（控制理论与控制工程专业论文）间歇反应釜内丙烯聚合过程控制系统设计.pdf

大连理工大学硕七学位论文 摘要 基于大连理工大学“辽宁省工业装备先进控制系统重点实验室c i m s ( c o m p u t e r i i l t e a t e dm a n u f a 咖r i n gs y s t e m ) 三层体系结构，结合以反应釜为容器的间歇式反应生 产过程实际投产整体控制的需要，开展了过程控制系统设计以及针对聚丙烯生产过程先 进控制算法的研究。 本文根据间歇反应釜的工艺流程及聚丙烯生产过程的控制要求，比较全面的分析了 丙烯聚合生产过程反应釜内温度的特点以及控制难点。分别对聚丙烯生产过程的投料、 升温升压、恒温恒压阶段和安全报警部分的不同阶段提出了不同的控制策略，其中投料 过程采用的是顺序控制的思想，压力控制采用的是一般模糊控制策略。由于釜内温度模 型难以建立，且系统存在严重的非线性，时滞性，因此，釜内温度控制采用了变论域模 糊控制策略，利用其具有模糊控制器优点和控制精度高的特点，对输入量跟踪控制。同 时完成了w i n c c 监控平台，实现了对控制过程的可视化监控和数据采集等功能，利用 v b s 翻p t 语言完成控制算法的编辑，在对各算法参数的整定和调试后进行了实际运行验 证本控制系统工作稳定，可靠性高，保证了釜内温度在正常的范围之内，釜温能很好的 跟踪设定温度变化。 本文结合实验室现有设备建立的总体控制策略，丰富了c i m s 体系结构的过程控制 层；扩展了对变论域模糊控制器伸缩因子的研究，给出了一种伸缩因子选择的新方法， 并通过仿真给出了该伸缩因子参数选择的原则。为变论域模糊控制器实际应用问题提供 了一种有效的解决方案，同时为实验室反应釜实际生产奠定了基础。 关键词：间歇反应釜；伸缩因子；聚丙烯；控制系统 间歇反应釜内丙烯聚合过程控制系统设计 d e s i g no ft h e b a t c hr e a c t o rp r o p y l e n ep 0 1 y m e r i z a t i o n p r o c e s sc o n t r o ls y s t e m a b s t r a c t b a s e do nt h ec i m st h r e e t i e rs t r u c t u r e so f ”l i a o n i n gk e yl a bo fa d v a n c e dc o n t r o l s y s t e m sf o ri i l d u s 仃y 王u i p m e n t s ”a n dt h er e q u i r 咖e n to fp f a c t i c a lp r o d u c t i o nu s i n gb a t c h r e a c t o r 雒t h ec o n t a i n e r so fc h e m i c a lr e a c t i o n ，w ed e s i 龋p m c e s sc o n t r o ls v s t e m 柚ds t u d vt h e a d v a n c e dc o n t r o la l g o r i t h m so fp o l y p r o p y l e n ep r o d u c t i o n a c c o r d i n gt 0t h ep r o c e s sn o wo fb a t c hr e a c t o r 柚dt h ec o n t r o lr e q u i f e m e n t s0 fp p p 川u c t i o np m c e s s ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h et e m p e r a t u r ec h a r a c t e r i s t 迅a i l dc o n t r o ld i f ! f i c u l ti i l p r o p y l e n ep o l y m e r i z a t i o np m c e s s d i f f e r e n tc o n t r o ls t r a t e 酉e sh a v e b e e np r o p o s e dt os o l v et h e d i f ! f e r e n ts t a g e so fb a t c hc h a r 西n g ，r i s eo ft e m p e r a t u r e 柚dp r e s s u r e ，c 0 n s t a n tt e m p e r a t u r ea n d p r c s s u r c ，a l a r m i n gs y s t e m ，w h e r et h ep r o c e s s0 fc a s t i n gm a t e r i a lu s i n gt h es e q u e n t i a lc o n t r 0 1 w h i l et h ep r e s s u r eu s i n g f u z z yc o n t r 0 1 b e c a u s ee s t a b l i s h i n gt h em o d e lo fr e a c t o r st e m p e r a t u r c i sd i f f i c i l l t ，a i l dt h es y s t e me x i s t ss e r i o u sn o n l i n e a r ，t i m e d e l a y ，t h er e a c t o rt e m p e r a t u r ec o n t r o l t a k e st h ev a r i a b l eu n i v e r s ef u z z yc o n t r o ls t r a t e g y ，u s e st h ea d v a n t a g e so f f u z z yc o n t r o l l e ra n d t h ec h 缸a c t e r i s t i c so f h i 曲a c c u r a c yt 0t r a d d n g i n p u t a tt h es a m et i m e ，e s t a b l i s h i n gt h ew i n c c m o n i t o r i n gp l a t f 0 珊a c h i e v e st h em o n i t o r i n g0 fc o n t r o lp r o c e s s 柚dt h ef u n c t i o no fd a t a a c q u i s i t i o n a n e ra c c o m p l i s h i n g t h ec o n t r o la l g o r i t l l i i lb yv b s c r i p t 卸d p a r a m e t e r sa d j u s t m e n t ， a c t u a l0 p e r a t i o np r o v e st h a tt h es y s t e mi sr e l i a b l e 锄ds t a b l e nc o u l de n s u r er e a c t o r t e m p e m t u r et r a c kt os e tt e m p e r a t u r ec h 锄g e s n ee s t a b i i s h m e n to ft h ee n t i r ec o n t r o ls t r a t e g yb yc o m b i n a t i o no fl a b o r a t o r ) re q u i p m e n t s e n r i c h e st h ep m c e s sc o n t r o l l a y e ro f t h ec i m ss t l l l c t u r e s 锄di n c r e 弱e st h ev a r i a b l eu n i v e r s e f l l z z yc o n t r o l l e r - e x p a n s i o n f a c t o r s t u d y an e wm e t h o di s p r o v i d e d t 0s e l e c tt h e c 0 n t r a c t i o n e x p a i l s i o nf a c t o ro fu n i v e f s ef u z z yc 0 n t r o l l e r ，柚da l s o 酉v e nt h ep r i n c i p l eo fs e l e c t m w c o n t r a c t i o n e x p a n s i o n 白c t o rp a r a m e t e r sb ys j m u l a t i o n n o to n l yau s e f u lw a yt 0s o l v et h e p r o b l e mo fv a r i a b l eu n i v e r s ef u z z yc o n t r o l l e rp r a c t i c a la p p l i c a t i o ni so b t a i n e d ，b u ta l s om e f o u n d a t i o no fc o n t r o ls t r a t e g yf o rb a t c hr e a c t o ra c t u a lp r o d u c t i o ni se s t a b l i s h e d k e yw o r d s ： b a t c hr e a c t o r ；c o n t r a c t i o n - e x p a n s 0 nf a c t o r ；p o l y p r o p y i e n e ； c o n t r o ls y s t e m 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目： 阊遨区应垒内西燧塞佥过猩控剑丕统遮! 土 作者签名：l 口拳一日期：与l 年月卫日 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 作者签名： 导师签名： 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1 课题研究的意义 c m ( c o m p u t e r i n t e g m t e dm a n u f a c t u m g ) 借助计算机软件硬件，综合引用现代化管 理技术，信息技术，制造技术，系统工程技术，自动化技术，将企业生产过程中有关人、 技术、经营管理组织并运行的新的哲理，其信息流与物流的有机集成能实现产品高质、 低耗【1 1 。c i m s ( c o m p u t e “n t e 伊a t e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) 是基于c m 哲理，对离散工 业过程进行集成的系统。“辽宁省工业装备先进控制系统重点实验室”c i m s 三层体系 结构如图1 1 示。 厂 介 、 企 经营计划 p 、， 业 劫c 贝 源 企业资源计划 v n 厂 、 出l i 生产管理调度 厂、 市u m 造 生产数据采集 e 扎 讽 r 行 控制接口u 、j n 厂 、 过 过程自动化系统 厂p 、 籀 s 柑! 帻 伍 制 基础自动化系统 v 图1 1 流程工业c i m s 的三层体系结构 f i g 1 1 l n d u s t r yp r o c e s sc i m s st h r e e - t i e rs t m c t u r e 间歇式反应釜是生产聚丙烯一类非常重要的反应容器，对丙烯聚合反应生产工艺的 主要参数，温度、压力、流量、速度等进行有效的控制，其调节品质的好坏将直接影响 产品质量和产量【2 1 。根据实验室现有环境，对丙烯生产过程的模拟及各个阶段控制算法 间歇反应釜内丙烯聚合过程控制系统设计 的研究是三层结构中不可或缺的一部分，它能够为生产带来灵活多变的控制方法，有利 于实验室聚丙烯的实际生产，同时还能够对大型生产装置实施操作优化、先进控制等策 略，对实现生产的节能降耗和多牌号生产具有重要的现实意义。 1 2 间歇生产过程的发展与现状 间歇生产是工业领域较早使用的一种生产操作方式。由于它占用设备空间少，操作 灵活而被人们广为采用f 3 】o2 0 世纪以来，间歇化工过程经历了一个曲折的发展历程，在 3 0 年代，大部分化工过程以间歇方式操作，靠操作工的技艺和判断进行生产，不仅自动 化水平低、劳动强度大，而且产品质量不稳定。因此，化学工程师们就把注意力主要集 中于将间歇生产改为连续生产方面。化工过程一直是朝着连续加工方向发展，尤其是大 规模生产过程更是如此。直到5 0 年代，人们还普遍认为技术人员最终的使命就是将间 歇过程转变为现代化的连续过程。但是今天人们又惊奇地发现，世界上精细化工产品的 大多数仍要通过间歇过程来生产。精细化学品的生产具有以下特点：小批量、多品种、 系列化、合成步骤复杂、技术密集，优势还存在一定的季节性，并要求不断更新产品等。 这样从时间和资源上看，开发连续过程是不合理的。 1 2 1 聚丙烯生产概述 p p 价廉、质轻，具有良好的加工性、应用范围广，在通用树脂中有最好的耐热性。 催化剂和新工艺的开发进一步扩大了其应用领域。汽车和食品包装等新用途的开发促进 了对其需求的增长。只要有一种产品其材料被塑料替代，那么这种产品就有使用p p 的 潜力。从整体上看1 4 】，我国聚丙烯的生产和消费增长高于亚洲，p p 在我国合成材料中的 地位更为重要。聚丙烯已成为我国的支柱产业之一，尽快提升聚丙烯的生产技术水平是 国家的战略需求。虽然我国合成树脂工业已形成一定规模，但是与世界发达国家相比， 差距仍然很大，主要体现在以下几个方面：生产规模偏小，生产成本较高；工艺技术开 发能力上存在较大差距；产品牌号较少，高档次品种所占比例小；基础研究和加工应用 力量薄弱，技术服务需要进一步加列2 。 1 2 2 间歇反应釜控制难点及控制策略概述 化学反应的种类颇多，因此在控制上的难易程度相差很大。一些容易控制的反应器， 控制方案十分简单，但是当反应速度快、放热量大时，反应器控制方案设计成为一个非 常复杂的问题。此外，对于一些高分子聚合反应，还由于物料的粘度很大而给温度、流 量和压力的正确测量带来很大困难。以致严重影响反应器自控方案的实施。 大连理工大学硕士学位论文 间歇反应釜就其本身的特点加上物料反应时伴随的生化反应、物化反应、相变过程 等，过程机理十分复杂。其控制系统的难点【3 j 主要反应在： ( 1 ) 建模难 建立数学模型，不仅需要考虑反应体系的压力、温度、反应物浓度，还需要考虑各 种助剂的加入量、热水温度、搅拌功率、循环冷却液流量等系列与反应过程有关的因 素。另外，由于化学过程固有的非线性、复杂性和不确定性，及各传热媒体的传热系数 不规则变化对各种外部干扰的影响比较敏感，对于间歇反应釜系统来说，获得一个准确 的模型是相当困难的。 ( 2 ) 时滞性和非线性 间歇反应釜外有夹套内含导热油，导热油本身是具有时滞性、非线性的被控对象， 而反应釜热容量大、釜壁厚，因此，纯滞后时间较长：随着反应的进行，导热油的导热 系数成非线性变化，加上反应过程较大的增益变化，随着反应的进行，釜壁的传热系数 也会发生不规则变化。 由于这些因素的存在导致反应釜内反应过程异常的复杂，致使釜内温度与蛇形管内 的冷却水量之间的变化产生严重的非线性，导热油与釜内温度传递也产生了非线性。 ( 3 ) 复杂性和难控性 对反应釜系统控制就是要对釜内压力、管道流量、反应釜液位、反应釜温度的控制， 控制对象多样、控制方法多样，加上升温过程和恒温过程存在的非线性因素，使得控制 有一定的难度。 物料反应过程中放出大量的热，如果热量移去不均匀、不及时，会导致反应温度一 直上升，进而造成“飞温 现象，严重产生爆炸的危险；反之，若热量移去过多，会造 成反应温度一直下跌，造成反应熄灭。而聚合产品的质量和产量的好坏主要取决于反应 釜温度控制的好坏，所以釜内升温过程和恒温过程既是控制的重点也是控制的难点。 国内外研究人员针对上述的几个控制难点，在间歇反应过程的控制上做了大量的工 作，不仅包括对间歇反应器的建模、仿真、优化、另外在先进控制技术方面也做了大量 的工作，下面就多年来国内外研究的控制策略进行简单介绍【5 j ： ( 1 ) p i d 控制算法 p i d 控制算法广泛应用于大部分工业过程并取得了较好的控制效果，为了进一步提 高控制质量p i d 算法常结合其它算法或采用改进的p i d 算法进行控制【6 l 。反应釜控制系 统常选取温度为被控对象。因此，测量对象包括夹套内导热油( 蒸汽) 温度和反应釜内 温度，被控对象为电加热棒( 蒸汽阀门) 和冷却水阀门。当对反应釜内温度控制时，由 于系统的非线性、时变性，化工对象的不确定性。传统的p l d 算法很难准确跟踪上系统 间歇反应釜内丙烯聚合过程控制系统设计 的输入，在系统出现扰动时调节时间过长，这样会影响产品的质量和产量。因此，在升 温过程必定会加入人工的干预，也就增加了劳动强度。 ( 2 )自适应控制 由于间歇反应釜参数多变，模型未知，而自适应控制建立在系统数学模型参数未知 的基础上，参数能随工艺参数的变化，按某种最优性能自动整定。也就是说自适应控制 系统具有“辨识决策修改 的功能进而保证整个系统的性能达到要求。 b o q u er ，s m i l d eak 等人研究了一种基于鲁棒自适应控制理论的p i d 在线自整定控 制器用于聚氯乙烯反应中【引。结果表明，在线自整定的p i d 控制器比常规固定参数p i d 算法相比，控制稳定，系统响应快。文蒯8 j 研究了一种非线性自适应控制器用于半间歇 聚合反应器温度控制，但是存在当条件发生变化时，p i d 控制器需要重新整定的问题。 r h oh ，h u hy ，r h e eh 等人把自适应模型预测控制算法应用于p m m a 间歇聚合的温度控 制。m c l a i nrb ，h e n s o nma 把一种非线性参考模型自适应控制用于主要成分分析。虽 然他能解决那些对于常规方法很难建模的系统，但是对于高维非线性系统非常不适用。 上面的研究成果可以看到，虽然自适应控制已应用在一些聚合过程控制系统中，但是， 由于自适应控制算法复杂，控制器参数调整约束条件多，且只局限于对系统的收敛性、 鲁棒性和稳定性理论上的突破，其应用受到了很大的限制。 ( 3 ) 预测控制 预测控制是为了改进控制品质，追求动态品质而优化发展起来的算法。预测模型、 滚动优化和反馈校正是人们在处理不确定性问题时的一种思想。预测控制算法有很多种 具有代表性的有动态矩阵( d m c ) 模型算法( m a c ) 广义预测控制( g p c ) 。 文献【1 1 】对多参数简化模型进行了模型预测控制仿真研究，取得了鲁棒性较好的结 果，文科1 2 】将模型预测控制应用到带有冷却和升温的间歇反应釜控制系统中实验结果显 示：模型预测控制能高精度的跟踪系统输入。p a r km j ，r h e ehk 在m m a 聚合的连续搅 拌釜式反应器中应用了基于线性矩阵不等式的鲁棒模型预测控制。结果显示，尽管模型 不确定，基于线性矩阵不等式的鲁棒模型预测控制对连续搅拌反应器的特性控制却相当 好，且保证了鲁棒性。文献1 1 4 j 针对典型时变结构的非线性系统，应用鲁棒模型预测控制 并将该方法应用到工业c s t r 系统中验证了该算法的实用性，文酬”】针对p v c 聚合反 应过程，提出了基于多模型的预测控制策略。预测控制种类繁多不利于工程技术人员掌 握技术核心，参数调整过多同样阻碍了其工业应用，相信随着预测理论进一步发展，预 测控制一定能有更广阔的发展应用。 ( 4 ) 发展趋势 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 近年来，由于算法理论成果的快速发展，各种算法以各自独特的优点受到控制界的 广泛关注，最常见的就是将先进算法的优点集合起来组成新的控制器：自适应模糊控制 器、模糊控制与神经控制的融合，各种算法与优化算法相结合用来解决系统某一方面的 优化问题。但是算法间相互切换一定会产生扰动这不利于生产高质量的产品，随之对聚 合物基本分子参数的间接控制与直接控制受到人们的青睐。文献【1 6 】列出了近年来在这方 面的理论与应用的成果。 以现场总线技术为依托的新型过程控制系统将工业生产控制、优化、调度、管理集 于一体的新的控制模式并将信号处理技术、数据处理技术、通讯技术以及计算机网络技 术进行结合的高级自动化系统具有更重要的意义，文献【1 1 6 】对基于c m 的c i m s 和c i p s 体系结构进行了详细的阐述。 1 3 论文的研究内容及结构安排 首先根据间歇反应釜的工艺流程及聚丙烯生产过程的控制要求，比较全面的分析了 丙烯聚合生产过程反应釜内温度的特点以及控制难点。分别对聚丙烯生产过程的投料、 升温升压、恒温恒压阶段和安全报警部分控制。同时完成了w i n c c 监控平台，实现了 对控制过程的可视化监控和数据采集等功能，利用v b s 翻p t 语言完成控制算法的编辑， 在对各算法参数的整定和调试后，对整个过程实际运行，验证本控制系统工作稳定，可 靠性高，控制结果在保证釜内温度正常的范围之内，釜温能很好的跟踪设定温度趋向： 其次，在对变论域模糊控制算法研究的同时，对控制器伸缩因子选取的易实现性和输出 的实时性问题进行了讨论，给出了一种改进的伸缩因子。该伸缩因子与积分型伸缩因子 和指数型伸缩因子相比具有计算量小、参数少的特点。并通过仿真给出了该伸缩因子参 数选择的原则。为变论域模糊控制器实际应用问题提供了一种有效的解决方案。 本文的各章节安排如下： 第二章介绍实验室设备及聚丙烯生产过程的控制要求和间歇反应釜控制系统硬件 配置结构，下位机s 7 3 0 0 p l c 软件功能结构；分析了聚丙烯生产工艺、流程并给出生产 过程各个阶段的控制要求及控制精度。 第三章系统软件设计与实现。分别对s t e p 7 和w i n c c 软件简单介绍，给出了软 件设计要求和设计原则，并针对反应釜控制系统的设计要求，在s t e p 7 中实现了顺序 控制和p i d 控制算法，在w i n c c 中利用v b 脚本语言设计了变论域模糊控制器。 第四章对整个丙烯生产过程控制。分析不同阶段存在的问题，结合实验室环境分 别对生产过程的开车顺序，液位、压力、报警，采用不同的控制方式控制，针对不同阶 间歇反应釜内丙烯聚合过程控制系统设计 段设计相应控制器，其中投料过程采用的是顺序控制的思想，压力控制采用的是一般模 糊控制策略。 第五章反应釜温度控制。针对夹套的特性和导热油的特点选择p i d 控制器，并对 控制器参数选取方法做简单介绍；由于釜内温度模型难以建立，且系统存在严重的非线 性，时滞性。因此，釜内温度控制采用了变论域模糊控制器，利用其继承了模糊控制器 优点及本身控制精度高的特点，对输入量跟踪控制。同时给出了一种改进的伸缩因子， 并针对不同的控制对象，采用不同数值的伸缩因子，进行仿真，并根据仿真结果给出伸 缩因子的选取规则。 一6 一 大连理1 ：大学硕士学位论文 2 闻歇式反应釜系统结构及控制要求 大连理工大学电子信息工程学院辽宁省工业装备先进控制系统重点实验室，反应釜 研究平台，网络结构包括：现场设备层、操作控制层、实验数据管理层，三层。实验现 场层包括反应釜、s 7 0 0 0 p i c 、仪器仪表等硬件结构，目前网络结构已搭建完成，如图 2 1 示。 、f _ 二 产一 、岗u 倒， 、一一一一一一一一 一， 凹2 1 反应釜系统结构 f i g2l o o n 【m ls y s i e m l 龆t u m 21间歇反应釜工艺流程 结合图2 2 及表21 间歇反应釜工艺流程如下： 混合原料存放在物料罐内，利用进料泵，将原料按需要打入反应釜内( 入料流量的 大小可以通过阀门朋控制，入料总量通过流量计，2 计算) ，反应需要的气体利用进 间歇反戍釜内丙烯聚台过科控制系统设计 气泵通过缓冲罐打 釜内( 阀p 订控制流量，朋检测进气压力) 。这样我们通过1 2 组加热棒给央套内导热油加热，从而加热反应釜温度，物料往反应釜内反应。此时釜内 的温度 i 一组热电偶检测即乃j 和跎2 ，压力由州显示。若釜内温度高则冷却水泉打 开，给反应釜降温；若釜内压力过高则p 心打丌将气体排出。反应成品由出料泵打出装 入产品储罐。年此，一次完整反应结束。 h22 反麻釜结构和控制同路图 h g2 2s i d d n h o j l o fr e a c 【o r 表2l 系统测控荣什一览表 t a b2 1n e l a m e o f s y 虬e d l l o n n ga n dc o n 【r 0 1d “i c c 大连理工大学硕+ 学位论文 2 2 间歇反应釜系统结构及硬件配置 2 2 1 间歇反应釜系统结构介绍 间歇反应釜系统包括加热冷却系统、压力系统、搅拌系统、进料出料系统4 个控 制回路，其各控制回路分别介绍如下： ( 1 ) 加热冷却系统 间歇反应釜外有夹套内含导热油，加热导热油，再由能量传递将导热油的温度能量 传递到釜内将釜内温度升高，由此可知加热系统由存放在导热油中的加热棒构成，如图 2 4 示。加热导热油的执行部分晶闸管和检测温度的热电阻( 检测范围为：0 4 0 0 ) 也 是加热系统的一部分。反应釜的冷却系统由釜内盘的蛇形管，冷却水泵，冷却水阀门及 釜内温度检测元件热电阻( 检测范围为：0 4 0 0 ) 和检测冷却水入出口温度的热电阻 ( 检测范围为：0 4 0 0 ) 组成。 图2 3 间歇反应釜结构示意图图 f 远2 3 g e n e m ls t m c t u r eo fb a t c hr e a c t o r 晶闸管 调整器 四组 加热棒 l 组 2 组3 组 4 组 图2 4 加热系统 f i g 2 4h e a t i n gs y s t e m ( 2 ) 压力控制系统 压力系统由空气压缩机，进排气缓冲罐、进排气阀、压力传感器( 检测范围 0 2 0 m p a ) 组成，用以模拟压力的变化。 ( 3 ) 搅拌系统 由搅拌电机和搅拌器及变频器构成了反应釜的搅拌系统。 ( 4 ) 进料出料系统 进料系统由变频器、入料电机、涡街流量计、入料阀门构成；由变频器、出料电机、 出料阀门等组成出料系统。 一9 一 间歇反娅釜山丙烯聚合过秤控制系统设计 222 系统硬件配置 系统硬件配置主要是西门子s 7 1 3 0 0 p l c 的配置，主要由导轨( r a l l ) 、负载电源模 块( p s ) 、中央处理单元( c p u ) 、信号模块( s m ) 、通信处理器( c p ) 血部分组成， 具体参数见表22 所示。 袁22p l c 主要硬件模块 t a b2 2h a r d w a m o d e l so f p l c 霸霜添1 甄再手一 丽蕊丽面犷 丽面i f 丽一i 匿一 实物如图25 所示 留25 设备实物幽 f 培25 1 kd “i c eo f n m n e l d 大连理工大学硕士学位论文 2 3 丙烯聚合工艺及控制要求 聚丙烯是目前世界上应用最为广泛，产量增长最快的树脂之一，具有相对密度 小、来源广泛、质量轻、易回收、机械性能优越，耐高温，耐腐蚀以及电性能和化学 稳定性好等特点。聚丙烯主要是丙烯单体通过聚合来获得的，因此聚丙烯的发展与控制 技术的发展是分不开蒯2 5 1 。大型聚丙烯生产装是一个具有非线性、不确定性、大滞后、 强耦合、分布参数、混杂系统特性的复杂工程系统。f 2 4 j 生产聚丙烯的工艺方法主要有溶 剂法、溶液法、液相本体法和气相法，本体法工艺是主流的生产工艺。聚丙烯的工艺流 程包括聚合反应、分离、单体冲洗及后处理等。同时，化工生产过程以“安、稳、长、 满、优”为生产目标f 2 4 】间歇式液相本体法聚丙烯生产工艺是我国自行开发的聚丙烯生产 技术，具有许多独特的优点，特别适合我国的国情。 2 3 1 聚丙烯生产工艺 间歇式液相本体法聚合工艺，将液相丙烯、活化剂、催化剂按一定比例存放在储料 罐内，进料泵将原料按需要打入反应釜内，反应需要的气体利用进气泵通过缓冲罐打入 釜内。这样我们通过1 2 组加热棒给央套内导热油加热，从而加热反应釜内温度，当温 度升至6 0 、压力在2 4 m p 左右时釜内开始反应，放出热量。由于反应放出的热量会 加剧反应的进行，所以应及时停止加热，打开循环冷却水使釜内温度或压力按一定速度 上升，当釜内温度升至7 5 2 、釜内升到3 5 0 1 m p a 进行恒温恒压反应过程，物料 在反应釜内反应。此时釜内的温度由一组热电偶检测即砣j ，和勉，压力由用检测显 示。若釜内温度高则冷却水泵打开，给反应釜降温；若釜内压力过高则p 陀打开将气体 排出。随着反应时间的延长，液相丙烯浓度增加，釜内达到“干锅 状态。釜内温度下 降，反应结束。反应成品由出料泵打出装入产品储罐。 2 3 2 被控对象特性描述 被控对象主要包括：温度、压力、液位、报警这四个部分。由于不同的被控对象有 其不同的特性，直接影响着操纵变量和控制方案的选取，因此对于被控变量的特性分析 显得尤为重要。下面分别对这些被控变量的特性加以分析和描述。 ( 1 ) 液位 液位的滞后较小，虽然控制液位不如压力灵敏，更不如流量灵敏，但通常比控制温 度要灵敏许多。 ( 2 ) 压力 间歇反应釜内丙烯聚合过程控制系统设计 压力对象比温度对象的敏感度大很多，且两者的变化常常密切相关。另外，压力的 控制往往关系到反应过程的安全问题，当控制对象的压力超过可以承受的范围时很可能 会引系统故障甚至爆炸事故，因此对于压力的控制非常重要。 ( 3 ) 温度 温度对原料的反应及产品的质量十分重要，因此，温度的控制就显得尤其的重要。 温度对象主要包含央套温度和釜内温度，特性是惯性大、时间滞后效应强，所以控制起 来不灵敏，一般要加上微分环节。 ( 4 ) 安全控制 报警监测的变量是釜内压力、温度，当有任意一个发生异常，就会产生响应的处理 动作。对整个生产过程及人身安全起到保护作用。 2 3 3 被控对象的控制要求 ( 1 ) 反应升温控制 釜内温度的获得主要是通过与夹套的热传递来实现的，因此夹套温度要求能快速的 与釜内进行热传递，这就要求夹套温度要快速的达到热交换温度，由于釜内温度最高在 7 5 2 ，因此釜内设定夹套温度值为1 4 0 。 丙烯聚合反应，釜内温度由冷态常温逐渐升至6 0 左右。在此阶段以后要求所设计 的控制系统能够保证温度以o 1 0 2 s 的速率上升，用以模拟真实的反应。 ( 2 ) 反应保温温度控制 经过聚合反应后，在反应保温阶段要使反应釜温度始终保持在7 5 2 左右4 巧小 时，以使反应尽可能充分地进行，达到尽可能高的主产物产率。 ( 3 ) 反应器安全控制 如果加热过猛，会超压。为保证反应安全，需要对压力进行安全控制系统的设计。 ( 4 ) 投料、升温、保温、出料顺序控制 为实现从升温、保温至出料、清洗的整个过程的自动控制，需要设计顺序控制系统。 大连理工大学硕十学位论文 3 系统软件设计与实现 下位机p l c 程序在5 3 版本的s t e p 7 中实现，上位机组态软件采用的是西门子公 司的w j n c c 组态软件，本系统采用上位机实现先进控制；下位机p l c 完成基本控制的 两级控制，上位机主要实现数据的存储，变论域模糊控制器设计及相应的组态界面的设 计，下位机实现数据的采集运算与输出及夹套的p i d 控制器的实现等。下面就具体实现 过程进行详细阐述。 3 1下位机硬件组态和程序设计 s t e p 7 是西门子s i m a l r i c 工业软件中的一员它是用于对s i m a l l c 可编程逻辑控 制器( p l c ) 进行组态和编程的软件包。 3 1 1 下位机软件s t e p 7 概述 s t e p 7 具有以下功能：硬件配置和参数设置、通讯组态、编程、测试、启动和维护、 文件建档、运行和诊断等功能。s t e p 7 标准版中配置了3 种编程语言：梯形图( l a d ) 、 功能块图( f b d ) 、语句表( s t l ) ，专业版的编程语言包括s 7 s c l ( 结构化控制语言) 、 s 7 g 黜廿h ( 顺序功能图语言) 、s 7h i g r a p h 和c f c 四种可选语言。在s t e p 7 中可以 用项目来管理一个自动化系统的硬件和软件。图( 3 2 ) 显示了s 1 e p 7 标准软件包中的 主要工具，各部分功能如下： ( 1 ) s i m a t i c 管理器( s i m a t i cm a n a g e r ) 。在该环境中进行项目编程和组态。 每一个操作所需要的工具均由s i 脚i cm a n a g e r 自动运行，因此不需要用户启动各个 不同的工具。对用户来说，s i m a t i cm a n a g e r 提供了s t e p 7 标准软件包的集成统一的 界面，其运行界面如图( 3 1 ) 所示。 ( 2 ) 硬件组态。为自动化项目的硬件进行组态和参数设置。可以对p l c 机架上 的硬件进行配置，设置各种硬件模块的参数等。 间歇反麻釜内丙烯聚合过 控制系统设计 f l 】e 。7 v “c t - 。l 1 - - d ”h a#f* 9 6 _；自，r ，h ，- 目日 目mm ? “o ” p7 1 p 。i 学“1 圈31s i m t i cm a n a g e r 界面 f 培31 t h e e 柏f s i m a t i cm a n 8 9 。r ( 3 ) 编程丁具。集成了梯形逻辑图l a d ( l a d d e r l 0 百c ) 、语句表s t l ( s t a e m e n t l i s t ) 和功能块图f b d ( f u n c t i o n b l o c k d i g 阻m ) 三种编程语言的编辑、编译和调试功能。 ( 4 ) 符号编辑器。用于创建和管理所有的全局符号。为输入输出信号、位存储和 块设定符号和 i 释。符号表是t 牟= 局有效的，可供其它所有工具使用。因而一个符号的 任何改变都能自动被其它工具识别。 图32s t e p 7 标准软件包 f 嘻32 s i a n d a mp a c k a g 。o f s t e p 7 ( 5 ) 硬件诊断。可对p l c 站的荐硬件模块进行在线状忐诊断，显示相关的故障 的信息和状态信息。 大连理工大学硕士学位论文 ( 6 ) n e t p r 0 网络组态。用于组态通讯网络连接，包括网络连接的参数设置和网络 中各个通讯设备的参数设置。 ( 7 ) s t e p 7 帮助系统。可在线提供使用帮助。 图( 3 3 ) 显示了使用s t e p 7 设计完成一项自动化任务的基本步骤。 第一步：要根据需求设计一个自动化解决方案； 第二步：在s t e p 7 中创建一个项目( p r o i e c t ) ； 第三步：在项目中，可以选择先组态硬件再编写程序( 1 ) ，或者是先编写程序再 组态硬件( 2 ) ； 第四步：硬件组态和程序设计完成后，通过编程电缆将组态信息和程序下载到硬件 设备中； 第五步：进行在线调试并最终完成整个自动化项目。 设计自动化任务解决方案 一 创建一个项目 f 1 1if 2 ) 组态硬件编写程序 编写程序 组态硬件 下载并进行调试 图3 3s t e p 7 使用的基本步骤 f i g 3 3 b a s i cs t e p s o f u s t e p 7 本系统s t e p 7 设计采用的是先组态硬件再编写程序步骤，原因如下： ( 1 ) s t e p 7 在硬件组态窗口中会显示所有的硬件地址，硬件组态确定后，用户编 写程序的时候就可以直接使用这些地址，从而可以减小出错的机会。 ( 2 )当一个项目中包含多个p l c 站点的时候，合理的做法是在每个站点下编写 各自的程序，这样就要求先做好各站点的硬件组态，否则项目结构就会显得混乱，而且 下载程序的时候也容易出错。 间歇反应釜内丙烯聚台过科控制系统啦计 312 下位机硬件组态 硬件组态是s t e p 7 软什的一项重要功能。s t e p 7 软件中的“硬件组态”，就是模 拟真实的p l c 硬件系统，将c p u 、电源和信号模块等设备安装到相应的机架卜，并对 p l c 硬件模块的参数进行设置和修改的过程。当用户需要修改模块的参数或地址，需要 设置网络通讯，或者需要将分布式外设连接到主站的时候，都要做硬件组忐。 创建一个新项目有两种方式：直接创建和使用向导创建。苛接创建将产生一个空项 目，用户需要于动添加项目框架中的各项内容，新建项目向导则向用户提供系列选项， 根据用广的选择，自动生成整个项目的框架。本项目采j ； j 直接创建方式，具体过程如下： ( 1 ) 生成站，双击“h a r d w a r c ”图标，进入硬件组志窗口。 ( 2 ) 生成机架，在机架的1 号槽放置电源，2 号槽放黄c p u ，4 - 7 号槽放置v o 模块，8 号槽放置通讯模块，模块主要参数见表22 。 ( 3 ) 不更改各个模块中的地址，设置c p u 的参数，双击“通讯模块”建立e i h e m 时 连接设置i p 为：1 9 21 6 8 0 6 8 。 ( 4 ) 保存硬件设置，并将它f 载到p l c 中去。 组态结构如图3 4 示。 圈34 s i m t i cm a n a g e r 中的系统组态 f 。g34s y 5 l f i g i l m i l o ni ns i m a t l cm a n a g e r 313 下位机程序设计 s 7 系列p l c 的c p u 中运行两种程序：操作系统程序和用户程序。操作系统程序是 固化在c p u 中的 l 序，丰要完成：处理启动、刷新输入的过程映像表和输出过程映像 m 纛赫 。翰豁 一 大连理工大学硕士学位论文 表、调用用户程序、检测中断并调用中断程序、检测并处理错误、管理存储区域、与编 程设备和其它通讯设备的通讯。用户程序由用户自己编写的程序，主要完成：暖启动和 热启动时的初始化工作、处理过程数据、对中断的响应、对异常和错误的处理。 本系统用户程序采用结构化编程方式，原因如下： ( 1 ) 结构化编程可以按照工艺流程和系统结构将任务分成小的程序块，例如：将 所有的数字量，模拟量输入输出分成三块分别编写，每一个模块完成一个单独的控制功 能，程序编写简单，有利于多人协作，便于以后程序的移植和理解。 ( 2 ) s t e p 7 中存在很多能够完成某种功能的功能块：p i d 控制模块f b 4 2 、数模 转换模块f c l 0 6 等，只要将相应的模块连接起来就可以完成所需任务。 ( 3 ) 在大限度的满足生产和过程的控制要求下，使控制系统简单、保证系统安全 可靠。 s t e p 7 中主要有组织块、数据块、用户功能块和系统功能块，了解各个模块之间的 关系是实现结构化编程的条件，在p l c 热启动时首先调用的是0 8 1 0 0 组织块用来完成 初始化任务，循环时只对o b l 扫描，o b l 中可实现对不同功能的功能块调用，它们之 间的关系如图3 5 示。 图3 5s t e p 7 中模块之间的关系 f i g 3 5m o d u k s r e l a t i 叽s h i pi ns t e p 7 s t e p 7 程序主要完成以下任务： ( 1 ) 结合现场的硬件结构，实现对输入模拟量和输出模拟量的工程转换及数字量 启动和停止的互锁。 ( 2 ) 实现安全策略的连锁保护及相应的处理动作。 ( 3 ) 实现对整个生产过程的整体流程控制。 ( 4 ) 完成经验的p i d 夹套温度控制策略。 间歇反应釜内丙烯聚合过程控制系统设计 o b l 0 0 实现对f b 4 1p l d 模块的初始化任务，o b l 实现生产过程的总体流程控制， f c l 实现开关量输出，f c 2 实现输入量的工程转换、f c 3 实现输出工程量的转换、f c 4 中实现夹套温度控制、f c 5 中实现安全控制，设计框图如图3 6 示。p i d 控制策略如图 3 7 示。 0 8 1 主程序模块 f c l 开关量输出模块 输入t 毒换模块h 至亟巫输入t 程量转换模块l l 二= = ! 兰2 输出工撰换模块卜匦输出工程量转换模块l l ：竺! 茎竺 f c 4 夹套p i d 控制模块 f c 5 安伞控制模块 图3 6p l c 软件流程图 f i g 3 6 p l cp r o 伊a mn o w c h a n i 望坠! n m l 模块 图3 7 夹套加热流程图 f i g 3 7j a c k e i h e a t i