反应器各数字量与模拟量的控制方案研究.doc

反应器各数字量与模拟量的控制方案研究-工程论文反应器各数字量与模拟量的控制方案研究 唐令怡TANGLing-yi （南京工业大学电气工程与控制科学学院，南京210000） （CollegeofAutomationandElectricalEngineering，NanjingTechUniversity，Nanjing210000，China） 摘要：随科技的不断发展，工业生产过程对自动化的需求越来越高。为了达到最优的控制效果与控制精度，本文采用基于西门子PCS7、WinCC软件和PLC400控制器的对反应器的控制方案设计。控制方案的确定是通过对不同控制变量不同的控制需求和控制特点的分析，得到最适合的控制方案。最终采用了比例控制、串级控制、PID控制和模糊PID控制，实现了对反应器的温度、液面、反应物浓度、压力以及产物浓度的有效控制。同时，也保证了系统具有良好的抗干扰能力。最后，利用西门子PCS7和WinCC软件，实现了通讯、硬件和监控画面的组态，最终成为一套完整、可用的控制系统方案。 Abstract:Withthecontinuousdevelopmentofscienceandtechnology,thedemandsofindustrialproductionprocessforautomationarehigherandhigher.Inordertoachievetheoptimalcontroleffectandcontrolaccuracy,thispaperusesSiemensPCS7,WinCCsoftwareandPLC400controllertodesignthecontrolschemeofthereactor.Throughanalyzingthedifferentcontrolrequirementsandcharacteristicsofthedifferentcontrolvariables,themostsuitablecontrolschemeisgotten.Then,theproportionalcontrol,cascadecontrol,PIDcontrolandfuzzyPIDcontrolareadoptedtorealizetheeffectivecontrolofthetemperature,liquidlevel,reactantconcentration,pressureandproductconcentrationforthereactor.Atthesametime,thegoodanti-jammingabilityofthesystemisensured.Finally,theconfigurationofcommunications,hardwareandmonitoringpictureisimplementedbySiemensPCS7andWinCCsoftware,andasetofcomplete,availableplanofcontrolsystemisaccomplished. 关键词：PCS7组态软件；模糊PID控制；温度控制；产率控制 Keywords:PCS7configurationsoftware；fuzzyPIDcontrol；temperaturecontrol；productionratecontrol 中图分类号：TK323文献标识码：A文章编号：1006-4311（2015）28-0145-03 0引言 随着科技的不断发展，工业生产过程对自动化的需求越来越高。对于比较复杂的反应系统，自动化控制更显得尤为重要。本文是以一个反应过程为例，研究了一套自动化控制反应过程的方案，对于其他反应系统也有推广的作用。前人也有过对于自动化系统的研究，但是更多地集中在对单一控制变量的理论研究。本文更有针对性地对不同的控制回路采取不同的控制方案，更加入了先进控制方案，有效地实现了对整个反应过程多个有关联的变量的控制，同时成本低廉，具有较高的实用价值。 1系统分析 一个连续反应系统以反应物A、反应物B以及催化剂C，在反应温度70.0下进行反应，反应的产物为D。反应设备包括：反应器，反应器耐压约1.5MPa。为了安全，要求反应器在系统开、停车全过程中压力不超过1.2MPa。 反应过程主要有三股连续进料。第一股是反应物A，FI1201为进料流量，FV1201是进料阀；第二股是反应物B，FI1203为进料流量，FV1203是进料阀；第三股为催化剂C，FI1104为进料流量，FV1104为进料阀门；HS1101为搅拌开关；HS1102为热水加热开关，热水用来诱发反应。反应器内主产物D重量百分比浓度在图中指示为AI1201，反应温度为TI1201，液位为LI1201。反应器出口流量为FI1202，由出口阀FV1202控制其流量。反应器出口为混合液，由产物D与未反应的A、B、C组成。反应器冷却水入口流量为FI1105，由阀FV1105控制流量。控制器模型图如图1。 2控制系统设计 2.1开车步骤的顺序控制 具体开车步骤：初始化检查，系统处于开车前状态，确认所有阀门处于关闭状态；开进料阀门FV1203，开始B进料，液位上升；当液位上升到50%左右时，开进料阀门FV1201，开始A进料；当液位上升到60%，打开出料阀门FV1202和搅拌开关HS1101；同时打开热水加热开关HS1102和催化剂阀门FV1104，诱发反应；当反应器内温度TI1201大于40时，关闭热水加热开关，并判断温度是否继续上升，如果温度继续上升则反应诱发成功，开始调节冷却水进料，使反应器温度以不大于0.1/s的速率缓慢上升，直到到达70。 2.2压力和温度的选择控制系统 为保证反应安全，应对压力进行安全控制设计。压力主要受反应温度的影响，而反应器温度又主要受冷却水阀的控制，所以通过调节冷却水阀门的开度，可以同时控制温度和压力。因此，压力和温度控制采用选择控制方案。选择控制方框如图2。 2.2.1控制原理 正常工况下，由温度控制系统操纵冷却水阀FV1105，以维持温度在701.0，反应正常进行。当出现非正常工况，引起压力达到高限时，压力控制器取代温度控制器对FV1105控制，降低反应器温度以减小压力。等到压力回到正常区域，再切换回温度控制器对FV1105进行控制，恢复正常工况。 2.2.2阀门特性的选择 从工艺生产安全考虑，一旦控制系统发生故障、信号中断时，调节器的开关状态应能保证工艺设备和操作人员的安全。冷却水阀门，在故障时要求阀门打开，否则温度过高会导致压力增大到危险程度，所以选择气关阀。 2.2.3选择压力时的控制方案 操作变量：冷却水流量。被控变量：反应釜内压强。控制规律：为保证负反馈，压力控制器采用反作用控制器，PI调节。 2.2.4选择温度时的控制方案 预热阶段： 采用位式控制，打开热水加热开关HS1102，对反应进行诱发。在温度达到40的时候，关闭热水加热开关HS1102。反应此时已被深度诱发，并逐渐靠自身反应的放热效应不断加快反应速度。 操作变量：热水阀HS1102。被控变量：反应器温度。 控制规律：位式控制，热水阀门为气开阀，预热时打开，达到四十度时关闭。 过渡阶段： 分析：在升温阶段，其受放热效应的影响，系统不仅具有滞后特点，而且参数处于时变和非线性状态，因此选用模糊-PID复合控制结构进行升温速率控制。 操作变量：冷水阀。 被控变量：反应器温度。 控制方式：手动+自动（单回路控制方式）。 采用单回路控制方式，将反应温度取一阶微分，得到温度变化率，再与升温速率设定值0.1/s作比较，将偏差作为控制器的输入。 控制规律的选择： 对于该反应器，在升温阶段70以下由冷却水阀控制冷却水流量来实现对反应温度的控制。这是一个大时滞过程，而且控制对象特性复杂，常规的PID控制器难以得到令人满意的控制效果，先进控制方式应该是较好的选择。 模糊PID控制器是根据输出量对于输入量偏差（或其导数）的变化情况，根据一定的规则进行模糊推理，实时整定PID控制器的参数，因此它比一般的PID控制器具有更好的自适应性，特别是对于控制对象特性复杂或随时间有非线性变化的情形，控制效果很理想。而且实施方法简单，只要离线根据控制规则，通过模糊逻辑运算得到控制规则表，并将表格存储在PCS7的控制站中，在运行过程中实时查询即可得到控制器的输出。比较适合在PCS7等系统上实现，因此，本方案拟采用模糊PID控制器以改善控制效果。 对于本系统，可以采用二输入三输出的模糊控制器，利用温度偏差以及升温速率偏差直接同时对PID控制器的三个参数实施整定。 方案实施： 先按系统框图进行组态图的连接，如图3所示。模糊控制器实质是一种映射规则，在图3的实施中，此处的模糊控制器是一张离线建立的模糊控制规则表。这张规则表需要在现场通过测试得到控制规则，然后在Matlab中通过模糊运算得到。这张控制规则表存储在PCS7系统的数据块中，在系统运行过程中，升温控制器根据温度及其速率的变化，实时得到控制器的输出，从而优化控制器的参数。 恒温控制阶段： 当温度达到70左右时，进入恒温控制阶段，自动切换温度的稳态控制系统。由于温度属于时间常数较大、惯性较大的变量，冷却水流量的变化随阀门的开关变化较快、时间常数较小。在工业现场，往往不能保证冷却水的压力恒定，因此即使阀位不变，冷却水流量也可能变化，从而影响反应温度。针对这种情况，采取“温度-流量”串级控制方式。 2.3进料流量比例控制 主变量：反应物B的进料流量。因为控制需求是先加入B料至液面到达50%后再加入A料，最后加入C催化剂。B料的阀门在整个工作过程中保持打开的时间最长，因此选择B料的进料流量来作为主变量。 B回路：反应物B的流量，PI控制器，控制器为反作用，气开阀；A回路：反应物B的流量，PI控制器，控制器为反作用，气开阀；C回路：反应物B的流量，PI控制器，控制器为反作用，气开阀。 操作变量：被控变量本身。 比例控制方框图见图3。 2.4液面控制 控制原理：要求控制液面处于反应器的601%，如果液面太低或太高都会影响反应效果。液面的高度主要受到三个进料阀和一个出口阀的开度影响，考虑到出口阀的开度对于液面的影响效果最明显、控制最方便，且三个进料阀已经被比值控制。为了控制的有效和方便，同时避免混乱，本文选择通过调整出口阀来控制液面。因为液面的调节变化很快，调节效果很明显，滞后小，选用单回路PI控制来调节液面的高度。 选用操作变量：反应物出口流量。 被控变量：反应器内的液面高度。 控制规律：PI控制，控制器反作用，阀门选用气关阀。比例增益KI和积分时间TI现场调节，微分时间TD设为0。 2.5安全系统的设计 反应器内压力为最主要的安全隐患。如果压力过大，可能发生爆炸危险。因此，必须采取一套报警设备，当压力出现异常时报警并紧急停车。 其工作过程为：通过压力变送器检测反应器内气体压力P，在报警给定器内设置压力上限1.2MPa，一旦发现压力越界，报警给定器发出警报，并改变其输出开关量的值，以示出现危险。经逻辑运算的判定，如果确实存在危险，改变其输出开关量的值以开始停车过程。停车包含以下几个措施：关闭进料阀FV1201，FV1203，FV1204以切断进料；将冷却阀FV1105开到最大，加大冷却水流量，以便快速降温；将出料阀FV1202开到最大，清空釜内的物料；关闭搅拌器开关。该系统与以上各个控制系统是相互独立的，通过选择型开关实施切换。 被控变量：反应器中的温度、压力、液位。 操纵变量：进料阀开度、出料阀开度、冷热水阀开度、搅拌开关。 3监控画面设计 本系统将PCS系统和SIS系统的可视化部分集成于一个操作员站。在这里既可以看到过程数据和进行控制操作，也可以看到故障报警和查阅历史记录。 在连续反应器监控系统工艺主界面可以形象的观察反应器的运行状况，包括A、B、C、D、冷却水的阀门开度和流量以及反应器的压力、液位、温度的实时值。连续反应器监控系统故障报警界面组态了反应器工作过程的温度、液位、压力和流量的报警状态，在出现非正常工作情况时，可以远程了解现场的故障状况。连续反应器监控系统趋势曲线界面动态的显示了A、B、C、D、冷却水的阀门开度和流量以及反应器的压力、液位、温度的实时值，可以比较容易掌握各个运行参数的变化历史轨迹。连续反应器监控系统控制界面组态了搅拌机、启动、停止、报警测试和复位的按钮，实现远程代替现场的操作。连续反应器监控系统工艺参数设置界面组态了压力、温度、液位、产物浓度值的设定，可以根据生产要求进行灵活的设置运行参数，方便生产。 实践证明，本控制方案能够合理有效地控制反应器的温度、压强、液位和主产物产率，在开车过程的手自动切换时可以做到基本无扰动切换，是科学、有效的控制方案。全面提高了设备自动控制的功能，达到设计预定目标。 经过模拟，达到以下数据，如图4。 主产物经模拟试运行得到提高，由原来每小时只能0.81吨液体物料，现稳定达到反应器设备需求每小时11.2吨。 4结论 本方案根据连续反应器的工艺流程