錢琳琳，朱博帆，何毅晨，羅 軍

（北京聯(lián)合大學 自動化學院，北京 100101）

聚合反應是高分子放熱反應生產(chǎn)過程，反應器內(nèi)溫度高、壓力大，變量具有非線性、大時滯以及強慣性等特性，因此如何使反應器中的各個變量的控制達到“穩(wěn)、準、快”，一直是化工過程控制領域的難點。

SMPT1000高級多功能過程控制實訓裝置是將全數(shù)字仿真技術與半實物實驗裝置結合，專門用于對多種化工生產(chǎn)過程的實驗仿真，尤其適合具有高復雜性和高危險性的聚合反應器的仿真。該裝置由立體流程設備盤臺、高精度工業(yè)仿真引擎及實驗監(jiān)測軟件、IO接口與輔助操作臺及工業(yè)控制系統(tǒng)四部分組成， 它提供了典型的 4～20 mA、DI/DO、Profibus DP、OPC等信號接口，可與多種控制廠商的控制器互連[1]。

本文針對SMPT1000中的聚合反應器仿真裝置進行了控制系統(tǒng)設計，構建了混合罐液位及B料流量比例控制、反應器液位及C料流量比例控制、閃蒸罐液位控制、反應器溫度控制、閃蒸罐壓力控制、反應產(chǎn)物流量控制6個控制回路，選用西門子公司的SIMATIC PCS7過程控制系統(tǒng)平臺及STEP7 V5.4組態(tài)軟件實施控制方案。仿真結果證明了方案中各控制策略的可行性和高效性[2]。

1 工藝流程、控制要求與特性分析

1.1 工藝流程原理

如圖1所示為一個含上下游工藝的反應器流程，包括混合罐、預熱器、反應器和閃蒸罐4個部分。工藝核心為原料A與原料B在催化劑C的作用下，生成主產(chǎn)物D和副產(chǎn)物E，反應方程式為

圖1 反應器工藝流程Fig.1 Process flow of reactor

式中，主反應生成物D是所需產(chǎn)品，副反應生成物E是雜質(zhì)，主、副反應均為強放熱反應。為了獲得較高轉化率，采用A物料過量的工藝，成品轉化率計算公式為D/B×100%。

原料A與原料B分別由A進料泵P101、進料閥門FV1101、B進料泵P102、進料閥門FV1102輸送進入混合罐V101內(nèi)混合；混合物料經(jīng)預熱器E101預熱升溫后，進入反應器R101進行反應，反應所需的催化劑C由催化劑輸送泵P103、進料閥門FV1104從反應器頂部加入；在反應過程中，反應放熱強烈，因此R101需要使用從閥門FV1201進入夾套的冷卻水進行冷卻，反應溫度、停留時間、反應物料濃度及混合配比最終影響產(chǎn)品D的轉化率；反應體系氣相壓力對溫度敏感，在冷卻失效產(chǎn)生的高溫條件下，過高的氣相壓力將使反應器有爆炸的風險，在反應器頂部設一路抑制劑，當反應壓力過高危及安全時，由閥門XV1101通入抑制劑F，該抑制劑會使催化劑C迅速中毒失活，從而迅速中止反應；冷卻水被反應器加熱后形成的熱水經(jīng)閥門FV1202通往E101預熱器對進料進行預熱，回收一部分熱量，多余的熱水經(jīng)閥門FV1203通往公用工程。R101反應器底部出口物料含有產(chǎn)品D、雜質(zhì)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，將混合物中過量的原料A通過真空泵P104和閥門PV1101分離提純，并循環(huán)使用；閃蒸罐V102底部產(chǎn)品D混合物料由輸送泵P105加壓經(jīng)閥門FV1106送入下游分離工序進行提純精制。

1.2 控制需求分析

1.2.1 流量控制要求

根據(jù)工藝流程中主副反應方程式，要求3股料A∶B∶C 的比例約為 9∶3∶1，在混合罐中 A 料與 B 料流量比為3∶1，在反應器中A、B混合物料與C料的流量比為12∶1；要求閃蒸罐出口流量穩(wěn)定在一個固定值以保證產(chǎn)量。

1.2.2 液位控制要求

在滿足安全和工藝要求的前提下保證混合罐液位處于一定的液位高度；要求反應器液位處于50%的穩(wěn)態(tài)值，以便有足夠的反應停留時間，使化學反應盡可能充分地進行；要求產(chǎn)物及剩余原料在閃蒸罐進行分離，保證閃蒸罐液位處于安全位置。

1.2.3 壓力安全控制要求

為保證生產(chǎn)安全，保證在整個反應過程中壓力不超過140 kPa；為保證閃蒸罐正常工作，要求在整個過程中處于30～70 kPa壓力范圍內(nèi)。

1.2.4 溫度控制要求

打開預熱器循環(huán)回水管線閥門后，一部分吸收反應熱的循環(huán)冷卻水對混合物料進行預熱，要求預熱器溫度在一定范圍；為保證反應的安全進行，需要反應器溫度維持在穩(wěn)態(tài)值為95℃。

1.2.5 產(chǎn)物組分控制要求

為得到一定的轉化率的產(chǎn)品，要求對反應器最終產(chǎn)物的組份進行控制，要求產(chǎn)物D組分穩(wěn)態(tài)值達到78%以上。

1.2.6 安全因素控制

設計報警和停車方案，在混合罐液位、反應器液位、閃蒸罐液位、反應器壓力、閃蒸罐壓力超出設計要求范圍時，視其嚴重程度分別進行報警和停車。

1.2.7 節(jié)能環(huán)保指標控制

出于對效能、環(huán)境等因素的考慮，要求在控制系統(tǒng)設計和實施中對冷卻水用量、冷水回收利用等予以充分考慮。

1.3 對象特性分析

1.3.1 液位的影響因素分析

影響液位的決定性因素是各個罐的入口和出口閥門的流量。對混合罐液位沒有明確的高度要求，控制中主要從安全和優(yōu)化方面考慮；反應器液位有具體穩(wěn)態(tài)指標，主要從控制效果方面考慮；閃蒸灌液位沒有明確的穩(wěn)態(tài)值表要求，設計師主要從安全及工藝方面考慮即可。

1.3.2 壓力的影響因素分析

在空間一定的情況下，影響壓力的因素主要是溫度。反應器的液位控制在50%前提下，影響反應器壓力的主要因素是反應器的溫度。影響閃蒸罐的壓力的主要因素是閃蒸罐體積、閃蒸罐內(nèi)的溫度以及真空泵的頻率?？刂谱￠W蒸罐的液位后，相當于使閃蒸罐的體積一定；閃蒸罐溫度主要由反應器出料決定，相對穩(wěn)定；可以通過調(diào)整真空泵變頻器頻率來控制閃蒸罐的壓力。

1.3.3 反應器溫度的影響因素分析

反應器中物料的化學反應是一個劇烈的放熱反應（主副反應均為劇烈的放熱反應），發(fā)生化學反應后，如果不加控制，反應器溫度會快速上升，而且反應器壓力也會躥升。影響反應器溫度的主要因素有 A、B、C 進料量、A、B、C 物料比、冷水流量等。 在不同階段溫度受到的變化因素會有不同，在溫度上升階段，主要影響因素是A、B、C進料量和A、B、C物料比；在穩(wěn)態(tài)階段，冷水流量是影響溫度的最主要因素。

1.3.4 產(chǎn)物組分的影響因素分析

影響組分的主要因素是A、B、C進料比，該比例決定了組分的最大值；其次，反應器溫度上升的快慢影響組分上升的速度；再次，閃蒸罐液位的大小影響組分上升的速度。

1.3.5 冷水流量累計的影響因素分析

冷水的消耗主要是在液位、溫度、組分依次進入穩(wěn)態(tài)值后。A料和B料的混合物在C料的催化下生成產(chǎn)物D，一定的液位條件下，發(fā)生較為充分的化學反應，放出大量的熱量。為了把反應器溫度控制在95℃左右，必須依靠冷水降溫。

2 反應器控制策略設計

用戶對反應器液位、反應器溫度、閃蒸罐壓力和反應產(chǎn)物流量提出了穩(wěn)態(tài)控制要求，綜合考慮穩(wěn)態(tài)要求、產(chǎn)量要求、能耗要求和安全要求，設計了混合罐液位及B料流量比例控制回路、反應器液位及C料流量比例控制回路、閃蒸罐液位控制回路、反應器溫度控制回路、閃蒸罐壓力控制回路、反應產(chǎn)物流量控制回路。另外，產(chǎn)物組分主要由A、B、C流量比決定，其中核心算法為復合PID控制算法。

2.1 混合罐液位及B料流量比例控制回路

混合罐液位不是用戶要求必須控制的變量，但考慮到它是整個工藝流程的源頭，混合罐液位穩(wěn)定與否影響著反應器變量的穩(wěn)定，混合罐液位穩(wěn)定值的大小也與整個系統(tǒng)優(yōu)化有關，為此設計該回路?；旌瞎抟何恢饕蹵料進料閥門FV1101、B料進料閥門FV1102以及出料閥門FV1103的影響，這里選擇進料閥作為混合罐液位的執(zhí)行器，同時考慮A、B進料的流量比值約為3∶1，設計了混合罐液位及B料流量比例控制回路。如圖2所示，下半部分為混合罐液位控制回路，被控變量為混合罐液位LI1101，執(zhí)行器為A料進料調(diào)節(jié)閥FV1101；上半部分為B流量比例單回路控制，被控變量為B料流量，以A料流量乘以比例系數(shù)K作為該回路的給定值，執(zhí)行器是B料進料調(diào)節(jié)閥FV1102。

圖2 混合罐液位及B料流量比例控制回路Fig.2 Proportional control loop of mixing tank level and material B flow

2.2 反應器液位及C料流量比例控制回路

反應器液位LI1102主要受A、B混合料進料閥門FV1103、催化劑C料進料閥門FV1104以及出料閥門FV1105流量的影響。這里選擇進料閥作為反應器液位的執(zhí)行器，同時考慮A、B、C進料的流量比值約為9∶3∶1，為此設計了反應器液位及C料流量比例控制回路。如圖3所示，下半部分為反應器液位控制回路，被控變量為反應器液位LI1102，執(zhí)行器為A、B混合料進料調(diào)節(jié)閥FV1103；上半部分為C流量比例單回路控制，被控變量為C料流量，以A、B混合物料流量乘以比例系數(shù)K作為該回路的給定值，執(zhí)行器是C料進料調(diào)節(jié)閥FV1104。

圖3 反應器液位及C料流量控制回路Fig.3 Proportional control loop of reactor level and material C flow

2.3 反應器溫度控制回路

反應器溫度上升階段主要取決于A、B、C料的比例、進料量、停留時間和化學反應程度。在上升階段通過前期小流量、中期大流量、后期中流量的方式，既保障溫度上升的速度，又能壓制超調(diào)；自反應器內(nèi)化學反應開始后，通過調(diào)節(jié)冷卻水的流量來控制反應器溫度。選擇冷卻水閥門FV1201作為執(zhí)行器來控制反應器溫度TI1103。

2.4 閃蒸罐液位控制回路

閃蒸罐液位也不是用戶要求必控的變量，但考慮到該變量的穩(wěn)定影響著閃蒸罐壓力，其穩(wěn)態(tài)值大小影響著組分提升的速度，為此設計該回路。閃蒸灌液位LI1201主要受進料閥門FV1105、產(chǎn)物D出料閥門FV1106、循環(huán)物料A蒸出閥門PV1101的影響，這里選擇進料閥門FV1105作為執(zhí)行器控制閃蒸罐液位LI1201。

2.5 反應產(chǎn)物流量控制回路

反應產(chǎn)物流量FI1106主要受進料閥門FV1105和產(chǎn)物出口閥門FV1106的影響，這里選擇FV1106作為執(zhí)行器來控制產(chǎn)物流量FI1106，累計形成產(chǎn)量。

2.6 閃蒸罐壓力控制回路

影響閃蒸罐壓力的因素有閃蒸罐溫度、出料流量、進料流量等多個因素，但是真空泵頻率對閃蒸罐的壓力影響最明顯。由于存在2個調(diào)節(jié)器，為保證產(chǎn)量以及控制效果，將循環(huán)原料A出口閥PV1101全開，以真空泵P104作為執(zhí)行器，調(diào)節(jié)真空泵電機的變頻器頻率，間接控制閃蒸罐壓力。

3 控制策略在PCS7上的實現(xiàn)及其控制效果分析

3.1 反應器系統(tǒng)網(wǎng)絡結構

本系統(tǒng)在網(wǎng)絡結構上由下至上依次為現(xiàn)場級、車間級和管理級，現(xiàn)場級與車間級的通信使用西門子的Profibus-DP通信協(xié)議，車間級和管理級之間使用Ethernet工業(yè)以太網(wǎng)通信協(xié)議。AS站（西門子S7-400H型PLC）、工程師站（ES站）以及操作員站（OS站）置于控制室內(nèi)，AS站通過工業(yè)以太網(wǎng)模塊CP443-1與工程師站、操作員站通信，AS站通過Profibus-DP網(wǎng)絡實現(xiàn)與放置在現(xiàn)場的ET200M遠程I/O的通訊[3]。

3.2 反應器系統(tǒng)的軟件和算法

3.2.1 反應器系統(tǒng)的軟件

PCS7是西門子公司的高級過程控制系統(tǒng)平臺，從傳感器、執(zhí)行器到控制器，再到上位機，自下而上形成完整的TIA（全集成自動化）架構。SIMATIC Manager是整個系統(tǒng)的核心，是其他所有應用程序的管理門戶，包括工廠視圖、組件視圖和過程視圖3種視圖模式；HW Configure包含整個硬件系統(tǒng)的組態(tài)，例如電源、CPU、通訊卡等，CFC和SFC編輯器用來建立連續(xù)功能圖控制程序和順序控制圖控制程序；上位機組態(tài)編輯器WinCC V6.2用于組態(tài)控制界面[4]。

本系統(tǒng)在西門子PCS7過程控制平臺上實現(xiàn)，硬件組態(tài)采用STEP7軟件完成，各個變量控制回路程序使用CFC連續(xù)功能控制圖表完成，控制算法使用結構化控制語言SCL來實現(xiàn)，安全和報警連鎖保護使用順序功能控制SFC來實現(xiàn)。

3.2.2 反應器系統(tǒng)的控制算法

鑒于用戶對控制指標要求較高，而普通數(shù)字PID難以解決動穩(wěn)態(tài)指標之間的矛盾，又考慮到模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡等智能算法在實際生產(chǎn)現(xiàn)場應用不便，為此這里采用了經(jīng)過改進的復合PID控制算法。改進之處不同的控制階段采用不同的控制算法，在被控變量的主要上升階段，控制器輸出變梯度初始開度法，力爭以最快的速度達到給定值附近，并有效消除積分飽和；在接近給定值處，加上位置型PID算法的控制塊，抑制超調(diào)，盡快消除穩(wěn)態(tài)誤差。帶有復合PID控制算法的控制系統(tǒng)框圖如圖4 所示[5]。

圖4 帶有復合PID控制算法系統(tǒng)Fig.4 System block diagram with compound PID control algorithm

3.3 控制效果分析

SMPT1000高級多功能過程控制實訓裝置不僅包含若干高精度工業(yè)仿真引擎，而且在軟件中包含實驗監(jiān)測軟件和實驗運行評分軟件，如圖5所示，在滿分為60分的情況下，該控制系統(tǒng)運行控制效果得分為56.01分，不僅達到了設計要求，而且各項指標均達到了優(yōu)秀。圖6所示為混合罐液位LI1101、反應器的溫度TI1103、反應器液位LI1102、閃蒸罐壓力PI1103、產(chǎn)品D的流量FI1106、產(chǎn)品D的組分AI1101等趨勢曲線。

圖5 SMPT1000評分軟件打分結果Fig.5 SMPT1000 score result

圖6 液位LI1102、溫度 TI1103、流量 FI1106和壓力PI1103等的趨勢曲線Fig.6 Trend curve of level LI1102，temperature TI1103，flow FI1106，pressure PI1103

從圖6可以看出，反應器液位LI1102的峰值為50.365 cm，超調(diào)量為0.73%，調(diào)節(jié)時間約為 40 s，穩(wěn)態(tài)值約為49.978 cm，穩(wěn)態(tài)誤差為0.044%；反應器的溫度TI1103的峰值為95.973℃，超調(diào)量為0.75%，調(diào)節(jié)時間約為55 s，穩(wěn)態(tài)值約為95.007℃，穩(wěn)態(tài)誤差為0.00074%；閃蒸罐壓力PI1103峰值48.155 kPa，超調(diào)量3.6%，調(diào)節(jié)時間約為30s，穩(wěn)態(tài)值49.969 kPa，穩(wěn)態(tài)誤差為0.062%；產(chǎn)物流量FI1106峰值7.561 kg/s，超調(diào)量0.813%，調(diào)節(jié)時間約為20s，穩(wěn)態(tài)值7.501 kg/s，穩(wěn)態(tài)誤差為0.13%。

反應器壓力PI1102由始至終在140 kPa以內(nèi)，完全滿足用戶控制要求；開車時間420 s，組分AI1101在開車時間后均滿足78%以上的濃度，產(chǎn)量累計14959 kg。

表1所示為實際達到的動、穩(wěn)態(tài)指標與用戶要求的動、穩(wěn)態(tài)指標的對照。

表1 穩(wěn)態(tài)指標和動態(tài)指標對照表Tab.1 Comparison of steady state index and dynamic index

4 結語

本文在基于數(shù)字技術的半實物仿真平臺SMPT1000綜合過程實訓裝置上，通過西門子PCS7過程控制系統(tǒng)，設計并完成了聚合反應器綜合系統(tǒng)的過程控制。所設計的6個控制回路，在穩(wěn)態(tài)要求、產(chǎn)量要求、能耗要求和安全要求方面，不僅達到了設計要求，整個設計中體現(xiàn)了安全和節(jié)能的思想，且操作簡單、可行性好，運行結果表明控制效果很好。由于實現(xiàn)了“穩(wěn)、準、快、省”的控制要求，該方案用于2016年西門子杯工業(yè)自動化挑戰(zhàn)賽設計開發(fā)賽項的比賽，在具體實施中通過評分系統(tǒng)自動打分獲得第一名，綜合成績獲得全國總決賽特等獎。

[1]馬昕，張貝克.深入淺出過程控制—小鍋帶你學過控小鍋帶你學過控制[M].北京：高等教育出版社，2006.

[2] 任帥，石勵，慕德俊.基于SIEMENS PCS7的聚丙烯CSTR控制策略及仿真研究[J].計算機測量與控制，2008，16（8）：1104-1108.

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[4]謝森林，王欽若，杜玉曉.智能控制方法在反應釜溫度控制中的運用[J].自動化儀表，2008，29（8）：15-18.

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