基于SIMATICPCS7的间歇反应温度控制Temper

1基于SIMATICPCS7的间歇反应温度控制马昕,张贝克,孙洪程,汪雪琴(北京化工大学计算机模拟与系统安全工程研究中心，北京，100029)摘要：间歇反应由于主副反应竞争、放热剧烈等特性，对其进行自动控制始终是一个棘手问题。利用西门子过程控制系统PCS7，设计并实现了硫化促进剂M制备的间歇反应温度自动控制。采用专家规则控制器为主控制器、PID控制器为副控制器的串级控制方法，进行温度分段控制。利用SIMATICPCS7系统软件提供的连续功能图(CFC)和结构化控制语言(SCL)，实现了控制方案。运行结果表明系统能够平稳地进行升温、保温，有较好的抗扰动能力。关键字：间歇反应；SIMATICPCS7；温度串级控制；MPCE中图分类号：TP273.4TemperatureControlofBatchProcessBasedonSIMATICPCS7MAXin,ZHANGBei-ke,SUNHong-cheng,WANGXue-qin(ComputerSimulation&SystematicSafetyEngineeringCenter,BeijingUniversityofChemicalandTechnology,Beijing100029,China)Abstract:Automaticcontrolofbatchprocesshasbeenanintractableproblemforitscharacteristics,suchascompetitionbetweenmainandsecondaryreaction,givingouttheheatrapidly,etc.ThetemperatureautomaticcontrolsystemofbatchprocessforpreparationofsulfurationaccelerantMisdesignedandrealizedbasedonSIMATICPCS7.ThetemperatureiscontrolledsegmentedbythecascadecontrolschemewithexpertsystemandPIDcontroller.Theschemeisrealizedbasedonthecontinuousfunctionchart(CFC)andthestructuredcontrollanguage(SCL)intheSIMATICPCS7’ssoftware.Applicationofthecontrolsystemshowsthatitcancontrolthetemperaturetoariseandmaintaineffectivelyandreliably,andhasstronganti-disturbancecapacity.KeyWords:batchprocess;SIMATICPCS7;temperaturecascadecontrol;MPCE1引言间歇反应过程在精细化工、催化剂制备、染料中间体等行业应用广泛。由于间歇过程操作条件有很大的时变性和高度的非线性，使得间歇过程控制一直被认为是化学工业中一项困难和具有挑战性的课题。目前，许多工业间歇过程仍采用开环控制或是传统的分级反馈控制[1]。由于反应物质量无法在线测量，往往通过控制反应温度对反应产物进行间接质量控制[2]。本文使用西门子新一代过程控制系统PCS7[3]，对硫化促进剂M制备的间歇反应过程设计和实现了温度自动控制，通过PCS7系统软件的连续功能图（CFC）和结构化控制语言（SCL）组态各种功能块，实现了对相关变量的控制并达到工艺要求；同时使用WINCC完成对操作员站的组态，实现了对反应过程的监控。2硫化促进剂M制备工艺硫化促进剂M的制备是间歇反应过程中昀为复杂的一种，具有主副反应竞争、放热剧烈等特点，是当前工艺全实物实验根本无法进行的高危险性实验。因此选择由本中心研发的新一代多功能过程与控制实验系统MPCE[4]上的间歇反应过程作为被控对象，该对象在正常工况范围内的运行状态能够高度逼真实际反应过程。整个反应过程包括备料工序和缩合工序[5]，如图1所示。图1间歇反应工艺流程示意图备料工序包括二硫化碳的备料和邻硝基氯苯的备料，各配置一个高位计量罐。缩合反应工序历经下料、升温、保温、出料及反应釜清洗阶段。缩合工序主要在带搅拌器的釜式反应器中进行。计量的二硫化碳、邻硝基氯苯以及催化剂多硫化钠在反2应釜中经夹套蒸汽（夹套蒸汽开关S6）适量加热后发生复杂化学反应，生成硫化促进剂的钠盐及其副产物。反应主产物产量A，反应温度T1，压力P7，液位L4。反应一旦诱发后为放热反应，设有三路冷却装置。第一路为夹套冷却，冷却水流量由阀V8控制；第二路为蛇管冷却，冷却水流量由阀V7控制；第三路为高压冷却水，由阀V10控制。反应结束后，开放空阀V5，放掉釜内的残存可燃气体及硫化氢。开出料泵S5和出料阀V9，将釜内的料液排出。3温度自动控制系统的设计由于间歇反应是批量生产，反应釜内的物料一般都只与外界有热量交换，而无物料交换，所以间歇反应的控制基本上是一个温度控制问题。由于被控对象具有严重时变性、非线性、不确定性、扰动因素多和反应机理复杂等特点，在不同反应期特性迥然不同，所以温度控制是控制的难点和重点。需要实现过渡阶段温度的平稳上升和恒温恒压阶段温度的保持。在反应过程中有主副反应竞争，主反应活化能较高，期望较高的反应温度。升温过缓会使反应停留在低温区，副反应会加强，影响主产物产率。但升温过快会使反应后续阶段剧烈难控而产生超压事故。整个温度控制可以分为三部分：加热升温阶段、过渡阶段、恒温恒压阶段。（1）加热升温阶段启动夹套加热蒸汽，诱发反应温度上升至45℃左右。加热时间过长可能使后期反应过于激烈，太短则影响产量。（2）过渡阶段45℃~120℃这一阶段，温度范围跨度大，上升持续时间长，操作条件具有很大的时变性和高度的非线性。在此阶段应依据反应的强弱和温度的上升速率来控制夹套冷水阀V8的开度，使温度能持续平稳上升到120℃左右。由于间歇过程具有设定轨线已知、运行重复性等特点，可以利用先进的控制策略对其进行控制。在此，将专家规则控制器与PID控制器相结合，构成串级控制系统来进行此段温度的上升控制，如图2所示。根据各阶段的反应特点，将釜温分为5个阶段进行分段控制，如表1所示。在专家规则控制器编写控制规则时，对每段温度采用不同的控制规则和参数，使每一阶段釜温的上升曲线都能逼近昀优升温曲线。图2温度控制单元方块图表1温度特性分段釜温阶段45℃~65℃165℃~90℃290℃~104℃3104℃~116℃4116℃~120℃5经过探索，按照温度上升速率的快慢，采取不同的流量输出规则代替手动操作，实现平稳快速过渡。例如K=3，可以得到以下IF-THEN规则：IFK=3，升温速率为0，THEN流量F8变化1；IFK=3，升温速率小，THEN流量F8变化2；IFK=3，升温速率中，THEN流量F8变化3；IFK=3，升温速率大，THEN流量F8变化4。升温速率的零、小、中、大在不同阶段代表的数值都有所不同。当釜温在第1阶段时冷水不动作，靠反应自身放出热量使反应继续，温度上升速率在0.2℃/sec。当釜温在阶段2~4时，在专家规则控制器中编写相应的控制规则，使温度上升速率在0.2~0.3℃/sec。当釜温在第5阶段时，使温度上升速率在0.1~0.2℃/sec。进入第2阶段后，理论上可通过控制冷水量使釜温以较快速率上升，缩短升温时间，抑制副反应，但是此阶段升温过快可能导致后面温度迅速上升并超过警戒线，因此该阶段升温速率也不能过快。从第3阶段开始直至第5阶段，反应逐渐剧烈难控，因此将这一区间的温度控制分成3阶段，分段调节升温速率，通过细化控制器参数，使反应平稳进行。在第4阶段，升温速率不易过慢，以免出现温度上升不到120℃就下落的情形，导致反应失败。第5阶段处于升温过程与保温过程的过渡阶段，在此阶段则要注意与保温过程的协调控制。（3）恒温恒压阶段如果控制得当，反应经历了过渡阶段后，温度和压力会迅速下落，此时需要迅速关小冷水使温度在120℃左右维持5分钟，促使反应充分进行，提高产物浓度。此阶段采用专家规则直接控制阀门开3度。虽然按照工艺特性，将反应分为过渡阶段和恒温恒压阶段，但是这两个阶段的控制需要密切配合。当温度开始下落时阀门不能关得过快，以免导致温度重新上升，超过报警线。4温度自动控制系统的实施选用SIMATICPCS7为控制器，因为PCS7摒弃了自动化站、操作员站与工程师站之间的冗余布线，在一台紧凑设计的工控机中整合了一个昀优秀过程控制系统的所有组件[6]。本温度控制系统使用带有PROFIBUS-DP接口的CPU417作为SIMATICPCS7的中央处理器，通过总线连接器及电缆与ET200M连接。从站机架上配有电源模块（PS）、通讯接口模块（IM153-2）及输入输出模块，包括8通道AI卡件1块、8通道AO卡件2块、4通道DO卡件1块。对象MPCE提供通信接口与从站的I/O模块相连接，采用4-20毫安标准信号通信。硬件配置如图3所示。ProfibusDP图3系统硬件配置图PCS7V6.0SP1系统软件提供全集成的STEP7和WINCC，提供连续控制功能图（CFC）、顺序控制功能图（SFC）、结构化语言（SCL）等高级编程语言[7]。上述的专家规则控制器、保温控制器、输出选择器均使用SCL编写。编写完成后生成相应的可在CFC中使用的功能块。昀终的温度控制通过CFC实现，如图4所示。图4基于CFC的温度控制通过WINCC软件实现对操作员站的组态，包括工艺流程组态、实时数据和实时趋势组态、历史趋势组态、报警画面组态等，如图5所示。图5操作员站组态5实验结果图6是一组无扰动时的运行曲线。曲线1为反应釜温度T1的趋势曲线，曲线2是反应物产量A的趋势曲线，曲线3是夹套冷水调节阀V8的开度曲线，曲线4是反应釜压力P1的趋势曲线。图6无扰动时的运行曲线可以看到，控制效果完全符合反应对温度控制的要求。过渡阶段温度上升快速、平稳、连续，速率控制在0.2~0.3℃/sec；过渡阶段和恒温恒压阶段平稳过渡，未出现波动；反应保温阶段温度在120℃左右维持8分钟，达到了控制要求；主产物产量较高，实现了非常好的经济效益；阀门昀大开度为86%，满足在正常生产中阀门开度不宜超过90%的要求。比较手动记录发现，手动控制的快速性较差，而且在过渡阶段，手工控制的盲目性大，往往控制不及时，易引起“爆聚”和“僵釜”，造成反应失败。为检验本温度控制系统的抗扰动能力，选择将蛇管冷却水F7作为扰动源。图7是在反应昀剧烈的90℃~115℃阶段，将V7突开40%时的运行曲线，可以看到该控制系统调节迅速，抗干扰能力很强。6结论本文基于新一代过程控制系统SIMATICPCS7对半实物仿真系统MPCE上的硫化促进剂M制备间歇反应进行了温度自动控制系统的设计与实现。运行结果表明系统能够可靠有效地运行，有较强的抗扰动能力，很好地满足了工艺要求，可以在安全4生产的前提下获得较高的产量。图7有扰动时的运行曲线参考文献[1]李永彪，孙正贵．间歇聚丙烯生产的智能控制方案[J]．工业仪表与自动化装置，2005(5)：15-17．[2]秦家忠，段天平．DCS集散控制在间歇式液相本体聚丙烯装置上的应用[J]．天然气与石油，2001，19(2)：38-40．[3]西门子公司．PCS7控制系统在垃圾焚烧发电厂中的应用[R]．北京：西门子中国有限公司，2005．[4]吴重光．新一代多功能过程与控制实验系统MPCE-1000[M]．北京：化学工业出版社，2005．[5]吴重光．控制技能测试[M]．北京：化学工业出版社，2005．[6]西门子公司．西门子PCS7V6.0在安钢成功应用[R]．北京：西门子中国有限公司，2005．[7]西门子公司．SIMATICPCS7过程控制系统介绍[R]．北京：西门子中国有限公司，2005．作者简介：马昕（1975-），女，辽宁人，讲师，博士，主要研究方