DCS控制系統在教學用反應釜模型中的應用

龐文燕

摘要：本文對教學用反應釜模型控制系統進行設計，分析了工藝過程與控制要求。設計了DCS系統的硬件。以液位流量串級控制為例介紹了組態設計。

關鍵詞：反應釜；DCS；控制系統

中圖分類號：TP273.5 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）05-0013-02

1 概述

反應釜即有物理或化學反應的容器，能夠實現加熱、蒸發、冷卻及低高速的混配功能，廣泛應用于石油、化工、橡膠、農藥、染料、醫藥、食品等行業，用來完成硫化、硝化、氫化、烴化、聚合、縮合等工藝過程的壓力容器，例如反應釜、反應鍋、分解鍋、聚合釜等。反應釜的控制要求，除了保證物料、熱量平衡之外，還需要進行質量指標的控制，以及設置必要的約束條件控制。反應釜的種類很多，控制上的難易程度也相差很大[1]。在高職電氣自動化技術專業《過程控制技術》教學中利用DCS設計反應釜模型的控制系統，通過訓練使學生獲得DCS控制系統設計、安裝與調試的基本知識與方法。

2 系統分析

本次項目中使用的反應釜稱水熱合成反應釜，用來模擬碘化反應，考慮安全因素，反應溫度、壓力均調整為安全范圍內，溫度控制在50攝氏度，壓力30千帕，用冷水模擬氫氧化鈉物料，熱水模擬碘酸鈉。被控對象由水箱、鍋爐、滯后水箱及不銹鋼管道組成，用來模擬液位、溫度、流量及壓力等四個常用熱工參數的現場過程控制；檢測裝置主要有壓力傳感器、Pt100熱電阻和流量計等，安裝在被控對象上或與其連接的管道上；執行機構有電動調節閥、變頻器和加熱調壓模塊等。動力系統分五路：其中四路由水泵、電動調節閥、變頻器、流量計及電磁閥等組成，用來抽冷水或熱水，以模擬反應釜進料冷卻系統機構；另一路由變頻器、氣泵等組成，以模擬反應釜保壓機構。反應釜結構如圖1所示。

系統需要實現的控制功能有三個。一是反應釜壓力控制。檢測反應釜壓力、空氣緩沖罐壓力。根據工藝要求將閥QV-113關至極小開度，自行選擇相關閥門的啟閉狀態。通過DCS自動調節控制氣泵變頻器，將壓力控制在目標值。二是比值控制。檢測變頻器—磁力泵支路的流量Q1、電動閥支路的流量Q2，根據工藝要求自行選擇相關閥門的啟閉狀態，通過DCS自動調節控制#1水泵變頻器，將K=Q1/Q2控制在目標值。三是模擬碘化反應。檢測反應釜壓力、液位、內膽溫度、夾套溫度，鍋爐液位、溫度，水箱液位，系統各支路流量。根據工藝要求自行選擇相關閥門的啟閉狀態。通過DCS自動調節控制系統中所有的電動調節閥、電磁閥，將反應釜內的溫度、壓力均控制在目標值。

以和利時的DCS軟件HOLLiAS-MACS和K系列硬件為例進行設計。

3 控制系統設計

3.1 硬件設計

I/O點數統計：根據系統控制要求，統計出AI點，RTD，TC點，AO，DI，DO各類型點的數量，確定控制點數。AI點9個，AO點6個，PT100點5個，DI點2個，DO點10個。

進行傳感器、執行器、控制模塊選型。溫度檢測傳感器采用PT1OO熱電阻（三線）；壓力液位變送器采用電容式壓力液位變送器、磁翻板液位變送器、電容式壓力變送器、電磁流量計、渦輪流量計、電動調節閥、雙位雙通電磁閥等。

確定控制模塊的配置。此項目的總點數是32，所以選擇一個現場控制站，站號定為10；根據項目實際需求來確定操作員站，此項目冗余配置，站號分別為80、81；歷史站分別配置在不同的操作員站上；根據物理點數和現場控制站數量，配置1個系統主機柜，型號SP108；配置網絡柜1個（配置交換機GM010_ISW_24L），型號FP604。配置1對控制器，型號K-CU01；控制器底座1個，型號K-CUT01；IO-BUS模塊1對，按照此項目的規模，我們可以選擇星形和總線型，目前星型應用較多，所以選擇這種類型配置控制網，型號IO-BUS02。電源選型要考慮到所有模塊的功耗總和，且不能超過所選電源功耗的80%，交流電源配電板K-PW01（1塊），直流電源配電板K-PW11（1塊）；查詢電源分配板K-PW21（1塊）；24VDC（120W）電源模塊SM910（1對）；24VDC（240W）電源模塊SM913（1對）。

3.2 軟件設計

一個應用工程通過工程師站組態軟件實現，組態完成后，編譯生成相關下裝文件，通過工程師站將這些文件分別下裝到現場控制站、操作員站、歷史站、報表打印站，從而實現系統的運轉[2]。軟件組態按照軟件安裝、新建工程、數據庫導入、編譯、組態（控制站組態、圖形組態、報表組態、其他設置）、下裝（控制器、操作員站、歷史站、報表打印站）、啟動操作員在線的順序進行。

以液位流量串級控制為例介紹其實現過程。本任務的被控對象為液位水箱，主調量為水箱液位，副調量為電動調節閥支路流量，它是一個輔助的控制變量。系統由主、副兩個回路所組成，主回路是一個恒值系統，使系統的主控制量液位等于給定值；副回路是一個隨動系統，要求副回路的輸出能正確、快速地復現主調節器輸出的變化規律，以達到對主控制量液位的控制目的[3]。其工藝流程如圖2所示，控制方框圖如圖3所示。控制方案如圖4所示。

4 系統調試

調試是指按照設計和設備技術文件規定對算法程序進行調整、整定和一系列試驗工作。涉及的操作主要有強制、寫入和釋放。調試方式有仿真調試（仿真環境搭建參照仿真下裝的前三步）和實際模式兩種。無論哪種模式，必須保證控制器中的程序與工程師站的一致，因此，在調試前需要對控制器進行下裝操作。下裝結束后，執行“在線”命令，變量顯示控制器中的在線值。將反應釜的1#儲水箱灌滿水（至最高高度）；打開閥門QV-101、QV-102；上水箱的出水閥QV-103 打開至適當開度；打開現場控制箱中水泵1#的電源開關。

啟動DCS 上位機監控軟件，進入主畫面。整定PID 參數，按經驗數據預先設置好副調節器的比例度，調節主調節器的比例度，使系統的輸出響應出現4：1的衰減度，記下此時的比例度δS 和周期TS。據此，按經驗表查得PI的參數對主調節器進行參數整定。（注：可以先進行參數整定，也可以在后面的步驟中逐步整定。）主回路設定給定值，副回路給定手動輸出值，等液位水箱的液位趨于平衡狀態，副回路切換為串級，主回路切換為自動狀態，系統進入串級控制狀態。當系統運行后，主回路設定值加一合適的階躍擾動，觀察并記錄系統的輸出響應曲線。通過反復對主、副調節器參數的調節，使系統具有較滿意的動、靜態性能。用計算機記錄此時系統的動態響應曲線。整定參考值LIC103B，PT=20，TI=100，FIC101B：PT=30，TI=25。

參考文獻

[1]趙碩偉.基于DCS控制的精餾系統設計與實現[D].河北大學，2017.

[2]姚亮.基于DCS的PU反應釜監控系統設計與研究[D].合肥工業大學，2012.

[3]林振堅.DCS在壓力反應釜自控系統中的應用[J].中國鎢業，2001（Z1）：109-110+116.