PCS7 在反應(yīng)釜壓強(qiáng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

馮益林， 余 粟， 王 盟

（1 上海工程技術(shù)大學(xué) 電子電氣工程學(xué)院， 上海201620； 2 上海工程技術(shù)大學(xué) 工程實(shí)訓(xùn)中心， 上海201620）

0 引 言

在工業(yè)生產(chǎn)中，反應(yīng)釜應(yīng)用廣泛，但由于其是一個(gè)非線性、滯后性強(qiáng)、耦合性強(qiáng)的多輸入輸出系統(tǒng)，因此在不同生產(chǎn)系統(tǒng)中需要給出不同的控制方案。在研究反應(yīng)釜的壓強(qiáng)控制的基礎(chǔ)上，更深層次的分析了回收物料，綜合考慮節(jié)能減排，提出了反應(yīng)釜壓強(qiáng)控制系統(tǒng)及產(chǎn)物的回收和產(chǎn)量的最優(yōu)控制。

影響壓強(qiáng)的因素主要有：反應(yīng)釜溫度、催化劑流量、產(chǎn)物濃度及廢料回收等方面。 通過控制溫度實(shí)現(xiàn)控制壓強(qiáng)，其中任一個(gè)調(diào)節(jié)量改變時(shí)，都會(huì)影響其它被調(diào)量。 需要在分支系統(tǒng)均穩(wěn)定的情況下，整個(gè)系統(tǒng)才能達(dá)到安全穩(wěn)定的狀態(tài)。 整個(gè)系統(tǒng)方案使用PCS7 在SMPT－1000 平臺(tái)上進(jìn)行，選擇合適的控制變量，準(zhǔn)確控制產(chǎn)物的濃度或流量以達(dá)到控制目的，實(shí)現(xiàn)效益最大化。

1 系統(tǒng)分析

1.1 工藝要求

原料A 與原料B 由進(jìn)料泵輸送進(jìn)入混合罐（V101）內(nèi)混合，反應(yīng)所需的催化劑C 由輸送泵（P103）從反應(yīng)器頂部加入［1－2］。 在反應(yīng)過程中，反應(yīng)放熱強(qiáng)烈，因此反應(yīng)釜（R101）采用夾套式水冷卻。 反應(yīng)轉(zhuǎn)化率與反應(yīng)溫度、停留時(shí)間、反應(yīng)物料濃度及混合配比有關(guān)，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［3］，過高的氣相壓力使反應(yīng)器存在爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。 在反應(yīng)器頂部設(shè)一路抑制劑，當(dāng)反應(yīng)釜壓強(qiáng)過高危及安全時(shí)，通入抑制劑F使催化劑C 迅速中毒失活，從而中止反應(yīng)［4］。 反應(yīng)釜（R101）底部出口生成物含有產(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），將混合生成物中過量的原料A 分離提純。 閃蒸罐（V102）頂部采出混合物為氣相，首先進(jìn)入冷凝器（E102）與冷卻水進(jìn)行換熱冷凝，冷凝后的混合物進(jìn)入冷凝罐（V103），通過循環(huán)泵（P106）再送入混合罐（V101）循環(huán)利用。 閃蒸罐（V102）底部的混合生成物經(jīng)輸送泵加壓，送到下游分離工序，進(jìn)行提純精制，以分離出產(chǎn)品D［5］，整個(gè)生產(chǎn)工藝流程如圖1 所示。

圖1 生產(chǎn)工藝流程圖Fig.1 Process flow chart

1.2 系統(tǒng)安全要求

在化工生產(chǎn)過程中，混合罐、反應(yīng)釜等罐式設(shè)備不能出現(xiàn)抽空或滿罐現(xiàn)象。 已知反應(yīng)釜的壓強(qiáng)不能超過350KPa，如超壓則會(huì)引起反應(yīng)釜超壓爆炸等安全事故，導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)無法繼續(xù)進(jìn)行。 如遇緊急情況，可添加反應(yīng)抑制劑使催化劑失去活性，中止反應(yīng)。 反應(yīng)釜壓強(qiáng)的有效控制影響著反應(yīng)的進(jìn)行以及各項(xiàng)安全問題。

2 反應(yīng)釜壓強(qiáng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

反應(yīng)釜壓強(qiáng)控制系統(tǒng)采用PCS7 過程控制，其屬于一種分布式控制系統(tǒng)，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)。 由于整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)連續(xù)自動(dòng)控制的過程，對(duì)反應(yīng)釜的進(jìn)料和出料都有不同程度的影響。 在進(jìn)料口方面，主要影響因素是催化劑的流量以及反應(yīng)釜的液位。 物料A、B 進(jìn)料流量比例要求為3：1，由于反應(yīng)釜空間有限及液位要求，故實(shí)際控制物料A、B 的進(jìn)料速率不能過快，否則會(huì)引起氣相物質(zhì)積壓，增大壓強(qiáng)。 在設(shè)定流量控制系統(tǒng)時(shí)，使流量嚴(yán)格按照實(shí)際的比例進(jìn)行設(shè)定，使用常數(shù)為0.78 的乘法器，設(shè)定反應(yīng)釜液位50%，控制B 物料的泵開度。 影響出口流量的因素主要是產(chǎn)物流量和回收的控制，提升負(fù)荷模塊的設(shè)定值。

2.1 反應(yīng)釜溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

根據(jù)化學(xué)反應(yīng)工藝要求，為確?；瘜W(xué)反應(yīng)的充分進(jìn)行、提高產(chǎn)物量濃度以及保證較高的反應(yīng)速率，設(shè)定反應(yīng)釜溫度值為95 ℃，溫度控制采用負(fù)反饋單閉環(huán)控制系統(tǒng)。 在控制部分，根據(jù)預(yù)設(shè)條件分為兩部分進(jìn)行，匯編程序在結(jié)構(gòu)化控制語言SCL 模塊中編譯完成。 在反應(yīng)釜溫度（TI1103）低于88 ℃時(shí)，溫度PID 控制器（TIC1103） 控制冷卻劑的水閥（FV1203）開度大小，在溫度高于設(shè)定值時(shí)，直接將閥門開度調(diào)至100%，及時(shí)冷卻反應(yīng)釜，避免因溫度壓強(qiáng)劇增引起炸罐事故。 溫度控制系統(tǒng)流程如圖2所示。

2.2 催化劑流量控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

催化劑作為原料加入A、B 的混合物中，為使化學(xué)反應(yīng)達(dá)到最高效率，單位時(shí)間內(nèi)催化劑的反應(yīng)量必須是物料B 反應(yīng)量的三分之一。 催化劑的流量不僅會(huì)影響化學(xué)反應(yīng)速率，還會(huì)影響產(chǎn)物的濃度。當(dāng)催化劑流量過高時(shí)，反應(yīng)劇烈且溫度（TI1102）提升快，反應(yīng)釜的壓強(qiáng)（PI1102）迅速增大、可控性差，不僅會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的安全問題，也會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)物濃度較低不符合標(biāo)準(zhǔn)；流量較低時(shí)，則反應(yīng)緩慢，溫度上升緩慢，即使壓強(qiáng)此時(shí)穩(wěn)定，但是產(chǎn)物濃度極低，導(dǎo)致產(chǎn)量較少甚至不合格。 圖3 中乘法器用于控制催化劑與A、B 物料的混合比例，系統(tǒng)使用PID 控制器自動(dòng)控制催化劑控制閥的開度。 控制系統(tǒng)組態(tài)結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖2 溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的流程圖Fig.2 Flow chart of temperature control system design

圖3 催化劑流量控制系統(tǒng)組態(tài)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Configuration diagram of catalyst flow control system

2.3 反應(yīng)釜液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

反應(yīng)釜中主要是物料A、B 的混合物和催化劑以及反應(yīng)的生成物，其中部分物質(zhì)為氣相，其它均為液態(tài)混合物。 反應(yīng)釜液位（LI1102）的控制同樣涉及到反應(yīng)釜的安全和反應(yīng)的進(jìn)行，液位過高會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)釜中氣相物質(zhì)空間相對(duì)變小，氣相物質(zhì)不能及時(shí)參加反應(yīng)，引起壓強(qiáng)逐漸增大，存在炸罐危險(xiǎn)；液位過低則會(huì)引起化學(xué)反應(yīng)不充分或反應(yīng)速度大于進(jìn)料速度，出現(xiàn)空罐的現(xiàn)象，最終都會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)停止。在此先設(shè)計(jì)一個(gè)單回路控制系統(tǒng)，在組態(tài)好控制回路后，進(jìn)行PID 參數(shù)設(shè)定，通過選擇合適的參數(shù)使其達(dá)到最佳的控制效果。 最終選擇比例系數(shù)為40，積分時(shí)間為50 s 的PI 控制器即可達(dá)到需要的效果，此時(shí)控制器具有較強(qiáng)的抗干擾能力。 反應(yīng)釜液位控制系統(tǒng)CFC 程序設(shè)計(jì)如圖4 所示。

圖4 反應(yīng)釜液位控制系統(tǒng)CFC 程序設(shè)計(jì)圖Fig.4 CFC programming drawings of reactor level control system

2.4 回收量控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

回收量控制系統(tǒng)主要是控制回收的時(shí)間。 若提前回收，則會(huì)導(dǎo)致閃蒸罐液位下降，甚至出現(xiàn)空罐的現(xiàn)象，而沒有產(chǎn)量；若回收時(shí)間較晚，加上反應(yīng)釜本身的滯后性嚴(yán)重，整個(gè)系統(tǒng)反應(yīng)滯后，導(dǎo)致反應(yīng)釜溫度控制器不起作用，壓強(qiáng)迅速上升，引起反應(yīng)釜炸裂。 所以，本文設(shè)計(jì)回收系統(tǒng)時(shí)，在控制物料A、B流量時(shí)在CFC 程序中加入選擇模塊，目的是為了減小控制器的滯后性。 此模塊的IN1 表示由A 物料控制的B 物料的流量，IN2 表示回收時(shí)B 物料的流量，由于在乘法器、選擇器等模塊在整個(gè)系統(tǒng)中需要處理計(jì)算等響應(yīng)問題，有一定的延時(shí)和滯后，影響整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。 所以在開車程序中設(shè)計(jì)了在系統(tǒng)運(yùn)行之后的30 s 內(nèi)賦值IN1 ＝1，IN2 ＝0，之后由IN2 獨(dú)立控制，避免系統(tǒng)響應(yīng)不及時(shí)而帶來的誤差和不穩(wěn)定性，提高了系統(tǒng)的魯棒性。 回收量控制系統(tǒng)CFC 程序設(shè)計(jì)如圖5 所示。

圖5 回收量控制系統(tǒng)CFC 程序設(shè)計(jì)圖Fig.5 CFC program design of recovery control system

3 系統(tǒng)產(chǎn)物的優(yōu)化

在工業(yè)生產(chǎn)中，產(chǎn)物質(zhì)量是考核生產(chǎn)效益的重要標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)物質(zhì)量數(shù)值上等于產(chǎn)物濃度與產(chǎn)物流量及時(shí)間的乘積。 通常在其它安全指標(biāo)符合標(biāo)準(zhǔn)的情況下，生產(chǎn)線都會(huì)追求效益的最大化，即在最短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)物濃度的最大值以及穩(wěn)定狀態(tài)。 但是濃度的大小并不是隨意可控的，其需要與整個(gè)化學(xué)反應(yīng)控制系統(tǒng)相匹配。 系統(tǒng)規(guī)定，當(dāng)產(chǎn)物濃度達(dá)到80%時(shí)，產(chǎn)物達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)。 所以，在最短的時(shí)間內(nèi)將產(chǎn)物濃度達(dá)到80%，并在之后的過程中確保系統(tǒng)穩(wěn)定進(jìn)行，濃度始終高于80%即可。

系統(tǒng)產(chǎn)物的優(yōu)化主要是利用斜坡函數(shù)對(duì)產(chǎn)物流量進(jìn)行優(yōu)化控制。 在SCL 中自定義編譯斜波函數(shù)，形成CFC 模塊并將輸出管腳（out）連接到流量控制器的外給定管腳（Sp_Ext）。 此前，在提升負(fù)荷方面，預(yù)先設(shè)定產(chǎn)物流量為7.5 kg／s，此時(shí)產(chǎn)量為12 552 kg，沒有達(dá)到理想的最大值。 在開車程序中設(shè)定目標(biāo)值，最終在產(chǎn)物流量為7.82 kg／s 時(shí)，符合該系統(tǒng)的產(chǎn)物累積量達(dá)到了最大值12 937 kg，在調(diào)試過程中，嘗試?yán)^續(xù)增大流量值，此時(shí)反應(yīng)釜壓強(qiáng)迅速增大，高于350 KPa時(shí)，出現(xiàn)了炸罐現(xiàn)象。 如圖6 所示。

4 系統(tǒng)運(yùn)行與實(shí)現(xiàn)

經(jīng)過不斷的調(diào)試，系統(tǒng)方案運(yùn)行結(jié)果如圖7 所示。 可以看到曲線平滑成一水平直線，各項(xiàng)參數(shù)都達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)。 即使反應(yīng)釜的壓強(qiáng)（PI1102）在680－1 000 s之間存在波動(dòng)，在生產(chǎn)時(shí)間到760.67 s時(shí)，壓強(qiáng)達(dá)到了峰值130.45 kPa，該數(shù)值在安全范圍之內(nèi)，并不影響整個(gè)系統(tǒng)的安全運(yùn)行。 系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)各項(xiàng)參數(shù)如下：反應(yīng)釜壓強(qiáng)125.7 kPa、液位50±5%、催化劑流量0.25 kg／s、產(chǎn)物流量7.82 kg／s、產(chǎn)物累積量12 937 kg。 此為該系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案中的最大值。

圖6 斜坡函數(shù)控制模塊CFC 程序設(shè)計(jì)圖Fig.6 CFC programming diagram of slope function control module

圖7 生產(chǎn)線控制結(jié)果圖Fig.7 Control result diagram of production line

5 結(jié)束語

本文針對(duì)化工生產(chǎn)過程中的反應(yīng)釜系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主要對(duì)反應(yīng)釜壓強(qiáng)的控制和對(duì)產(chǎn)量的最大化追求。 分析了影響壓強(qiáng)的4 個(gè)因素，并依此設(shè)計(jì)出了合理完整的控制系統(tǒng)方案，在產(chǎn)物控制方面，進(jìn)行了優(yōu)化，經(jīng)過對(duì)系統(tǒng)的不斷的調(diào)試和研究，找到了該系統(tǒng)下產(chǎn)量的最大值。 最后利用PCS7 集散控制系統(tǒng)在SMPT－1000 的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上完成了驗(yàn)證，各項(xiàng)參數(shù)的曲線都趨于穩(wěn)定，達(dá)到實(shí)際生產(chǎn)的控制要求，具有較高的可行性。