（控制理论与控制工程专业论文）基于pcs7的间歇反应控制系统设计与实现.pdf

摘要 基于p c s 7 的间歇反应控制系统设计与实现 摘要 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。由于间歇反应过程对象有大具有大时滞、非线性、难以建立精 确数学模型等特点，利用传统的控制策略对其进行控制难以取得理想 的控制效果。使得间歇过程的控制一直被认为是化学工业中的一项困 难和具有挑战性的课题。 本文被控对象选用新一代多功能过程与控制实验系统c e 上 的间歇反应过程硫化促进剂m 的制备，此反应具有主副反应竞争、 放热剧烈、压力随温度急剧变化等特点，是间歇反应过程中最为复杂 的一种，具有很强的代表性。 文章详细地分析了该反应的工艺过程，明确了控制要求和控制难 点，遵循合理性、可行性原则，提出了整套控制方案，并对升温阶段 的温度控制设计两种控制策略：一种是专家规则控制器与p i d 控制器 结合构成的串级控制方式，一种是模糊p i d 控制方式。 基于西门子的p c s 7 系统，建立了该反应过程的控制系统。文中 介绍了p c s 7 软硬件平台，给出了控制系统网络总体框架；对控制系 统硬件及网络进行了配置；对控制方案进行了具体实现，利用c f c 、 s f c 、s c l 语言实现了该控制系统主要的模拟量温度的控制、顺序控 制和安全保护控制的控制逻辑组态；利用组态软件w i n c c 完成了监 控系统画面组态，对归档系统、消息系统进行了配置实现对间歇反应 过程的实时控制与调整、安全运行监控和管理功能。 ； 北京化工大学硕士学位论文 系统运行结果表明，控制效果较好，很好得满足了工艺要求，经 济效益也较高。 关键字：间歇反应p c s 7串级控制模糊p i d d e s i g na n dr e a l i z a t i o no fc o n t r o ls y s t e m o fb a t c hp r o c e s s b a s e do np c s 7 a b s t r a c t t h eb a t c hp r o c e s sh a sb e e nw i d e l ya p p l i e di nm a n yi n d u s t r i e ss u c h a st h ef i n ec h e i l l i c a l i n d u s t r 弘 t h e c a t a l y s tp r e p a r a t i o na n dt h ed y e i n t e 吼e d i a t e sp r 印a r a t i o n ，e t c t h eb a t c hp i i o c e s si so n eo ft h ec o n t r 0 1 l e d o b j e c t st h a th a v et h ef b a t i l r e ss u c ha sl o n gt i m e1 a g ，n o i l l i n e a r i 哆a n dt h e d i 伍c u l t i e si np r o c e s sm o d e l i n g ，、7 l 杜c hm a k ei td i m c u l tt ob ec o n t r o l l e d b yt r a d i t i o n a la l g o r i t h mt o o b t a i ns a t i s 矽i n g c o n t r o l l i n ge f f e c t t h e c o n t r o lt ob a t c hp r o c e s sh a sb e e nc o n s i d e r e da sad i 衔c u l ta n d c h a u e n g i n gi s s u ei nt h ec h e n l i c a li n d u s t i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，ab a t c hp r o c e s si nm u l t i 如n c t i o np r o c e s sa n d c o n t r o le x p e 血n e n ts y s t e m ( m p c e ) i sc h o s e na st h ec o n t r o l l e do b j e c t ， w h i c hi sac h e m i c a lr e a c t i o np r o c e s sp r o d u c e st h i o f i d e i ti sc o n s i d e r e da s m em o s tc o m p l e xa n dr 印r e s e n t a t i v eb a t c hp r o c e s sb e c a u s eo ft h e c h a r a c t e r ss u c ha st h ec o m p e t i t i o nb e t w e e nm a i na n da s s i s t a n tr e a c t i o n ， g i v i n go u tt h eh e a tr a p i d l ya n dp r e s s u r ec h a n g i n gq u i c 如ya l o n gw i 也 t e m p e r a t l j r e t h ea u t h o rd e e p l ya n a l y z e st h em a n u f a c t u r e p r o c e s s ，m ec o n t r o lt a s k a n dt h ec o n t r 0 1d i m c u l t i e s b a s e do nt h ep r i n c i p l eo fr a t i o n a l i t ya n d 北京化工大学硕士学位论文 f e a s i b i l i 吼a 、h 0 1 ec o n t r 0 1 s c h e m ei s p r o p o s e d b e s i d e s ，如，oc o n 蜘d l s t r a t e g i e sa r ed e s i g n e dt oc o n t r o l t e m p e r a t u r ei nc a l e f a c t i v es t a g e o n eo f t h ec o n t r o ls 戗a t e g i e si sc a s c a d ec o n t r o lm a d eu po fe x p e r tc o n t r o l l e ra n d p i dc o n t r o l l 瓯t h eo t h e ri sf u z z yp i dc o n t r 0 1 b a s e do ns i ma t i cp c s7 ，ac o n ”o ls y s t e mo fb a t c hp r o c e s si s b u i l d t h i sd i s s 叭a t i o ni n t r o d u c e st h eh a r ( 1 w a r ea n ds o 脚a r ep l a t f o mo f t h ed e s i g n e dc o n t r o ls y s t e m ，g i v e st h eo v e r a l ln 朗o f k 行a m e w o f ko ft h e s y s t e ma n dc o n f i g u r e st h es y s t e mh 砌w a r ea n dn e t w o r k t h ec o n t r o l s c h e n l ei sr e a l i z e db yu s i n gp r o g r a m m i n gs o 脚a r es f c 、c f ca n ds c lt 0 c o 瑚【p l e t e t h es o 缸w a i e c o n f i g u r a t i o n ，s u c ha s t h e劬c t i o n so ft h e t e m p e r a t u r ec o n t r 0 1 l i n g ，t h es e q u e n c ec o n t r 0 1a n dt h es e c u n t yc o n t r 0 1 t h ec o n f i g u r a t i o no fm o n i t o r i n g s y s t e mi s r e a l i z e db yu s i n gt h e c o n f i g u r a t i o ns o f 啊a r ew n 呵c c ，t h r o u g h 、h i c ht oc o n l p l e t et h ew i n d o w s c o n f i g u r a t i o n ，t h ed i s t r i b u t i o n so fm ea r c h i v i n gs y s t e m sa n di n f o 咖a t i o n s y s t e m s ，s ot h e 如n c t i o n so fr e a l t i m ec o n t r o la n da d j u s t m e n t ，m o n i t o r i n g o fs a f e t y1 1 l i m i n ga n dm a n a g e m e n ta r er e a l i z e d t h er u i u l i n gr e s u l ts h o w st h a tt h i ss y s t e mc a nc o n t r o le 仃e c t i v e l ya n d r e l i a b l y i tm e e t st h ec o n t r o lr e q u i r e m e n t sw e l la n db r i n g si n u c he c o n o m i c b e n e ：f i t s k e yw o r d s ：b a t c hp r o c e s s ，p c s 7 ，c a s c a d ec o n t r o l ，f h z z yp i dc o n t r o l - 1 v 一 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：垒i 型蔓日期： 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属 北京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保 存、汇编学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在土年解密后适用本 授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 作者签名： 垒i 芏邕 日期： 导师签名：俳日期： 加0 - f 夕 第一章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 第一章绪论 随着工业生产的飞速发展，人们对生产过程的自动化控制水平和工业产品质量的 要求也越来越高。每一个先进、实用控制算法和监控算法的出现都对工业生产具有积 极有效的推动作用。然而，当前的学术研究成果与实际生产应用技术水平并不是同步 的，通常情况下实际生产中大规模应用的算法要比理论方面的研究滞后几年，甚至有 的时候这种滞后相差几十年。这是目前控制界所面临的最大问题，究其根源主要在于 理论研究尚缺乏实际背景的支持，一旦应用于现场就会遇到各种各样的实际问题，制 约了其应用。 因而，在目前尚不具有在实验室中重现真实工业过程条件的今天，开发经济实用 的且具有典型对象特性的实验装置无疑是一条探索将理论成果快速转化为实际应用 技术的捷径。多功能过程与控制实验系统( m p c e ) 是一种可以模拟多种对象特性半实 物仿真实验装置。它提供的各种化工工艺流程的动态仿真模型能够精确的反应实际过 程工业生产过程各种特性，并且满足工业级高精度、高重复性的基础实验要求。 促进剂m ( 2 巯基苯并噻唑) ，用途广泛。它的制备过程是典型的间歇反应过程， 具有时变性、不确定性和高度非线性等间歇反应共有的特点。它的工业自动化水平远 低于连续生产过程，生产管理上相对更落后，提高该领域自动化水平，实现生产的全 过程自动控制具有很高的经济意义。本文选m p c e 中的一个实验系统间歇反应作 为被控对象，它模拟了工业现场的邻硝基氯苯法制备催化m 的工艺过程，具有主副 反应的竞争、放热剧烈、压力随温度急剧变化等特点，具有很典型的代表意义。非线性 强，难于建立数学模型，用常规的控制手段难以实现理想的控制效果。 因此，本文研究基于间歇反应系统的先进控制策略是一件极具实际意义的工作， 并在s i m a t i cp c s7 控制系统上实现间歇反应的全过程自动控制和监测。包括升温、 保温、出料、清洗等全流程，并使用先进控制算法对釜温进行控制，达到先进控制算 法在先进控制系统中应用的目的，更深入地理解了过程控制的特点。 1 2 硫化剂m 制备简述 1 2 1 硫化剂m 制备工艺及用途 促进剂m ( 2 一巯基苯并噻唑) ，不但是天然胶与合成胶中的一种必不可少的高效橡 胶硫化促进剂，而且是制取次磺酰胺类和噻唑系硫化促进剂的原料，其经济价值受到 各国的重视【1 刃。 北京化工大学硕士学位论文 从发现促进剂m 至今，已有2 0 0 多年的历史。人们一直在不断地扩大它的用途 和应用范围，并不断开发其衍生物及其应用领域，显示出促进剂m 的多功能性。 作为通用型橡胶硫化促进剂，硫化特性较好，硫化胶性能优良；可单独使用，亦 可与其他促进剂混用；它是大多数次磺酰胺类促进剂的母体原料，是用途广泛的有机 中间体，它的质量和产量直接关系到橡胶工业的发展；可以作为化学增塑剂，在橡胶 塑炼过程中添加少许，可加快生胶的塑炼速率，降低塑炼能耗，缩短塑炼时间，提高 塑炼效率；可以作为金属缓蚀溶剂，有效阻止金属铜等的腐蚀，对于文物保护有着十 分重要的意义；可以作为矿物浮选剂，用作金、银等硫化矿浮选的捕获剂；还可用于 环氧树脂改性，在环氧树脂中加入少量促进剂m ，可明显提高环氧树脂的黏合强度、 韧性和固化速率，这一性能对于快速工业修复，特别是在线工业修复有着很重要的意 义；也可以起到引发剂的作用，对玻璃钢工业，特别是航空航天事业中特种材料的制备 具有一定指导意义；还可作为贵重金属萃取剂，目前主要用于贵重金属铑、铱的分离。 解决了长期困扰人们的铑、铱这2 种贵重金属难以分离的问趔”j 。 促进剂m 的合成方法有多种，按原料可以分为邻硝基氯苯法、苯胺法、硝基苯 法、亚硝基苯法、苯并噻唑法、硝基苯和苯胺混合法、n 甲基苯胺法、n ，n 二甲基 甲酰胺法、二甲胺法、卤代苯胺法以及氨基硫酚法等。 下面重点介绍邻硝基氯苯法的工艺过程【5 j 。工艺流程图如图1 1 所示 混合物配置 硫磺 加热搅拌 置备多硫化钠 缩合反应 硫化钠 二硫化碳li 邻硝基甲苯二硫化碳 邻硝基甲苯 图1 1 邻硝基氯苯法的工艺过程 f i g 1 1p r o c e s so f 2 h l o r o n i 仃0 b e i l z 朗em e m o d 硫化剂m 整个工艺分为两步，首先是制备多硫化钠，将硫化钠和硫黄按比例投入反应釜，以 蒸气加热、搅拌，升温至8 0 9 0 ，保持温度直到硫全部反应变成多硫化钠无色透明 液体；反应时有副反应发生。第2 步将多硫化钠、邻硝基氯苯、二硫化碳投入反应釜中， 加热、搅拌、溶解，保持温度在1 1 0 1 3 0 ，进行缩合反应。缩合工序历经下料、加 热升温、冷却控制、保温、出料及反应釜清洗阶段。 该反应过程物料的特性复杂；反应属放热过程，二硫化碳的饱和蒸气压随温度的 上升而迅猛上升，冷却操作不当会发生剧烈爆炸；正常反应温度和报警温度间隔很近， 容易产生危险；如果反应失败，产生爆炸危险，可能会打开放空阀使部分二硫化碳蒸 气散失造成大气污染：由于生产工艺有欠缺，尤其是后处理环节比较薄弱，对环境有 一定影响。综合上述原因，直接将新的控制算法在实际生产过程实践、调试的可能性 第一章绪论 很小，为了最大可能地去验证算法的控制效果，选择新一代多功能过程控制实验系统 m p c e l o o o 上的一个工艺单元带搅拌釜式间歇反应器作为被控对象。 1 2 2 化工间歇过程半实物仿真系统 多功能过程与控制实验系统( m p c e ) ，是将小型半实物过程系统、微机控制系统 与全数字仿真技术结合的新一代过程与控制实验系统【6 j 。它集多种教学和实验功能于 一身，所提供的各种化工工艺流程的动态仿真模型能够精确的反应实际过程工业生产 过程各种特性，并且满足工业级高精度、高重复性的基础实验要求。整个系统由小型流 程设备盘台、数字式软仪表与计算机控制系统、组态监控软件及过程动态仿真模型软 件四部分组成。四部分通过小型实时数据库、实时监控与数字通信协调运行，完成复 杂的半实物模拟实验。可以通过直流4 2 0 毫安国际标准a ，d 、d a 信号与集散控制系 统d c s 、可编程控制器p l c 、基于p c 的控制系统等连接。 它所提供的问歇反应以工业上邻硝基氯苯法制备m 方法为原型，是所有间歇反 应过程中最为复杂的一种。具有主副反应的竞争、放热剧烈、压力随温度急剧变化等 特点。它源于实际工业生产，但是并不拘泥于该流程的全部真实情况。 下面详细介绍此反应的工艺过程 j ，工艺流程图如图1 2 所示。 貉 鬓 鐾r 一躐”冀 一=j ! ，_ 嚣 意：f i 一。k ，夸帮f mf l ( ! 多，鸯 瞥出【 。扯t 每秘，髻? ：r l 图1 2 间歇反应一艺图 f i g 1 - 2p r o c e s so f b a t c hr e a c t i o n 工艺设备包括：两台高位计量罐，其中a 物料计量罐液位l 2 ，入口阀v 3 ，出口 阀v 4 ，a 物料泵及泵电机丌关s 4 ；b 物料计量罐液位l 3 ，入口阀v 2 ，出口阀v 5 ， b 物料泵及泵电机开关s 2 。c 物料下料流量f 6 ，c 物料下料阀v 6 。带搅拌器的釜式 反应器，反应器内主产物d 的浓度a ，反应温度t 1 ，液位l 4 ，反应物出口流量f 9 ， 出口阀v 9 ，出口泵及出口泵丌关s 5 ( 丌关) 。反应器蛇管冷却水入口流量f 7 ，蛇管冷 却水阀v 7 ；反应器央套冷却水入口流量f 8 ，夹套冷却水阀v 8 ；反应器夹套加热蒸汽 北京化工大学硕士学位论文 阀s 6 ( 开关) 。反应器放空阀v 5 ，反应器搅拌电机开关s 8 ，高压冷却水阀v 1 0 。 本间歇反应过程的开车包括如下主要步骤： ( 1 ) 备料工序 备料工序包括a 、b 、c 三种物料的计量。 a 物料计量。a 物料易燃易爆，不溶于水，密度大于水。因此，可以采用水 封隔绝空气保障安全。同时还能利用水压将储罐中的a 物料压至高位槽。 高位槽具有夹套水冷系统。 b 物料计量。b 物料熔点为3 1 5 ，不溶于水，常温下呈固体状态。为了便 于管道输送和计量，必须将其熔化，并保存于具有夹套蒸汽加热的储罐中。 c 物料计量是在反应釜中加入a 物料和b 物料后，通过离心泵打入，控制 物料总液位( 1 3 7 的方法实现。 ( 2 ) 缩合反应工序 缩合反应工序历经下料、升温、保温、出料及反应釜清洗等阶段。用料量见表1 1 。 a 、b 、c 三种物料在反应釜中经夹套蒸汽加入适度的热量后，将发生复杂的化学 反应，产生反应最终产物d 及其副产物。缩合反应不是一步合成，实践证明伴有副反 应发生。缩合收率的大小与这个副反应有密切关系。主反应的活化能高于副反应，因 此提高反应温度有利于主反应的进行。但在本反应中若升温过快、过高，可能造成爆 炸而产生危险事故。 i h b k 表1 1 每釜反应原料用量 序号 名称 纯物质量( k g ) 1a 物料1 4 0 2b 物料2 3 7 3 c 物料 9 4 2 0 n 保温阶段的目的是尽可能多地获得所期望的产物。为了最大限度地减少副产物的 生成，必须保持较高的反应釜温度。当釜内温度压力有所下降时，应向夹套内通入适 当蒸汽以保持原有的釜温、釜压。 缩合反应历经保温阶段后，接着用离心泵将缩合釜内的料液打入下道工序。出料 完毕，本间歇反应岗位操作即告完成。 此过程的主要工序用框图描述如图1 3 所示： 第一章绪论 图1 - 3 间歇反应主要。【序 f i g 1 3t h em a i nw o r l ( j n gp r o c e d u r e 1 3 间歇过程控制发展现状 1 3 1 发展现状 间歇过程是指将有限量的物料按规定的加工顺序在一个或多个设备中加工以获 得有限量的产品的加工过程【8 j 。由于间歇生产具有流程短、设备简单、投资少、见效 快、易于更换品种等优点，使其占有越来越重要的地位。但间歇生产过程的控制难度 大，具有时变、非线性、反应机理复杂等特点，属于难控对象。它的自动化水平远低 于连续生产过程，生产管理上相对落后，提高该领域自动化水平一直是企业技术人员 与自控界专业人员的不懈追求。 间歇过程控制作为过程控制的一个分支，其产生和发展与过程控制经历了相同的 阶段。根据问歇过程控制所采用的理论与技术来看，可以粗略地分为三个阶段 9 l o ，1 1 】： 2 0 世纪7 0 年代的初始阶段。初级阶段包括人工控制，以古典控制理论为主要基 础，采用常规气动、液动和电动仪表，对生产过程中的温度、流量、压力和液位进行 控制。 7 0 年代至9 0 年代的发展阶段。发展阶段以现代控制理论为主要基础，以高档仪 表为二 具，对较复杂的工业过程进行控制。这阶段的建模理论、在线辨识和实时控制 已突破前期的形式，进而涌现了大量的先进控制系统和部分高级策略。 9 0 年代至今的高级阶段。主要是以预测控制、模糊逻辑控制和自适应控制等智能 控制理论为基础对复杂间歇工业过程的控制。智能控制是间歇过程控制发展的出路， 其中智能控制与常规控制的结合、智能软测量技术和集成化智能控制是间歇过程控制 的重要发展方向。 由于问歇反应足批量生产，反应釜内的物料一般都只与外界有热量交换，而无物 北京化工大学硕士学位论文 料交换。所以被控变量主要是反应釜的温度或压力。 常用的控制方案有如下三种。 ( 1 ) 单回路调节方案：反应釜与外界惟一联系仅是通过冷、热剂进行热量交换，所以它 的调节手段就是冷、热剂流量或冷、热剂温度，被调变量为釜温或釜压【1 2 1 。 ( 2 ) 串级调节方案：串级调节具有克服滞后，提前消除回路扰动等优点。在聚合釜的控 制中，常以夹套温度作为副参数，以釜温或釜压作为主参数构成串级控制【1 3 ，1 4 1 。 ( 3 ) 透明控制方案：以常规p i d 控制为基本控制层，以先进控制为监督层，组成透明控 制结构的先进控制系统。由于基本控制层采用频率较高的常规p i d 控制，可以抑制系 统的二次干扰，而先进控制器具有较强的鲁棒性、抗干扰能力和快速跟踪能力好。实 践表明，透明控制结构结合了先进控制及常规p i d 控制的优点，其控制效果明显优于常 规p i d 控制【1 5 ，1 6 1 7 】。 先进的控制算法有如下五种。 ( 1 ) 模型预测控制 模型预测控制( m o d e lp r e d i c t i v ec o n 臼0 l ，m p c ) 是一种基于模型的闭环优化控制策 略。其算法核心是使用可预测过程未来行为的动态模型和引入模型误差的反馈校正机 制，采用滚动式的有限时域优化策略，反复在线优化局部目标，以得到一个顾及了模 型失配和干扰引起的不确定性的符合实际的最优控制。模型预测控制具有控制效果 好、鲁棒性强等优点，并能方便地处理过程被控变量和操作变量中的各种约束。无疑， 间歇聚合反应过程必然是m p c 的主要应用对象之一。 o z k a i l 等【1 8 】研究了广义预测控制算法( g p c ) 在一个实验型聚苯乙烯聚合反应器温 度控制中的应用，并与p d 控制作了比较。文中还研究了卡尔曼滤波酸法、l e v e d b e r g m a r q u a r m 算法及贝尔曼u d 分解算法在模型参数辨识中的应用，使用了伪随机二位式 序号( p r b s ) 信号作为激励信号。经验证，由u d 分解法得到的模型参数更能表示实际 过程。该作者也研究了该反应器的基于n a 鼢江a x ( n o n l i n e a ra u t or e 黟e s s i v em o v i n g a v e r a g ee x o g e n o u s ) 模型的非线性预测控制问题【1 9 】，仿真研究和实验效果表明控制效 果很好。 x a u 觚e r 等【2 0 ，2 1 1 将非线性约束预测控制应用在半间歇反应器温度控制中。 m s a l l l i 【2 2 】研究了基于广义h a m m e r s t e i n 模型预测控制在半间歇反应器中的应用， 结果表明，无论对于有约束还是无约束情况，基于h a m m e r s t e i n 模型的控制效果均优 于基于线性模型预测控制时的控制效果。 r 6 朗i d 2 3 j 建立了用于估计反应热的软传感器，设计了反应温度的自适应推断预测 控制方案。实验结果显示引入反应热软测量改善了控制品质。 h y u n g j u n 【2 4 】将统一预测控制【2 5 1 应用在聚合反应器控制中，并进行了仿真和实验 结果研究。s o t e r b o e k 【2 6 j 研究了氯乙烯聚合反应过程的非线性预测控制并与p i d 控制进 行了比较。 第一章绪论 h y u l ( 等【2 7 ，2 8 】针对间歇反应过程控制提出了一种称之为b a t c h m p c 的新的预测控 制算法。在此基础上，c l l i n 【2 9 】进一步提出了质量控制与温度跟踪控制、约束控制于一 体的q b m p c 算法( q u a l 时c 0 砷lc o m b i i 搬1w i mb m p c ) 。h u z m e z 觚【3 0 】将m p c 应用在 实际工业中间歇聚合器的控制上。 ( 2 ) 预测函数控制 预测函数控制( p r 础c t i v ef 吼c t i o n a lc 0 n 呐1 ，p f c ) 方法是基于预测控制原理发展起 来的新一代预测控制算法。它与m p c 的最大区别是注重控制量的结构形式，认为控 制量与一组相应于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等 于一组事先选定的基函数线性组合而成。用这些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基函数的权系数而求出相应的控制量。p f c 具有算法简单、 计算量小、跟踪快速和精度高等特点，已在轧钢、机器人、军事等领域得到广泛的应 用。 张泉灵等【1 6 】针对聚氯乙烯聚合反应装置采用串级控制结构，基于简单的一阶惯性 加纯滞后模型，设计了反应釜温度预测函数控制器，取得了很好的控制效果和经济效 益。o z k 觚【1 8 ，1 9 】采用透明控制结构，以预测函数控制算法为核心，并结合p d 控制， 开发了间歇化学反应温度跟踪先进控制软件包，工业现场运行取得了良好的温度跟踪 效果。 ( 3 ) 自适应控制 间歇聚合反应过程本质上是一个时变非线性系统，每个反应阶段有明显不同的特 性，其过程模型一般是不可知的。而自适应控制正是建立在系统数学模型参数未知的 基础上，而且随着系统行为的变化，自适应控制也会相应地改变控制器的参数，以适 应其特性的变化，保证整个系统的性能达到要求。 p c o r r i o u 【3 l 】通过非线性状态反馈实现输入输出线性化，用卡尔曼滤波器进行状态 估计，设计了间歇聚苯乙烯反应器的非线性自适应控制器，并进行了仿真。 t r a d 3 2 】使用微分几何理论设计了一个半间歇聚合反应器的非线性自适应控制器， 仿真研究表明其性能优于前馈p i d 控制器。 m a 1 p b d 3 3 j 利用p r b s 信号和u d 分解算法，辨识c a r m a 模型参数，设计了 广义最小方差控制器，应用到实验型间歇聚苯乙烯反应器，理论与实验研究都得到了 令人满意的结果。m a c h a d o 【3 4 】进行了自适应p i d 控制器的实验研究。 m s a a dm 【3 5 】基于一阶惯性加纯滞后模型，使用自校正控制技术( s e l f n m i n g c o n t f o l l s t c ) ，设计了实验型间歇聚苯乙烯反应器的温度控制器。 ( 4 ) 模糊控制 影响间歇聚合反应过程的因素很多，因非线性、时滞、时变、反应机理复杂等因 素，用常规控制方法难以有效控制。然而，具有丰富经验的操作员却能运用人所特有 的观察、推理和学习能力，通过直觉可以安全而有效地对反应过程进行控制。因此， 北京化工大学硕士学位论文 提炼和恰当地表达这些经验，将其与常规的控制理论互补地有机结合起来，可以有效 地提高聚合反应过程的控制水平。 模糊控制的最大特征是它能够将操作者或者领域专家的控制经验和知识表示成 语言变量描述的控制规则，然后用这些规则去控制系统。它具有高度的仿人智能特性、 不依赖精确数学模型的特点，是解决间歇聚合反应过程控制问题的一种有效方法。 李永彪等【3 6 】以间歇聚丙烯反应器为对象，参考熟练操作工的控制经验，将模糊控 制和常规的位式控制、p i d 控制方法结合起来，提出一套智能复合控制方案，得出了 较好的实验结果。 李书臣等【3 7 】研究了模糊控制在间歇聚丙烯反应器的应用。 a b o n y 噎j 【3 8 】提出了基于规则的t a l 【a 酉s u g e l l o 比例微分模糊控制算法在间歇式 苯乙烯聚合反应器控制中的仿真研究情况。 ( 5 ) 神经网络控制 神经控制以其独特的优点受到控制界的关注。用神经元网络设计的控制系统，具 有良好的自适应性和控制性能，对于象间歇聚合反应器这样的非线性和不确定系统， 也取得了满意的仿真控制效梨3 9 ，柏，4 1 ，4 2 1 。v i s h a ks 锄叩a _ t h 等【4 3 舻1 研究了间歇聚合反应 器的鲁棒非线性控制。 1 3 2 控制工具 由于间歇聚合反应过程本身的复杂性，要完成间歇聚合反应过程的控制并非易 事。依靠计算机或以微处理器为单元的控制装置，并采用先进而合适的控制方案，有 可能实现较好的控制。 计算机或以微处理器为单元的控制装置成功地用于间歇聚合反应过程的控制已 有几十年历史，目前比较成熟和实用的主要有以下三类。 ( 1 ) 可编程调节器 可编程调节器既保留了模拟仪表运行稳定、操作方便、危险分散、价格不高的优 点，又取用了微型计算机高速运算功能和记忆功能来弥补常规运算控制功能不强等缺 点，是一种比较好的基本控制装置。用它可以开发诸如串级调节系统、s m i t h 预估控 制、前馈一反馈复合调节系统和p i d 参数自整定控制等。但由于其程序容量有限，只 能应用其内部提供的运算功能块进行编程组态，本质还是p d 控制系纠4 5 4 6 ，4 7 1 。 ( 2 ) 可编程调节器和工控机共同组成控制系统 单纯使用可编程调节器，不能发挥现代先进控制技术的功能。为此选用软件丰富， 开发手段齐全的工业控制机作为上位控制层，而由可编程调节器作为基本控制层，组 成经济适用型集散控制系统，构成上下两级控制，是一种可行的方案【4 8 4 9 ，5 0 1 。每台聚 合釜有一台对应的可编程调节器；基本控制层以可编程调节器为核心，形成安全、可 第一章绪论 靠、先进的连续j 颐序程序控制系统，注重在上位控制层失效情况下的独立实现从反应 升温到自动回收全过程程序控制的工作特性；上位控制层通过下位控制层进行数据采 集，除承担信息集成( 常规的s c a d a 功能) 外，还要实现聚合反应过程的先进控制任 务；基本控制层和上位控制层通过通讯接口相连。 此种系统配置模式由于采用了功能强大的通用性好的工业控制机及有效的先进 控制技术再辅助以可靠性极高的基本控制层，因而在保证可靠性的基础上，将可以较 为彻底地解决基本控制层程序控制系统所存在的能力瓶颈问题。间歇过程一般生产规 模不大，自动化投资不能太高，因此这类配置比较实用，也灵活方便。 ( 3 ) d c s 集散控制系统 新型d c s 集散控制系统具有高度的可靠性、灵活的可维护性和方便的可使用性。 它一般可支持用户应用程序开发，可用于数据采集、连续过程控制和间歇过程控制， 或者是间歇聚合装置与其他生产装置构成联合控制系统。例如，用s u p c o nj x 3 0 0 、 h o n e y w e l l c 2 0 0 、s m 队t i cs 7 等中小型集散控制系统控制氯乙烯聚合生产和丙烯聚合 生产过程【”】。另外，通过o p c ( o l ef o rp r o c e s sc 0 n 缸d 1 ) 服务器与d c s 通讯，在、矾n d o w s 平台上实现先进控制也是一种应用模式。 s m a t i cp c s 7 是s i e l l l e i l s 公司在t e l e p e rm 系列集散系统合s 5 ，s 7 系列可编 程控制器基础上推出的一种新型过程控制系统，它提出了一种全集成自动化( t o t a l l y i i l t e g r a t e da u t o m a t i o n ，t i a ) 理念，统一的数据管理、通信和组态功能为用于过程工业 和制造业的自动化解决方案提供了一种开放平台。 p c s 7 采用了t 认系列的标准硬件和软件，基本部件包括自动化系统、分布式i o 、 操作员站、工程师站和通讯网络。其中自动化系统又分为标准自动化系统、容错自动 化系统和故障安全自动化系统，由s 7 4 0 0 系列的p l c 组成，主要实现过程控制功能。 常用的分布式i o 设备有e t 2 0 0 m 、e t 2 0 0 s 、e t 2 0 0 i s 和e t 2 0 0 x ，用于数据采集 和信号输出。 p c s 7 系统由p r o 丘b u sd p 总线和工业以太网两级网络组成。p r o 舶u sd p 总线适用 于自动化系统和设备级分散o 之间的通信，是系统的底层控制网络。工业以太网连 接分散过程控制装置和集中操作管理装置，构成系统的上层网络。 p c s 7b o x 是s i m a t i cp c s 7 家族中“羽毛最为丰满”的一款，它充分利用了 s i m a t i cp c s 7 的所有标准组件，它的优点主要体现在以下几方面【5 2 j ： ( 1 ) 控制系统的所有组件都集成一台工控机中：自动化系统( a s ) ，操作员站( o s ) 和工程 师站( e s ) ( 2 ) 理想用于过程控制系统或独立的小型系统 ( 3 ) 作为集成a s o s 用于小型装置( 整装机组) ，现场运行 ( 4 ) 使用s i m a t i cp c s7 过程控制系统的标准工程与组态工具 ( 5 ) 符合f d a 标准：可充分利用全部的s n 压a t i cp c s7 系统功能 北京化工大学硕士学位论文 ( 6 ) 在s i m a t i cp c s7 中无缝集成 ( 7 ) 紧凑设计，结构“娇小” ( 8 ) 无需在每个组件( a s 、o s 、e s ) 之间进行布线 1 4 本课题的主要内容 间歇反应过程由于其自身的特点，使得对它的控制一直被认为是化学工业中的一 项困难和具有挑战性的课题。具体表现在以下几个方面： ( 1 ) 聚合反应过程具有较大的时变性、不确定性和高度非线性。例如过程增益变化很 大，甚至增益变化方向都是不一样的；随着反应的进行，釜内生成物的增多，釜的传 热系数也会发生变化。 ( 2 ) 反应一般包括两个过程：一个是加热升温阶段和反应初期，属于有自衡能力的开环 稳定过程；另一个是反应放热中后期，属于无自衡能力的、不可逆的开环不稳定的强 放热反应过程。反应各段特性截然不同，同一次反应中反应速度又是变化的。反应过 程中，如果热量移出不及时，不均匀，会使反应温度一直往上升，极易因局部过热而 造成“飞温 现象，产生“爆聚 。反之，如果热量移出过多，会造成反应温度一直 往下跌，导致反应熄灭。 ( 3 ) 工业用反应器容量大，釜壁厚，因此是一个热容量大、纯滞后时间长的被控对象。 ( 4 ) 外界环境的变化( 如催化剂活性、原料质量、循环水、热水及环境温度变化等) 对 系统的干扰很大。 ( 5 ) 难以建立其机理模型 ( 6 ) 物料的特异性大，反应过程中存在主副反应竞争的问题。 本文在充分分析和研究了间歇反应特点的基础上，完成了对其生产全过程的自动 化控制系统的设计，包括温度控制、顺序控制( 升温、保温、出料、清洗) ，压力安全 联锁控制、反应主产物产率控制四个单元，并对反应放热中后期温度的控制提出两种 先进控制方法。最后使用西门子的p c s 7 系统建立了控制系统，运行结果显示可以较 好地满足工艺指标和经济指标。 下面简单介绍一下本论文的大体结构。 第一章：简要地介绍了催化剂m 制备工艺及间歇反应控制的发展现状。指出催 化剂m 的用途广泛，提高对其生产的自动控制水平有很重大的经济意义，由于全实 物实验是高危险实验，并面临环境污染等问题，所以采用化工间歇过程半实物仿真系 统作为控制对象。介绍了间歇过程控制发展现状，介绍了常用的控制方案和控制算法， 介绍了目前比较成熟和实用的控制装置，并简要介绍了本文所采用的控制系统一西门 子的p c s 7 系统。最后，概述本论文的主要内容。 第二章：在对被控对象特性详细分析的基础上，明确了控制任务，遵循可行性、 第一章绪论 合理性，阐述了控制系统总体的设计方案。整个方案包括温度控制升温控制和保温控 制，顺序控制升温、保温、出料、清洗，压力安全联锁控制，反应主产物产率控制四 部分；使用西门子p c s 7 系统实现了设计方案，建立了控制系统。给出了控制系统的 总体结构，进行了硬件组态和软件编制，使用s f c 语言实现了顺序控制，使用s c l 和c f c 语言温度控制和压力安全联锁控制；反应主产物产率控制涵盖在温度的控制 中；并用软件w i n c c 进行了操作员站的组态，实现了对反应过程的监控。 第三章：由于升温阶段的温度控制是控制的关键和重点，针对间歇过程的特点， 提出两种控制方法来设计和实现此段温度的升温冷水控制器。一种是专家系统结合 p d 的串级控制方法，简述了专家控制系统的特点和基本组成；阐述了此控制方法的 工程实现，在总结工艺师现场经验的基础上，按照产生式规则的描述方法，构建了冷 水流量设定专家规则控制器并结合p d 控制器构成串级控制系统；一种是模糊p i d 控 制方法，简述了自适应控制系统的基本原理；结合问歇反应实际情况，完成了二维模 糊控制器的设计，建立了模糊控制查询表，实现温度模糊p d 控制。对两种控制方法 都分别作了实验研究，分为有扰动和无扰动两种情况。最后将两种方法进行比对，分 析优缺点。 第四章是总结和展望，对本论文的研究成果进行简要的总结，并提出今后努力的 方向。 第二章控制方案整体设计 第二章控制方案总体设计 在明确间歇反应共有特点的基础上，对本反应过程具体分析，分步骤描述工艺过 程，提出五个方面控制任务：反应升温速度控制、反应保温温度控制、主产物产量控 制、反应器压力安全控制及升温、保温、出料、清洗顺序控制。 遵循可行性、合理性的原则，设计总体的控制方案并使用s b 订a t i cp c s7 系统 构建控制系统，完成控制任务，实现控制目标。构建控制系统的网络结构；根据具体 工艺要求和系统点数进行硬件选型，完成硬件组态；对每个控制任务具体分析，设计 相应的控制单元，利用p c s7v 6 o 中的软件c f c 、s f c 、s c l 语言编程实现具体的 控制功能；使用w 玳c c 进行操作员站的组态，对系统的运行进行监控。 2 1 间歇反应分步骤工艺描述 ( 1 ) 准备工作 检查各开关、手动阀门是否关闭。 ( 2 ) a 物料计量备料 检查并确认a 物料计量罐下料阀v 4 是否关闭。 打开上料泵s 4 ，上料阀v 3 。 观察二硫化碳计量罐液位l 2 上升。直至计量罐液位达到溢流管( o 6 4 m ) ，液位 将上升减慢。及时关闭v 3 和s 4 。 ( 3 ) b 物料计量备料 检查并确认b 物料计量罐下料阀v 5 是否关闭。 打开上料泵s 2 、上料阀v 2 。 观察b 物料计量罐液位l 3 逐渐上升，直至计量罐液位达到溢流管( 1 o m ) ，液 位一旦达到此高度将上升减慢。关闭v 2 和s 2 。 ( 4 ) 向缩合反应釜加入三种物料 打开a 物料计量罐下料阀v 4 ，观察计量罐液位因高位势差下降，直至液位 l 2 下降至o 0 m ，即关闭v 4 。 打开b 物料计量罐下料阀v 5 ，观察液位指示仪，当液位l 3 下降至0 o m ，即 关v 5 。 打开c 物料阀v 6 ，将料液打入反应釜。注意反应釜的最终液位l 4 等于1 3 7 m 时，必须及时关v 6 ，否则反应釜液位会继续升高，当大于1 6 m 时，将引起液 位超限报警。 当反应釜的最终液位l 4 小于1 2 m 时，必须补加c 物料，直至合格。否则反 应不会继续。 北京化工大学硕士学位论文 ( 5 ) 缩合反应操作 本部分难度较大，需根据间歇反应过程动力学特性，总结出最佳操作方法。 迅速检查并确认：进料阀v 4 、v 5