PCS7 在反應(yīng)釜壓強控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

PCS7 在反應(yīng)釜壓強控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

在工業(yè)生產(chǎn)中，反應(yīng)釜應(yīng)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(tǒng)，因此在不同生產(chǎn)系統(tǒng)中需要給出不同的控制方案。在研究反應(yīng)釜的壓強控制的基礎(chǔ)上，更深層次的分析了回收物料，綜合考慮節(jié)能減排，提出了反應(yīng)釜壓強控制系統(tǒng)及產(chǎn)物的回收和產(chǎn)量的最優(yōu)控制。

影響壓強的因素主要有：反應(yīng)釜溫度、催化劑流量、產(chǎn)物濃度及廢料回收等方面。通過控制溫度實現(xiàn)控制壓強，其中任一個調(diào)節(jié)量改變時，都會影響其它被調(diào)量。需要在分支系統(tǒng)均穩(wěn)定的情況下，整個系統(tǒng)才能達(dá)到安全穩(wěn)定的狀態(tài)。整個系統(tǒng)方案使用PCS7 在SMPT－1000 平臺上進行，選擇合適的控制變量，準(zhǔn)確控制產(chǎn)物的濃度或流量以達(dá)到控制目的，實現(xiàn)效益最大化。

1 系統(tǒng)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(nèi)混合，反應(yīng)所需的催化劑C 由輸送泵（P103）從反應(yīng)器頂部加入［1－2］。 在反應(yīng)過程中，反應(yīng)放熱強烈，因此反應(yīng)釜（R101）采用夾套式水冷卻。 反應(yīng)轉(zhuǎn)化率與反應(yīng)溫度、停留時間、反應(yīng)物料濃度及混合配比有關(guān)，反應(yīng)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［3］，過高的氣相壓力使反應(yīng)器存在爆炸的風(fēng)險。 在反應(yīng)器頂部設(shè)一路抑制劑，當(dāng)反應(yīng)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(yīng)［4］。 反應(yīng)釜（R101）底部出口生成物含有產(chǎn)品D、雜質(zhì)E，催化劑C、以及未反應(yīng)的原料A 和少量原料B，為了回收原料A，在反應(yīng)器下游設(shè)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(huán)泵（P106）再送入混合罐（V101）循環(huán)利用。 閃蒸罐（V102）底部的混合生成物經(jīng)輸送泵加壓，送到下游分離工序，進行提純精制，以分離出產(chǎn)品D，整個生產(chǎn)工藝流程。廣州黑燈科技有限公司是專業(yè)從事各類行業(yè)各種類型的自動化控制系統(tǒng)開發(fā)和自動化工程項目承接，機械自動化設(shè)備生產(chǎn)，化工設(shè)備研制生產(chǎn)（擁有D1,D2壓力容器生產(chǎn)許可），智能機械人研究制造，自動化生產(chǎn)流水線，可應(yīng)用在各類工業(yè)生產(chǎn)上使用，技術(shù)團隊已在自動化控制方面積累了豐富的技術(shù)和經(jīng)驗，是一家專注于自動化控制系統(tǒng)開發(fā)、自動化工程項目承接和技術(shù)服務(wù)的技術(shù)型企業(yè)。自動化配置緊自動急切斷聯(lián)鎖裝置，并且應(yīng)配備光聲報警系統(tǒng)。能有限降低人員的傷亡的情況，減少財產(chǎn)損失。緊急切斷聯(lián)鎖裝置防止事故的發(fā)生。歡迎來電討論咨詢，關(guān)生18565060664   http://www.xm-fcx.com/

1.2 系統(tǒng)安全要求

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

2 反應(yīng)釜壓強控制系統(tǒng)的設(shè)計

反應(yīng)釜壓強控制系統(tǒng)采用PCS7 過程控制，其屬于一種分布式控制系統(tǒng)，可以根據(jù)需要選用不同的功能組件進行系統(tǒng)組態(tài)。 由于整個系統(tǒng)是一個連續(xù)自動控制的過程，對反應(yīng)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(yīng)釜的液位。 物料A、B 進料流量比例要求為3：1，由于反應(yīng)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(zhì)積壓，增大壓強。 在設(shè)定流量控制系統(tǒng)時，使流量嚴(yán)格按照實際的比例進行設(shè)定，使用常數(shù)為0.78 的乘法器，設(shè)定反應(yīng)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(chǎn)物流量和回收的控制，提升負(fù)荷模塊的設(shè)定值。

2.1 反應(yīng)釜溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計

根據(jù)化學(xué)反應(yīng)工藝要求，為確保化學(xué)反應(yīng)的充分進行、提高產(chǎn)物量濃度以及保證較高的反應(yīng)速率，設(shè)定反應(yīng)釜溫度值為95 ℃，溫度控制采用負(fù)反饋單閉環(huán)控制系統(tǒng)。 在控制部分，根據(jù)預(yù)設(shè)條件分為兩部分進行，匯編程序在結(jié)構(gòu)化控制語言SCL 模塊中編譯完成。 在反應(yīng)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(shè)定值時，直接將閥門開度調(diào)至100%，及時冷卻反應(yīng)釜，避免因溫度壓強劇增引起炸罐事故。 溫度控制系統(tǒng)流程如圖2所示。

2.2 催化劑流量控制系統(tǒng)的設(shè)計

催化劑作為原料加入A、B 的混合物中，為使化學(xué)反應(yīng)達(dá)到最高效率，單位時間內(nèi)催化劑的反應(yīng)量必須是物料B 反應(yīng)量的三分之一。 催化劑的流量不僅會影響化學(xué)反應(yīng)速率，還會影響產(chǎn)物的濃度。當(dāng)催化劑流量過高時，反應(yīng)劇烈且溫度（TI1102）提升快，反應(yīng)釜的壓強（PI1102）迅速增大、可控性差，不僅會導(dǎo)致嚴(yán)重的安全問題，也會導(dǎo)致產(chǎn)物濃度較低不符合標(biāo)準(zhǔn)；流量較低時，則反應(yīng)緩慢，溫度上升緩慢，即使壓強此時穩(wěn)定，但是產(chǎn)物濃度極低，導(dǎo)致產(chǎn)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(tǒng)使用PID 控制器自動控制催化劑控制閥的開度。 控制系統(tǒng)組態(tài)結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

2.3 反應(yīng)釜液位控制系統(tǒng)的設(shè)計

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

2.4 回收量控制系統(tǒng)的設(shè)計

回收量控制系統(tǒng)主要是控制回收的時間。若提前回收，則會導(dǎo)致閃蒸罐液位下降，甚至出現(xiàn)空罐的現(xiàn)象，而沒有產(chǎn)量；若回收時間較晚，加上反應(yīng)釜本身的滯后性嚴(yán)重，整個系統(tǒng)反應(yīng)滯后，導(dǎo)致反應(yīng)釜溫度控制器不起作用，壓強迅速上升，引起反應(yīng)釜炸裂。所以，本文設(shè)計回收系統(tǒng)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(tǒng)中需要處理計算等響應(yīng)問題，有一定的延時和滯后，影響整個系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。 所以在開車程序中設(shè)計了在系統(tǒng)運行之后的30 s 內(nèi)賦值IN1 ＝1，IN2 ＝0，之后由IN2 獨立控制，避免系統(tǒng)響應(yīng)不及時而帶來的誤差和不穩(wěn)定性，提高了系統(tǒng)的魯棒性。

3 系統(tǒng)產(chǎn)物的優(yōu)化

在工業(yè)生產(chǎn)中，產(chǎn)物質(zhì)量是考核生產(chǎn)效益的重要標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)物質(zhì)量數(shù)值上等于產(chǎn)物濃度與產(chǎn)物流量及時間的乘積。通常在其它安全指標(biāo)符合標(biāo)準(zhǔn)的情況下，生產(chǎn)線都會追求效益的最大化，即在最短的時間內(nèi)實現(xiàn)產(chǎn)物濃度的最大值以及穩(wěn)定狀態(tài)。但是濃度的大小并不是隨意可控的，其需要與整個化學(xué)反應(yīng)控制系統(tǒng)相匹配。系統(tǒng)規(guī)定，當(dāng)產(chǎn)物濃度達(dá)到80%時，產(chǎn)物達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)。 所以，在最短的時間內(nèi)將產(chǎn)物濃度達(dá)到80%，并在之后的過程中確保系統(tǒng)穩(wěn)定進行，濃度始終高于80%即可。

系統(tǒng)產(chǎn)物的優(yōu)化主要是利用斜坡函數(shù)對產(chǎn)物流量進行優(yōu)化控制。在SCL 中自定義編譯斜波函數(shù)，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(fù)荷方面，預(yù)先設(shè)定產(chǎn)物流量為7.5 kg／s，此時產(chǎn)量為12 552 kg，沒有達(dá)到理想的最大值。 在開車程序中設(shè)定目標(biāo)值，最終在產(chǎn)物流量為7.82 kg／s 時，符合該系統(tǒng)的產(chǎn)物累積量達(dá)到了最大值12 937 kg，在調(diào)試過程中，嘗試?yán)^續(xù)增大流量值，此時反應(yīng)釜壓強迅速增大，高于350 KPa時，出現(xiàn)了炸罐現(xiàn)象。 如圖6 所示。

4 系統(tǒng)運行與實現(xiàn)

經(jīng)過不斷的調(diào)試，系統(tǒng)方案運行結(jié)果如圖7 所示。 可以看到曲線平滑成一水平直線，各項參數(shù)都達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)。 即使反應(yīng)釜的壓強（PI1102）在680－1 000 s之間存在波動，在生產(chǎn)時間到760.67 s時，壓強達(dá)到了峰值130.45 kPa，該數(shù)值在安全范圍之內(nèi)，并不影響整個系統(tǒng)的安全運行。 系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時各項參數(shù)如下：反應(yīng)釜壓強125.7 kPa、液位50±5%、催化劑流量0.25 kg／s、產(chǎn)物流量7.82 kg／s、產(chǎn)物累積量12 937 kg。 此為該系統(tǒng)設(shè)計方案中的最大值。

5 結(jié)束語

本文針對化工生產(chǎn)過程中的反應(yīng)釜系統(tǒng)設(shè)計，主要對反應(yīng)釜壓強的控制和對產(chǎn)量的最大化追求。分析了影響壓強的4 個因素，并依此設(shè)計出了合理完整的控制系統(tǒng)方案，在產(chǎn)物控制方面，進行了優(yōu)化，經(jīng)過對系統(tǒng)的不斷的調(diào)試和研究，找到了該系統(tǒng)下產(chǎn)量的最大值。 最后利用PCS7 集散控制系統(tǒng)在SMPT－1000 的實驗平臺上完成了驗證，各項參數(shù)的曲線都趨于穩(wěn)定，達(dá)到實際生產(chǎn)的控制要求，具有較高的可行性。