基于PCS7的攪拌反應釜連續反應控制系統設計

陳 軍，易 丐，姚群勇，楊 婧，藍筑藝，楊代敏

（1.廣西大學電氣工程學院，廣西南寧530004；2.廣西水利電力職業技術學院，廣西南寧530023）

基于PCS7的攪拌反應釜連續反應控制系統設計

陳 軍1，易 丐1，姚群勇2，楊 婧1，藍筑藝1，楊代敏1

（1.廣西大學電氣工程學院，廣西南寧530004；2.廣西水利電力職業技術學院，廣西南寧530023）

針對帶攪拌釜式反應釜連續反應過程中各參數的復雜控制問題，基于西門子的SIMATIC PCS 7過程控制系統，設計了攪拌反應釜連續反應過程控制系統。利用PCS7和SMPT-1000，實現了反應釜連續反應控制系統的溫度、壓力、濃度以及液位控制。對各種控制策略進行驗證，結果表明：所設計的控制系統可行、有效，控制效果良好，且具有較好的安全性、穩定性及簡易性。

過程控制；PCS7；攪拌反應釜；連續反應控制系統

化工生產是過程控制技術應用的典型領域，而反應釜是化工生產中實現化學反應的主要設備之一。帶攪拌釜式反應釜系統（CSRT），是一個高分子聚合反應系統，在現代過程控制工業中非常常見。由于反應過程受反應物質的不同以及壓力、溫度、催化劑等因素影響較大，并且系統本身具有較大的時變性和滯后性，從控制的角度來看，反應釜屬于最難控制的過程之一[1]。攪拌反應釜連續反應控制系統的主要目的是實現反應物在反應釜中安全、穩定地進行連續反應并使產物符合生產要求，要達到這一目的必須要實現進料流量及比值控制、反應器液位控制、反應器組份控制、反應器溫度控制、反應器壓力安全控制、產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同工作，保證反應釜的安全運行。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、模糊控制等經典PID控制策略，設計了一套化工工業中常見的攪拌反應釜連續反應控制系統方案。

1 系統概述

SIMATIC PCS7是西門子新一代的DCS產品，硬件和軟件都基于統一的平臺，采用Profibus現場總線技術將現場設備集成，保持了PLC和DCS兩者的優點，控制性能高，穩定性好，是一種全集成自動化的開放型過程控制系統[2-3]。SMPT-1000包括多種生產工藝過程的仿真系統，含有省煤器、汽包、爐膛、減溫器、泵與風機等[4]，可以很好地模擬反應釜生產環境。本文結合PCS7及SMPT-1000，構建了攪拌反應釜連續反應控制系統。

1.1 被控對象簡介

所選被控對象為過程工業常見的連續反應器，如圖1所示。反應過程為反應物A、反應物B以及催化劑C發生反應，生成產物D.反應由熱水加熱誘發，由冷卻水進行冷卻。反應器耐壓約2.5 MPa，為了安全，要求反應器在系統開、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

反應過程主要有三股連續進料。第一股是反應物A，FI1201為進料流量，FV1201是進料閥；第二股是反應物B，FI1203為進料流量，FV1203是進料閥；第三股為催化劑C，FI1104為進料流量，FV1104為進料閥門；HS1101為攪拌開關；HS1102為熱水加熱開關，熱水用來誘發反應。

反應器內主產物D質量百分比濃度在圖中指示為AI1201，反應溫度TI1201，液位為LI1201.反應器出口流量為FI1202，由出口閥FV1202控制其流量。反應器出口為混合液，由產物D與未反應的A、B、C組成。反應器冷卻水入口流量為FI1105，由閥FV1105控制流量。

1.3 系統控制要求

根據工業常見的任務要求，設計的系統控制要求如下：

（1）TI1201控制要求：1）溫度變量保持在設定值70℃上下，上限不高于70.5℃，下限不低于69.5℃，穩態最小時間不小于5 min；2）溫度變量動態偏差、調節時間在要求范圍內。動態偏差上、下限為65℃~75℃.

（2）LI1201控制要求：1）液位變量保持在設定值60%上下，上限不高于62%，下限不低于58%，穩態最小時間不小于5 min；2）液位變量動態偏差、調節時間在要求范圍內。動態偏差上、下限為55%~65%.

（3）AI1201控制要求：1）D產物質量百分比變量保持在設定值10%上下，上限不高于11%，下限不低于9%，穩態最小時間不小于5 min.2）產物質量百分比變量動態偏差、調節時間在要求范圍內。動態偏差上、下限為7%~13%.

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

2 控制系統設計

本次所要設計的反應器，首先需要確定整體的自動化水平，對各個具體控制系統的方案進行確定，然后將各方案整合，以實現對反應器的整個反應進行綜合控制。本設計采用的基本方案主要有經典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，以保證工業生產的實用性。

2.1 變量選擇

反應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產品質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工藝穩定、安全、高效的要求，即直接指標與間接指標；（3）必須考慮自動化儀表及裝置的現狀，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，對應有操縱變量：進料閥門FV1201，進料閥門FV1104，進料閥門FV1203，冷水閥門FV1105，出料閥門FV1202，攪拌電機HS1101和熱水閥門HS1102.

2.2 控制回路設計

2.2.1 溫度控制回路

反應器溫度，是反應器設備的重要參數。當反應器溫度過高，冷卻量不足時，反應器中的反應熱就會積累，導致系統溫度上升。而當反應器溫度過低，冷卻量過大時，反應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器內的溫度降低，當內部的溫度低于反應誘發溫度時，反應將逐漸停止。

溫度控制回路如圖2所示，由冷卻水流量為內環的串級控制回路，不僅能有效解決冷水壓強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

濃度值與反應溫度、反應物比值、原料反應時間、壓強以及催化劑相關，但反應時間、溫度和壓強都是不能用來調節濃度，可以選擇反應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

顯然反應時間是生產負荷，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，首先它對反應的程度影響十分明顯，且時間常數特別小，在合適比值附近（溫度與壓強穩定），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，且容易使壓強變化劇烈，對生產設備不利。綜合考慮，設計了如上的變比值控制系統。

2.2.3 進料比值控制回路

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

圖4 進料比值控制回路

2.2.4 液位控制回路

反應器的物位是反應器運行的最重要的參數之一。維持物位在一定范圍內，才能保證反應器運行的安全性和經濟性。物位過高，反應空間減少，反應生成物中帶水過多，使生成物品質惡化，嚴重時會損壞后續設備等，影響反應器運行的安全性和經濟性。物位過低，反應器內的水量過少。當負荷較大時，水的汽化速度加快，使反應器內的水量變化速度加快，如不及時補水調節，就會使反應器內水全部汽化，導致反應器損壞，甚至引起爆炸。因此，對反應器內反應器水位控制要求比較高。

設計的控制回路如圖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節的擾動對反應器液位的影響，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行校正，使液位保持在設定值。

圖5 液位串級控制回路

2.3 PCS7組態

PCS7使用的主控器是SIMATIC S7-400系列CPU，型號為412－3H，內置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硬件組態配置如圖6所示。上位機通過工業以太網連接，SIMATIC S7-400與泗博PM-125通過Profibus總線連接，其網絡組態在PCS7上的實施如圖7所示。

圖6 AS硬件組態

圖7 網絡連接組態

2.4 開車順序控制

開車的基本思路是先實現反應物的投放到自動投運，再控制開關攪拌加熱和催化劑的投放，最后控制各指標達到穩定運行，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）準備工作：檢查所有閥門關閉；（2）B進料：開FV1203；（3）A進料：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：開攪拌開關HS1101；（6）開加熱開關：開加熱開關HS1102；（7）加入催化劑：開FV1104；（8）關閉熱水開關：溫度大于40℃，關閉HS1102；（9）溫度提升并達到穩態：調節冷卻水進料，控制溫升，確保反應器溫度、壓力、液位、和產物質量百分比等均維持在工藝要求范圍內。同時，確保反應器處在安全、穩定的生產工況。

3 運行結果與分析

通過操作員站的監控界面及基礎方案對反應器SMPT-1000界面進行控制，從而實現對反應器系統的控制，一般操作步驟為組態工程，編譯并下載工程，通信連接，CFC和SFC功能設計，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方案的投運。

3.1 開車響應曲線及分析

圖9所示為反應釜系統的開車響應曲線圖，由系統曲線分析可得，系統在開車時，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的溫度非線性對稱，改善系統的非線性，投自動時擾動較小。由于設定值跟隨輸出值，在所有控制器投自動時，系統波動都是很小。

圖9 響應曲線

4 結束語

基于西門子SIMATIC PCS 7過程控制系統，在高級多功能過程式控制實訓仿真系統SMPT-1000平臺上，設計并實現了攪拌反應釜連續反應控制系統的控制。實驗結果表明，所設計的控制系統可行、有效，控制效果良好，且具有較好的安全性、穩定性及簡易性。本次系統設計，對現代工業攪拌反應釜系統的控制具有重要的參考價值[5]。

[1]于海英，侯久陽，喬付.化學反應釜溫度控制系統的研究[J].黑龍江科技學院學報，2002（04）：25-28.

[2]湛心暉.PCS7過程控制在600MW火電機組中的應用[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中的應用研究[D].武漢：武漢理工大學，2010．

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

[5]史冬琳，李峰，蔡子強，等.基于PCS7的鍋爐順序控制系統設計[J].東北電力大學學報，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“大學生創新創業訓練計劃”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。