基于SMPT-1000的放熱反應器控制系統

摘 要 反應器是具有多擾動、強耦合、非線性的流程行業生產裝置，反應溫度、反應速度、進料流量、進料配比等對反應產物含量均有較大影響。針對化工過程常見的連續攪拌反應器放熱反應過程，遵循安全、穩定、經濟的原則，根據所給工程文件進行理論分析和控制系統設計開發。仿真結果表明：該控制方案具有良好的控制性能。

關鍵詞 PCS7 連續攪拌反應器 放熱反應

中圖分類號 TP273 " 文獻標志碼 A " 文章編號 1000-3932（2024）04-0658-08

連續攪拌反應器（CSTR）是一種工業中常用的反應器，多用于高分子合成、發酵、微生物反應等過程，其中放熱反應的溫度控制具有慣性大、滯后大、非線性、正反饋等特點［1～3］。高級多功能過程控制實訓平臺SMPT-1000運用高精度動態仿真技術，將實際生產工藝各種受控對象用數字模式呈現在實驗設備上［4，5］，平臺提供了強放熱反應過程實驗工藝，反應物料經混合、反應、閃蒸等多道工序后輸出產品。為確保CSTR化工流程達到安全、穩定、經濟生產的目標，因此設計了一整套控制系統，并在SMPT-1000上完成進行仿真投運過程，以證明該系統的可行性，同時驗證其控制性能。

1 工藝過程簡介與反應過程分析

1.1 工藝簡介

CSTR放熱反應過程的工藝流程如圖1所示。物料A、B分別經由進料泵進入混合罐V101，充分混合后進入反應器R101；催化劑C經輸入泵進入反應器R101。物料A、B在催化劑C的作用下生成產品D，同時伴有副反應發生。

為了誘發反應達到活化溫度，在反應初始階段采用夾套蒸汽對反應器R101內的物料加熱，當反應器R101內溫度達到工藝要求后發生強放熱反應，放出大量熱量，此時采用水冷方式，將反應放出的熱量移除，維持反應器溫度穩定，避免造成超溫、超壓等。反應體系氣相壓力對溫度敏感，若冷卻失效產生高溫，過高的氣相壓力使反應器有爆炸的風險。在反應器頂部設置一路放空管線，當反應器因物料汽化導致壓力急劇升高時，可以將氣相物料放空至火炬，避免反應器爆炸，進而影響正常生產；在反應器頂部另設一路抑制劑管線，當因反應失控導致溫度或壓力過高危及安全時，通入抑制劑F，使催化劑C迅速中毒失活，用以終止反應。

反應器R101底部出口生成物主要含有產品D，還含有雜質E、催化劑C和未反應的物料A和少量物料B。為了回收物料A，在反應器下游設置閃蒸罐V102，將混合生成物中剩余的物料A分離提純。閃蒸罐V102頂部采出混合物為氣相，經冷凝器E102換熱冷凝、冷凝罐V103收集凝液，通過循環泵再送入混合罐V101循環利用。閃蒸罐V102底部的混合生成物經出料泵加壓后送到下游分離工序，進行提純精制，以分離出產品D。

1.2 反應過程分析

反應器內的反應轉化率與反應溫度、反應物停留時間、反應物料濃度和物料混合配比有關。下述兩個反應之間為競爭關系：

主反應 A+2BD " （1）

副反應 A+BE （2）

根據化學平衡知識，物料B過量時，有助于主反應的進行，但是由于物料B較貴，且未反應部分在該流程內無法回收，因此考慮通過增加物料A來促進物料B的充分利用。根據“西門子杯”中國智能制造挑戰賽賽項資料（http：//www.siemenscup-cimc.org.cn/Project/ProjectResourceDetail？id=1amp;ci d=6）和反應器穩態特性分析，可以得出最佳的反應物進料量質量分數比為6.5：6.5：1，可以保證反應速率和產物D組分質量分數較高。考慮到后期回流物中含有反應物A和催化劑C，因此在反應回流開始后應當減少進料量中A和C的質量分數。

根據所給反應速率曲線可知，隨著溫度的上升，主、副反應速率都會上升。主、副反應速率之差在［30 ℃，150 ℃］之間隨反應溫度的升高而增大，主、副反應速率之差的絕對值越大產物在單位時間的產量越多。又考慮到反應器的工作溫度范圍在［80 ℃，160 ℃］之間，因此最終穩定的反應溫度選擇在140 ℃左右為宜，既能夠保證安全生產也能盡可能地提高產量，實現經濟效益的最大化。

主要參與反應的物質物理特性匯總于表1，由表中數據可見，在105、120、135、150 ℃這幾個點，如果控制不當，會有大量物質發生汽化反應，導致反應器壓強突變，甚至可能出現超壓危險，因此在上述幾個溫度點控制時一定要更加謹慎，避免出現壓強失控導致開車失敗。

2 控制系統設計

2.1 控制回路

該放熱反應過程的控制要求是在安全生產的前提下，使得關鍵工藝參數達到控制要求，并使生產過程最終收益越多越好。

根據已知的工藝參數、設備數據、物性數據等進行控制回路設計，圖2所示為該放熱反應過程的管道儀表流程圖。

主要的控制回路包括：

a. 混合罐進料比值控制回路。因生產過程中物料A過量，本方案選擇物料A和回流量的總量為主動量，物料B流量作為從動量，采用單回路比值控制，控制規律為PI作用。

b. 混合罐液位控制回路。選用A進料量為操縱變量，通過A與B的比值關系來同時控制A、B兩者的進料量即總體進料量，從而控制混合罐的液位，控制器選擇PI作用。

c. 催化劑比值控制回路。以混合進料為主流量，以C流量為副流量設計一個單回路比值控制，控制器選擇PI作用。

d. 反應器溫度控制回路。以冷卻水流量作為操縱變量，構成反應器溫度單回路控制系統。因反應器溫度對象容量滯后較大，控制器需加入微分作用，因此控制器規律選擇PID作用。

e. 反應器液位控制回路。液位控制的操縱變量通常是容器的入口流量或出口流量，本控制方案選用反應器入口混合進料流量為操縱變量，通過其與催化劑流量的加和來共同控制液位，構成反應器液位單回路控制系統，控制器規律選擇PI作用。

f. 閃蒸罐壓力控制回路。閃蒸罐壓力的操縱變量可以選擇閃蒸罐上方變頻器的頻率或者流量閥的開度。本方案選用變頻器的頻率作為操縱變量，上游流量閥使用固定開度，通過調節變頻器的頻率來改變泵的開度，進而控制閃蒸罐壓力，控制器規律選擇PI作用。

g. 閃蒸罐液位控制回路。本控制方案選用閃蒸罐入口流量作為操縱變量，通過改變進料量控制液位，構成閃蒸罐液位單回路控制系統，控制器規律選擇PI作用。

h. 產品流量控制回路。閃蒸罐出口流量是反映生產和控制質量的一個非常重要的指標，一方面產品D流量穩定與否能反映閃蒸罐內壓力情況，另一方面D的流量體現了當前生產負荷情況。本方案選用閃蒸罐出口流量為操縱變量，設計流量單回路控制系統，控制器規律為PI作用。

2.2 開車過程

2.2.1 開車過程重難點分析

本系統開車過程的重難點在于反應器提升溫度和提升負荷兩部分。

提溫過程中，反應器中短時間內大量反應物發生劇烈放熱反應，但冷卻水換熱能力有限。由于該反應為正反饋，放熱愈多，溫度愈高，隨著反應的加劇，最終會導致溫度或壓強失控超限，以至開車失敗。因此，開車過程設計的重點是反應器提溫過程，其核心是讓該反應的放熱量始終保持在可控范圍內。根據圖3所示的反應放熱曲線可以看出，其放熱速率變化最快的階段在80 ℃左右，在此節點，用于降溫的冷水量變化較快。如果通入冷水過多，會導致溫度上升緩慢甚至下降，增加開車時間；反之，會導致溫度上升過快，又因在該溫度下反應體系為正反應，冷水通入的最大值有限，即降溫能力有限，最終可能引發反應罐溫度失控。冷水變化量較大，冷水的降溫效果滯后特別大，故此階段特別難控制。

對升溫速率有影響的因素見表2。

另外，如果快速增加進料量，短時間內大量未反應冷料的加入會導致升溫速率降低甚至降溫；但后期冷料反應放出大量的熱，總的效應仍是增大升溫速率。

前文指出，在80 ℃左右，放熱速率變化較快，冷水量變化大，反應器溫度滯后大，難以控制。因此，需要想辦法將冷水變化量大的這一因素盡可能人為地放緩，故采取以時間換空間的思路來克服該難點。

通過多次實驗與分析可以觀察到，反應器內如果突然增大進料量會導致溫度短暫下降，這是因為進入反應器的物料溫度低于反應器內正在反應的物料溫度，充分混合后短時間內會降低反應器內總的物料溫度；但反應的整體效應是隨著反應物的增加總的放熱量增加，最終溫度上升。因此，能夠推斷存在一個溫度，使得在此時冷料吸收的熱量等于當時放出的熱量。

當反應器溫度為70 ℃時，突然通入最大進料量會導致溫度持續下降。當反應器溫度在120 ℃附近時，突然通入最大進料量會導致溫度短暫下降，接著溫度又快速上升。溫度只能連續變化，那么在70～120 ℃之間，通過改變進料量都可以找到熱量吸收和釋放的平衡點，憑借人為構造的近似平衡狀態，來延緩80 ℃時劇烈的變化。經探究，在進料量為35%時，溫度上升速率的最大值大約在0.04 ℃/s時，可以通過調整冷卻水流量快速控制反應器溫度。隨著進料量的累積，反應罐內的液位持續升高，當到達設定值附近時，即關閉進料，否則會導致罐內液位超限。此種條件下，即可通過減少冷卻水流量的方式有效提升反應器溫度。該操作的本質是讓罐內的原料在80 ℃的情況下緩慢升溫，讓罐內放熱量緩慢變化，平穩度過。隨著反應器溫度的上升，溫度到達140 ℃左右時，即可開放物料出口。由于此時物料入口進料量仍為零，不可突然使物料出口開度過大，導致液位波動過大，影響產率和溫度的穩定。在溫度波動不大的情況下，逐步提升反應罐出口流量，同時提高反應罐入口流量。最終到達設定的入口流量7 kg/s左右。將上述分析過程進行開車實施，最終實現了如圖4所示的開車曲線。

當反應器在低負荷處達到穩定后，為了提高收益，需要使反應器在單位時間內可以反應盡可能多的物料，這便需要增大反應器的入口流量和出口流量。提高出口流量對于系統而言是個階躍干擾信號，會對系統平穩運行構成一定的沖擊，提負荷過快會導致系統失穩；但是如果提負荷速度過慢又會降低總產量，影響經濟效益。故本方案設計前期采用等百分比提負荷，后期采用線性增加的方法，即前期每次增加20%的負荷，后期每次增加1 kg/s，如圖5所示，可見，該方法提升負荷不僅速度較快而且對系統沖擊較小，過程中出口產物質量分數仍然保持了84%以上。

2.2.2 開車順序

經過對開車過程反復實驗，并結合前文分析，最后確定如下開車順序：

a. 初始化檢查，工況處于開車前狀態，確認所有閥門和機泵都處于關閉狀態。

b. 啟動物料A、B輸送泵，并打開物料A、B各自管線閥，物料按比例進入混合罐。混合罐液位LIC1101設定值50%投自動，積累反應物。

c. 當混合罐液位LI1101達到10%后，打開反應器進料閥開度至44%，同時打開催化劑輸送泵，催化劑流量控制器投自動，反應罐開始積累反應物。待反應器液位達到4%時關閉進料，將加熱蒸汽開度調整為25%。

d. 待溫度到達64 ℃左右時，關閉加熱蒸汽，全開冷水閥，打開反應器進料閥，使反應物總流量達到10 kg/s左右。

e. 當液位即將到達50%左右時，關閉進料閥。

f. 當反應器溫度達到115 ℃時，打開反應器進料，適當減少冷卻水量。

g. 當反應物溫度達到130 ℃時，打開出料閥FV1106，開始出料。此時整個系統在低負荷下能夠保持穩定運行。

3 控制系統實現與投運

3.1 系統組成

控制系統的主控制器采用SIMATIC S7-400系列CPU，訂貨號是412-5HK06-0AB0；通過CP 443-1模塊與上位機進行工業以太網通信；通過CPU自帶網絡接口與SMPT-1000進行以太網通信。上位計算機、主控制器和仿真被控對象三者組成操作員站、控制站和生產現場三級仿工業控制環境的實驗環境，如圖6所示。

SMPT-1000軟件負責工藝模擬，可以看作是現場生產過程，其所在工控機通過以太網與控制器連接，相當于一個多輸入多輸出的模型。上位機中安裝PCS7軟件，實現硬件組態、控制程序編寫與調試、人機交互界面組態與實時運行等功能［6］。在PCS7軟件中編寫CFC程序實現圖2所示各控制回路，整定各控制器參數使得各被控變量達到工藝要求。除反應器溫度控制器外的其他控制器均按照4：1衰減振蕩法完成參數整定。溫度控制器按照理論分析，需要給定一個較小的比例作用和積分作用，主要由微分作用起超前調節作用。利用PCS7軟件中集成的WINCC Explorer設計的人機交互界面如圖7所示，可以實時顯示各部分數值，并且對控制器進行包括手自動切換在內的實時控制。

3.2 系統調試與投運

關鍵工藝參數設計值如下：物料及催化劑A：B：C的進料比約為6.5：6.5：1，混合罐液位35%，反應器溫度140 ℃，反應器液位52%，閃蒸罐壓力40 kPa，出口流量7 kg/s，出口物料濃度要求達到75%以上，但本方案出口產物濃度可達84%，具有反應充分、原料利用率高的特點。

控制系統運行曲線如圖8所示。系統達到穩態時各項控制指標均穩定在上述工藝參數附近，超調量也均在安全范圍內。從冷態開車到開始產生產物約1 100 s，在反應器放熱曲線非線性程度極高、控制難度極大的情況下已取得有效的開車成果。這時反應器溫度在131 ℃左右，反應器液位已平衡在52%。在此之后，通過前述方法多次增加負荷將出口流量增加至7 kg/s，反應器溫度也升高到了140 ℃，仍在可控范圍，最終用時2 200 s。

系統控制方案如前文所述，在開車過程中，反應器提溫和系統加負荷兩個階段經過反復多次嘗試，確定開車方案，提高了系統的魯棒性，避免了由于通信延遲等外部因素導致回傳數據和實際控制量偏差較大，甚至開車失敗的情況。

通過多次仿真發現，該系統的各控制器均達到了預期的控制性能。雖然反應器溫度控制器因溫度超調導致壓強波動，進而影響上下游進出料流量波動，產生不必要的擾動，控制性能有所下降，但仍滿足工藝要求，整個系統運行安全穩定。

4 結束語

筆者設計的基于SMPT-1000的放熱反應器控制方案，在所給實驗條件下，滿足了全部工藝要求和安全要求，成功完成了控制器整定、系統實施及投運等環節，保證系統經濟、綠色、穩定運行，對于增減負荷等擾動能夠保持穩定，提高了生產效率。本方案具有控制冗余度大、控制效果好的特點，在“2022年西門子杯”中國智能制造挑戰賽流程行業自動化賽項的賽題難度進一步增大的情況下，仍然有效完成了反應器系統的設計和投運，實現了長時間、高負荷穩定運行，最終獲得華北一賽區一等獎。但是本方案也存在開車時間較長、負荷稍低等不足，需要繼續摸索優化改進控制方案。

參 考 文 獻

［1］ 孫洪程，李大字，翁維勤.過程控制工程［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［2］ 劉濤.過程辨識建模與控制［M］.北京：化學工業出版社，2021.

［3］ 孫優賢，邵惠鶴.工業過程控制技術（應用篇）［M］.北京：化學工業出版社，2006.

［4］ 馬昕，張貝克.深入淺出過程控制：小鍋帶你學過控［M］.北京：高等教育出版社，2013.

［5］ 邵汝倩.非線性CSTR系統的控制方法研究［D］.北京：北京化工大學，2018.

［6］ 高宏巖，卞瑤瑤.基于SMPT-1000的反應器神經網絡建模實驗［J］．實驗技術與管理，2021，38（9）：91-96.

（收稿日期：2023-06-15，修回日期：2023-07-28）

Exothermic Reactor Control System Based SMPT-1000

DOU Yuan-ke， SHAO Yu-sheng， WANG Hao-yuan， MA Xin

（College of Information Science and Technology， Beijing University of Chemical Technology）

Abstract " The reactor is a process device with multiple disturbances， strong coupling and nonlinearity. The reaction temperature， reaction speed， flow rate of feed and feed ratio have a great influence on the content of reaction products. According to the principle of safety， stability and economy， theoretical analysis and control system design were carried out according to the engineering documents. The simulation results show that， the control scheme has good control performance.

Key words " PCS7， "continuous stirring reactor， exothermic reactor

基金項目：國家自然科學基金（批準號：62273026）資助的課題；北京化工大學基于新工科/新文科建設的實驗教學改革項目（批準號：2022BHDJG06）資助的課題；北京化工大學信息科學與技術學院實踐實驗類課程線上線下混合式教學改革項目（批準號：XXIG2021002）資助的課題。

作者簡介：竇元柯（2002-），本科生，從事過程控制的研究。

通訊作者：馬昕（1975-），高級工程師，從事先進控制及過程優化的研究，maxin@mail.buct.edu.cn。

引用本文：竇元柯，邵豫生，王昊原，等.基于SMPT-1000的放熱反應器控制系統［J］.化工自動化及儀表，2024，51（4）：658-664；705.