基于SMPT-1000與PCS7的多容器控制系統設計

李海霞，杜青青

(蘭州石化職業技術學院，甘肅蘭州730060)

化學反應器是化工裝置的重要設備之一，以工業反應器中進行的反應過程為研究對象，研究反應器傳遞過程對化學反應的影響以及反應器動態特性和反應器參數的敏感性，以實現工業反應器的可靠設計和操作控制。反應器的反應狀態將直接影響到后序的工藝操作，并很大程度上決定了產品的質量。因此，反應器的控制優化具有重要的實際意義[1-2]。另外，多種物料在進入反應器前，需要先在混合罐中充分混合，反應器出料需進入閃蒸罐進行閃蒸處理，并且回收一部分物料。為此，本文以反應器為主，結合混合罐、閃蒸罐的工藝要求，通過分析對象特性，依據連續過程控制的實施過程[3-4]，設計了1套多容器控制系統。該系統選用PCS7[5]進行控制方案的實施，控制效果滿足了工藝要求。

1 工藝流程分析

正常工況下的工藝過程： 原料A與B分別進入混合罐V101內，混合物料經預熱器E101升溫后，進入放熱反應器R101進行反應，反應所需的催化劑從反應器頂部加入。在反應過程中，反應放熱強烈，因此反應器R101采用夾套式水冷卻。反應轉化率與反應溫度、停留時間、反應物料質量分數及混合配比有關。在反應器頂部設1路抑制劑，當反應壓力過高危及安全時，通入抑制劑F，使催化劑迅速中毒失活，從而中止反應。冷卻水吸收反應器的放熱量形成熱水，熱水通往E101預熱器，對進料進行預熱的同時，回收一部分熱量，多余的熱水通往公用工程。為了回收原料A，在反應器下游設置了閃蒸罐V102，將混合生成物中過量的原料A分離、提純，以備循環使用。閃蒸罐V102底部的混合生成物經輸送泵加壓，送到下游分離工序，進行提純、精制，以分離出產品。工藝過程如圖1所示。

圖1 放熱反應的工藝過程示意

2 控制方案

該反應釜中反應為放熱反應，反應的溫度平穩控制至關重要，在滿足安全、穩定、綠色生產的基礎上，須充分滿足能耗、經濟效益等質量指標的要求。

2.1 混合罐進料比值控制

混合罐需克服進料流量的擾動，同時控制qm(A)，qm(B)，qm(催化劑)約符合9∶3∶1的比值要求，以保證反應產物的質量。為了維持混合罐液位的穩定，使混合罐的出口流量和進料流量保持一定的平衡關系，以混合罐的出口流量乘以比值系數K1和K2分別作為A和B物料的進料流量的給定值?；旌瞎捱M料qm(A)單閉環比值控制系統如圖2所示；進料qm(B)單閉環比值控制系統與A類似，比值為K2。

2.2 反應器進料比值控制

混合罐內達到一定的液位時，混合物料進入反應器，同時打開催化劑管線閥門，催化劑與混合原料按一定配比由反應器頂部加入，此時原料A和B在反應器里進行化學反應。由此設計qm(A，B混合物料量)-qm(催化劑)比值控制系統，反應器進料比值控制系統結構如圖3所示。

圖2 qm(A)單閉環比值控制系數示意

圖3 反應器進料比值控制系統示意

2.3 反應器溫度-冷卻水流量串級控制

反應加入了催化劑，會出現強放熱，使反應器內溫度上升。通入冷水控制加熱速率，但加熱速率過慢會使反應停留在低溫區，此時副反應加強，影響了主產物的產率；但加熱速率過快會使反應器溫度迅速升高，因此通過調節循環冷卻水控制反應溫度。串級控制系統副回路能減少對象時間常數，使系統響應速度加快，與單回路控制相比串級控制抗干擾能力更強，故采用溫度-流量串級控制系統。反應器溫度-冷卻水流量串級控制如圖4所示。

圖4 反應器溫度-冷卻水流量串級控制示意

2.4 反應器液位單回路控制

反應器液位單回路控制如圖5所示，當反應器達到一定液位時，反應生成液進入閃蒸罐進行閃蒸，因此要對反應器液位進行控制。

圖5 反應器液位單回路控制示意

控制過程中還要注意反應器的液位不能超過上限或低于下限，否則會損壞反應器。以混合罐出口流量作為操縱變量，構成液位單回路控制系統。

2.5 閃蒸罐壓力-進料流量串級控制

壓力過高或過低，對金屬導管和負荷設備都不利。壓力過高，可能導致管路、設備的損壞或爆裂；壓力過低，不可能達到所需的反應轉化率。用重復利用的物料A的質量流量去控制閃蒸罐的壓力，操縱變量是閃蒸罐物料A出口調節閥的質量流量。為避免罐內壓力干擾導致的突變，引入了串級控制。閃蒸罐進料流量波動會影響罐內溫度，進而影響壓力。因此，選擇進料流量為副變量，形成壓力-流量串級控制。閃蒸罐壓力-進料流量串級控制如圖6所示。

圖6 閃蒸罐壓力-進料流量串級控制示意

2.6 出口產品D流量單回路控制

閃蒸罐出口產品D的質量在一定程度上影響著閃蒸罐壓力的穩定，因此需要控制其出口質量流量穩定。以閃蒸罐出口產品qm(D)作為操縱變量，構成閃蒸罐出口產品qm(D)單回路控制系統，出口產品qm(D)單回路控制如圖7所示。

圖7 出口產品qm(D)單回路控制示意

3 控制系統實現

3.1 過程控制實訓系統

過程控制實訓系統SMPT-1000將實際生產中的各種被控對象用動態仿真技術呈現在實驗設備上，該系統由設備操作臺、過程模型軟件和數字化儀表構成，通過數字通信實現了半實物模擬實驗。連續生產過程中，使用混合罐、反應器、閃蒸罐和檢測變送裝置，可對流量、溫度、液位、壓力等進行測量。

3.2 控制系統硬件配置

控制器選擇SIMATIC S7-400系列PLC，CPU型號為412-5，內置Profibus接口，用于連接分布式I/O[6-7]。電源選擇PS407直流10 A，通信網口選擇CP443-1。上位機通過工業以太網連接到S7-400的CP443-1模塊，CPU通過Profibus DP連接到SMPT-1000的PM125通信模塊上。由上位機，S7-400，SMPT-1000組成的控制系統結構如圖8所示。

圖8 控制系統硬件結構示意

3.3 控制系統組態

控制方案所使用的軟件是PCS7 V8.0 SP1版本，組態采用單工作站系統，即工程師站ES和操作員站OS在同一臺上位機上。在完成AS和OS編譯和下載后，打開NetPro視圖，建立OS站和AS站的連接。在工廠視圖中進行連續功能圖CFC的設計、順序功能圖SFC的編寫與調試。控制系統網絡結構如圖9所示。

圖9 控制系統網絡結構

3.4 控制系統實施效果

采用多容器控制系統后，使qm(D)達到了78%。反應器R101溫度控制在95 ℃±1 ℃，超調量小，動態性能優良；反應器R101液位控制在50%±2%，調節時間短。閃蒸罐V102壓力控制在 50 kPa±2 kPa，調節時間小于300 s?；旌仙晌镔|量流量控制在7.5 kg/s±0.1 kg/s，調節時間小于100 s，流量波動在±0.5 kg/s。

4 結束語

以SMPT-1000多容器為研究對象，在充分分析工藝特性的基礎上，進行基礎過程控制系統的設計。利用PCS7，完成了系統設計，實現了產物D的質量分數控制，各項指標均達到技術要求。實施結果表明： 該方案設計合理，控制效果較好。