PCS7 在反應釜壓強控制系統中的應用研究

馮益林， 余 粟， 王 盟

（1 上海工程技術大學 電子電氣工程學院， 上海201620； 2 上海工程技術大學 工程實訓中心， 上海201620）

0 引 言

在工業生產中，反應釜應用廣泛，但由于其是一個非線性、滯后性強、耦合性強的多輸入輸出系統，因此在不同生產系統中需要給出不同的控制方案。在研究反應釜的壓強控制的基礎上，更深層次的分析了回收物料，綜合考慮節能減排，提出了反應釜壓強控制系統及產物的回收和產量的最優控制。

影響壓強的因素主要有：反應釜溫度、催化劑流量、產物濃度及廢料回收等方面。 通過控制溫度實現控制壓強，其中任一個調節量改變時，都會影響其它被調量。 需要在分支系統均穩定的情況下，整個系統才能達到安全穩定的狀態。 整個系統方案使用PCS7 在SMPT－1000 平臺上進行，選擇合適的控制變量，準確控制產物的濃度或流量以達到控制目的，實現效益最大化。

1 系統分析

1.1 工藝要求

原料A 與原料B 由進料泵輸送進入混合罐（V101）內混合，反應所需的催化劑C 由輸送泵（P103）從反應器頂部加入［1－2］。 在反應過程中，反應放熱強烈，因此反應釜（R101）采用夾套式水冷卻。 反應轉化率與反應溫度、停留時間、反應物料濃度及混合配比有關，反應體系氣相壓力對溫度敏感，在冷卻失效產生的高溫條件下［3］，過高的氣相壓力使反應器存在爆炸的風險。 在反應器頂部設一路抑制劑，當反應釜壓強過高危及安全時，通入抑制劑F使催化劑C 迅速中毒失活，從而中止反應［4］。 反應釜（R101）底部出口生成物含有產品D、雜質E，催化劑C、以及未反應的原料A 和少量原料B，為了回收原料A，在反應器下游設置閃蒸罐（V102），將混合生成物中過量的原料A 分離提純。 閃蒸罐（V102）頂部采出混合物為氣相，首先進入冷凝器（E102）與冷卻水進行換熱冷凝，冷凝后的混合物進入冷凝罐（V103），通過循環泵（P106）再送入混合罐（V101）循環利用。 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D［5］，整個生產工藝流程如圖1 所示。

圖1 生產工藝流程圖Fig.1 Process flow chart

1.2 系統安全要求

在化工生產過程中，混合罐、反應釜等罐式設備不能出現抽空或滿罐現象。 已知反應釜的壓強不能超過350KPa，如超壓則會引起反應釜超壓爆炸等安全事故，導致化學反應無法繼續進行。 如遇緊急情況，可添加反應抑制劑使催化劑失去活性，中止反應。 反應釜壓強的有效控制影響著反應的進行以及各項安全問題。

2 反應釜壓強控制系統的設計

反應釜壓強控制系統采用PCS7 過程控制，其屬于一種分布式控制系統，可以根據需要選用不同的功能組件進行系統組態。 由于整個系統是一個連續自動控制的過程，對反應釜的進料和出料都有不同程度的影響。 在進料口方面，主要影響因素是催化劑的流量以及反應釜的液位。 物料A、B 進料流量比例要求為3：1，由于反應釜空間有限及液位要求，故實際控制物料A、B 的進料速率不能過快，否則會引起氣相物質積壓，增大壓強。 在設定流量控制系統時，使流量嚴格按照實際的比例進行設定，使用常數為0.78 的乘法器，設定反應釜液位50%，控制B 物料的泵開度。 影響出口流量的因素主要是產物流量和回收的控制，提升負荷模塊的設定值。

2.1 反應釜溫度控制系統的設計

根據化學反應工藝要求，為確?；瘜W反應的充分進行、提高產物量濃度以及保證較高的反應速率，設定反應釜溫度值為95 ℃，溫度控制采用負反饋單閉環控制系統。 在控制部分，根據預設條件分為兩部分進行，匯編程序在結構化控制語言SCL 模塊中編譯完成。 在反應釜溫度（TI1103）低于88 ℃時，溫度PID 控制器（TIC1103） 控制冷卻劑的水閥（FV1203）開度大小，在溫度高于設定值時，直接將閥門開度調至100%，及時冷卻反應釜，避免因溫度壓強劇增引起炸罐事故。 溫度控制系統流程如圖2所示。

2.2 催化劑流量控制系統的設計

催化劑作為原料加入A、B 的混合物中，為使化學反應達到最高效率，單位時間內催化劑的反應量必須是物料B 反應量的三分之一。 催化劑的流量不僅會影響化學反應速率，還會影響產物的濃度。當催化劑流量過高時，反應劇烈且溫度（TI1102）提升快，反應釜的壓強（PI1102）迅速增大、可控性差，不僅會導致嚴重的安全問題，也會導致產物濃度較低不符合標準；流量較低時，則反應緩慢，溫度上升緩慢，即使壓強此時穩定，但是產物濃度極低，導致產量較少甚至不合格。 圖3 中乘法器用于控制催化劑與A、B 物料的混合比例，系統使用PID 控制器自動控制催化劑控制閥的開度。 控制系統組態結構如圖3 所示。

圖2 溫度控制系統設計的流程圖Fig.2 Flow chart of temperature control system design

圖3 催化劑流量控制系統組態結構圖Fig.3 Configuration diagram of catalyst flow control system

2.3 反應釜液位控制系統的設計

反應釜中主要是物料A、B 的混合物和催化劑以及反應的生成物，其中部分物質為氣相，其它均為液態混合物。 反應釜液位（LI1102）的控制同樣涉及到反應釜的安全和反應的進行，液位過高會導致反應釜中氣相物質空間相對變小，氣相物質不能及時參加反應，引起壓強逐漸增大，存在炸罐危險；液位過低則會引起化學反應不充分或反應速度大于進料速度，出現空罐的現象，最終都會導致反應停止。在此先設計一個單回路控制系統，在組態好控制回路后，進行PID 參數設定，通過選擇合適的參數使其達到最佳的控制效果。 最終選擇比例系數為40，積分時間為50 s 的PI 控制器即可達到需要的效果，此時控制器具有較強的抗干擾能力。 反應釜液位控制系統CFC 程序設計如圖4 所示。

圖4 反應釜液位控制系統CFC 程序設計圖Fig.4 CFC programming drawings of reactor level control system

2.4 回收量控制系統的設計

回收量控制系統主要是控制回收的時間。 若提前回收，則會導致閃蒸罐液位下降，甚至出現空罐的現象，而沒有產量；若回收時間較晚，加上反應釜本身的滯后性嚴重，整個系統反應滯后，導致反應釜溫度控制器不起作用，壓強迅速上升，引起反應釜炸裂。 所以，本文設計回收系統時，在控制物料A、B流量時在CFC 程序中加入選擇模塊，目的是為了減小控制器的滯后性。 此模塊的IN1 表示由A 物料控制的B 物料的流量，IN2 表示回收時B 物料的流量，由于在乘法器、選擇器等模塊在整個系統中需要處理計算等響應問題，有一定的延時和滯后，影響整個系統運行的穩定性。 所以在開車程序中設計了在系統運行之后的30 s 內賦值IN1 ＝1，IN2 ＝0，之后由IN2 獨立控制，避免系統響應不及時而帶來的誤差和不穩定性，提高了系統的魯棒性。 回收量控制系統CFC 程序設計如圖5 所示。

圖5 回收量控制系統CFC 程序設計圖Fig.5 CFC program design of recovery control system

3 系統產物的優化

在工業生產中，產物質量是考核生產效益的重要標準，產物質量數值上等于產物濃度與產物流量及時間的乘積。 通常在其它安全指標符合標準的情況下，生產線都會追求效益的最大化，即在最短的時間內實現產物濃度的最大值以及穩定狀態。 但是濃度的大小并不是隨意可控的，其需要與整個化學反應控制系統相匹配。 系統規定，當產物濃度達到80%時，產物達到合格標準。 所以，在最短的時間內將產物濃度達到80%，并在之后的過程中確保系統穩定進行，濃度始終高于80%即可。

系統產物的優化主要是利用斜坡函數對產物流量進行優化控制。 在SCL 中自定義編譯斜波函數，形成CFC 模塊并將輸出管腳（out）連接到流量控制器的外給定管腳（Sp_Ext）。 此前，在提升負荷方面，預先設定產物流量為7.5 kg／s，此時產量為12 552 kg，沒有達到理想的最大值。 在開車程序中設定目標值，最終在產物流量為7.82 kg／s 時，符合該系統的產物累積量達到了最大值12 937 kg，在調試過程中，嘗試繼續增大流量值，此時反應釜壓強迅速增大，高于350 KPa時，出現了炸罐現象。 如圖6 所示。

4 系統運行與實現

經過不斷的調試，系統方案運行結果如圖7 所示。 可以看到曲線平滑成一水平直線，各項參數都達到了穩定狀態。 即使反應釜的壓強（PI1102）在680－1 000 s之間存在波動，在生產時間到760.67 s時，壓強達到了峰值130.45 kPa，該數值在安全范圍之內，并不影響整個系統的安全運行。 系統達到穩態時各項參數如下：反應釜壓強125.7 kPa、液位50±5%、催化劑流量0.25 kg／s、產物流量7.82 kg／s、產物累積量12 937 kg。 此為該系統設計方案中的最大值。

圖6 斜坡函數控制模塊CFC 程序設計圖Fig.6 CFC programming diagram of slope function control module

圖7 生產線控制結果圖Fig.7 Control result diagram of production line

5 結束語

本文針對化工生產過程中的反應釜系統設計，主要對反應釜壓強的控制和對產量的最大化追求。 分析了影響壓強的4 個因素，并依此設計出了合理完整的控制系統方案，在產物控制方面，進行了優化，經過對系統的不斷的調試和研究，找到了該系統下產量的最大值。 最后利用PCS7 集散控制系統在SMPT－1000 的實驗平臺上完成了驗證，各項參數的曲線都趨于穩定，達到實際生產的控制要求，具有較高的可行性。