罐液位穩(wěn)定值的大小也與整個(gè)系統(tǒng)優(yōu)化有關(guān)，為此設(shè)計(jì)該回路?；旌瞎抟何恢饕蹵料進(jìn)料閥門(mén)FV1101、B料進(jìn)料閥門(mén)FV1102以及出料閥門(mén)FV1103的影響，這里選擇進(jìn)料閥作為混合罐液位的執(zhí)行器，同時(shí)考慮A、B進(jìn)料的流量比值約為3∶1，設(shè)計(jì)了混合罐液位及B料流量比例控制回路。如圖2所示，下半部分為混合罐液位控制回路，被控變量為混合罐液位LI1101，執(zhí)行器為A料進(jìn)料調(diào)節(jié)閥FV1101；上半部分為B流量比例單回路控制，被控變量為B料流量，以A料流量乘以比例系數(shù)K作為該回路的給定值，執(zhí)行器是B料進(jìn)料調(diào)節(jié)閥FV1102。

圖2 混合罐液位及B料流量比例控制回路Fig.2 Proportional control loop of mixing tank level and material B flow

2.2 反應(yīng)器液位及C料流量比例控制回路

反應(yīng)器液位LI1102主要受A、B混合料進(jìn)料閥門(mén)FV1103、催化劑C料進(jìn)料閥門(mén)FV1104以及出料閥門(mén)FV1105流量的影響。這里選擇進(jìn)料閥作為反應(yīng)器液位的執(zhí)行器，同時(shí)考慮A、B、C進(jìn)料的流量比值約為9∶3∶1，為此設(shè)計(jì)了反應(yīng)器液位及C料流量比例控制回路。如圖3所示，下半部分為反應(yīng)器液位控制回路，被控變量為反應(yīng)器液位LI1102，執(zhí)行器為A、B混合料進(jìn)料調(diào)節(jié)閥FV1103；上半部分為C流量比例單回路控制，被控變量為C料流量，以A、B混合物料流量乘以比例系數(shù)K作為該回路的給定值，執(zhí)行器是C料進(jìn)料調(diào)節(jié)閥FV1104。

圖3 反應(yīng)器液位及C料流量控制回路Fig.3 Proportional control loop of reactor level and material C flow

2.3 反應(yīng)器溫度控制回路

反應(yīng)器溫度上升階段主要取決于A、B、C料的比例、進(jìn)料量、停留時(shí)間和化學(xué)反應(yīng)程度。在上升階段通過(guò)前期小流量、中期大流量、后期中流量的方式，既保障溫度上升的速度，又能壓制超調(diào)；自反應(yīng)器內(nèi)化學(xué)反應(yīng)開(kāi)始后，通過(guò)調(diào)節(jié)冷卻水的流量來(lái)控制反應(yīng)器溫度。選擇冷卻水閥門(mén)FV1201作為執(zhí)行器來(lái)控制反應(yīng)器溫度TI1103。

2.4 閃蒸罐液位控制回路

閃蒸罐液位也不是用戶要求必控的變量，但考慮到該變量的穩(wěn)定影響著閃蒸罐壓力，其穩(wěn)態(tài)值大小影響著組分提升的速度，為此設(shè)計(jì)該回路。閃蒸灌液位LI1201主要受進(jìn)料閥門(mén)FV1105、產(chǎn)物D出料閥門(mén)FV1106、循環(huán)物料A蒸出閥門(mén)PV1101的影響，這里選擇進(jìn)料閥門(mén)FV1105作為執(zhí)行器控制閃蒸罐液位LI1201。

2.5 反應(yīng)產(chǎn)物流量控制回路

反應(yīng)產(chǎn)物流量FI1106主要受進(jìn)料閥門(mén)FV1105和產(chǎn)物出口閥門(mén)FV1106的影響，這里選擇FV1106作為執(zhí)行器來(lái)控制產(chǎn)物流量FI1106，累計(jì)形成產(chǎn)量。

2.6 閃蒸罐壓力控制回路

影響閃蒸罐壓力的因素有閃蒸罐溫度、出料流量、進(jìn)料流量等多個(gè)因素，但是真空泵頻率對(duì)閃蒸罐的壓力影響最明顯。由于存在2個(gè)調(diào)節(jié)器，為保證產(chǎn)量以及控制效果，將循環(huán)原料A出口閥PV1101全開(kāi)，以真空泵P104作為執(zhí)行器，調(diào)節(jié)真空泵電機(jī)的變頻器頻率，間接控制閃蒸罐壓力。

3 控制策略在PCS7上的實(shí)現(xiàn)及其控制效果分析

3.1 反應(yīng)器系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上由下至上依次為現(xiàn)場(chǎng)級(jí)、車(chē)間級(jí)和管理級(jí)，現(xiàn)場(chǎng)級(jí)與車(chē)間級(jí)的通信使用西門(mén)子的Profibus-DP通信協(xié)議，車(chē)間級(jí)和管理級(jí)之間使用Ethernet工業(yè)以太網(wǎng)通信協(xié)議。AS站（西門(mén)子S7-400H型PLC）、工程師站（ES站）以及操作員站（OS站）置于控制室內(nèi)，AS站通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)模塊CP443-1與工程師站、操作員站通信，AS站通過(guò)Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與放置在現(xiàn)場(chǎng)的ET200M遠(yuǎn)程I/O的通訊[3]。

3.2 反應(yīng)器系統(tǒng)的軟件和算法

3.2.1 反應(yīng)器系統(tǒng)的軟件

PCS7是西門(mén)子公司的高級(jí)過(guò)程控制系統(tǒng)平臺(tái)，從傳感器、執(zhí)行器到控制器，再到上位機(jī)，自下而上形成完整的TIA（全集成自動(dòng)化）架構(gòu)。SIMATIC Manager是整個(gè)系統(tǒng)的核心，是其他所有應(yīng)用程序的管理門(mén)戶，包括工廠視圖、組件視圖和過(guò)程視圖3種視圖模式；HW Configure包含整個(gè)硬件系統(tǒng)的組態(tài)，例如電源、CPU、通訊卡等，CFC和SFC編輯器用來(lái)建立連續(xù)功能圖控制程序和順序控制圖控制程序；上位機(jī)組態(tài)編輯器WinCC V6.2用于組態(tài)控制界面[4]。

本系統(tǒng)在西門(mén)子PCS7過(guò)程控制平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)，硬件組態(tài)采用STEP7軟件完成，各個(gè)變量控制回路程序使用CFC連續(xù)功能控制圖表完成，控制算法使用結(jié)構(gòu)化控制語(yǔ)言SCL來(lái)實(shí)現(xiàn)，安全和報(bào)警連鎖保護(hù)使用順序功能控制SFC來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.2.2 反應(yīng)器系統(tǒng)的控制算法

鑒于用戶對(duì)控制指標(biāo)要求較高，而普通數(shù)字PID難以解決動(dòng)穩(wěn)態(tài)指標(biāo)之間的矛盾，又考慮到模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能算法在實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用不便，為此這里采用了經(jīng)過(guò)改進(jìn)的復(fù)合PID控制算法。改進(jìn)之處不同的控制階段采用不同的控制算法，在被控變量的主要上升階段，控制器輸出變梯度初始開(kāi)度法，力爭(zhēng)以最快的速度達(dá)到給定值附近，并有效消除積分飽和；在接近給定值處，加上位置型PID算法的控制塊，抑制超調(diào)，盡快消除穩(wěn)態(tài)誤差。帶有復(fù)合PID控制算法的控制系統(tǒng)框圖如圖4 所示[5]。

圖4 帶有復(fù)合PID控制算法系統(tǒng)Fig.4 System block diagram with compound PID control algorithm

3.3 控制效果分析

SMPT1000高級(jí)多功能過(guò)程控制實(shí)訓(xùn)裝置不僅包含若干高精度工業(yè)仿真引擎，而且在軟件中包含實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)軟件和實(shí)驗(yàn)運(yùn)行評(píng)分軟件，如圖5所示，在滿分為60分的情況下，該控制系統(tǒng)運(yùn)行控制效果得分為56.01分，不僅達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，而且各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了優(yōu)秀。圖6所示為混合罐液位LI1101、反應(yīng)器的溫度TI1103、反應(yīng)器液位LI1102、閃蒸罐壓力PI1103、產(chǎn)品D的流量FI1106、產(chǎn)品D的組分AI1101等趨勢(shì)曲線。

圖5 SMPT1000評(píng)分軟件打分結(jié)果Fig.5 SMPT1000 score result

圖6 液位LI1102、溫度 TI1103、流量 FI1106和壓力PI1103等的趨勢(shì)曲線Fig.6 Trend curve of level LI1102，temperature TI1103，flow FI1106，pressure PI1103

從圖6可以看出，反應(yīng)器液位LI1102的峰值為50.365 cm，超調(diào)量為0.73%，調(diào)節(jié)時(shí)間約為 40 s，穩(wěn)態(tài)值約為49.978 cm，穩(wěn)態(tài)誤差為0.044%；反應(yīng)器的溫度TI1103的峰值為95.973℃，超調(diào)量為0.75%，調(diào)節(jié)時(shí)間約為55 s，穩(wěn)態(tài)值約為95.007℃，穩(wěn)態(tài)誤差為0.00074%；閃蒸罐壓力PI1103峰值48.155 kPa，超調(diào)量3.6%，調(diào)節(jié)時(shí)間約為30s，穩(wěn)態(tài)值49.969 kPa，穩(wěn)態(tài)誤差為0.062%；產(chǎn)物流量FI1106峰值7.561 kg/s，超調(diào)量0.813%，調(diào)節(jié)時(shí)間約為20s，穩(wěn)態(tài)值7.501 kg/s，穩(wěn)態(tài)誤差為0.13%。

反應(yīng)器壓力PI1102由始至終在140 kPa以?xún)?nèi)，完全滿足用戶控制要求；開(kāi)車(chē)時(shí)間420 s，組分AI1101在開(kāi)車(chē)時(shí)間后均滿足78%以上的濃度，產(chǎn)量累計(jì)14959 kg。

表1所示為實(shí)際達(dá)到的動(dòng)、穩(wěn)態(tài)指標(biāo)與用戶要求的動(dòng)、穩(wěn)態(tài)指標(biāo)的對(duì)照。

表1 穩(wěn)態(tài)指標(biāo)和動(dòng)態(tài)指標(biāo)對(duì)照表Tab.1 Comparison of steady state index and dynamic index

4 結(jié)語(yǔ)

本文在基于數(shù)字技術(shù)的半實(shí)物仿真平臺(tái)SMPT1000綜合過(guò)程實(shí)訓(xùn)裝置上，通過(guò)西門(mén)子PCS7過(guò)程控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)并完成了聚合反應(yīng)器綜合系統(tǒng)的過(guò)程控制。所設(shè)計(jì)的6個(gè)控制回路，在穩(wěn)態(tài)要求、產(chǎn)量要求、能耗要求和安全要求方面，不僅達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，整個(gè)設(shè)計(jì)中體現(xiàn)了安全和節(jié)能的思想，且操作簡(jiǎn)單、可行性好，運(yùn)行結(jié)果表明控制效果很好。由于實(shí)現(xiàn)了“穩(wěn)、準(zhǔn)、快、省”的控制要求，該方案用于2016年西門(mén)子杯工業(yè)自動(dòng)化挑戰(zhàn)賽設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)賽項(xiàng)的比賽，在具體實(shí)施中通過(guò)評(píng)分系統(tǒng)自動(dòng)打分獲得第一名，綜合成績(jī)獲得全國(guó)總決賽特等獎(jiǎng)。

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