碘化反應(yīng)集散控制系統(tǒng)設(shè)計與溫度控制實現(xiàn)

楊潤賢,陶 濤,花良浩,張建峰

(1.南京航空航天大學(xué) 自動化學(xué)院，江蘇 南京 211106；2.揚州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能制造學(xué)院，江蘇 揚州225127；3.江蘇大學(xué) 農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212000；4.揚州大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 揚州 225009)

0 引言

碘化反應(yīng)一般發(fā)生在化學(xué)工業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中，由于受溫度、濕度和噪聲干擾等各種因素的影響，反應(yīng)溫度、物料配比，甚至混合液位等關(guān)鍵工程量的過程控制受到限制，且工藝流程監(jiān)控實時性較差，在很大程度上影響了產(chǎn)品的合成質(zhì)量和制劑功效。文獻[1]設(shè)計了以STC89C52單片機為控制器的紅外加熱反應(yīng)釜溫度控制系統(tǒng)。文獻[2]針對碘化反應(yīng)罐采用了比例-積分-微分(proportional integral differential, PID)參數(shù)整定的方法設(shè)計溫控系統(tǒng)。文獻[3]針對聚合反應(yīng)釜溫控系統(tǒng)，采用預(yù)測模糊算法進行優(yōu)化等。在實際生產(chǎn)中，碘化反應(yīng)釜的溫度控制極為重要[4]，在過程控制中常采用PID算法[5-6]實現(xiàn)，相關(guān)研究成果對反應(yīng)釜溫度獲得了較好的控制效果，但在干擾抑制及過程控制系統(tǒng)實時監(jiān)控方面存在不足。本文采用現(xiàn)代集散控制技術(shù)和儀表檢測技術(shù)，引入集散控制系統(tǒng)(distributed control system, DCS)控制站[7-9]和DCS操作站[10-11]，對碘化反應(yīng)集散控制系統(tǒng)進行組態(tài)，基于算法設(shè)計實現(xiàn)溫度控制，其中，DCS控制站采用先進PID控制算法[12-16]實現(xiàn)反應(yīng)溫度、進料流量及混合物料液位的精確控制；DCS操作站采用滿足所有客戶需求 (meet-all-customers-service, MACS)[17-20]的組態(tài)技術(shù)實現(xiàn)工藝流程的參數(shù)設(shè)置、實時監(jiān)控和可靠報警等功能，使控制效果穩(wěn)定、可靠，控制界面美觀、靈活，控制操作簡單、方便，可積極應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的實際過程。

1 工藝流程分析

本文考慮實驗的安全性，基于碘化反應(yīng)原理，將以熱水模擬的碘化鈉NaI和以冷水模擬的氫氧化鈉NaOH水溶液在反應(yīng)釜中進行混合。通過加熱反應(yīng)釜模擬堿溶解時發(fā)熱使溶液溫度自然升到50 ℃～55 ℃，開啟加熱爐高溫?zé)崴M水蒸氣注入反應(yīng)釜夾套層將溶液溫度加熱至60 ℃左右，再注入保壓氣體模擬氯氣，溫度保持在65 ℃～70 ℃(最佳溫度68 ℃)。若溫度超過70 ℃，則開啟冷水閥門進行冷卻控制。后續(xù)經(jīng)過相應(yīng)的反應(yīng)、攪拌等形成反應(yīng)液，經(jīng)濾去母液、洗滌等，得到Na3H2IO6，供酸化工段使用。由于本文設(shè)計的裝置為模擬碘化反應(yīng)工藝流程，因此反應(yīng)溫度、壓力均調(diào)整到安全范圍內(nèi)，即溫度為80 ℃左右，壓力為30 kPa。

設(shè)計的碘化反應(yīng)仿真裝置如圖1所示。

圖1 碘化反應(yīng)仿真裝置簡圖

2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

對碘化反應(yīng)仿真裝置的設(shè)備測點及控制要求進行分析，系統(tǒng)采集、分析、控制、監(jiān)測的物料液位、物流流量、反應(yīng)壓力、鍋爐液位與溫度、反應(yīng)釜溫度、攪拌電機、控制電磁閥等總點數(shù)為32，包括了模擬量輸入輸出信號和開關(guān)量輸入輸出信號。系統(tǒng)控制功能的實現(xiàn)涵蓋了串級、比值PID等復(fù)雜控制算法。本文基于和利時自動化有限公司先進自動化技術(shù)集成的工業(yè)自動化系統(tǒng)MACS[21-22]，引入其控制算法及流程組態(tài)等構(gòu)件設(shè)計，構(gòu)建了碘化反應(yīng)仿真裝置的DCS，可實現(xiàn)智能現(xiàn)場儀表設(shè)備監(jiān)控點與控制系統(tǒng)輸入輸出(input/output, I/O)點之間的無縫信息流傳送，在保證控制精度的同時，可實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行、可靠反應(yīng)和操作靈活等，也可方便實現(xiàn)工廠智能化。因此，基于MACS的現(xiàn)場模塊(field module，F(xiàn)M)系統(tǒng)，根據(jù)系統(tǒng)規(guī)模，本文配置了FM 10號控制站，OP50號操作站(兼工程師站)和OP51號操作站(OA和OB服務(wù)器由OP50和OP51兼)的小型優(yōu)化系統(tǒng)，并采用了服務(wù)器冗余、雙重化網(wǎng)絡(luò)進行系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計，如圖2所示。

(a) DCS網(wǎng)絡(luò)組建

I/O信息的采集和控制輸出是系統(tǒng)控制的核心內(nèi)容，系統(tǒng)設(shè)計選用了8路大信號FM148A模擬量輸入模塊、8路FM151A模擬量輸出模塊、16路FM161D開關(guān)量輸入模塊和FM171B繼電器開關(guān)量輸出模塊，完成如表1所示的I/O配置，樹形配置結(jié)構(gòu)如圖2b，而圖2a所示的DCS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)IP設(shè)置如表2所示。

表1 I/O配置

表2 網(wǎng)絡(luò)IP設(shè)置

3 控制算法設(shè)計

碘化反應(yīng)過程控制中，隨著反應(yīng)釜內(nèi)NaOH堿溶解發(fā)熱使得混合溶液升溫至50～55℃，而碘化反應(yīng)溫度需要通過鍋爐加熱的水蒸氣傳熱升溫至60℃左右，并在氯氣作用下保持溫度在65～70℃，保證可靠反應(yīng)和反應(yīng)液中高碘酸鈉Na3H2IO6的產(chǎn)量。因此溫度是碘化反應(yīng)控制的核心，而在生產(chǎn)過程溫度控制常采用PID算法[23]實現(xiàn)。

本文以反應(yīng)釜內(nèi)膽溫度TT101為主控量、反應(yīng)釜夾套溫度TT102為副控量設(shè)計反應(yīng)釜溫度控制系統(tǒng)。主回路為溫度定值控制系統(tǒng)，主控制量TT101為反應(yīng)溫度的給定值，設(shè)計主調(diào)節(jié)器為PID控制；副回路為輔助控制變量，是溫度隨動系統(tǒng)，設(shè)計副調(diào)節(jié)器為比例-積分(proportional integral,PI)控制，使其輸出能夠正確、快速地復(fù)現(xiàn)反應(yīng)釜溫度主調(diào)節(jié)器輸出的變化規(guī)律，并實現(xiàn)對主控制量TT101的溫度控制。在控制算法優(yōu)化時，重點抑制主擾動影響和微分擾動影響。

由于反應(yīng)釜的溫度控制是通過鍋爐夾套的熱傳導(dǎo)來實現(xiàn)的，選取副控量TT102管道的時間常數(shù)小于主控量TT101的時間常數(shù)，當(dāng)主擾動(二次擾動)作用于副回路時，通過副回路的調(diào)節(jié)作用可快速消除擾動的影響。

為了對控制器較強的微分作用進行平滑處理，使之逐步過渡，避免微分引起擾動，本文采用不完全微分的HSPID方法，設(shè)計反應(yīng)釜溫度恒溫控制的串級回路算法結(jié)構(gòu)，算法見式1[14]。

(1)

其中：G(s)為系統(tǒng)傳遞函數(shù)；U(s)為控制器輸出，%；E(s)系為統(tǒng)偏差輸入，℃；參數(shù)KP為比例系數(shù)；TI為積分時間，s；TD為微分時間，s；KD為微分增益。

與經(jīng)典PID算法不同，HSPID存在參數(shù)KD，且當(dāng)KD?TD時，標(biāo)準(zhǔn)PID與HSIPID兩種算法功能相當(dāng)。

本文基于MACS系統(tǒng)的HSPID構(gòu)件，設(shè)計如圖3所示的碘化反應(yīng)溫度控制算法，實現(xiàn)反應(yīng)釜內(nèi)膽溫度預(yù)熱、反應(yīng)及恒溫控制。

圖3 碘化反應(yīng)溫度控制算法

首先，設(shè)計主調(diào)節(jié)器控制回路為TIC101B，以反應(yīng)釜內(nèi)膽溫度TT1101為過程輸入量的過程測量值(process value, PV)，給定恒溫設(shè)定值(set point, SP)，以反應(yīng)釜夾套溫度TT102為跟蹤量點(tracking point, TP)，基于預(yù)熱、反應(yīng)、恒溫控制、副回路TIC102A.TS的邏輯組合指令，設(shè)置跟蹤開關(guān)(tracking switch, TS)。

其次，設(shè)計副調(diào)節(jié)器控制回路為TIC102A，選用自定義模塊ZDTQ4，配置串級回路控制器的運行方式。主控制器的輸出TIC101B.AV為副調(diào)節(jié)器TIC102A回路的設(shè)定值輸入SP，反應(yīng)釜夾套溫度TT102為過程輸入量PV。反應(yīng)釜夾套溫度TT102的溫度、反應(yīng)釜過程量輸入值TIC101B.PV、給定值輸入TIC101B.SP等信號的比較邏輯關(guān)系構(gòu)成了副回路控制器的跟蹤開關(guān)TS。反應(yīng)釜過程量輸入值TIC101B.PV、給定值輸入TIC101B.SP信號與熱水泵出水流量FV103的連鎖控制邏輯為副回路控制器的跟蹤量點TP。

最后，設(shè)計熱水泵控制方法，副回路TIC102A的控制輸出(analog control output value, AV)、反應(yīng)釜內(nèi)膽溫度減溫串級副回路TIC101B1的AV，通過反應(yīng)開始、預(yù)熱等指令的邏輯組合選擇輸出控制熱水泵啟停開關(guān)DO103和熱水泵出水流量FV103。

4 測試運行調(diào)試及分析

設(shè)置控制器運行方式：對ZDTQ04自定義封裝模塊，取R1=2,R2=2,R3=0，當(dāng)進行反應(yīng)釜預(yù)熱/堿溶解/碘化反應(yīng)時，賦值RM1=R1=2，RM2=R2=2，使得反應(yīng)釜內(nèi)膽溫度控制器TIC101B(串級主回路)和反應(yīng)釜夾套溫度控制器TIC102A(串級副回路)的RM=2，即設(shè)定TIC101B和TIC102A PID控制器的運行方式為CAS串級。當(dāng)反應(yīng)釜預(yù)熱/堿溶解/碘化反應(yīng)信號失效時(即下降沿)，觸發(fā)使得RM=RM1=RM2=R3=0，即設(shè)定TIC101B和TIC102A PID控制器的運行方式為MAN手動。

控制基本參數(shù)的設(shè)定：堿溶解溫度設(shè)定為55 ℃(溫升范圍50～55 ℃)，碘化反應(yīng)保持恒溫設(shè)定為68 ℃(溫度范圍65～70 ℃)，提供熱交換的反應(yīng)釜夾套溫度設(shè)定為75 ℃。當(dāng)HWKS=1時，模擬混合液發(fā)生堿溶解溫度控制過程；當(dāng)YRKS=1時，模擬反應(yīng)釜預(yù)熱溫度控制過程；當(dāng)FYKS=1時，模擬混合液在氯氣作用下發(fā)生碘化反應(yīng)。

控制器運行參數(shù)設(shè)定：

TIC101B。HSPID:=(計算周期CP:=0.5，PID調(diào)節(jié)類型MC:=1串級主，比例帶PT:=20，積分時間TI:=600，微分增益KD:=2，微分時間TD:=5，輸出上限OT:=75，輸出下限OB:=0，輸出變化率OU:=1，偏差報警限值DL:=30，輸出量程上限MU:=100，輸出量程下限MD:=0，調(diào)節(jié)器類型PK:=0普通型，輸出方式OM:=0位置式，動作方式AD:=1反作用，不跟蹤TM:=FALSE，自動跟蹤允許FE:=TRUE，PV上限PU:=100，PV下限PD:=0，RM:=RM1)。

TIC102A。HSPID:= (計算周期CP:=0.5，PID調(diào)節(jié)類型MC:=2串級副，比例帶PT:=40，積分時間TI:=60，微分增益KD:=5，微分時間TD:=0，輸出上限OT:=85，輸出下限OB:=0，輸出變化率OU:=5，偏差報警限值DL:=20，輸出量程上限MU:=100，輸出量程下限MD:=0，調(diào)節(jié)器類型PK:=0普通型，輸出方式OM:=0位置式，動作方式AD:=1反作用，不跟蹤TM:=FALSE，自動跟蹤允許FE:=TRUE，PV上限PU:=100，PV下限PD:=0，RM:=RM2)。

采用以上測試參數(shù)，進行系統(tǒng)運行調(diào)試，碘化反應(yīng)工藝過程運行監(jiān)控平臺如圖4所示，此時反應(yīng)釜進行預(yù)熱升溫控制，并可調(diào)整反應(yīng)物料的配比比值。

圖4 碘化反應(yīng)工藝過程運行監(jiān)控平臺

圖5 碘化反應(yīng)溫度控制響應(yīng)曲線

碘化反應(yīng)溫度控制曲線響應(yīng)如圖5所示，性能指標(biāo)衰減比控制在4∶1內(nèi)，系統(tǒng)能夠很好的跟蹤碘化反應(yīng)的溫度控制過程。

進一步分析響應(yīng)曲線，采用反應(yīng)釜溫度串級控制的HSPID算法，在17時12分0秒首次達到68 ℃(設(shè)定值)，超調(diào)量為3%，經(jīng)過5分鐘11秒的調(diào)整，在17時17分11秒時達到68 ℃，并且持續(xù)穩(wěn)定，直至17時22分11秒，符合控制要求，且過渡過程控制曲線平滑。綜合數(shù)據(jù)分析及系統(tǒng)響應(yīng)過程，控制速度較快、溫度超調(diào)小，且控制穩(wěn)定，控制精度能夠很好地滿足工藝要求(65 ℃～70 ℃)。

5 結(jié)束語

基于MACS構(gòu)建的碘化反應(yīng)仿真裝置的控制系統(tǒng)，通過高效的算法設(shè)計和系統(tǒng)流程組態(tài)，不僅使溫度(系統(tǒng)也包括了流量、壓力、液位)達到了預(yù)期的控制要求，且反應(yīng)物流量配比可進行靈活設(shè)置，擴大了反應(yīng)物的應(yīng)用領(lǐng)域，溫控精度的顯著提升使碘化反應(yīng)完全，碘酸鈉產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量增加，同時實時、美觀、操作簡單的工藝流程監(jiān)控系統(tǒng)也在很大程度上拓展了這類系統(tǒng)的應(yīng)用前景。