乙醛反應(yīng)過程自動控制系統(tǒng)設(shè)計

桑勝利，宋 楠，邢昌寧，王雪晶，曹玉波*

(1.吉林化工學(xué)院 信息與控制工程學(xué)院,吉林 吉林 132022；2.吉林化工學(xué)院 石油化工學(xué)院,吉林 吉林 132021；3.吉林石化公司 合成樹脂廠，吉林 吉林 132021)

乙醛是工藝中一種重要的化學(xué)物品，是石油、化工的中間產(chǎn)品，在工業(yè)生產(chǎn)中有著重要的應(yīng)用.乙烯直接氧化法制乙醛是二十世紀發(fā)展的一種新工藝，在反應(yīng)工藝中對反應(yīng)器的溫度和壓力實施精準定值控制尤為重要，不僅關(guān)乎著生產(chǎn)過程的安全，同時也影響著乙醛生產(chǎn)的品質(zhì)和效率.因此，設(shè)計一套高效、穩(wěn)定的自動控制系統(tǒng)對乙醛反應(yīng)過程有著重要的意義.

1 乙醛反應(yīng)工藝流程

乙烯制乙醛工藝流程如圖1所示.

圖1 乙醛反應(yīng)工藝流程圖

吸收塔來的循環(huán)氣經(jīng)預(yù)處理后與新鮮乙烯在管道中混合，從反應(yīng)器底部進入；純氧通過單獨管道進入反應(yīng)器下部.在反應(yīng)器R-101底部，乙烯和氧氣在催化劑、加熱、加壓條件下氧化生成乙醛.其化學(xué)反應(yīng)方程式為：

反應(yīng)后，含有乙醛的氣液混合物向上移動，經(jīng)兩根導(dǎo)管進入除沫器X-101進行氣液分離.分離出來的催化劑經(jīng)觸媒循環(huán)管回到反應(yīng)器，工藝氣體進入到冷凝器E-101，冷凝的水和催化劑由冷凝液受槽收集，經(jīng)凝液輸送泵P-101加壓后從除沫器上部以噴淋方式加入，在輸送泵加入一定量脫鹽水以補充催化劑損失的水分.為保持催化劑的活性，須從催化劑循環(huán)管中連續(xù)采出一部分催化劑溶液送到再生單元進行再生，經(jīng)再生后的催化劑溶液返回反應(yīng)系統(tǒng)循環(huán)使用.

2 控制程序設(shè)計

2.1 反應(yīng)器溫度串級控制

考慮到反應(yīng)器溫度的滯后時間常數(shù)和慣性時間常數(shù)比較大[1]，采用單回路控制時，如果蒸汽進口管壓力波動較大或波動較為頻繁時，會引起反應(yīng)器內(nèi)溫度大幅度變化，無法滿足工藝生產(chǎn)需要[2]，為克服氣體壓力波動帶來的干擾，首先構(gòu)建一個蒸汽流量副控制器消除氣壓的波動，之后以溫度主控制器的輸出作為流量副控制器給定值，使流量控制器按反應(yīng)器溫度的要求而工作，由此構(gòu)成了溫度-流量串級控制系統(tǒng).其中，溫度計安裝在反應(yīng)器底部監(jiān)測原料的反應(yīng)溫度，流量計安裝在蒸汽入口處監(jiān)測其流量.低壓蒸汽從反應(yīng)器底部進入為化學(xué)反應(yīng)過程提供加熱條件，通過改變調(diào)節(jié)閥開度進而控制蒸汽進氣流量，實現(xiàn)對反應(yīng)溫度的控制[3].從熱力學(xué)分析，乙烯氧化生產(chǎn)乙醛是放熱反應(yīng)，生產(chǎn)中反應(yīng)熱通過蒸發(fā)乙醛和催化劑中的水來引出.反應(yīng)器溫度串級控制工藝流程如圖2所示.

圖2 反應(yīng)器溫度串級控制工藝流程圖

溫度-流量串級控制方塊圖如圖3所示.溫度PID控制為主回路，流量PID控制為副回路.其中，主回路設(shè)置反應(yīng)器溫度PID控制器，其輸出作為副回路輸入給定值；副回路設(shè)置蒸汽流量PID控制器，其輸出作用于低壓蒸汽調(diào)節(jié)閥的開度值.

圖3 反應(yīng)器溫度串級控制方塊圖

在初始階段，反應(yīng)器溫度值不變，主調(diào)節(jié)器的輸出不變，蒸汽調(diào)節(jié)閥僅會按副測量值和給定值進行比較調(diào)節(jié)，控制蒸汽調(diào)節(jié)閥的開度，使反應(yīng)器溫度向設(shè)定溫度調(diào)節(jié).

當反應(yīng)器溫度發(fā)生變化時，主調(diào)節(jié)器不斷改變副調(diào)節(jié)器的輸入值，副調(diào)節(jié)器按照設(shè)定值和變化后的輸入值進行比較并輸出控制調(diào)節(jié)閥的開度，直到反應(yīng)器溫度重新恢復(fù)到設(shè)定值為止[4].

2.1.1 串級控制系統(tǒng)的具體計算步驟[5]

1.主回路偏差：

E1(k)=R(k)-Y1(k),

(1)

式中，E1(k)為采樣時刻主回路溫度偏差；R(k)為采樣時刻主回路溫度設(shè)定值；Y1(k)為采樣時刻主回路溫度實際值.

2.主調(diào)節(jié)器的增量輸出：

ΔU1(k)=Kp1[E1(k)-E1(k-1)]+Ki1E1(k)+Kd1[E1(k)-2E1(k-1)+E1(k-2)],

(2)

3.主回路反應(yīng)器溫度調(diào)節(jié)器輸出控量(流量副回路給定值)：

U1(k)=ΔU1(k)+U1(k-1),

(3)

4.副回路偏差：

E2(k)=U1(k)-Y2(k),

(4)

式中，E2(k)為采樣時刻副回路流量偏差；Y2(k)為采樣時刻副回路蒸汽實時流量.

5.副調(diào)節(jié)器的增量輸出：

ΔU2(k)=Kp2[E2(k)-E2(k-1)]+Ki2E2(k)+Kd2[E2(k)-2E2(k-1)+E2(k-2)],

(5)

6.副回路蒸汽進口流量調(diào)節(jié)器輸出控量(蒸汽調(diào)節(jié)閥對應(yīng)開度)：

U2(k)=ΔU2(k)+U2(k-1),

(6)

2.1.2 調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)型與控制器的正、反作用選定

1.調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)型.為了保證在氣源中斷時，蒸汽能夠停止供給，以防止反應(yīng)器溫度過高，蒸汽閥應(yīng)采用氣開型.

2.控制器的正、反作用.根據(jù)工藝要求，控制系統(tǒng)應(yīng)為負反饋系統(tǒng).當操縱變量蒸汽壓力增加時，副變量蒸汽流量會增加，由于副對象為正作用，則副控制器選擇反作用.當操縱變量蒸汽壓力增加時，主變量反應(yīng)器溫度增加，副變量蒸汽流量也會增加，主對象為正作用，則主控制器選擇反作用.

在Step7中編寫溫度-流量串級控制程序.其中，模擬量輸入轉(zhuǎn)換程序如圖4所示.反應(yīng)器溫度和低壓蒸汽流量電信號，經(jīng)模擬量輸入模塊實時采集，轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號送到PLC中，參數(shù)的上下限值可以在上位機中根據(jù)工藝要求進行設(shè)置.

圖4 模擬量輸入轉(zhuǎn)換程序

反應(yīng)器溫度-流量串級PID控制程序如圖5所示.溫度PID控制器運算得到的PID輸出值作為流量PID控制器的設(shè)定值，再結(jié)合蒸汽實時流量進行運算，將得到的輸出值經(jīng)模擬量輸出模塊傳送到低壓蒸汽調(diào)節(jié)閥，以此改變調(diào)節(jié)閥開度，進而改變進氣流量，實現(xiàn)反應(yīng)器溫度串級控制.

圖5 溫度-流量串級PID控制程序

2.2 反應(yīng)器壓力控制

乙烯氧化制乙醛的反應(yīng)是在氣-液相中進行的，保持壓力恒定有利于氣體在液體溶液中溶解，加速反應(yīng)的進行.在壓力控制中，采用單回路PID控制算法就能夠滿足控制要求.反應(yīng)器壓力控制工藝流程如圖6所示.

圖6 反應(yīng)器壓力定值控制工藝流程圖

壓力表用于監(jiān)測反應(yīng)器底部實時壓力值，通過調(diào)節(jié)閥改變氧氣進氣流量，從而控制反應(yīng)器壓力[6].

反應(yīng)器壓力PID控制方塊圖如圖7所示.工藝運行時，實時壓力信號經(jīng)壓力變送器送到PLC，PID控制器根據(jù)實際壓力值與設(shè)定值的偏差變化情況，通過運算得到氧氣調(diào)節(jié)閥開度，改變氧氣進氣量，從而實現(xiàn)壓力定值控制[7].

圖7 反應(yīng)器壓力PID控制方塊圖

在Step7中編寫反應(yīng)器壓力定值控制程序如圖8所示.反應(yīng)器壓力信號經(jīng)模擬量輸入模塊轉(zhuǎn)換成PLC可以讀取的數(shù)字量壓力信號送到PLC內(nèi)部，經(jīng)PID控制器運算得到閥門開度數(shù)值[8]，再經(jīng)模擬量輸出模塊將閥門開度信號送到氧氣調(diào)節(jié)閥，對氧氣調(diào)節(jié)閥進行調(diào)控，實現(xiàn)反應(yīng)器壓力的定值控制.

圖8 反應(yīng)器壓力定值控制程序

3 監(jiān)控畫面設(shè)計

采用西門子公司的WinCC7.0組態(tài)軟件設(shè)計了人機接口畫面，能夠監(jiān)控系統(tǒng)的工作狀態(tài)以及檢測儀表的參數(shù)反饋信息等.整個監(jiān)控系統(tǒng)主要由工藝流程總畫面、參數(shù)設(shè)置畫面、報警記錄畫面、趨勢曲線畫面、報表等組成[9].

監(jiān)控系統(tǒng)操作畫面如圖9所示[10].主畫面從上到下分為菜單欄和設(shè)備區(qū)兩部分.菜單欄中報警區(qū)用于顯示實時報警信息，方便操作人員及時發(fā)現(xiàn)故障信息，避免事故的發(fā)生；信息區(qū)用來顯示當前時間，以及人員登錄信息等.設(shè)備區(qū)用來顯示工藝運行情況、設(shè)備的狀態(tài)、模擬量信息等，設(shè)置單擊控件能夠彈出操作窗口，點擊按鈕實現(xiàn)操作畫面之間的自由切換等功能.

圖9 監(jiān)控系統(tǒng)操作畫面

為了完善監(jiān)控體系，系統(tǒng)操作畫面設(shè)置以下功能：

(1)參數(shù)設(shè)置畫面，可以根據(jù)工藝需要以及系統(tǒng)的運行情況，設(shè)置PID參數(shù)，對溫度和壓力等參數(shù)設(shè)置報警限值.

(2)報警記錄畫面，顯示故障原因和時間，當有故障發(fā)生時，能夠及時提示操作人員去處理.

(3)趨勢曲線畫面，溫度和壓力等參數(shù)信息變化趨勢能夠通過曲線變化實時顯示出來，便于記錄和觀察參數(shù)的實際情況.

(4)報表畫面，記錄現(xiàn)場生產(chǎn)過程中的工藝參數(shù)等信息，可以根據(jù)需要查詢歷史信息，并打印出來.

4 結(jié) 論

本文在乙醛反應(yīng)過程自動控制系統(tǒng)中，選用西門子S7-300 PLC作為控制核心，針對溫度參數(shù)存在滯后性問題，在PID單回路基礎(chǔ)上設(shè)計了PID串級控制，能有效提高控制質(zhì)量，加快系統(tǒng)的工作效率.采用WinCC組態(tài)軟件設(shè)計了人機接口畫面，便于工作人員的集中監(jiān)控和操作控制.系統(tǒng)實現(xiàn)了自動控制，減輕了工作人員的勞動強度，提高了反應(yīng)系統(tǒng)的自動化水平.經(jīng)生產(chǎn)實踐證明，該控制系統(tǒng)安全可靠，故障率低，人機接口界面友好、操作方便、乙醛的產(chǎn)量得到有效提高，具有較高的實用價值.