多物料混合放熱反應(yīng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

彭 倩，王再英，王永進(jìn)

（西安科技大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，西安 710054）

0 引言

化工生產(chǎn)、食品醫(yī)療、冶金制藥、建筑制造等行業(yè)均涉及到多物料混合放熱反應(yīng)，而放熱反應(yīng)是最不易控制的。多物料在進(jìn)行放熱反應(yīng)時(shí)，隨著溫度升高，反應(yīng)速度會(huì)加快，將導(dǎo)致放熱量進(jìn)一步增加，使反應(yīng)溫度繼續(xù)升高。由于放熱反應(yīng)過程內(nèi)部存在正反饋，放熱反應(yīng)過程在開環(huán)情況下是不穩(wěn)定的，存在反應(yīng)失控，并引發(fā)火災(zāi)、爆炸事故的危險(xiǎn)。為確保反應(yīng)過程平穩(wěn)進(jìn)行和生產(chǎn)安全，需要尋找新型控制裝置，優(yōu)化控制方案，這是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必要途徑［1］。

多物料混合放熱反應(yīng)是一個(gè)多輸入-多輸出、大滯后、強(qiáng)非線性、干擾因素眾多的動(dòng)態(tài)過程對(duì)象，實(shí)際生產(chǎn)中時(shí)刻發(fā)生改變，對(duì)控制系統(tǒng)要求較高，控制難度較大。本文以具有放熱反應(yīng)特性的混合物料反應(yīng)器為例，在分析了其工藝特性和控制需求基礎(chǔ)上，針對(duì)生產(chǎn)過程中關(guān)鍵參數(shù)反應(yīng)溫度和反應(yīng)器液位提出設(shè)計(jì)一套DCS自動(dòng)控制系統(tǒng)控制方案，在滿足工程生產(chǎn)和安全需求的前提下減少反應(yīng)廢料，提升產(chǎn)物濃度，提高生產(chǎn)效率，達(dá)到優(yōu)化生產(chǎn)過程、減少停車事故、節(jié)能降耗，提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。

1 反應(yīng)器控制

1.1 反應(yīng)器生產(chǎn)

反應(yīng)器生產(chǎn)流程如圖1 所示?；旌衔锪辖?jīng)由管線閥門FV1103 進(jìn)入反應(yīng)器，F(xiàn)I1103 用來監(jiān)測(cè)FV1103 的流量；催化劑經(jīng)輸送泵P103 和管線閥門FV1104 送入反應(yīng)器，F(xiàn)I1104 監(jiān)測(cè)FV1104 的流量；LI1102、TI1103、PI1102 分別監(jiān)測(cè)反應(yīng)器液位、溫度、壓強(qiáng)；管線閥門XV1101 負(fù)責(zé)抑制劑的通斷，當(dāng)反應(yīng)氣相溫度過高、壓強(qiáng)超壓，及時(shí)通入抑制劑，抑制反應(yīng)的進(jìn)行，保證生產(chǎn)安全；管線閥門FV1201、FV1203 負(fù)責(zé)夾套冷卻水控制反應(yīng)溫度，閥門FV1201 負(fù)責(zé)進(jìn)水，閥門FV1203 負(fù)責(zé)出水，F(xiàn)I1201 和FI1203 分別監(jiān)測(cè)管線閥門FV1201、FV1203 的流量。

圖1 反應(yīng)器生產(chǎn)流程

混合物料（A +B）經(jīng)管線閥門FV1103 通入反應(yīng)器，在催化劑C的參與下進(jìn)行反應(yīng)，生成主產(chǎn)物D 經(jīng)由管線閥門FV1105 產(chǎn)出。反應(yīng)轉(zhuǎn)化率與溫度、壓力、反應(yīng)停留時(shí)間及反應(yīng)組份等因素有關(guān)，反應(yīng)方程式如下：

其中，物料A，B，C 流量比為9∶3∶1，即反應(yīng)需保證混合物料（A +B）流量與催化劑C 流量之比為12∶1，方可保證反應(yīng)的充分進(jìn)行。

1.2 反應(yīng)器控制需求分析

（1）反應(yīng)器溫度控制。該反應(yīng)是放熱反應(yīng)，反應(yīng)器溫度直接關(guān)系到產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率。該反應(yīng)溫度控制有兩個(gè)過程組成：

①升溫過程。該反應(yīng)是放熱反應(yīng)，原料A、B 在催化劑C 的作用下，在反應(yīng)器R101 中反應(yīng)會(huì)放出大量的熱，參與反應(yīng)的溫度和物料的濃度、催化劑的比例、反應(yīng)的停留時(shí)間都會(huì)最終影響產(chǎn)物D 的轉(zhuǎn)化率。同時(shí)高溫往往伴隨著高壓，高壓又將會(huì)使反應(yīng)器承受不住壓力而爆炸，所以必須控制反應(yīng)器的溫度，保證溫度不會(huì)突變。

②恒溫過程。經(jīng)過升溫反應(yīng)后，反應(yīng)進(jìn)入恒溫階段，在此階段采用夾套冷卻水的方式保證反應(yīng)器溫度始終維持在某一恒定值（80～100℃），并且最好可以在此使反應(yīng)停留一定時(shí)間，確保原料反應(yīng)充分，獲得更高的產(chǎn)物D轉(zhuǎn)化率。

（2）反應(yīng)器壓力安全控制。判斷產(chǎn)物是否達(dá)到要求轉(zhuǎn)化率的另一重要指標(biāo)即反應(yīng)器壓力。過高或過低的壓力均對(duì)金屬導(dǎo)管和設(shè)備產(chǎn)生不利影響。壓力過高，則會(huì)加快金屬蠕變導(dǎo)致反應(yīng)器罐體受到損壞；若過低，不可能達(dá)到所需的反應(yīng)轉(zhuǎn)化率。因此對(duì)反應(yīng)器壓力設(shè)計(jì)安全控制系統(tǒng)方可保證反應(yīng)安全。

（3）反應(yīng)器停留時(shí)間控制。反應(yīng)的停留時(shí)間與反應(yīng)器液位相關(guān)，依據(jù)工藝分析得知，反應(yīng)產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率與反應(yīng)停留時(shí)間有關(guān)，因此需設(shè)計(jì)反應(yīng)器液位控制系統(tǒng)，在生產(chǎn)安全前提下延長(zhǎng)反應(yīng)停留時(shí)間，使得原料得以充分反應(yīng)。

（4）反應(yīng)器組份控制。若要得到轉(zhuǎn)化率符合要求的高濃度產(chǎn)品，則要求控制反應(yīng)器最終產(chǎn)物的產(chǎn)率。注意，產(chǎn)率無法在線采集。升溫速度、保溫時(shí)間、壓力大小、出口流量、反應(yīng)時(shí)間等因素都會(huì)影響到反應(yīng)主產(chǎn)物D 的產(chǎn)率。

2 控制方案設(shè)計(jì)

2.1 反應(yīng)器溫度控制

壓力與溫度一直以來是互相影響的，因此控制好溫度，則壓力即可得到控制，溫度是反應(yīng)器采取夾套水冷卻方式來進(jìn)行控制，由于該反應(yīng)是放熱過程，反應(yīng)過程中，放熱強(qiáng)烈，溫度的急劇升高致使壓力隨之升高。若冷卻失效，氣相壓力必定會(huì)過高，反應(yīng)器罐體承受不住就會(huì)爆炸。又因溫度變量大慣性、大滯后特點(diǎn)，設(shè)計(jì)單回路控制器往往響應(yīng)較慢，不能及時(shí)調(diào)節(jié)；同時(shí)冷卻水流量的時(shí)間常數(shù)較小，響應(yīng)較快，但冷卻水壓力不容易保持恒定，冷卻水流量也可能變化而引起其壓力變化，從而又會(huì)影響到反應(yīng)溫度?？紤]這種情況，冷卻水流量可以作為串級(jí)副回路，溫度為主回路，冷卻水控制器隨動(dòng)控制，跟隨溫控的變化而變化。因此該反應(yīng)器溫度可采取“溫度-流量”的串級(jí)控制方式?？刂苹芈啡鐖D2 所示［1-2］。

圖2 反應(yīng)器爐膛內(nèi)串級(jí)控制系統(tǒng)框圖

被控對(duì)象為反應(yīng)器溫度TI1103，主調(diào)節(jié)器為溫度控制調(diào)節(jié)器TIC1103，執(zhí)行器為反應(yīng)器R101 夾套循環(huán)上水管線閥門FV1201；由于反應(yīng)器采用夾套冷卻水方式，副回路選擇冷卻水流量回路：被控對(duì)象為反應(yīng)器R101 夾套循環(huán)上水流量FI1201，副調(diào)節(jié)器為冷卻水流量控制器FIC1201，執(zhí)行器和主回路一致。

2.2 反應(yīng)器液位控制

影響反應(yīng)器液位的因素主要有混合物料和催化劑的進(jìn)料量以及罐底閥門的出料量，出料量影響下道工序，不利于調(diào)整，因此通過控制進(jìn)料量以及配比來控制液位；故可采用雙閉環(huán)比值控制，控制框圖如圖3 所示。依據(jù)主物料與副物料的選擇原則，其中一條在生產(chǎn)中起主導(dǎo)作用的物料流量，一般選為主流量，其余的物料流量以它為基準(zhǔn)，跟隨其他變化而變化，則為副流量。實(shí)際生產(chǎn)要求原料A、B 和催化劑C 的比例為9∶3∶1，即通過FV1103 的混合物料與催化劑比例為12∶1，選取FV1103 混合物料進(jìn)料量為主動(dòng)量，催化劑C進(jìn)料量為從動(dòng)量，則主流量為FI1103 的監(jiān)測(cè)值，副流量為FI1104 的監(jiān)測(cè)值，因此比值系數(shù)

通過雙閉環(huán)比值控制保證了混合物料和催化劑始終按照反應(yīng)配比以穩(wěn)定流量入料，不至于因出口閥門FV1105 的干擾而產(chǎn)生較大影響，極大程度地保證了反應(yīng)的穩(wěn)定進(jìn)行。此外，反應(yīng)停留時(shí)間越長(zhǎng)，反應(yīng)轉(zhuǎn)化率越高；而反應(yīng)器D產(chǎn)物產(chǎn)出率=反應(yīng)轉(zhuǎn)化率×反應(yīng)器進(jìn)料流量FI1103；在液位不變的情況下，反應(yīng)停留時(shí)間與進(jìn)料量FI1103 成反比，隨著停留時(shí)間加長(zhǎng)，反應(yīng)轉(zhuǎn)化率更會(huì)逐漸增大。

圖3 反應(yīng)器雙閉環(huán)比值液位控制系統(tǒng)框圖

2.3 開車順序控制

開車的基本思路：首先將設(shè)備置冷態(tài)，保證所有的閥門和泵均處于關(guān)閉狀態(tài)；其次根據(jù)經(jīng)驗(yàn)手動(dòng)給予混合物料（A +B）閥門FV1103 一定開度（10%），閥門FV1104 根據(jù)比值控制器設(shè)定開度48%，并啟動(dòng)催化劑C的輸送泵P103，此時(shí)，有催化劑加入，原料A、B開始反應(yīng)，放出熱量，反應(yīng)升溫，并進(jìn)一步誘發(fā)反應(yīng)；當(dāng)反應(yīng)器溫度TI1103 達(dá)到86 ℃時(shí)，冷卻水出水閥門FV1203 開度改為80%，冷卻水進(jìn)水閥門FV1201 開度改為20%，控制溫度緩慢上升；當(dāng)反應(yīng)器溫度TI1103達(dá)到98 ℃時(shí)，將反應(yīng)器溫度控制器TIC1103 投自動(dòng)，反應(yīng)器溫度設(shè)定值為98 ℃；同時(shí)緊接著反應(yīng)器R101液位到達(dá)78%時(shí)，開啟反應(yīng)器底部管線閥門FV1105，開度設(shè)定35%，反應(yīng)產(chǎn)物開始輸出；當(dāng)反應(yīng)器液位達(dá)到80%時(shí)，將反應(yīng)器液位控制器LIC1102 手動(dòng)切換自動(dòng)，液位設(shè)定值為80%；經(jīng)過PID控制器的調(diào)節(jié)，反應(yīng)器的溫度、液位均實(shí)現(xiàn)無擾切換，超調(diào)量低于2%，系統(tǒng)得以平穩(wěn)運(yùn)行。

3 控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 DCS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層級(jí)結(jié)構(gòu)

該控制系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)站、控制站、操作員站三級(jí)站組成，是典型的DCS 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，集中管理，分散控制，如圖4 所示。現(xiàn)場(chǎng)站是半實(shí)物仿真裝置SMPT1000；控制站是西門子PLC400，CPU 型號(hào)412-5H（訂貨號(hào)6ES7 412-5HK06-0AB0），利用西門子PCS7 軟件來設(shè)計(jì)CFC（Control Flow Chart）控制程序和SFC（Sequeential Function Chart）開車程序；操作員站即為WinCC 軟件開發(fā)的上位機(jī)。操作員站和控制站之間采用以太網(wǎng)進(jìn)行通信，控制站與現(xiàn)場(chǎng)站之間使用Profibus-DP通信協(xié)議進(jìn)行通信，適配器利用泗博PM125 總線接口適配器［3-6］。

圖4 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層級(jí)結(jié)構(gòu)

3.2 CFC組態(tài)

反應(yīng)器溫度控制為串級(jí)控制，主控制器TIC1103起定值控制作用，即控制系統(tǒng)設(shè)自動(dòng)時(shí)控制溫度穩(wěn)定在設(shè)定值；副控制器起隨動(dòng)控制作用，跟隨主控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)，無需給定設(shè)定值，加入副控制器的目的是為加快響應(yīng)，起到先調(diào)、粗調(diào)、快調(diào)作用。反應(yīng)器液位為比值控制，主副流量通過比值控制器K 值實(shí)現(xiàn)，液位控制器只需控制主流量即可，通過控制塊LIC1101 的PV_IN拐腳反饋的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和液位設(shè)定值的差值控制主流量控制器輸出，調(diào)控管線閥門FV1103 開度，副流量控制器輸出通過比值控制器調(diào)控［7-8］。

3.3 SFC組態(tài)

SFC組態(tài)將2.3 小節(jié)中的開車基本思路用連續(xù)功能圖語言組態(tài)出來，用于控制系統(tǒng)的開車運(yùn)行，控制器手自動(dòng)切換等，SFC組態(tài)如圖5 所示［11］。

圖5 SFC開車控制程序

3.4 實(shí)時(shí)曲線趨勢(shì)

由圖6 得知，反應(yīng)器溫度設(shè)定值98 ℃，反應(yīng)起初，溫度不斷升高，在臨近98 ℃時(shí)自動(dòng)切換，經(jīng)控制器調(diào)節(jié)作用，溫度穩(wěn)定在設(shè)定值附近，穩(wěn)態(tài)誤差為0.053%，并且后續(xù)一直保持穩(wěn)定，反應(yīng)器壓力亦跟隨溫度保持穩(wěn)定。反應(yīng)器液位前期也在不斷上升，在80%時(shí)液位控制器設(shè)自動(dòng)，設(shè)定值80%；后續(xù)稍有輕微波動(dòng)但仍保持穩(wěn)定，穩(wěn)態(tài)誤差0.018%［9-10］。

圖6 實(shí)時(shí)曲線

3.5 WinCC上位機(jī)監(jiān)控

通過PCS7 集成的WinCC組態(tài)上位機(jī)過程監(jiān)控界面，WinCC內(nèi)可直接從上位機(jī)進(jìn)行PID參數(shù)的整定和操作開車步驟，完成整個(gè)控制方案的設(shè)計(jì)與調(diào)試；同時(shí)可隨時(shí)查看系統(tǒng)設(shè)定值，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)值，設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)變化，也可設(shè)置報(bào)警參數(shù)，系統(tǒng)若出現(xiàn)超壓超溫會(huì)及時(shí)報(bào)警提示［12-13］。

由圖7 得知，從液位控制器LIC1102 可以看出液位穩(wěn)定在設(shè)定值80%，既可保證充足的反應(yīng)停留時(shí)間，又不至于空罐滿罐，滿足工藝生產(chǎn)要求和安全要求；從溫度控制器TIC1103 可以看出溫度也穩(wěn)定在設(shè)定值100℃左右，保證了反應(yīng)溫度恒定，同時(shí)溫度不至于過低降低反應(yīng)效率，溫度恒定又可保證壓力恒定，不會(huì)出現(xiàn)超壓負(fù)壓損壞罐體［14-15］。

4 結(jié)語

圖7 WinCC 實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面

通過西門子PCS7軟件，在詳細(xì)分析工藝流程和控制需求的基礎(chǔ)上，針對(duì)反應(yīng)器設(shè)計(jì)了液位及溫度控制方案。液位控制采取雙閉環(huán)比值控制，既可保證主副物料流量的穩(wěn)定性，又可保證物料始終維持一定比例，液位控制不僅提供了足夠的反應(yīng)停留時(shí)間，還保證了參與反應(yīng)的組分；溫度控制采取串級(jí)控制系統(tǒng)，極大程度解決了溫度滯后嚴(yán)重，調(diào)節(jié)過程緩慢的問題，且溫度平穩(wěn)亦可保證壓力恒定。該系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了平穩(wěn)投運(yùn)，實(shí)時(shí)監(jiān)控的功能，整個(gè)控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，超調(diào)量，殘差，穩(wěn)態(tài)誤差均滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)要求，控制效率較高。