基于PCS7的攪拌反應(yīng)釜連續(xù)反應(yīng)控制系統(tǒng)設(shè)計

陳 軍，易 丐，姚群勇，楊 婧，藍(lán)筑藝，楊代敏

（1.廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院，廣西南寧530004；2.廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西南寧530023）

基于PCS7的攪拌反應(yīng)釜連續(xù)反應(yīng)控制系統(tǒng)設(shè)計

陳 軍1，易 丐1，姚群勇2，楊 婧1，藍(lán)筑藝1，楊代敏1

（1.廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院，廣西南寧530004；2.廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西南寧530023）

針對帶攪拌釜式反應(yīng)釜連續(xù)反應(yīng)過程中各參數(shù)的復(fù)雜控制問題，基于西門子的SIMATIC PCS 7過程控制系統(tǒng)，設(shè)計了攪拌反應(yīng)釜連續(xù)反應(yīng)過程控制系統(tǒng)。利用PCS7和SMPT-1000，實現(xiàn)了反應(yīng)釜連續(xù)反應(yīng)控制系統(tǒng)的溫度、壓力、濃度以及液位控制。對各種控制策略進(jìn)行驗證，結(jié)果表明：所設(shè)計的控制系統(tǒng)可行、有效，控制效果良好，且具有較好的安全性、穩(wěn)定性及簡易性。

過程控制；PCS7；攪拌反應(yīng)釜；連續(xù)反應(yīng)控制系統(tǒng)

化工生產(chǎn)是過程控制技術(shù)應(yīng)用的典型領(lǐng)域，而反應(yīng)釜是化工生產(chǎn)中實現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)的主要設(shè)備之一。帶攪拌釜式反應(yīng)釜系統(tǒng)（CSRT），是一個高分子聚合反應(yīng)系統(tǒng)，在現(xiàn)代過程控制工業(yè)中非常常見。由于反應(yīng)過程受反應(yīng)物質(zhì)的不同以及壓力、溫度、催化劑等因素影響較大，并且系統(tǒng)本身具有較大的時變性和滯后性，從控制的角度來看，反應(yīng)釜屬于最難控制的過程之一[1]。攪拌反應(yīng)釜連續(xù)反應(yīng)控制系統(tǒng)的主要目的是實現(xiàn)反應(yīng)物在反應(yīng)釜中安全、穩(wěn)定地進(jìn)行連續(xù)反應(yīng)并使產(chǎn)物符合生產(chǎn)要求，要達(dá)到這一目的必須要實現(xiàn)進(jìn)料流量及比值控制、反應(yīng)器液位控制、反應(yīng)器組份控制、反應(yīng)器溫度控制、反應(yīng)器壓力安全控制、產(chǎn)物流量控制以及開車步驟順序控制等，并保證各個控制回路之間協(xié)同工作，保證反應(yīng)釜的安全運(yùn)行。本文基于PCS7軟件以及SMPT-1000實驗平臺，采用了單回路控制、串級控制、前饋控制、比值控制、模糊控制等經(jīng)典PID控制策略，設(shè)計了一套化工工業(yè)中常見的攪拌反應(yīng)釜連續(xù)反應(yīng)控制系統(tǒng)方案。

1 系統(tǒng)概述

SIMATIC PCS7是西門子新一代的DCS產(chǎn)品，硬件和軟件都基于統(tǒng)一的平臺，采用Profibus現(xiàn)場總線技術(shù)將現(xiàn)場設(shè)備集成，保持了PLC和DCS兩者的優(yōu)點，控制性能高，穩(wěn)定性好，是一種全集成自動化的開放型過程控制系統(tǒng)[2-3]。SMPT-1000包括多種生產(chǎn)工藝過程的仿真系統(tǒng)，含有省煤器、汽包、爐膛、減溫器、泵與風(fēng)機(jī)等[4]，可以很好地模擬反應(yīng)釜生產(chǎn)環(huán)境。本文結(jié)合PCS7及SMPT-1000，構(gòu)建了攪拌反應(yīng)釜連續(xù)反應(yīng)控制系統(tǒng)。

1.1 被控對象簡介

所選被控對象為過程工業(yè)常見的連續(xù)反應(yīng)器，如圖1所示。反應(yīng)過程為反應(yīng)物A、反應(yīng)物B以及催化劑C發(fā)生反應(yīng)，生成產(chǎn)物D.反應(yīng)由熱水加熱誘發(fā)，由冷卻水進(jìn)行冷卻。反應(yīng)器耐壓約2.5 MPa，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1.2 MPa.

圖1 被控對象

1.2 工藝流程分析

反應(yīng)過程主要有三股連續(xù)進(jìn)料。第一股是反應(yīng)物A，F(xiàn)I1201為進(jìn)料流量，F(xiàn)V1201是進(jìn)料閥；第二股是反應(yīng)物B，F(xiàn)I1203為進(jìn)料流量，F(xiàn)V1203是進(jìn)料閥；第三股為催化劑C，F(xiàn)I1104為進(jìn)料流量，F(xiàn)V1104為進(jìn)料閥門；HS1101為攪拌開關(guān)；HS1102為熱水加熱開關(guān)，熱水用來誘發(fā)反應(yīng)。

反應(yīng)器內(nèi)主產(chǎn)物D質(zhì)量百分比濃度在圖中指示為AI1201，反應(yīng)溫度TI1201，液位為LI1201.反應(yīng)器出口流量為FI1202，由出口閥FV1202控制其流量。反應(yīng)器出口為混合液，由產(chǎn)物D與未反應(yīng)的A、B、C組成。反應(yīng)器冷卻水入口流量為FI1105，由閥FV1105控制流量。

1.3 系統(tǒng)控制要求

根據(jù)工業(yè)常見的任務(wù)要求，設(shè)計的系統(tǒng)控制要求如下：

（1）TI1201控制要求：1）溫度變量保持在設(shè)定值70℃上下，上限不高于70.5℃，下限不低于69.5℃，穩(wěn)態(tài)最小時間不小于5 min；2）溫度變量動態(tài)偏差、調(diào)節(jié)時間在要求范圍內(nèi)。動態(tài)偏差上、下限為65℃~75℃.

（2）LI1201控制要求：1）液位變量保持在設(shè)定值60%上下，上限不高于62%，下限不低于58%，穩(wěn)態(tài)最小時間不小于5 min；2）液位變量動態(tài)偏差、調(diào)節(jié)時間在要求范圍內(nèi)。動態(tài)偏差上、下限為55%~65%.

（3）AI1201控制要求：1）D產(chǎn)物質(zhì)量百分比變量保持在設(shè)定值10%上下，上限不高于11%，下限不低于9%，穩(wěn)態(tài)最小時間不小于5 min.2）產(chǎn)物質(zhì)量百分比變量動態(tài)偏差、調(diào)節(jié)時間在要求范圍內(nèi)。動態(tài)偏差上、下限為7%~13%.

（4）FI1202控制要求：產(chǎn)物流量累積盡量高。（5）FI1105控制要求：冷卻水流量累積盡量少。（6）PI1201控制要求：反應(yīng)器壓力維持在1.2 MPa以下。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

本次所要設(shè)計的反應(yīng)器，首先需要確定整體的自動化水平，對各個具體控制系統(tǒng)的方案進(jìn)行確定，然后將各方案整合，以實現(xiàn)對反應(yīng)器的整個反應(yīng)進(jìn)行綜合控制。本設(shè)計采用的基本方案主要有經(jīng)典PID控制、單回路控制、串級控制、前饋控制、比值控制、模糊控制等，以保證工業(yè)生產(chǎn)的實用性。

2.1 變量選擇

反應(yīng)器中有多個變量可以選擇為被控變量（見表1），被控變量的選擇遵循如下原則：（1）盡量選擇能直接反應(yīng)產(chǎn)品質(zhì)量的變量作為被控變量，即合理性與獨立性；（2）所選被控變量能滿足生產(chǎn)工藝穩(wěn)定、安全、高效的要求，即直接指標(biāo)與間接指標(biāo)；（3）必須考慮自動化儀表及裝置的現(xiàn)狀，即可測性與可控性。被控變量的測量需遵循如下原則：靈敏性、快速性、及時性。

表1 被控變量列表

被控變量選擇如表1所示，對應(yīng)有操縱變量：進(jìn)料閥門FV1201，進(jìn)料閥門FV1104，進(jìn)料閥門FV1203，冷水閥門FV1105，出料閥門FV1202，攪拌電機(jī)HS1101和熱水閥門HS1102.

2.2 控制回路設(shè)計

2.2.1 溫度控制回路

反應(yīng)器溫度，是反應(yīng)器設(shè)備的重要參數(shù)。當(dāng)反應(yīng)器溫度過高，冷卻量不足時，反應(yīng)器中的反應(yīng)熱就會積累，導(dǎo)致系統(tǒng)溫度上升。而當(dāng)反應(yīng)器溫度過低，冷卻量過大時，反應(yīng)放出的熱量被全部帶走外還有余量，則余下的冷卻量將反應(yīng)器內(nèi)的溫度降低，當(dāng)內(nèi)部的溫度低于反應(yīng)誘發(fā)溫度時，反應(yīng)將逐漸停止。

溫度控制回路如圖2所示，由冷卻水流量為內(nèi)環(huán)的串級控制回路，不僅能有效解決冷水壓強(qiáng)變化引起的冷水流量減少的擾動，對其他主要擾動也有很好的克服作用并且利于快速穩(wěn)定。

圖2 溫度串級控制回路

2.2.2 濃度控制回路

濃度值與反應(yīng)溫度、反應(yīng)物比值、原料反應(yīng)時間、壓強(qiáng)以及催化劑相關(guān)，但反應(yīng)時間、溫度和壓強(qiáng)都是不能用來調(diào)節(jié)濃度，可以選擇反應(yīng)物比值和催化劑比例作為濃度的控制量，控制回路如圖3所示。

圖3 濃度變比值控制回路

顯然反應(yīng)時間是生產(chǎn)負(fù)荷，一般不能用作控制量。還有就是催化劑也不合適去作為控制濃度的策略，首先它對反應(yīng)的程度影響十分明顯，且時間常數(shù)特別小，在合適比值附近（溫度與壓強(qiáng)穩(wěn)定），它的催化效果變動不大，超過這個量就會飽和或者小于就會急劇減小，它的非線性大，不易控制，且容易使壓強(qiáng)變化劇烈，對生產(chǎn)設(shè)備不利。綜合考慮，設(shè)計了如上的變比值控制系統(tǒng)。

2.2.3 進(jìn)料比值控制回路

根據(jù)物料的特性不同以及工藝的要求，采用了雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)。進(jìn)料比值控制回路如圖4所示，這里選擇主要反應(yīng)物A作為進(jìn)料定比值的主流量，可以降低進(jìn)料量擾動對濃度和壓強(qiáng)的影響。比值是根據(jù)化學(xué)反應(yīng)得到的，實驗仿真測得比值在1.1~1.5之間有較好的效果。

圖4 進(jìn)料比值控制回路

2.2.4 液位控制回路

反應(yīng)器的物位是反應(yīng)器運(yùn)行的最重要的參數(shù)之一。維持物位在一定范圍內(nèi)，才能保證反應(yīng)器運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。物位過高，反應(yīng)空間減少，反應(yīng)生成物中帶水過多，使生成物品質(zhì)惡化，嚴(yán)重時會損壞后續(xù)設(shè)備等，影響反應(yīng)器運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。物位過低，反應(yīng)器內(nèi)的水量過少。當(dāng)負(fù)荷較大時，水的汽化速度加快，使反應(yīng)器內(nèi)的水量變化速度加快，如不及時補(bǔ)水調(diào)節(jié)，就會使反應(yīng)器內(nèi)水全部汽化，導(dǎo)致反應(yīng)器損壞，甚至引起爆炸。因此，對反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)器水位控制要求比較高。

設(shè)計的控制回路如圖5所示，以出口流量控制器作為副控制器，液位作為主控制器。副控制器通過副回路快速消除出口流量環(huán)節(jié)的擾動對反應(yīng)器液位的影響，一般采用比例-積分（PI）控制。主控制器通過副控制器對液位進(jìn)行校正，使液位保持在設(shè)定值。

圖5 液位串級控制回路

2.3 PCS7組態(tài)

PCS7使用的主控器是SIMATIC S7-400系列CPU，型號為412－3H，內(nèi)置Profibus DP接口，用于連接分布式I/O.其他模塊分別為型號UR2的機(jī)架，407-10A的電源模塊，CP443-1的通信模塊以及泗博PM-125的適配器，其AS硬件組態(tài)配置如圖6所示。上位機(jī)通過工業(yè)以太網(wǎng)連接，SIMATIC S7-400與泗博PM-125通過Profibus總線連接，其網(wǎng)絡(luò)組態(tài)在PCS7上的實施如圖7所示。

圖6 AS硬件組態(tài)

圖7 網(wǎng)絡(luò)連接組態(tài)

2.4 開車順序控制

開車的基本思路是先實現(xiàn)反應(yīng)物的投放到自動投運(yùn)，再控制開關(guān)攪拌加熱和催化劑的投放，最后控制各指標(biāo)達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行，具體開車順序控制邏輯如圖8所示。

圖8 開車順序控制邏輯圖

（1）準(zhǔn)備工作：檢查所有閥門關(guān)閉；（2）B進(jìn)料：開FV1203；（3）A進(jìn)料：液位升到50%后，開FV1201；（4）建立液位：液位升到60%后，液位投自動；（5）開攪拌開關(guān)：開攪拌開關(guān)HS1101；（6）開加熱開關(guān)：開加熱開關(guān)HS1102；（7）加入催化劑：開FV1104；（8）關(guān)閉熱水開關(guān)：溫度大于40℃，關(guān)閉HS1102；（9）溫度提升并達(dá)到穩(wěn)態(tài)：調(diào)節(jié)冷卻水進(jìn)料，控制溫升，確保反應(yīng)器溫度、壓力、液位、和產(chǎn)物質(zhì)量百分比等均維持在工藝要求范圍內(nèi)。同時，確保反應(yīng)器處在安全、穩(wěn)定的生產(chǎn)工況。

3 運(yùn)行結(jié)果與分析

通過操作員站的監(jiān)控界面及基礎(chǔ)方案對反應(yīng)器SMPT-1000界面進(jìn)行控制，從而實現(xiàn)對反應(yīng)器系統(tǒng)的控制，一般操作步驟為組態(tài)工程，編譯并下載工程，通信連接，CFC和SFC功能設(shè)計，SMPT-1000界面的投入，CFC界面的投入和SFC界面的投入。通過這一步驟可完成開車順序并實現(xiàn)方案的投運(yùn)。

3.1 開車響應(yīng)曲線及分析

圖9所示為反應(yīng)釜系統(tǒng)的開車響應(yīng)曲線圖，由系統(tǒng)曲線分析可得，系統(tǒng)在開車時，溫度能夠保證在恒定速率下升溫，說明冷水量的非線性擬合與系統(tǒng)的溫度非線性對稱，改善系統(tǒng)的非線性，投自動時擾動較小。由于設(shè)定值跟隨輸出值，在所有控制器投自動時，系統(tǒng)波動都是很小。

圖9 響應(yīng)曲線

4 結(jié)束語

基于西門子SIMATIC PCS 7過程控制系統(tǒng)，在高級多功能過程式控制實訓(xùn)仿真系統(tǒng)SMPT-1000平臺上，設(shè)計并實現(xiàn)了攪拌反應(yīng)釜連續(xù)反應(yīng)控制系統(tǒng)的控制。實驗結(jié)果表明，所設(shè)計的控制系統(tǒng)可行、有效，控制效果良好，且具有較好的安全性、穩(wěn)定性及簡易性。本次系統(tǒng)設(shè)計，對現(xiàn)代工業(yè)攪拌反應(yīng)釜系統(tǒng)的控制具有重要的參考價值[5]。

[1]于海英，侯久陽，喬付.化學(xué)反應(yīng)釜溫度控制系統(tǒng)的研究[J].黑龍江科技學(xué)院學(xué)報，2002（04）：25-28.

[2]湛心暉.PCS7過程控制在600MW火電機(jī)組中的應(yīng)用[J].科技資訊，2010（02）：101-101．

[3]李恒.基于PCS7的模糊PID控制在水泥過程控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2010．

[4]馬昕，張貝克.深入淺出過程控制——小鍋帶你學(xué)過控[M].北京:高等教育出版社，2013．

[5]史冬琳，李峰，蔡子強(qiáng)，等.基于PCS7的鍋爐順序控制系統(tǒng)設(shè)計[J].東北電力大學(xué)學(xué)報，2015.

Design of CSTR Control System Based on PCS7

CHEN Jun1，YI Gai1，YAO Qun-yong2，YANG Jing1，LAN Zhu-yi1，YANG Dai-min1
（1.School of Electrical Engineering，Guangxi University，Nanning Guangxi 530004，China；2.Guangxi Vocational College of Water Resources and Electric Power，Nanning Guangxi 530023，China）

For the problem that the parameters hard and complicated to control in continuous reaction process of stirred tank reactor，and based on the process control system of Siemens SIMATIC PCS 7，the reaction process control system for continuous stirred tank reactor has been designed，and using PCS7 and SMPT-1000，the temperature，pressure，concentration and liquid level have been effectively controlled during continuous reaction process.Validation results of various control strategies show that the designed control system is feasible，effective，safe，stable and simple to operation with good control effect.

process control；PCS7；CSTR；continuous reaction control system

TP273

A

1672-545X（2016）11-0013-05

2016-08-08

廣西大學(xué)“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃”資助項目（201610593146）

陳軍（1996-），男，江西撫州人，本科在讀，研究方向：過程控制工程。

易丐（1986-），男，碩士，工程師，主要研究方向：智能控制與檢測，過程控制工程。