基于PCS7的聚合反應(yīng)器溫度復(fù)合控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

， ，，，

(上海工程技術(shù)大學(xué) 電子電氣工程學(xué)院，上海 201620)

0 引言

聚合反應(yīng)器是一類常用在塑料、化學(xué)纖維、合成橡膠三大合成材料生產(chǎn)中的極為重要的化工設(shè)備[1-3]。由于其內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理非常復(fù)雜，因此以數(shù)學(xué)方法對(duì)控制對(duì)象建立精確模型十分困難。而且反應(yīng)放熱劇烈，傳熱效果不理想，因此反應(yīng)器溫度控制具有非線性、大時(shí)滯性以及強(qiáng)耦合性等特點(diǎn)，一直是工業(yè)控制領(lǐng)域的難點(diǎn)。

目前化工自動(dòng)化控制仍然以PID控制方法為主流，但對(duì)于非線性，時(shí)變不確定性系統(tǒng)，由于過程模型難以確立，存在參數(shù)難以調(diào)整，超調(diào)量過大，抗干擾能力弱，適應(yīng)性差等缺點(diǎn)，導(dǎo)致控制效果不佳[4]。針對(duì)PID控制存在的問題，相關(guān)學(xué)者相繼提出了一些先進(jìn)智能的PID控制方法，如非線性PID優(yōu)化控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制等。

本文在分析工業(yè)生產(chǎn)工藝流程和控制需求及特性的基礎(chǔ)上，一方面考慮到液位與溫度存在的耦合性，采用液位進(jìn)料比值控制，另一方面在PID控制的基礎(chǔ)上，利用模糊PID算法優(yōu)越的動(dòng)、靜態(tài)性能，控制精度準(zhǔn)確的優(yōu)勢(shì)，并結(jié)合專家控制調(diào)節(jié)迅速、平穩(wěn)、靈活性的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了模糊PID控制與冷熱水變比例多閥位開度控制的復(fù)合溫度控制策略，并通過PCS7構(gòu)建控制回路和設(shè)定控制流程，結(jié)合SMPT-1000中的聚合反應(yīng)器子平臺(tái)進(jìn)行了控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，有效改善溫度控制中的非線性、時(shí)滯性、耦合性等問題，提高溫度控制系統(tǒng)的品質(zhì)特性。

1 工藝流程及控制特性分析

所選被控對(duì)象為工業(yè)生產(chǎn)中常見的連續(xù)反應(yīng)過程。物料A，B的入口流量分別由進(jìn)料閥FV1101和FV1102控制，催化劑C入口流量由控制閥FV1103控制并與物料A，B按一定比例進(jìn)入反應(yīng)器混合進(jìn)行強(qiáng)烈的放熱反應(yīng)，生成稀液產(chǎn)物D，出口產(chǎn)物由出料閥FV1105控制并由其送至下游生產(chǎn)工序做進(jìn)一步分離提純，以備循環(huán)使用。夾套式冷卻水流量由調(diào)節(jié)閥FV1201控制，冷卻水吸收反應(yīng)器的放熱量形成熱水，一部分經(jīng)控制閥FV1202作為回收熱水進(jìn)入預(yù)熱器為反應(yīng)預(yù)熱，另一部分經(jīng)控制閥FV1203排放至公用工程。圖1為反應(yīng)器R101工藝流程，圖中TI1103和LI1102分別為反應(yīng)器溫度和液位的監(jiān)測(cè)量。

圖1 反應(yīng)器工藝流程

反應(yīng)物進(jìn)料一方面是聚合反應(yīng)產(chǎn)物質(zhì)量的關(guān)鍵，合適的進(jìn)料比能增加產(chǎn)物轉(zhuǎn)換率，從而提高出口產(chǎn)物D的濃度，另一方面為了維持出口物產(chǎn)量的穩(wěn)定，必須通過控制進(jìn)料來控制反應(yīng)器液位。在物料進(jìn)入反應(yīng)器反應(yīng)的前期，由于反應(yīng)器溫度還未達(dá)到反應(yīng)最佳溫度，導(dǎo)致反應(yīng)轉(zhuǎn)換率下降，影響產(chǎn)物濃度，所以前期需通過熱水對(duì)反應(yīng)物進(jìn)行預(yù)熱，加快反應(yīng)速率，提高產(chǎn)物轉(zhuǎn)換率。因?yàn)橹鞣磻?yīng)是一個(gè)劇烈的放熱反應(yīng)，屬于非自衡的危險(xiǎn)過程，若反應(yīng)放出的熱量無法及時(shí)移走，聚合反應(yīng)器溫度則急劇上升，伴隨著壓力飛速上升，最后導(dǎo)致爆炸事故的發(fā)生，所以在反應(yīng)過程中需不斷通過冷水降溫。由于反應(yīng)器溫度又和冷熱水流量等影響因素相關(guān)，且反應(yīng)器的液位及壓力均與溫度存在耦合性以及溫度自身變化導(dǎo)致的滯后性，所以反應(yīng)器溫度控制是過程控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵及難點(diǎn)。

為滿足工藝要求以及保證連續(xù)反應(yīng)的安全運(yùn)行，針對(duì)不同的控制對(duì)象設(shè)置了不同的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)控制指標(biāo)，反應(yīng)器R101液位控制在50%(偏差±2%)；反應(yīng)器的溫度控制在100度(偏差±1度)，在滿足工藝要求、系統(tǒng)穩(wěn)定的前提條件下，盡量減少能耗，提高能源的利用率，所以需對(duì)冷卻水消耗量，熱水回收量綜合考慮，創(chuàng)造更高的經(jīng)濟(jì)效益。反應(yīng)器液位、溫度等與系統(tǒng)安全相關(guān)的指標(biāo)必須全程在允許范圍之內(nèi)，針對(duì)進(jìn)料中斷、反應(yīng)物溢出、壓力過大等反應(yīng)器可能發(fā)生的事故要進(jìn)行故障識(shí)別，使系統(tǒng)能夠滿足正常生產(chǎn)的安全要求。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 液位進(jìn)料比值控制

反應(yīng)器液位LI1102主要受物料A、物料B以及催化劑C的進(jìn)料流量以及產(chǎn)物D的出口流量影響，考慮到反應(yīng)物出口閥FV1105控制的出口流量的波動(dòng)除了會(huì)導(dǎo)致液位變化，還會(huì)影響進(jìn)料流量的改變，所以在此選擇FV1101作為執(zhí)行器來控制液位。由于產(chǎn)物濃度需求，反應(yīng)物和催化劑需要一定比例，所以設(shè)計(jì)了雙閉環(huán)比值控制回路，將FV1101的檢測(cè)流量分別經(jīng)過乘法器B和C的數(shù)值運(yùn)算作為物料B和催化劑C控制回路的設(shè)定值，并通過FV1102和FV1103調(diào)節(jié)。如圖2所示。

圖2 液位進(jìn)料比值控制

2.2 溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該工藝過程除了需要精確的穩(wěn)態(tài)工藝指標(biāo)和動(dòng)態(tài)工藝指標(biāo)范圍外，還要克服系統(tǒng)可能存在的干擾，為提高溫度控制性能，避免過高或過快升溫導(dǎo)致反應(yīng)器壓力飛升而爆炸，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。本設(shè)計(jì)將采用模糊PID控制與專家控制的理論分別設(shè)計(jì)不同反應(yīng)階段的溫度控制策略，在被控變量的主要上升階段采用基于專家控制理論的冷熱水變比例多閥位開度控制法，當(dāng)溫度接近穩(wěn)定值附近時(shí)，切換至模糊PID控制，通過此方法使溫度控制達(dá)到高精度、快響應(yīng)、魯棒性高、動(dòng)靜態(tài)性能優(yōu)越的控制效果。整體控制框圖如圖3所示。將溫度設(shè)定值與溫度傳感器檢測(cè)的當(dāng)前值比較，以系統(tǒng)反饋的偏差大小e來決定控制方式的切換狀態(tài)。圖中K1、K2分別為模糊PID自整定控制和冷熱水變比例多閥位開度控制的模態(tài)開關(guān)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)為氣動(dòng)閥。

圖3 雙模式控制原理圖

2.3 模糊PID控制

設(shè)計(jì)選用二維模糊控制器對(duì)反應(yīng)器溫度進(jìn)行控制，以系統(tǒng)檢測(cè)的誤差e以及誤差變化率ec作為輸入量，通過模糊參數(shù)調(diào)節(jié)器實(shí)時(shí)在線調(diào)整，輸出滿足不同時(shí)刻的e和ec對(duì)應(yīng)的PID參數(shù)。

根據(jù)實(shí)際狀況，這里將e、ec以及輸出ΔKp，ΔKi，ΔKd的模糊論域定義為[-6，6]。量化因子分別取1，0.6，0.1，0.01，0.083，同時(shí)定義了它們的模糊子集都為[NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB]，其中NB表示負(fù)大，NM表示負(fù)中，NS表示負(fù)小，ZO表示零，PS表示正小，PM表示正中，PB表示正大。常見隸屬度函數(shù)的表現(xiàn)形式有三角形型、高斯型、梯形，但不同類型的隸屬函數(shù)對(duì)控制器的性能影響并不大，主要是量化因子的影響。這里采用的是三角形隸屬度函數(shù)，如圖4所示。

表1 模糊規(guī)則表

圖4 隸屬度函數(shù)

根據(jù)PID參數(shù)自整定調(diào)節(jié)經(jīng)驗(yàn)以及實(shí)際實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析進(jìn)行推導(dǎo)，得到ΔKp，ΔKi，ΔKd的模糊規(guī)則表，如表1所示。

模糊化后的控制量屬于模糊集合量化論域，不能直接作用被控對(duì)象，所以實(shí)際輸出量應(yīng)為比例因子與量化值的乘積。本設(shè)計(jì)通過重心法解模糊，最后得到系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)PID參數(shù)的調(diào)整式為：

(1)

(2)

(3)

2.4 冷熱水變比例多閥位開度控制

冷熱水變比例多閥位開度法即依據(jù)專家控制理論設(shè)計(jì)控制器調(diào)節(jié)閥門輸出流量，滿足工藝上冷卻和加熱的不同需求，從而達(dá)到溫度控制的效果。根據(jù)各種有關(guān)對(duì)溫度控制經(jīng)驗(yàn)知識(shí)的獲取，形成知識(shí)庫(kù)，推理機(jī)在其基礎(chǔ)上采用推理方式進(jìn)行總結(jié)，產(chǎn)生不同規(guī)則實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的控制。本控制方案采用表現(xiàn)形式為：if[條件]then[操作和結(jié)論]的模糊產(chǎn)生式規(guī)則。推理機(jī)采用正向推理方式以此提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度[5-8]。由于不同階段的反應(yīng)溫度上升的速率存在較大差別，具體可以分為以下幾個(gè)階段進(jìn)行分段控溫，如表2所示。

表2 溫度反應(yīng)分段表 ℃

反應(yīng)階段反應(yīng)器溫度120～50 250～65365～94494～105

根據(jù)反應(yīng)溫度在不同的階段，按溫度檢測(cè)值與設(shè)定值的比較，采取不同的閥位控制規(guī)則和參數(shù)作為輸出，達(dá)到溫度平穩(wěn)快速控制，提高水能源利用效率的目的。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)探索，控制過程中出現(xiàn)的情況如下：當(dāng)T在1階段時(shí)冷水不動(dòng)作；當(dāng)T在2和3階段時(shí)反應(yīng)劇烈放熱，應(yīng)增大冷水控制量輸出，逐漸減小熱水量，使得溫度平緩上升，同時(shí)做到能量最大程度的回收；當(dāng)T在階段4時(shí)反應(yīng)趨近平穩(wěn)，此時(shí)適當(dāng)控制冷熱水閥，避免溫度上升速率過慢或達(dá)不到穩(wěn)定值。例如當(dāng)T處于階段3時(shí)，可編寫如下控制規(guī)則集：規(guī)則1：ifTAthenU1=Ut1andU2=Ut2；規(guī)則3：ifT>SpthenU1=K3*Ut1andU2=K4*Ut2。其中，T為溫度測(cè)量值，Sp為溫度設(shè)定值，U1為冷水閥控制量，U2為回收熱水閥控制量，A為常量(通常為穩(wěn)態(tài)誤差值)，K1、K2、K3、K4為參考比例系數(shù)，Ut1和Ut2分別為初始閥位控制量。

3 系統(tǒng)配置

3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本控制方案由西門子PCS7過程控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，它是一種模塊化的基于現(xiàn)場(chǎng)總線的新一代過程控制系統(tǒng)，將傳統(tǒng)的集散控制系統(tǒng)DCS的優(yōu)點(diǎn)與可編程邏輯控制器PLC相結(jié)合，可以根據(jù)需要選用不同的功能組件進(jìn)行系統(tǒng)組態(tài)[9-10]。采用SMPT-1000的反應(yīng)罐，閥門，預(yù)熱罐等組成工業(yè)連續(xù)過程，選擇西門子S7-400系列CPU 412-3作為過程系統(tǒng)控制器，并通過現(xiàn)場(chǎng)總線Profibus-DP與ET200M連接、上位機(jī)與控制器通過工業(yè)以太網(wǎng)Profinet的連接實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)信息采集和系統(tǒng)通信，SMPT-1000的通信接口與從站ET-200M的I/O模塊相連，接收通信標(biāo)準(zhǔn)為4-20 mA 的信號(hào)。系統(tǒng)硬件配置如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)硬件配置

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件控制方案主要采用PCS7提供的連續(xù)功能圖CFC搭建控制回路，順序功能圖SFC來設(shè)定控制流程。以反應(yīng)器溫度控制方案為例，通過PCS7系統(tǒng)提供的結(jié)構(gòu)化語言(SCL)編寫創(chuàng)建所需的模糊控制功能塊FuzzyConL和冷熱水變比例多閥位開度控制塊ExpConL，并與模擬輸入輸出模塊Pcs7AnIn和Pcs7AnOu、PID模塊TIC1103連接構(gòu)成溫度控制回路，如圖6所示。在組態(tài)軟件上將溫度測(cè)量傳感器的IO地址與模擬量輸入模塊的PV_IN管腳相連，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)后由PV_OUT輸出送入控制器TIC1103的測(cè)量值PV和編寫的程序塊的溫度設(shè)定值TEMP_SP管腳，控制器及TIC1103的輸出值由MV、EXP_MV1、EXP_MV1管腳輸送給模擬量輸出模塊FV1202、FV1203的PV_IN，將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)后由PV_OUT管腳輸出給氣動(dòng)閥的IO地址并動(dòng)作?？紤]到無擾切換的問題，在組態(tài)時(shí)控制器的輸出要跟蹤回路的給定值，將MV與MV_Trk相連，防止設(shè)定值跳變。

圖6 雙模式控制CFC

SFC是一種具有逐步序列的順序控制系統(tǒng)，通過條件的判斷實(shí)現(xiàn)控制狀態(tài)到另一狀態(tài)的轉(zhuǎn)變[11]。順序控制流程如圖7所示。首先需對(duì)所有閥門開度進(jìn)行初始化，考慮到初始反應(yīng)轉(zhuǎn)化率較低，所以前期通過FV1101小股進(jìn)料保證反應(yīng)物與催化劑反應(yīng)充分，同時(shí)劇烈放熱提供所需最佳反應(yīng)環(huán)境溫度，提高組分濃度，等液位達(dá)到一定值后，切換為自動(dòng)控制并開啟出口閥門，溫度需與液位同時(shí)控制維持系統(tǒng)穩(wěn)定，考慮到溫度的滯后性，應(yīng)提前設(shè)定模式控制溫度點(diǎn)，其中EXP_KG和FUZZY_ST為控制模態(tài)開關(guān)，為1表示開啟。

圖7 順序控制SFC

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

將溫度設(shè)給定值設(shè)為100℃，利用PCS7獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制響應(yīng)曲線并與傳統(tǒng)PID控制的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖8所示?？刂菩Ч麑?duì)比如表3所示。

圖8 實(shí)驗(yàn)曲線圖

PID控制雙模式控制穩(wěn)態(tài)值/℃100.190100.068調(diào)節(jié)時(shí)間/s317.00089.000超調(diào)量/%7.1250.031冷水用量/kg43 565.89021 215.710熱水回收量/kg3 125.64013 249.550

由圖8可知：TI1103從初始溫度20℃開始緩慢上升，溫度到達(dá)大約50℃時(shí)，反應(yīng)劇烈放熱，通過調(diào)節(jié)冷熱水流量使反應(yīng)器溫度以恒定的速率上升，使反應(yīng)快速進(jìn)入升溫階段。在450 s左右，反應(yīng)器溫度上升至94℃時(shí)，通過模糊PID參數(shù)自整定控制使溫度達(dá)到穩(wěn)態(tài)值，平穩(wěn)進(jìn)入保溫階段。由圖表可見其控制過程誤差始終保持在±0.07℃。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：傳統(tǒng)PID控制在反應(yīng)完全誘發(fā)后，由于溫度的大滯后性，非線性等特點(diǎn)，控制器無法根據(jù)反饋實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)PID參數(shù)，從而導(dǎo)致溫度飛升，在階躍響應(yīng)時(shí)，PID控制超調(diào)量大，調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)，因此消耗的水能源大，熱水回收量少，導(dǎo)致能源利用率低，控制效果不是很理想。在雙模式控制中，盡管在預(yù)熱、升溫階段反應(yīng)器溫度與液位具有強(qiáng)耦合性且系統(tǒng)存在滯后性，但通過冷熱水變比例多閥位開度控制器中規(guī)則的設(shè)定，在其階段穩(wěn)定控制了溫度的上升速率，而保溫階段通過模糊PID參數(shù)自整定控制實(shí)時(shí)在線不斷調(diào)節(jié)優(yōu)化控制參數(shù)，使溫度調(diào)節(jié)更加平穩(wěn)、精確，基本無超調(diào)，調(diào)節(jié)時(shí)間更短，且提高了能源利用率，彌補(bǔ)了PID控制的不足，改善了控制性能。

5 結(jié)語

本文采用液位進(jìn)料比值控制，并設(shè)計(jì)了一種基于模糊PID控制與冷熱水變比例多閥位開度控制相結(jié)合的反應(yīng)器溫度控制策略，通過在PCS7上建立控制系統(tǒng)回路和設(shè)定控制流程，運(yùn)用SMPT-1000實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證并與傳統(tǒng)PID控制效果進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明了該控制方案的可行性，不僅動(dòng)、靜態(tài)性能優(yōu)越，而且提高了能源利用率，很好的改善了傳統(tǒng)PID溫度控制中存在的非線性、大滯后性、強(qiáng)耦合性等問題，是一種有效的控制策略。但在實(shí)際工業(yè)控制過程中，溫度控制會(huì)存在多擾動(dòng)性，在實(shí)驗(yàn)過程也發(fā)現(xiàn)雖然溫度最后趨于穩(wěn)定，但突加擾動(dòng)的過程中，溫度會(huì)較大波動(dòng)，所以還需再對(duì)溫度的抗擾動(dòng)性測(cè)試進(jìn)行深入研究并改善控制策略，但本設(shè)計(jì)對(duì)工業(yè)控制中提高能源利用率和控制效果方面具有一定的參考意義。