（化学工程专业论文）三唑磷合成过程工艺及控制的研究.pdf

浙| 丁业大学硕士学位论文 摘要 间歇式化学反应器是目前化工行业中应用较为广泛，并具有良好应用前景的 r 类化学反应器，其应用于精细化工、医药、聚合物和生物产品等高价值产品的 牛产，j 三唑磷的合成过程就是一个典型的间歇过程。 由于一般的间歇式化学反应过程都是一类非线性、多变量、大滞后的时变系 统，及其内在的复杂性使间歇式化学反应器的控制成为一个挑战的领域。当前各 国先进企业正在越来越深入广泛地应用先进技术来解决生产操作实际问题，以降 低生产成本，提高生产经济效益，增强企业的竞争能力。 通过对三唑磷合成过程的研究，分析了这类反应器的特点，研究参数跟踪对 象的通用控制策略，并建立此类反应器计算机控制系统的设计方法，提高信息技 术改造传统化工产业的泛化能力，具有重要的理论意义和实际应用价值。 本文分析三唑磷的合成过程并设计了相应的计算机控制系统，研究内容如 下： ( 1 ) 回顾和总结国内外用于间歇生产过程的先进控制技术。 ( 2 ) 分析三唑磷合成过程的工艺优化操作条件。 ( 3 ) 根据工厂生产实际情况和各个阶段的操作要求，设计控制方案并用集散 控制系统实现间歇合成过程的自动化。开发了一个改进的连续生产工艺 并实现d c s 控制。 ( 4 ) 建立合成过程温度曲线的模型，研究合成过程相应的先进温度控制策 略，以获得较好的控制质量。 关键词：三唑磷、合成、间歇、控制、d c s 浙江t 业大学硕士学位论文 a b s t r a c t a t p r e s e n t ，b a t c hc h e m i c a lr e a c t o r sa r ew i l d l yu s e di n 矗n ec h e m i c a l s m e d i c i n e ，p o l y m e r s ，b i o l o g yp r o c i u c t s a n dv a r i o u s p r o d u c t sw i t hh i 曲 a d d e dv a l u e ，a n di th a st h ew i d ea p p l i c a t i o np e r s p e c t i v ei ni n d u s t ut h e s y n t h e s i sr e a c t i o no ft r i a z o p h o si sat y p i c a lb a t c hp r o c e s s ) u et ot h ei n t r i n s i cc o n l p l e x i t yo fb a t c h p r o c e s sa n d t h ec h a r a c t e r so f n o n l i n e a r ，m u l t i v a r i a b l ea n d l a 略et i m ed e l a yo f b a t c h r e a c t o r s ，i tb e c o m e s ac h a l l e n g eh o wt oc o n t r o lb a t c hr e a c t o r se f 南c t i v e l y f o r t u n a t e l y m a l l y c o m p a n i e sa r es t u d y i n g a l ll ( i n d so fa d v a n c e dc o n t r o lt e c h n i q u e sa n d p u t t i n g t h e mi n t o p r a c t i c e ， i no r d e rt or e d u c et 1 e c o n s u m p t j o n o f m a t e “a l s ，i n c r e a s ep r o f i t sa n di m p r o v et h ec o m p e t i t i o nc a p a b i l i t y b a s e do nt h e s t u d y o ft h e s y n t h e s i sp r o c e s s o ft r i a z o p h o s ，t h e c h a r a c t e r so ft h er e a c t o rw e r e a n a l y z e d t h e c o n 仃o l s ”a t e g i e s o f p a r a m e t e rt r a c k i n go b j e c t sw e r ed e v e l o p e da n d t h es t r u c t u r eo f c o m p u t e r c o n t r o ls y s t e mw a sd e s i g n e d ，w h i c hi m p r o v e dm ee x t e n s i o nc 印a b i l i t i e s o fi n f o r m a t i o nt e c h n i q u et or e f o n l l 恤d i t i o n a lc h e m i c a l i n d u s t r y ，t h e w h o l ew o r kh a sh i 曲e rt h e o r y s i g n i f i c a n c ea n dt h ev a l u eo fp r a c t i c a l a p p “c a t i o n t h i s p 印e r r e l a t e st ot h e a n a l y s i s o ft h e s y n t h e s i sp r o c e s s o f t r i a z o p h o s a 1 1 dm e d e v e l 叩m e n t o f c o m p u t e r c o n t r o l s y s t e m c o r r e s p o n d i n g l y _ t h e m a i nr e s e a r c hw o r k si nt h e p 印e r a r ea sf o l l o w s 浙江丁业大学碳一l 学位论文 ( 1 )r e v i e wa n ds u m m a r i z em e 叩p l i c a t i o no fa d v a n c e d c o n t r o l t e c h n i q u e si np r o c e s so f b a t c h r e a c t i o n ( 2 ) s t u d yt h et e c h n i c si ns y n t h e s i sp r o c e s so f t r i a z o p h o sa n d 叩t i m a l o p e r a t i n g c o n d h i o n s ( 3 ) d e s i g n t h ec o m r o ls t r a t e g yo ft 1 1 eb a t c hp r o c e s sa n dt h es t m c t u r e o fd c sc o n t r o ls y s t e m t h es y s t e mw a si m p l e m e n t e di ns y n t h e s i sp r o c e s s o ft r i a z o p h o si nac h e m i c a l sf a c t o r yo nt h i sb a s e ，ai m p r o v e dt e c h n i c s o f c o n t i n u o u ss y n t h e s i sp r o c e s so ft r i a z o p h o sw a sd e v e l o p e d a t t h es a m e t i m e ，t h ed c s c o n t r o ls y s t e mw a su s e di np r a c t i c e ( 4 ) b u i i d i n gt h em o d e lo ft e m p e r a t u r et r a c l ( i n gc u eo ns y n m e s i s p r o c e s s ，a n ds t u d ya d v a n c e dt e m p e r a t u r ec o n t r 0 1s t r a t e g yi n o r d e rt og e t b e t t e rc o n t r o lp e r f o m a n c e s k e y w o r d s ：t r i a z o p h o s踟m e s i s b a t c hc o n t r o ld c s 浙江工业人学硕士学位论文 致谢 时光飞逝如电，宝贵的三年光阴即将结束，回首之余，心中不禁 涌起一股莫明的心潮。在此，我首先要特意感谢我的导师潘海天教授， 在这段时间里，是他给了我良好的学习环境和锻炼自我的机会，是他 让我懂得了如何做人，如何踏实工作以报效社会。他那平易近人、诲 人不倦的品行和严谨的治学态度深深感染了我，我将终身受益并成为 我的宝贵财富。在论文期间，他给我的启发性意见和为此所付出的心 血无不让我由衷感谢。 其次，我也要真心感谢蔡亦军老师，他同样也给了我莫大的支持 与帮助，是他让我懂得了许多为人处事的道理，并进一步锻炼了我的 交际能力。 再次，我还要感谢我的师弟师妹们，他们在平时的学习生活中一 起协助和支持我，使我感到大家庭的温暖。 最后，我要感谢所有支持和帮助我的人，对他们表示最崇高的敬 意。 孙小方 二零零三年五月 浙江丁业人学烦l 学位论文 1 1 引言 第一章绪论 。j 前，化学加工工业( c p i ) 结构已发生巨大的变化，工业生产从大型化向精 细化方向发展，即向小批量、多品种、高附加值的精细化f ：产品和生化产品力 向转化，以满足多品种多规格和高质量的市场需求“。从九十年代起，间歇式过 撑逐渐占据首席地位，因而问歇式化学反应器是目前化工行业中应用较为广泛， 并具有良好应用前景的一类反应器。 间歇式反应器通常用于生产低产量、高价值的产品，它们的生产从来都没 有被连续过程所取代，而且它们将继续庞大，并将作为高度技术密集和知识密 集的新兴产业而蓬勃发展。但是，对于这类反应器的控制问题，由于一般的间 歇式化学反应器都是一类非线性、多变量、大滞后的时变系统，其内在的复杂 陛使间歇式化学反应器的控制成为一个挑战的领域。当前各国先进企业正在越 来越深入广泛地应用先进技术来解决生产实际问题，充分利用已建成的装置， 提高生产过程操作的平稳性和产品质量的合格率，以降低生产成本，提高生产 经济效益，增强企业的竞争能力。因此，研究此类间歇式化学反应器的特点， 根据生产工艺和具体的操作要求，设计针对性的控制方案，并用集散控制系统 实现生产过程的自动化是时不可待并是大有裨益的。 i 唑磷的合成过程是一个典型的间歇生产过程，它所用的反应器就是此类 间歇式化学反应器。本文以三唑磷间歇合成过程为研究对象，研究其生产 _ 艺 和操作条件，设计和优化控制策略并实现其合成过程的自动化，具有重要的理 论意义和实际应用价值。据文献报导，国内对三唑磷合成过程的自动控制应用 研究尚未见报导。通过对三唑磷合成过程的研究，不但可分析这类反应器的特 浙江工业大学硕二卜学位论文 点和其应用的控制技术，建立此类反应器计算机控制系统的设计方法，而且还 l q 节能降耗，提高企业的竞争力，并提高信息技术改造传统化工产业的泛化能 33 ， 1 2 间歇过程控制技术研究进展 间歇式化学反应器是间歇过程中典型的化工设备，其r 泛应用于精细化t 、 医药、聚合物和生物产品等高价值产品的生产“。由于其具有极大的灵活性和 多功能性的特点，即在同一设备中可进行不同领域的反应及不同操作条件下的 操作，以生产不同的产品或同类产品的不同牌号，因此，其非常适合于随市场 条件而波动的产品的制备。按问歇过程的生产环境及其动态特性来分析，其与 连续过程有着明显的区别，主要表现为：( 1 ) 不连续性间歇过程中物料流是 吖i 连续的，现场输入输出信号6 0 _ 8 0 是数字量，控制器件主体是丌关式。位 阀和温度、压力、位置开关，而且设备运行也是断续的，二批产品之间总有- 段闲置时间。( 2 ) 非稳态间歇过程常常在一个设各中对批量物料进行顺序的 单元操作，包括加料、混合、反应、后处理等。物料和设备都处在变化的不稳 定状态。所以间歇过程建模不能采用连续过程中常用的线性近似模型，只能基 于实际测量值建立非线性递推模型或者借助人工智能。其优化值也不是一种恒 定的稳态值，而应该是随时间变化的轨迹。( 3 ) 不确定性任何一种产品生产 必须具备下列3 个要素，即产品市场、生产任务和完成生产任务的一组设备。 对于间歇式过程来说，这3 个因素是很难确定的，且它们之间的联系又经常改 变，例如市场需求往往不是一定数量的某种产品，而是一族产品，每个产品的 产量是可以改变的，并且也可以增加新品种。间歇式反应器通常用于生产低产 量、高价值的产品，它们的生产从来都没有被连续过程所取代，而且它们将继 续庞大，并将作为高度技术密集和知识密集的新兴产业而蓬勃发展。 浙江工业人学硕士学位论文 对于此类反应器的控制，p i d 控制是最常规的方法。众所周知，p i d 控制是 迄今为止应用最为广泛的控制算法，毫才；夸张地蜕，在工业过程控制中采用p i d 控制c 片9 0 以上。其优点是原理简单、通用性强、鲁棒性好并且使用方便。但 对于复杂的被控对象和高精度要求的场合，此常规控制方案就难以胜任，必需 寻求其它的先进控制技术。据文献报导，国内外已研究出各种先进的控制技术 并加以应用，其主要分为以下三大类：即自适应控制、模型预测控制、智能控 制。 1 2 1 自适应控制 自适应控制( a d a p t i v ec o n t r 0 1 ) 是先进的自适应技术( 系统辩识技术) 与现代 控制理论相结合的产物。其基本思想是当对被控过程的本身特性及其外部环境 了解不多，或者它们在运行过程中有变化时，设计一种高性能的控制系统，其 能根据划象实际运行情况自动调节控制规律，以达到实时控制的目的。现在较 为成熟的自适应控制主要为以下几种，并在实际的工业生产中用于控制间歇式 化学反应器的温度。 1 2 1 1 参数自整定自适应控制 在传统的p i d 控制中，一个关键的问题就是控制器参数的整定。传统的方 法是在获取数学模型的基础上，根据某一整定原则来确定p i d 参数，一般采j ：f j 临界振荡法和衰减曲线法。然而实际的工业过程的复杂性及干扰的存在会引起 模型参数的变化甚至模型结构的改变。这就要求在p i d 控制中，不仅p i d 参数 的整定不依赖于对象数学模型，而且p i d 参数能在线调整，以满足实时控制的 要求。文献3 1 将p i d 继电自整定与神经网络相结合，共同完成p i d 自适应控制 的任务。此系统中的p i d 参数是用继电器型自动整定法来确定的，并将此获得 浙江工业大学硕二仁学位论文 的参数做适当的修正后作为网络权的初值而进入自适应控制系统，这样使过程 响应超调量降低，回复时问减短，并提高了控制质量。 1 2 1 2 模型参考自适应控制 模型参考自适应控制能自动调整控制规律，使控制系统的输出与参考模型 的输出相接近，以达到控制产品质量的目的。文献| 4 哼匣导，一个数字的p i d 控 制器用于间歇式化学反应器的温度控制，此控制器是立基于部分状态参考模型 ( p s r m ) 自适应控制思想的，其由定位于性能的线性二次方程控制设计方法和一 个鲁棒参数估计器组成。p s r m 控制方案是在d e l t a 算符内用线性二次方程控制 设计方案来实施的，并允许独立跟踪和动力学校准。 1 2 1 1 3 无模型自适应控制5 】 无论是经典控制理论还是现代控制理论，它们在解决自动控制的实际问题 时，都首先假设被控制对象的特性是线性的或近似线性的，并且已知描述被控 对象特性的某种形式的数学模型，如微分方程、传递函数、状态方程等。但在 实际工程应用中，被控对象( 如间歇式反应器) 的特性往往是多变量、高阶、非线 性的时变系统。由于系统复杂而很难建立比较准确的数学模型，此时应用经典 控制理论或现代控制理论设计系统的控制器会遇到很大的困难。1 9 9 8 年，美幽 通控集团公司开发了一种基于模糊控制理论的无模型自适应( m o d e l f r e e a d a p t i v e ，m f a ) 控制技术的产品c y b o c o n ，在自动控制系统中应用该产品 时，不需要知道被控对象的数学模型，不需要进行控制器的设计，能方便地解 决实际工程中常见的非线性、时变、大滞后等复杂的控制问题。与传统的自适 应控制技术相比，m f a 控制器既不需要控制器的设计，过程的辩识也不需要 了解控制过程的定量知识，就可将控制器投入运行，即使过程的动态特性有很 浙江工业大学硕士学位论文 大变化，也不需要重新整定控制器的参数。对于某一特定的系统( s i s o ，m i m o ) ， 只需选用与其输入量输出量个数一致的m f a 控制器，输入些简单信息后即可 将控制器投入运行。因此，m f a 控制技术具有广阔的应用领域。 1 2 2 模型预测控制( m p c ) 模型预测控制( m o d e lp r e d i c t i v ec o n t r 0 1 ) 又称基于模型的预测控制( m b p c ) ， 是一种新型的计算机控制算法，一般包含三个基本要素：预测模型，滚动优化 和反馈校正，这三个要素也是预测控制区别于其他控制方法的基本特征，同时 也是预测控制在实际工程应用中取得成功的技术关键。与其他控制算法相比， 预测控制有其自身的特点【6 i ： 对模型的精度要求不高，建模方便，过程描述可由简单实验获得。 综合利用过去、现在和将来( 模型预测) 的信息。 采用非最小化描述的模型系统鲁棒性、稳定性较好。 采用滚动优化策略，而非全局一次优化，能及时弥补由于模型失配、 干扰等因素引起的不确定性，动态性能较好。 易将算法推广到有约束、大时滞、非线性等实际过程中。 由于内部模型及算法的不同，基于模型的预测控制主要有以下几种： 1 2 2 1 广义预测控制( g p c ) 7 1 广义预测控制( g p c ) 是随着自适应控制技术的研究而发展起来的一种预测 控制方法，1 9 8 7 年，c l a r k e 等人在保持最小方差自校正控制的在线辩识、输出 预测、最小方差控制的基础上，吸取了d m c 和m a c 中滚动优化的策略，提出 了广义预测控制算法( g p c ) 。g p c 基于参数模型，引入了不相等的预测水平和 控制水平，系统设计方便，具有预测模型、滚动优化和在线反馈校正等特征， 呈现良好的控制性能和鲁棒性，被广泛地应用于工业过程控制中，取得了明显 浙江工业大学硼= 卜学位论文 的经济效益。文献【8 l 提出了一种基于a 趾m a x 模型的广义预测控制，其使用的 是与反膨器温度有关的多项式a r i m a x 模型，并着重考虑了热量的输入。此模 型的参数是用k a l m 眦，b i e r m a n 和l e v e n b e r gm a r q u a r d t 算法来确定的，并将 个假随机二进制连续信号( p r b s ) 用于操作此系统。广义预测控制已在问歇式 聚合反应器中随机合成聚苯乙烯的温度控制巴得到了应用，其性能也与p i d 控 制进行了比较，并达到了理想的效果。 1 2 2 2 预测函数控制( p f c ) 9 1 预测函数控制( p r e d i c t i v ef u n c t i o n a lc o n t r 0 1 ) 方法是基于预测控制原理发展 起来的一种新的预测控制方法。p f c 与其它预测控制算法( d m c ，m a c ) 的最大区 别是注重控制量的结构形式，认为控制量是与一组相应与过程特性和跟踪设定 值的函数有关。因此，每一时刻计算的控制量为一组预先选定的函数线性组合 而成，这些函数称为基函数。用基函数的已知过程响应，通过对目标函数进行 优化计算得到各函数的权系数而求出相应的控制量。p f c 控制器的设计主要包 括：基函数( 阶跃、斜坡、抛物线) 的选择，参考轨迹( 指数曲线) ，拟合点，优化 日标函数等。上海天伟化工有限公司将此控制方法应用于聚氯乙烯f p v c ) 聚合反 应的串级温度控制中，并取得了很好的。实际应用结果表明，这种控制方法具 有算法简单、计算量小、跟踪快速、精度高和无超调等优点，明显优于传统的 p i d 控制方法。 1 2 2 3 基于多模型的预测控制( m m p c ) 文献1 0 1 提出了一个基于多模型的预测控制方案，其是在每一个取样时刻， 用一组线性的、时不变状态空间模型来表征过程的动态行为，并确定控制器的 输出。这些固定的模型是预先离线计算的，即用参考轨迹值作为非线性机理模 型的线性化点，而不是用当前测量的值。 浙江工业大学碗士学位论文 1 2 2 4 基于神经元网络模型的预测控制 人工神经网络( a n i 6 c i a ln e u r a ln e t w o r k s ) ，简称为神经网络，其作为建模工 具，不需要预先对模型的形式结构和参数加以限制，只需根据实际过程的运行 数据就可自动寻找输入与输出的映劓关系，因此神经网络对未知和熟知的系统 都能建模。在各种应用中，前馈的神经网络( f a n ns ) 作为控制变量的预测模型， 为预测控制方案提供系统输出的预测信息。然而，前馈神经元网络的输入一输 m 模型既不适合于充分利用先前状态空间的信息，也不适合于时变系统的高级 输入一输出映射。而且，经过培训的网络的可靠预测只有在将来的某一时刻爿 是用的。由于前馈神经元网络具有高噪音敏感性，因此其对干扰、测量噪音、 变化的操作范围显示出较差的性能。基于此，提出了一种基于反馈神经网络的 预测控制，其是将两个神经元网络串联起来进行外部反馈。此神经网络使用过 程状态的外部反馈，产生一个状态空间的映射，消除了前馈神经元网络输入一 输出映射的缺点。这使得神经网络不至于超量学习，在噪音、干扰、不可预测 过程变动存在的情况下，其可靠性和精确性不断提高。文献【1 2o 将基于反馈神经 网络模型的大范围预测器应用于试验间歇式化学反应器的模型预测控制，并将 其与传统的前馈神经元网络的预测器的控制性能进行了对比，在各种操作条件 和干扰下的结果证明了此种方案的优越性。最近，许多工作者提出了将基本的 数学模型和a n n 结合起来的控制方案，还有人提出了一种基于混合a n n ( 将一 个神经网络和过程模型进行并联或串趺) 模型的预测控制mj ，并将其用于间歇式 聚合反应，实验结果表明此模型比标准的暗盒模型具有更大优越性。基于上述 的思想，有人又提出了将多个神经网络与简化机理模型相结合的混合层叠式神 经网络模型( h y b r i d s t a c k e dr e c u r r e n tn e m ln e t w o r km o d e l ) 预测控制【1 4 l ，并将 其用于间歇式聚合反应。在此种混合a n n 模型的预测控制中，神经网络的训练 浙江工业大学硕二匕学位论文 数据足将聚合物质量的样本数据经三次样条插值后产牛的。与基于混合单一神 经网络的预测控制相比，此种预测控制具有更好的鲁棒性。 1 2 3 智能控制1 5 人t 智能和控制理论的结合，产生了智能控制理论。它无须被控对象的精 确定量模型，只需知道被控对象的相关定性知识。目前，研究较多、发展较成 熟的智能控制理论有模糊控制、神经网络控制、专家控制方法等，有些已在削 歇式反应器中得到了应用。如前所述，将人工神经网络与预测控制相结合，形 成具有智能化的模型预测控制。也有人将专家控制系统用于间歇过程的控制6 j ， 此控制系统由r m s ( 间歇过程配方管理专家系统) 和c s c ( 操作控制步骤合成系 统) 组成，共同将产品配方转变成一系列操作控制步骤。智能控制的实际应用正 方兴未艾，它将应用于控制的不同层次，与传统的控制方法结合或多种智能控 制技术综合进行应用，m a n i n s 等人介绍了p i d 与f a n ns 相结合的控制。结 果表明，当此种控制技术作为p i d 控制算法的辅助工具时，具有较好的控制性 能。而对于f u z z y p i d 控制及其它模糊控制( a f c 、e f c 、n f c 、i c 等) 【1 8 | 在间歇 反应器中的应用甚少，亟待进一步的研究和应用。 基于上述分析，对于间歇式化学反应器的先进控制方式有多种多样，但根 据国内的实际应用情况来看，在化工行业中应用最为广泛的还是传统的p i d 控 制。如将先进的控制技术( 人工智能、自适应技术) 与计算机控制技术相结合，将 为间歇控制开发更为广阔的应用前景。 1 2 4 与国外先进控制技术应用的差距 1 2 4 1 先进控制技术应用的重要性 国内的各大化学品生产厂家对先进控制技术在问歇式化学反应器中的应用 浙江工业火学破十学位论文 的重要性普遍认识不足。在间歇式化学反应器的控制问题上一般所采用的控 制还是传统的p i d 控制，安装了d c s 的多套装置中，生产过程控制水平仍维持 红生产的一般正常运行上，绝大多数d c s 的作用只是取代常规仪表的单回路 p i d 控制，大量潜在的经济效益尚未利用先进控制、优化技术挖掘出来。对r 用先进控制技术来提高经济效益的观念有待进一步提高。 1 2 a 2d c s 标准化 为简便地将生产各个环节集成一个整体，国外各大公司都非常重视d c s 和 计算机系统的标准化。目前，国外企业已基本上克服d c s 型号不统一的落后现 象。我固各大企业虽正在实施d c s 控制，但对d c s 标准化工作的重要性认识 不足，d c s 型号混乱，造成备品备件资金的大量浪费、操作不便、生产信息通 讯困难，给先进控制技术的实旄带来相当大的困难。 1 2 4 _ 3 产业化 目莳，国内市场上真正属于自己的多变量预测控制器还没有，虽然科研成 果已大大多于商品化产品，但产业化措旖还远远不够，缺少一批既懂生产f ：艺 又懂计算机和控制技术的专业队伍，缺少必要的促进成果转化的体制和机制。 1 3d c s 控制系统及应用前景 1 3 1 集散控制系统概述 集散控制系统d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 是以微处理器为基础的集中 分散型综合控制系统的简称，也称为分布式控制系统”l 。它综合了计算机技术、 自动控制技术、通信技术和c r t 显示技术的发展成果，采用危险分散、控制分 散，而操作和管理集中的基本设计思想，多层分级、合作自治的结构形式，以 计算机及其网络系统为核心，为企业的生产和管理的综合自动化提供了强有力 浙江工业大学硕l 学位论文 的信号处理和传输手段0 2 0 。它的出现是现代工业过程控制发展史上的单程碑。 集散控制系统不但具有传统的数据采集和控制功能，而且可以通过计算机矧络 实现整个生产过程甚至一个工厂、企业的信息管理，同时也为正在发展的先进 过程控制系统的实施提供了必要的工具和手段。正由于其技术先进， ：作可靠， 应用灵活，操作简单，以及良好的性能价格比，所以被广泛应用于石油、化一 、 冶金、电力、造纸等工业领域。在控制品质、系统安全可靠性等方面较之过去 的控制系统具有明显的优势，显示了强大的生命力。 1 3 2 集散控制系统组成 集散控制系统虽然类型众多，但一般均具有如下图所示的结构。其中的现 场控制站和过程监测站属于分散控制部分，工程师站、操作员站、管理计算机 和显示装置属于操作管理部分。分散控制部分和操作管理部分通过计算机网络 连接成一个整体。 现 场 挣 制 站 工程师站l1 操作员站il 管理计算机ll 显示装置 计算机网络 现 场 控 制 站 现 场 控 制 站 执行单元 过 程 监 测 站 过 程 前 测 站 过 程 监 测 站 测量变送单元 生产过程 浙江t 业大学 i 砸士学位论文 1 分散控制装置 分散控制装置包括图中的现场控制站和过程监测站，该类装置与生产过程 直接发牛信息交换。生产过程中的各种参数由传感器接受并转换送给过程监测 站( 实际上现场控制站也有信息监测的功能) 作为控制和监测的依据，钉各种操作 ( 往往是控制系统的控制输出) 通过现场控制站送到各执行机构。有关信号的模拟 量和数字量的转换、各类基本控制算法也在分散控制装置中实现。 2 操作管理装置 操作管理装置包括图中的工程师站、操作员站、管理计算机和显示装置， 这类装置与操作人员直接发生信息交换。操作人员由该类装置观测生产过程的 状态，并通过操作管理装置发出指令。 3 通信系统 通信系统即圈中的计算机网络，它将各类装置连接成一个有机的整体，实 现操作管理装置和分散控制装置之间的数据交换和传递，协调它们之间的工作， 使整个系统既能分散控制，又能集中管理，以完成复杂工业过程的控制和管理 任务。 1 3 3 集散控制系统的特点 根据集中管理和分散控制的思想所设计的集散控制系统具有咀下特点 1 自治性 所有子系统能独立完成规定的任务，如信号的采集、数据处理、计算监视 和操作控制等。由计算机网络连接的各种工作站具有齐全的软硬件配置，其容 量容易扩充，且可以随着计算机技术的发展更新换代。直接与生产过程相连接 的用于参数采集、控制的工作站功能简单，一个站控制少数几个回路，它们可 浙江 _ 业大学砸士学位论文 以独立运行。这种控制功能及负荷的分散使得危险分散，大大提高了系统的可 靠性。 2 易用性 集散控制系统操作方便，显示直观，不但可实时监视有关参数，也町监视 系统本身的运行状态。另外，它提供了丰富的控制算法，控制功能齐全，可实 现连续控制和顺序控制，也可实现串级、前馈、多变量解耦以及自适应等先进 控制。 3 协调性 采用实时、安全、可靠的工业控制局域网络，使各部分之间数据畅通，整 个系统信息共享。所有工作站通过网络传送信息，协调工作，共同完成控制系 统的总体功能和优化目标。还可以使过程监视和控制同信息管理系统连接起来， 构成企业的综合自动化系统。 4 友好性 集散控制系统面向工业控制技术人员、工艺设计人员和生产操作人员，它 利用现代c r t 图形技术，配置丰富细腻和操作简便的人机界面，以多种方式显 示过程参数的动态变化和工艺流程，并能提供必要的操作提示和运行指导。系 统的组态软件使用户可根据自己的需要对系统的软硬件进行配置，并完成各回 路控制结构和算法、画面、报表等各种具体功能的组态。 4 适应性 系统具有多层次结构，硬件和软件均采用标准化和模块化设计，可灵活配 置以适应不同的用户需要。当企业生产工艺和生产流程变更时，只需要利用组 态软件改变某些配置和控制方案，而不需要修改或重新开发软件。 浙江工业人学颂 。学位论文 5 实时性 通过人机接口和i o 接l ，对过程的参数实时地进行采集、记录、分析、监 视和操作控制，并可在线修改某些组态参数以及对局部的故障进行拒线排除 6 安全可靠性 d c s 采用r 多微处理器的分散控制结构，各节点工作站广泛聚 冗余技术 ( 即双重化技术) ，容错技术。系统具有完善的对自身硬件进行自诊断的功能。在 微处理机作用卜，利用软件诊断程序对系统内部的所有硬件定期进行珍断。各 单元还具有自诊断、自检查、自修理功能和电源保护措施。所以，d c s 的平均 无故障时问f m t b f ) 指标可达十万小时以上，系统安全可靠性很高。 1 3 4 集散控制系统的前景 由于集散控制系统技术先进，工作可靠，应用灵活，操作简单，以及良好 的性能价格比，所以被广泛应用于石油、化工、冶金、电力、造纸等工业领域。 在控制品质、系统安全可靠性等方面较之过去的控制系统具有明显的优势，显 示了强大的生命力。如在除草剂草甘腾2 1 1 合成过程中，其水解过程的计算机控 制系统就是用小型集散控制系统s u p c o nj x 3 0 0 x 加以实现的。经一年多的实 际运行表明：系统运行完全、稳定、可靠，控制效果令人满意，经济效益显著。 当然，集散控制系统也存在着不少缺点，如一对一结构、可靠性差、失控 状态多、吒操作性差等，以致于在控制领域中存在d c s 与现场总线技术并存弓 竞争的局面。虽然现场总线控制系统与d c s 控制系统相比具有巨大的优势，但 现场总线取代d c s 要不是一朝一夕的事，主要有以下几条原因： ( 1 ) 用户的习惯问题。在目前投入运行的大型过程控制系统几乎全部都是 d c s 控制系统，d c s 控制系统具有良好的运行稳定性，用户对此深有体会，用 浙江工业大学颁i 。学位论文 p 不会轻易放弃d c s 控制系统。另一方面，目前国内缺乏具有明显示范效应的 现场总线示范工程。 ( 2 ) 费用问题。现场总线控制系统以现场智能仪表为基础，而由_ _ 二智能仪表 的价格普遍高于常规仪表，这对于小型化、地理分椎集中的过程控制系统来说， 初始的投资费用要高于d c s 的投资费用，致使有些厂家在选择控制系统的时候， 还是系统d c s 而不是现场总线控制系统。 ( 3 ) d c s 控制系统本身的发展问题。d c s 是一个不断发展的控制系统，d c s 制造厂家在不断采用当代新技术，推动了d c s 控制系统的发展。p c 机的引入， 使得d c s 控制系统从性能和价格两个方面得到改善。 由于现场总线与d c s 的并存，以及大部分现场总线生产商同时是d c s 生 产商的事实，d c s 为保持竞争力，也会促进其进一步的发展，以致结构上的改 变。 对于三哗磷合成过程的控制，至今未有d c s 应用的报导，本文研究的主要 内容就是要应用集散控制系统实现其合成过程的自动化。 1 4 本课题研究的主要内容 目前国内生产三唑磷的厂家有几十家，普遍以间歇生产为主，劳动强度大， 收率不稳定，经济效益不高。实现三唑磷合成过程自动化控制的至今还未见有 报导，为改变这现状，本文以三唑磷合成过程为研究对象，着重研究以f 内 容： 研究三唑磷合成过程的工艺和优化操作条件 根据工厂的生产实际情况和各个阶段的操作要求，设计间歇合成过程 的控制方案并实现合成过程的d c s 控制系统。在此基础之上，改进生产工艺， 实现合成过程连续化，设计相应的控制方案和计算机控制系统。 浙江工业大学硐士学位论文 建立合成过程温度曲线的模型，研究合成过程温度控制的策略，以获 得较好的控制质量。 浙江工业大学硼+ 学位论文 第二章三唑磷合成过程工艺研究 2 1 三唑磷简介 三哗磷( t “a z o p h o s ) 化学名称为0 ，o 一二乙基一o 一3 _ 1 一苯基( 1 ，2 4 一三唑基) 硫逐磷 酸酯。它是一种广谱、高效的有机磷杀虫、杀螨剂，对于防治蚜虫、甲虫、介 壳虫、钻蛀虫、蜘蛛、水稻二化螟、三化螟、纵卷叶螟，等均有优良的效果， 尤其对稻螟铃有特效，可广泛地用于水稻、棉花、果树、甘蔗、蔬菜。同时对 防治地下害虫、线虫也有良好的防治效果。三唑磷为中等毒，可以在果树、蔬 菜上应用，这一点也是甲胺磷、甲基1 6 0 5 所无法相比的。三唑磷的另一个重要 特性就是与其他有机磷或菊酯类农药相比不易产生抗性，而且对己产生抗性的 害虫亦有显著的防治效果。纯的三唑磷为黄褐色液体，微溶于水，溶于大多数 有机溶剂。为生产的方便，一般将三唑磷制成一定浓度的制剂，目前，三哗磷 制剂有2 0 、4 0 乳油，2 、5 颗粒剂，2 5 、4 0 超低量喷雾剂，3 0 可湿 性粉剂。但国内仅有2 0 、4 0 的乳油，因此三唑磷新制剂的研究也是三唑磷 歼发的一个重要方面。三唑磷乳剂通过有机合成获得，现国内普遍以间歇生产 为主，劳动强度大，收率不稳定，经济效益不高。 2 2 三唑磷生产过程 目前，国内三唑磷合成路线大都采用苯肼路线，即以苯肼( 或盐酸苯肼) 与脲 缩合生成1 一苯基氨基脲，然后与甲酸反应生成l 一苯基- 3 - 羟基一1 ，2 ，4 - 三唑( 苯唑醇) ， 再与o ，o 一二乙基硫代磷酰氯缩合得到三唑磷，其反应过程如下： 浙江工业大学硕士学位论文 r n h n h c n h 2 浓硫酸 + h c o o h + + n h 3 姆一兰詈赃醪。一， 据上可知，三唑磷的整个合成过程分为三步：缩合，环合，合成，即称为 三步法。 在缩合过程中，苯肼与脲素在水溶液中进行保湿( 1 0 0 1 0 3 ) 回流反应( 叵j 流 过程中可先蒸出部分水，以提高收率) ，生成1 苯基氨基脲和氨气，反应结束后 进行冷却分离( 加水冷却至2 ，使脲尽可能结晶完全) ，在反应过程中，为除去 生成的大量氨气，以促使反应向正方向进行，加快反应速度，通常在溶液中加 入h 2 s 0 4 或h c l 来除去。因此，根据所加酸的不同，此缩合过程又可分为硫酸 法和盐酸法22 1 。多数厂家采用操作简便、成本较低的盐酸法，但其中和产物氯 化铵在水中溶解度受温度影响较大，对中间产物的纯度和收率有较大的影响。 据文献报导，此步收率可达到9 0 以上。 在环合这一步，将缩合过程生成的苯氨基脲与甲酸在浓硫酸催化下进行反 应，温度控制在9 5 1 0 0 ，反应时间为5 5 小时。在反应过程中，有大量的气 泡产生，主要是由于甲酸在强氧化剂存在下易被氧化成c 0 2 和h 2 0 ，为降低甲 酸的消耗，硫酸必需在反应达到了一定温度时缓慢加入为好。德国h o e c h s t 公 司曾提出用原甲酸三乙酸，在甲苯作为溶剂的条件下进行反应，该法不但收率 低( 8o 85 ) 而且成本高，现用甲酸代替原甲酸三乙酸，不但成本大大降低， 1 7 浙江工业大学硕士学位论文 l 而且收率也提高了，可达到9 0 阻上。在无催化剂存在下，苯氨基脲与甲酸基 本币反应，明显呈两相，而且收率也只有9 左右脚i ，但当催化剂硫酸加入后， 反应则迅速进行，物料立即成均相，当反应到1 小时时即有大量苯唑醇生成， 但如果时阳j 过长，副反应会增加，收率反而降低。 由于前两步操作简便，在技术上也比较成熟，因此前两步的收率都达剑9 0 以上。为进一步简化工艺流程，缩短反应时间，现己将“三步法”改为“一 步法”，即苯唑醇的制得由原来缩合、环合反应二步进行，合并为一步完成，这 样，不但省去了结晶苯氨基腙的步骤，而且也减少了废水的排放量，收率f 鹊9 6 ) 也相应提高了一个档次。 最后一步为合成，即苯唑醇与乙基氯化物在碱性水溶液中，在催化剂作用 f 发生缩合反应而成，据文献报导，此步收率也可达到9 0 咀上，从而使总收 率达到8 0 以上，居国内领先水平。 2 3 合成工艺条件优化分析 三哗磷在我国发展已有2 0 多年的历史，在技术上有了很大的进步。据了解， 缩合、环合各厂的收率情况相差不多，大多都可达到9 0 ，而目前技术的关键 在于最后一步，即合成过程的收率高低，决定了各厂生产成本和经济效益的好 坏，可称为是三唑磷整个合成过程的核心部分。下面就对其反应机理先作探 讨： 三唑磷合成原料为苯唑醇和乙基氯化物，苯唑醇为灰自色粉末状结晶体， 而乙基氯化物为无色透明油状液体，如两者直接混合参加反应，不但混合效果 不佳，而且反应有氯化氢生成，不及时除去会抑制反应的进行。从电子效应的 角度来讲，乙基氯化物与苯唑醇的反应是一个亲核取代反应，亲核试剂苯唑醇 提供o r 一向p + 进攻，所以硫代磷酰氯中磷的正电性越强，越容易和阴离子部分 1 r 浙江工业大学硕上学位论文 结合。对羟基化合物而言，氢原子和o r 一基是以共价键结合的，只有在其它基 | i ! j ( 如苯核或双键) 的影响下，才会部分地离解出h 一，并提供o r ，同时羟基化 合物的酸性越强，越容易提供o r 离子，这时反应有缚酸剂存在的话就能及时 除去h ，使亲核耿代反应顺利地进行下去。叔胺能提高磷酰氯的活泼性，即提 高反应速度，叔胺能和磷酰氯先构成一个不稳定的中间体 ( r o ) 2 p s ，n ( c 2 h 5 ) 3 r ，e 电荷与磷原子所共有，也就增加了磷酰氯分子中磷的正电性。因此， 三l 唑磷与乙基氯化物直接反应需加入适当和适量的缚酸剂以促使反应的进行。 另外，加入适当的溶剂也有助于苯唑醇的溶解和反应物表面的接触。此种方法 的反应式如下： 妩醪。一， 据文献报导，此种方法收率较高，但缚酸剂的消耗量太大( 需要等摩尔的胺 作为缚酸剂，其价格比无机碱贵得多) ，所用溶剂的消耗量也很大，工业化生产 受到一定的限制。 另一种思路是用廉价的液碱( 如k 2 c 0 3 或n a 2 c 0 3 ) 作为缚酸剂，即先将苯 唑醇与碱发生反应转化成盐，然后再与乙基氯化物去反应。 z 田叫 晦一k ， 水 催化剂 溶剂 2 n a 妩醪。， 但这样苯唑醇成盐后其为水相，使合成反应是一个水与油的液相的非均相 反应，其一相为苯唑醇盐的水溶液，而另一相是不溶于水的乙基氯化物有机溶 c i 砌 叫 叫 ，f ，r 趼 叫 + o 浙江工业人学硕士学位论文 液。通常，在不加入催化剂的情况下，这样的反应速度很慢，即使在高速搅拌 f ，也很难反应，甚至完全不反应。常规的思想是寻找一种极性的溶剂，这科； 溶剂对两相均能溶解，也就是蜕使两相反应变为均相反应，以求达到满意的效 果。但这样的溶剂一般价格高且难于取得。但如果我们采用相转移催化剂则可 大大改变反应条件，使反应速度和收率都可有大的提高，甚至i j 以达到定量反 应。所谓相转移催化反应，也是对于那些一相是盐的水溶液( 或盐的固体) 而另一 相是溶有反应物的有机溶剂，由于相转移催化剂能够将反应物盐的阴离子以离 子对的形式转移到有机介质中去，在这里离子对未被溶剂化( 是在低极性溶液中1 是裸露的，所以活性很大