基于PCS7的聚合反應器溫度復合控制系統設計

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(上海工程技術大學 電子電氣工程學院，上海 201620)

0 引言

聚合反應器是一類常用在塑料、化學纖維、合成橡膠三大合成材料生產中的極為重要的化工設備[1-3]。由于其內部的化學反應機理非常復雜，因此以數學方法對控制對象建立精確模型十分困難。而且反應放熱劇烈，傳熱效果不理想，因此反應器溫度控制具有非線性、大時滯性以及強耦合性等特點，一直是工業控制領域的難點。

目前化工自動化控制仍然以PID控制方法為主流，但對于非線性，時變不確定性系統，由于過程模型難以確立，存在參數難以調整，超調量過大，抗干擾能力弱，適應性差等缺點，導致控制效果不佳[4]。針對PID控制存在的問題，相關學者相繼提出了一些先進智能的PID控制方法，如非線性PID優化控制，神經網絡PID控制等。

本文在分析工業生產工藝流程和控制需求及特性的基礎上，一方面考慮到液位與溫度存在的耦合性，采用液位進料比值控制，另一方面在PID控制的基礎上，利用模糊PID算法優越的動、靜態性能，控制精度準確的優勢，并結合專家控制調節迅速、平穩、靈活性的優點，設計了模糊PID控制與冷熱水變比例多閥位開度控制的復合溫度控制策略，并通過PCS7構建控制回路和設定控制流程，結合SMPT-1000中的聚合反應器子平臺進行了控制系統的實驗驗證，有效改善溫度控制中的非線性、時滯性、耦合性等問題，提高溫度控制系統的品質特性。

1 工藝流程及控制特性分析

所選被控對象為工業生產中常見的連續反應過程。物料A，B的入口流量分別由進料閥FV1101和FV1102控制，催化劑C入口流量由控制閥FV1103控制并與物料A，B按一定比例進入反應器混合進行強烈的放熱反應，生成稀液產物D，出口產物由出料閥FV1105控制并由其送至下游生產工序做進一步分離提純，以備循環使用。夾套式冷卻水流量由調節閥FV1201控制，冷卻水吸收反應器的放熱量形成熱水，一部分經控制閥FV1202作為回收熱水進入預熱器為反應預熱，另一部分經控制閥FV1203排放至公用工程。圖1為反應器R101工藝流程，圖中TI1103和LI1102分別為反應器溫度和液位的監測量。

圖1 反應器工藝流程

反應物進料一方面是聚合反應產物質量的關鍵，合適的進料比能增加產物轉換率，從而提高出口產物D的濃度，另一方面為了維持出口物產量的穩定，必須通過控制進料來控制反應器液位。在物料進入反應器反應的前期，由于反應器溫度還未達到反應最佳溫度，導致反應轉換率下降，影響產物濃度，所以前期需通過熱水對反應物進行預熱，加快反應速率，提高產物轉換率。因為主反應是一個劇烈的放熱反應，屬于非自衡的危險過程，若反應放出的熱量無法及時移走，聚合反應器溫度則急劇上升，伴隨著壓力飛速上升，最后導致爆炸事故的發生，所以在反應過程中需不斷通過冷水降溫。由于反應器溫度又和冷熱水流量等影響因素相關，且反應器的液位及壓力均與溫度存在耦合性以及溫度自身變化導致的滯后性，所以反應器溫度控制是過程控制系統中的關鍵及難點。

為滿足工藝要求以及保證連續反應的安全運行，針對不同的控制對象設置了不同的穩態和動態控制指標，反應器R101液位控制在50%(偏差±2%)；反應器的溫度控制在100度(偏差±1度)，在滿足工藝要求、系統穩定的前提條件下，盡量減少能耗，提高能源的利用率，所以需對冷卻水消耗量，熱水回收量綜合考慮，創造更高的經濟效益。反應器液位、溫度等與系統安全相關的指標必須全程在允許范圍之內，針對進料中斷、反應物溢出、壓力過大等反應器可能發生的事故要進行故障識別，使系統能夠滿足正常生產的安全要求。

2 系統設計

2.1 液位進料比值控制

反應器液位LI1102主要受物料A、物料B以及催化劑C的進料流量以及產物D的出口流量影響，考慮到反應物出口閥FV1105控制的出口流量的波動除了會導致液位變化，還會影響進料流量的改變，所以在此選擇FV1101作為執行器來控制液位。由于產物濃度需求，反應物和催化劑需要一定比例，所以設計了雙閉環比值控制回路，將FV1101的檢測流量分別經過乘法器B和C的數值運算作為物料B和催化劑C控制回路的設定值，并通過FV1102和FV1103調節。如圖2所示。

圖2 液位進料比值控制

2.2 溫度控制系統設計

該工藝過程除了需要精確的穩態工藝指標和動態工藝指標范圍外，還要克服系統可能存在的干擾，為提高溫度控制性能，避免過高或過快升溫導致反應器壓力飛升而爆炸，保證系統的穩定運行。本設計將采用模糊PID控制與專家控制的理論分別設計不同反應階段的溫度控制策略，在被控變量的主要上升階段采用基于專家控制理論的冷熱水變比例多閥位開度控制法，當溫度接近穩定值附近時，切換至模糊PID控制，通過此方法使溫度控制達到高精度、快響應、魯棒性高、動靜態性能優越的控制效果。整體控制框圖如圖3所示。將溫度設定值與溫度傳感器檢測的當前值比較，以系統反饋的偏差大小e來決定控制方式的切換狀態。圖中K1、K2分別為模糊PID自整定控制和冷熱水變比例多閥位開度控制的模態開關，執行機構為氣動閥。

圖3 雙模式控制原理圖

2.3 模糊PID控制

設計選用二維模糊控制器對反應器溫度進行控制，以系統檢測的誤差e以及誤差變化率ec作為輸入量，通過模糊參數調節器實時在線調整，輸出滿足不同時刻的e和ec對應的PID參數。

根據實際狀況，這里將e、ec以及輸出ΔKp，ΔKi，ΔKd的模糊論域定義為[-6，6]。量化因子分別取1，0.6，0.1，0.01，0.083，同時定義了它們的模糊子集都為[NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB]，其中NB表示負大，NM表示負中，NS表示負小，ZO表示零，PS表示正小，PM表示正中，PB表示正大。常見隸屬度函數的表現形式有三角形型、高斯型、梯形，但不同類型的隸屬函數對控制器的性能影響并不大，主要是量化因子的影響。這里采用的是三角形隸屬度函數，如圖4所示。

表1 模糊規則表

圖4 隸屬度函數

根據PID參數自整定調節經驗以及實際實驗測試分析進行推導，得到ΔKp，ΔKi，ΔKd的模糊規則表，如表1所示。

模糊化后的控制量屬于模糊集合量化論域，不能直接作用被控對象，所以實際輸出量應為比例因子與量化值的乘積。本設計通過重心法解模糊，最后得到系統運行時PID參數的調整式為：

(1)

(2)

(3)

2.4 冷熱水變比例多閥位開度控制

冷熱水變比例多閥位開度法即依據專家控制理論設計控制器調節閥門輸出流量，滿足工藝上冷卻和加熱的不同需求，從而達到溫度控制的效果。根據各種有關對溫度控制經驗知識的獲取，形成知識庫，推理機在其基礎上采用推理方式進行總結，產生不同規則實現對被控對象的控制。本控制方案采用表現形式為：if[條件]then[操作和結論]的模糊產生式規則。推理機采用正向推理方式以此提高系統的響應速度[5-8]。由于不同階段的反應溫度上升的速率存在較大差別，具體可以分為以下幾個階段進行分段控溫，如表2所示。

表2 溫度反應分段表 ℃

反應階段反應器溫度120～50 250～65365～94494～105

根據反應溫度在不同的階段，按溫度檢測值與設定值的比較，采取不同的閥位控制規則和參數作為輸出，達到溫度平穩快速控制，提高水能源利用效率的目的。經過實驗探索，控制過程中出現的情況如下：當T在1階段時冷水不動作；當T在2和3階段時反應劇烈放熱，應增大冷水控制量輸出，逐漸減小熱水量，使得溫度平緩上升，同時做到能量最大程度的回收；當T在階段4時反應趨近平穩，此時適當控制冷熱水閥，避免溫度上升速率過慢或達不到穩定值。例如當T處于階段3時，可編寫如下控制規則集：規則1：ifTAthenU1=Ut1andU2=Ut2；規則3：ifT>SpthenU1=K3*Ut1andU2=K4*Ut2。其中，T為溫度測量值，Sp為溫度設定值，U1為冷水閥控制量，U2為回收熱水閥控制量，A為常量(通常為穩態誤差值)，K1、K2、K3、K4為參考比例系數，Ut1和Ut2分別為初始閥位控制量。

3 系統配置

3.1 系統硬件設計

本控制方案由西門子PCS7過程控制系統來實現，它是一種模塊化的基于現場總線的新一代過程控制系統，將傳統的集散控制系統DCS的優點與可編程邏輯控制器PLC相結合，可以根據需要選用不同的功能組件進行系統組態[9-10]。采用SMPT-1000的反應罐，閥門，預熱罐等組成工業連續過程，選擇西門子S7-400系列CPU 412-3作為過程系統控制器，并通過現場總線Profibus-DP與ET200M連接、上位機與控制器通過工業以太網Profinet的連接實現現場信息采集和系統通信，SMPT-1000的通信接口與從站ET-200M的I/O模塊相連，接收通信標準為4-20 mA 的信號。系統硬件配置如圖5所示。

圖5 系統硬件配置

3.2 系統軟件設計

軟件控制方案主要采用PCS7提供的連續功能圖CFC搭建控制回路，順序功能圖SFC來設定控制流程。以反應器溫度控制方案為例，通過PCS7系統提供的結構化語言(SCL)編寫創建所需的模糊控制功能塊FuzzyConL和冷熱水變比例多閥位開度控制塊ExpConL，并與模擬輸入輸出模塊Pcs7AnIn和Pcs7AnOu、PID模塊TIC1103連接構成溫度控制回路，如圖6所示。在組態軟件上將溫度測量傳感器的IO地址與模擬量輸入模塊的PV_IN管腳相連，將模擬信號轉化成數字信號后由PV_OUT輸出送入控制器TIC1103的測量值PV和編寫的程序塊的溫度設定值TEMP_SP管腳，控制器及TIC1103的輸出值由MV、EXP_MV1、EXP_MV1管腳輸送給模擬量輸出模塊FV1202、FV1203的PV_IN，將數字信號轉換成模擬信號后由PV_OUT管腳輸出給氣動閥的IO地址并動作。考慮到無擾切換的問題，在組態時控制器的輸出要跟蹤回路的給定值，將MV與MV_Trk相連，防止設定值跳變。

圖6 雙模式控制CFC

SFC是一種具有逐步序列的順序控制系統，通過條件的判斷實現控制狀態到另一狀態的轉變[11]。順序控制流程如圖7所示。首先需對所有閥門開度進行初始化，考慮到初始反應轉化率較低，所以前期通過FV1101小股進料保證反應物與催化劑反應充分，同時劇烈放熱提供所需最佳反應環境溫度，提高組分濃度，等液位達到一定值后，切換為自動控制并開啟出口閥門，溫度需與液位同時控制維持系統穩定，考慮到溫度的滯后性，應提前設定模式控制溫度點，其中EXP_KG和FUZZY_ST為控制模態開關，為1表示開啟。

圖7 順序控制SFC

4 實驗結果與分析

將溫度設給定值設為100℃，利用PCS7獲取實驗數據，繪制響應曲線并與傳統PID控制的實驗結果進行對比，如圖8所示。控制效果對比如表3所示。

圖8 實驗曲線圖

PID控制雙模式控制穩態值/℃100.190100.068調節時間/s317.00089.000超調量/%7.1250.031冷水用量/kg43 565.89021 215.710熱水回收量/kg3 125.64013 249.550

由圖8可知：TI1103從初始溫度20℃開始緩慢上升，溫度到達大約50℃時，反應劇烈放熱，通過調節冷熱水流量使反應器溫度以恒定的速率上升，使反應快速進入升溫階段。在450 s左右，反應器溫度上升至94℃時，通過模糊PID參數自整定控制使溫度達到穩態值，平穩進入保溫階段。由圖表可見其控制過程誤差始終保持在±0.07℃。

實驗結果表明：傳統PID控制在反應完全誘發后，由于溫度的大滯后性，非線性等特點，控制器無法根據反饋實時動態調節PID參數，從而導致溫度飛升，在階躍響應時，PID控制超調量大，調節時間長，因此消耗的水能源大，熱水回收量少，導致能源利用率低，控制效果不是很理想。在雙模式控制中，盡管在預熱、升溫階段反應器溫度與液位具有強耦合性且系統存在滯后性，但通過冷熱水變比例多閥位開度控制器中規則的設定，在其階段穩定控制了溫度的上升速率，而保溫階段通過模糊PID參數自整定控制實時在線不斷調節優化控制參數，使溫度調節更加平穩、精確，基本無超調，調節時間更短，且提高了能源利用率，彌補了PID控制的不足，改善了控制性能。

5 結語

本文采用液位進料比值控制，并設計了一種基于模糊PID控制與冷熱水變比例多閥位開度控制相結合的反應器溫度控制策略，通過在PCS7上建立控制系統回路和設定控制流程，運用SMPT-1000實驗驗證并與傳統PID控制效果進行對比。結果表明了該控制方案的可行性，不僅動、靜態性能優越，而且提高了能源利用率，很好的改善了傳統PID溫度控制中存在的非線性、大滯后性、強耦合性等問題，是一種有效的控制策略。但在實際工業控制過程中，溫度控制會存在多擾動性，在實驗過程也發現雖然溫度最后趨于穩定，但突加擾動的過程中，溫度會較大波動，所以還需再對溫度的抗擾動性測試進行深入研究并改善控制策略，但本設計對工業控制中提高能源利用率和控制效果方面具有一定的參考意義。