反應(yīng)釜連續(xù)反應(yīng)多變量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

史冬琳，蔡子強(qiáng)，周浩杰，呂 鑫

(東北電力大學(xué) 自動化工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

連續(xù)反應(yīng)釜在化工生產(chǎn)過程中是一種常用的反應(yīng)容器[1]，其內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)具有非線性、時(shí)變、多擾動等特性，精確的數(shù)學(xué)模型難以建立，且現(xiàn)場環(huán)境對生產(chǎn)人員身體健康傷害極大.設(shè)計(jì)在線控制[2]，可對反應(yīng)進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，降低人員進(jìn)入工業(yè)現(xiàn)場頻率，保證加工過程中釜內(nèi)液位、溫度、產(chǎn)物濃度的變化符合理想工藝曲線，從而提高產(chǎn)物質(zhì)量及產(chǎn)量，達(dá)到較高的經(jīng)濟(jì)效益.

文獻(xiàn)[3～5]提出采用上位機(jī)監(jiān)控界面和下位機(jī)控制器相結(jié)合的方法，來實(shí)現(xiàn)對反應(yīng)過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控，驗(yàn)證了在解決人員進(jìn)入工業(yè)現(xiàn)場頻率問題上的可行性.而針對一般仿真系統(tǒng)，采取的是理想情況，未考慮化工生產(chǎn)過程中各控制回路之間存在的影響，也未考慮干擾值的影響，使得所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)魯棒性較差，且難以適應(yīng)實(shí)際化工生產(chǎn)過程中惡劣的環(huán)境和反應(yīng)釜內(nèi)部參數(shù)迅速的變化.

SMPT1000取材于過程工業(yè)常見的被控對象，例如鍋爐與蒸發(fā)器構(gòu)成的水汽熱能系統(tǒng)，連續(xù)反應(yīng)釜系統(tǒng)等，廣泛見于石油、化工、冶金、制藥、食品、生物、電力等過程工業(yè)的生產(chǎn)裝置中，它能有效的幫助我們對工業(yè)過程生產(chǎn)進(jìn)行研究[6～9].本文針對SMPT1000實(shí)驗(yàn)平臺中的反應(yīng)釜過程，使用西門子PCS7過程控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一套連續(xù)反應(yīng)釜液位、溫度、產(chǎn)物濃度控制系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)進(jìn)料比例，減溫水閥開度，及產(chǎn)物出口閥開度使反應(yīng)釜中三個(gè)主要變量達(dá)到穩(wěn)定，并通過PID參數(shù)在線整定克服了各控制回路之間存在的影響，通過擾動測試驗(yàn)證了系統(tǒng)具有一定的魯棒性.其中下位機(jī)使用S7-400進(jìn)行軟件編程，實(shí)現(xiàn)對SMPT1000反應(yīng)釜系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集以及相關(guān)的PID回路控制；上位機(jī)使用WinCC組態(tài)軟件搭建監(jiān)控界面，用于監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行及PID參數(shù)在線整定.

1 工藝描述

本文所描述被控對象的反應(yīng)過程為反應(yīng)物A、反應(yīng)物B以及催化劑C發(fā)生反應(yīng)，生成產(chǎn)物D.其工藝流程圖，如圖1所示.

圖1 工藝流程圖

具體工藝過程描述如下：首先打開FV1203，開始B進(jìn)料；當(dāng)液位達(dá)到50%，打開FV1201，開始A進(jìn)料；當(dāng)液位到達(dá)60%，打開FV1202，且保證液位穩(wěn)定在60%±1%；接著打開攪拌閥HS1101，然后打開加熱開關(guān)HS1102，誘發(fā)反應(yīng)；打開FV1104，開始催化劑進(jìn)料；當(dāng)溫度TI1201上升到40 ℃，關(guān)閉加熱水開關(guān)，如果此時(shí)溫度繼續(xù)上升，則反應(yīng)誘發(fā)成功；調(diào)節(jié)冷卻水進(jìn)料使反應(yīng)器溫度緩慢上升，直到到達(dá)70 ℃，并且使其穩(wěn)定在(70±1) ℃；整個(gè)過程要求壓力PI1201不超過1.2 MPa.

該控制過程可分為三個(gè)部分：(1)控制液位達(dá)到給定值讓反應(yīng)有較大的停留時(shí)間；(2)升溫升壓使釜內(nèi)溫度達(dá)到最佳反應(yīng)溫度；(3)通過報(bào)警監(jiān)控畫面在線調(diào)整使液位、溫度、產(chǎn)物濃度穩(wěn)定在工藝要求范圍，并確保整個(gè)反應(yīng)過程安全有序進(jìn)行.

2 控制策略

2.1 過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對反應(yīng)釜中液位、溫度、產(chǎn)物濃度在反應(yīng)進(jìn)行時(shí)變化特性[10]，分別設(shè)計(jì)了前饋—串級控制系統(tǒng)、串級控制系統(tǒng)、變比值控制系統(tǒng)，原理圖如圖2所示.

圖2 反應(yīng)釜控制原理圖

液位、溫度、產(chǎn)物濃度控制回路中控制器均采用PID控制器，其控制規(guī)律如表1所示.

表1 反應(yīng)釜基本控制回路及控制規(guī)律

2.2 順序控制

順序控制是通過PCS7中順序功能圖SFC完成.順序功能圖是一種新穎的、按照工藝流程圖進(jìn)行編程的圖形編程語言，在程序中可直觀地看到設(shè)備動作順序，方便尋找故障所在；也不需要復(fù)雜的互鎖電路，容易設(shè)計(jì)和維護(hù).該系統(tǒng)的順序功能圖SFC設(shè)計(jì)流程，如圖3所示.

圖3 順序控制設(shè)計(jì)流程圖

2.3 WinCC組態(tài)監(jiān)控畫面

WinCC可編輯要在操作員站上顯示給操作員并用于過程控制的仿真圖形，可在創(chuàng)建過程畫面時(shí)自動插入所有塊圖標(biāo)；另外WinCC還可以歸檔過程值，歸檔消息和報(bào)警，設(shè)計(jì)過程值或消息的打印輸出布局，通過OPC訪問PCS7的數(shù)據(jù)[10～12].

利用WinCC 7.2組態(tài)軟件開發(fā)的監(jiān)控界面，如圖4所示.圖4(a)為系統(tǒng)運(yùn)行縱觀界面，負(fù)責(zé)在線監(jiān)視反應(yīng)釜生產(chǎn)全過程；圖4(b)為控制柜界面，負(fù)責(zé)在線PID參數(shù)整定及開車、停車，保證系統(tǒng)運(yùn)行安全.

圖4 WinCC組態(tài)監(jiān)控界面

3 控制系統(tǒng)實(shí)施及結(jié)果分析

對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行組態(tài)，實(shí)現(xiàn)S7-400與工控組態(tài)軟件WinCC的通信之后，在WinCC組態(tài)監(jiān)控界面中運(yùn)行SFC，同時(shí)運(yùn)行SMPT1000實(shí)驗(yàn)軟件.反應(yīng)釜處于開車運(yùn)行中，各執(zhí)行機(jī)構(gòu)按照開車順序控制的要求啟動，經(jīng)過一段時(shí)間，系統(tǒng)全部投入自動，穩(wěn)定運(yùn)行.

圖5 反應(yīng)釜開車控制系統(tǒng)運(yùn)行曲線

SMPTlab趨勢圖監(jiān)控畫面的運(yùn)行曲線，如圖5所示.圖5中a部分為系統(tǒng)從開車到全部投入自動過程，圖中曲線LI1201、TI1201、AI1101、PI1201分別是反應(yīng)釜液位、溫度、產(chǎn)物濃度、壓力的趨勢曲線.其中釜內(nèi)液位、溫度、產(chǎn)物濃度操作員設(shè)定值分別為60%、70 ℃、10%，釜內(nèi)壓力要求不超過1.2 MPa.

待系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后，首先打開加熱開關(guān)，對溫度進(jìn)行擾動測試，待溫度重新穩(wěn)定在70 ℃左右一段時(shí)間后，再關(guān)閉加熱開關(guān)，直到溫度再次穩(wěn)定在70 ℃左右.測試曲線如圖5中b部分所示，其中(1)為打開加熱水開關(guān)擾動測試階段，(2)為關(guān)閉加熱水開關(guān)擾動測試階段.再對系統(tǒng)進(jìn)行提負(fù)荷測試，在控制柜界面中將產(chǎn)物濃度控制器的給定值改為12，等待濃度曲線上升到給定值并穩(wěn)定在12左右.升負(fù)荷測試曲線如圖5中c部分所示.

從動態(tài)開車過程中可以看到實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)釜液位全程控制、溫度全程控制；進(jìn)料、誘發(fā)反應(yīng)、升溫等順序動作均達(dá)到開車標(biāo)準(zhǔn)要求.在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間后，通過趨勢曲線圖可看出整個(gè)控制系統(tǒng)的控制效果較好，也較好的滿足了工藝要求.同時(shí)對溫度和產(chǎn)物濃度進(jìn)行擾動測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在添加擾動和改變給定值的情況下，系統(tǒng)仍能在較短的時(shí)間內(nèi)重新達(dá)到穩(wěn)態(tài)，且超調(diào)量較小，驗(yàn)證了系統(tǒng)具有一定的抗干擾能力和自適應(yīng)能力.

4 結(jié) 論

在SMPT-1000實(shí)驗(yàn)平臺上，設(shè)計(jì)連續(xù)反應(yīng)釜在線控制系統(tǒng)，降低了人員進(jìn)入現(xiàn)場頻率，避免了工業(yè)生產(chǎn)中化學(xué)反應(yīng)難以建立精確的數(shù)學(xué)模型的不足；通過建立WinCC組態(tài)監(jiān)控畫面，對反應(yīng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，根據(jù)趨勢曲線圖在線調(diào)整PID參數(shù)，保證加工過程中釜內(nèi)液位、溫度、產(chǎn)物濃度的變化符合理想工藝曲線.從實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)一鍵式啟、停，具有較好的安全性、穩(wěn)定性、簡便性、魯棒性，控制效果良好，并且提高了產(chǎn)物質(zhì)量及產(chǎn)量，具有較高的經(jīng)濟(jì)性.