PID控制在化工反應(yīng)中的設(shè)計與實現(xiàn)①

張成旺 徐冬梅 程凱亮 李耿

[摘 ? ? ? ? ? 要] ?結(jié)合2018年“中國智能制造挑戰(zhàn)賽”中過程控制賽題，詳細分析其中三個主要環(huán)節(jié)的工作原理和控制方案。再重點結(jié)合反應(yīng)罐的工藝需求，給出詳細的溫度控制和液位控制的策略，最后再對相關(guān)控制策略中PID參數(shù)的設(shè)置給出可行性方案。

[關(guān) ? ?鍵 ? 詞] ?連續(xù)過程控制;PID控制;化工反應(yīng)

[中圖分類號] ?TP273 ? ? ? ? ? ? ? ? [文獻標(biāo)志碼] ?A ? ? ? ? ? ?[文章編號] ?2096-0603（2019）18-0132-02

在工程實際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時，控制理論的其他技術(shù)難以采用時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。

一、PID控制參數(shù)整定

PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小。PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類：（1）理論計算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過工程實際進行調(diào)整和修改。（2）工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗，直接在控制系統(tǒng)的試驗中進行，且方法簡單、易于掌握，在工程實際中被廣泛采用。

二、化工反應(yīng)過程

以2018年“中國智能制造挑戰(zhàn)賽”的賽題為例，整個工藝流程主要是用來實現(xiàn)A和B的反應(yīng)過程，反應(yīng)會生成主產(chǎn)物D以及副產(chǎn)物E，并且反應(yīng)過程需要催化劑C的參與。此次的賽題同往年相比增加了冷凝部分，由冷凝罐和冷凝器組成，其主要作用是把未反應(yīng)完的反應(yīng)物A和反應(yīng)物B再次送回混合罐中，使反應(yīng)變得更加高效的同時也使得整個控制過程更加復(fù)雜。反應(yīng)方程式如下所示：

主反應(yīng)：2A+B→D，副反應(yīng)：A+B→E

主反應(yīng)的D為最終反應(yīng)產(chǎn)物，副反應(yīng)產(chǎn)物E為雜質(zhì)，并且在這個過程中兩者都會釋放出巨大的能量，使系統(tǒng)的溫度升高，為了最大程度上獲得D，可以適當(dāng)?shù)貙的用量增加些。

（一）混合罐

反應(yīng)罐是生產(chǎn)過程的主要環(huán)節(jié)，物料在進入反應(yīng)罐之前要在混合罐中按一定比例進行充分混合，然后再送入反應(yīng)罐中，該工藝要求物料A和B的進料比例為3：1?？梢圆捎帽戎悼刂?，保證A，B物料進料平穩(wěn)，以A物料為主物料，B物料為從物料，采用單閉環(huán)或雙閉環(huán)比值控制，同時為了防止A物料溢出，要對混和罐的液位采用反饋回路控制。兩物料充分混合之后，再將混合物料送入預(yù)熱器進行預(yù)熱。

（二）反應(yīng)罐

該反應(yīng)過程的反應(yīng)溫度存在多個階段，主要有升溫段和正常工作溫度段。加熱升溫段是指加入一定量比例的物料和催化劑之后，溫度上升到一定值的時間段，隨著反應(yīng)物和催化劑的不斷加入，反應(yīng)過程劇烈放熱，溫度繼續(xù)上升，直到反應(yīng)過程達到一個最佳反應(yīng)溫度。溫度上升到一定值后，為避免反應(yīng)罐因溫度過高而發(fā)生爆炸，需要在反應(yīng)過程中加入冷卻水對其降溫，最后達到控制對象所需的工藝標(biāo)準(zhǔn)。在催化劑的催化下，反應(yīng)生成產(chǎn)物，催化劑和混合物A&B的比例決定反應(yīng)罐反應(yīng)的效果好壞。同時反應(yīng)需要一定時間，為了使反應(yīng)充分，混合物和催化劑需要在反應(yīng)罐中停留一定時間，同時為了避免反應(yīng)罐出現(xiàn)空罐等安全事故，所以反應(yīng)罐需要保證一定液位。本反應(yīng)屬于放熱反應(yīng)，因此反應(yīng)速度的快慢決定了反應(yīng)溫度的高低。即當(dāng)反應(yīng)速度加快時，放出的熱量增加，導(dǎo)致系統(tǒng)溫度升高;為保證反應(yīng)罐內(nèi)的溫度維持在安全范圍內(nèi)，需用冷卻水將多余的熱量吸收并帶走，從而使系統(tǒng)的溫度降下來。冷卻水吸收反應(yīng)過程中釋放的熱量后，水的溫度提升，可通過回收管道進入E101（預(yù)熱器）對物料進行預(yù)熱。

反應(yīng)溫度對產(chǎn)物的產(chǎn)率也存在很大影響，反應(yīng)罐的出料由反應(yīng)產(chǎn)物D和未反應(yīng)的A、B組成。這里反應(yīng)產(chǎn)物D主要受到升溫速度、保溫時間與實際溫度的影響。溫度以一定的速率上升，同時保證合適的恒溫時間可以使反應(yīng)充分進行，從而獲得較高的轉(zhuǎn)化率。

（三）閃蒸罐

閃蒸罐的原理是高壓的飽和液體進入比較低壓的容器中后，由于壓力的突然降低，使這些飽和液體的沸點降低，從而實現(xiàn)物料蒸發(fā)并分離的目的。閃蒸罐的控制主要有壓力控制和液位控制。

閃蒸罐壓力控制：因為要求未反應(yīng)的物料A變?yōu)闅怏w進入冷凝器，未反應(yīng)的物料B和產(chǎn)物D仍為液體留在閃蒸罐作為產(chǎn)物流出，并送入后續(xù)的分離工序中。所以要調(diào)節(jié)閃蒸罐的壓力既使A的沸點低于閃蒸罐溫度并氣化為氣體，同時也要保證未反應(yīng)的物料B和產(chǎn)物D的沸點高于閃蒸罐的溫度并保持為液態(tài)。

閃蒸罐液位控制：為保證閃蒸罐內(nèi)的反應(yīng)能順利進行，閃蒸罐的液位應(yīng)在一個合適的范圍內(nèi)，不能出現(xiàn)滿灌或抽空的狀態(tài)。根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，反應(yīng)物A、B和催化劑C生成的產(chǎn)物D通過閥門FV1105進入閃蒸罐，針對閃蒸罐液位和壓力組成串級控制或選擇性控制，通過閃蒸罐液位大小控制入口閥門FV1105的開度來控制液位，這樣做能有效提升生產(chǎn)產(chǎn)物的濃度。

三、反應(yīng)安全與要求

根據(jù)《全國大學(xué)生西門子杯自動化挑戰(zhàn)賽設(shè)計開發(fā)型初賽樣題》要求反應(yīng)罐液位要控制在固定值（偏差±2%），持續(xù)穩(wěn)定一段時間偏差小于5%，調(diào)節(jié)時間小于300秒。閃蒸罐壓強控制在一定范圍里（偏差±2），從控制完成時開始計時，至少連續(xù)穩(wěn)定一段時間，偏差小于20kPa，調(diào)節(jié)時間小于400秒。在確保安全的同時，也要盡可能地使反應(yīng)更加快速高效和節(jié)能。本設(shè)計中的生成混合物料的流量控制在一定范圍（偏差±0.1kg/s），并持續(xù)穩(wěn)定一段時間;偏差小于0.5kg/s，調(diào)節(jié)時間小于300秒。經(jīng)濟效益的質(zhì)量指標(biāo)主要體現(xiàn)在兩方面：一是物料A、B控制在一定的比例，二是使溫度控制在70℃±1℃。物料的穩(wěn)定通過物料流量單回路控制系統(tǒng)來保證，溫度的要求通過整個控制系統(tǒng)來保證。當(dāng)系統(tǒng)處于滿負荷時，供電系統(tǒng)、控制器、軟件負載不能超過50%，其他各種設(shè)備都應(yīng)有至少50%的工作裕量，各種I/O通道、安全柵、接線端子、電纜和軟件授權(quán)備用量不應(yīng)低于15%，不同的I/O插槽和機柜內(nèi)的卡件預(yù)留空間必須至少為20%。反應(yīng)器設(shè)備耐壓約為2.5MPa，為了安全，要求反應(yīng)器在系統(tǒng)開、停車全過程中壓力不超過1.5MPa。反應(yīng)器壓力報警上限組態(tài)值為1.2MPa。反應(yīng)器正常運行時，確保反應(yīng)器溫度、壓力、液位、產(chǎn)品組分和出口流量均維持在工藝要求范圍。

四、控制回路與控制算法

下面以反應(yīng)罐為例具體說明控制算法的設(shè)計與實現(xiàn)。由于該反應(yīng)是放熱反應(yīng)，且溫度越高反應(yīng)速率越快，而反應(yīng)溫度對反應(yīng)器壓力也存在影響。放熱反應(yīng)一旦發(fā)生就可以一直反應(yīng)下去直到反應(yīng)物反應(yīng)完全為止，反應(yīng)速度越快釋放的熱量也越多。如果不能及時地送走熱量，將導(dǎo)致反應(yīng)罐的溫度急劇上升，隨之反應(yīng)罐壓力也會快速增大，使該反應(yīng)過程變得不可控，從而引發(fā)安全事故。

溫度控制有兩個特點：（1）慣性大，容量滯后大，時間常數(shù)有的過程達到十幾分鐘;（2）溫度對象通常是多容的。反應(yīng)壓力由反應(yīng)溫度決定，反應(yīng)壓力與反應(yīng)溫度變化趨勢一致。即溫度上升，反應(yīng)器壓力也同步上升，反應(yīng)器溫度下降，反應(yīng)壓力也同步下降。

因此本文采用壓力與溫度串級控制（如圖1所示），溫度T作為主變量，壓力P作為副變量。溫度傳感器TT和壓力傳感器PT分別監(jiān)測反應(yīng)罐的溫度和壓力并將信號傳遞給溫度控制器TC和壓力控制器PC，PC通過控制冷水的閥門開度控制冷水的流量，以此來控制反應(yīng)罐的溫度。壓強變化靈敏，時滯性小，所以可以采用PI控制，比例系數(shù)K要取大，而溫度滯后大，控制起來不靈敏，因此溫度控制系統(tǒng)需要增加微分控制，即PID。

采用串級控制的優(yōu)點是使系統(tǒng)的動作更加靈敏，反應(yīng)速度加快，調(diào)節(jié)更為及時，有利于提高控制性能。需要注意的是，冷卻罐中的熱水同樣影響反應(yīng)罐的溫度。當(dāng)溫度不高時，冷卻水的出水閥開度可以調(diào)低。當(dāng)溫度高時，冷卻水的出水閥開度調(diào)高，及時送走熱水。因此需要再添加一個溫度傳感器TT，將溫度信號傳遞給溫度控制器TC，決定閥門的開度。

反應(yīng)罐的液位同樣重要，無論是空罐還是滿罐都可能造成安全事故，僅通過溫度無法控制反應(yīng)罐的液位，因此需要對反應(yīng)罐添加一個液位控制。對液位，我們采用的是雙閉環(huán)比值控制（如圖2所示）。一方面液位傳感器LT監(jiān)測液位并將信號傳遞給液位控制器LC，經(jīng)過低選器LS，再通過控制閥門開度控制混合物料的進量，以此來控制反應(yīng)罐的液位。另一方面，LC控制出口閥FV1105的開度，同樣可以通過控制出料量來控制反應(yīng)灌液位。在液位控制器LC1中的比例系數(shù)需要取大，這樣就可以保證在異常工況中可以更快地回到正常工況，使用效果更好。

在調(diào)試的過程中遇到過許多問題，比如反應(yīng)罐的溫度和壓力不能控制在一定的安全范圍內(nèi)，或者反應(yīng)速度很慢，使整體的反應(yīng)效率不高，很難找到一個理想的參數(shù)。于是我們采用實驗試湊法，小組成員在實驗室里反復(fù)調(diào)試，觀察各個參數(shù)對系統(tǒng)的影響，一次一次地變換參數(shù)，直到出現(xiàn)滿意的反應(yīng)，從而確定PID的控制參數(shù)，使反應(yīng)在安全的情況下快速反應(yīng)。我們也獲益非常多，雖然一開始很艱難，不知道從哪里著手，效率很差。但在教師的指導(dǎo)下與小組成員之間的一次又一次的合作和共同努力下解決了許多難題，從而實現(xiàn)把學(xué)過的東西運用到實際中。

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◎編輯 陳鮮艷