基于SIMATIC PCS7的工业反应过程控制设计.pdf

电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering1281 SIMATIC PCS7控制系统SIMATIC PCS7 控制系统是由西门子公司推出的一种先进的工业自动化控制系统。它具有高度的可靠性、稳定性和可扩展性，可以实现对各种复杂工业过程的现代化、数字化、智能化控制。PCS7 控制系统集成了许多重要的功能模块，如过程试验、数据采集、安全保护、网络通信等，为工业反应过程的自动化控制提供了全面优质的解决方案。在应用方面，PCS7 广泛应用于化工、电气等领域。特别针对化工行业中工业反应过程的现代化生产控制需求，PCS7 控制系统在其中起到至关重要的作用。2 设计内容化工生产过程往往具有复杂的工艺流程，混合罐、反应器、闪蒸罐等常常作为其重要组分，为了确保生产能够高效、节能、环保，就要设计合适的控制方案及开车顺序，能够实现进料控制、燃料控制、反应器液位、压力控制及出口温度控制，并确保各个回路之间协同工作，保证设备的安全运行。化工生产过程由于流程相对基于 SIMATIC PCS7 的工业反应过程控制设计龚文昊（南京信息工程大学自动化学院 江苏省南京市 210044）摘要：本文基于对 PCS7 系统的学习研究，针对某工艺生产，设计了一套较为完整的连续过程控制方案。最终仿真实验运行结果表明，该系统液位、温度、压力、流量等参数均能实现自动控制且较为快速、稳定，本过程控制设计方案有效可行。关键词：PCS7；自动化；连续过程控制图 1：反应工艺流程简图电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering129复杂，生产过程往往伴有高温、高压、强非线性等特性，把实际生产装置移植到实验室进行控制实验非常困难。SMPT-1000 实验平台可以模拟水汽全流程,进行多项实验1。孙军等在文献2中通过 SMPT-1000 平台对串级模糊自适应控制 PID 的蒸发器温度控制进行了研究,史冬琳等在文献3中针对 SMPT-1000 实验平台中反应釜过程，设计了基于 PCS7 的反应釜连续反应在线控制系统。经工艺流程分析，本方案自主设计了一套较为完整的连续过程控制系统，并在 SMPT-1000 实验平台上进行仿真实验。该系统设计主要包含硬件组态与设备连接、CFC 程序设计、SFC 程序设计、WinCC 监控画面等，旨在通过自动化控制手段，实现系统的冷启动、开车运转直到达到工艺给定目标负荷，整个工艺反应过程安全、稳定、高效。3 系统工艺分析本系统设计的工艺流程如图 1 所示。首先是原料 A与 B 按一定比例通过进料泵输送到混合罐 V101，随后混合原料再与催化剂 C 按一定比例投入到反应器 R101中进行反应。反应器 R101 中，A 和 B 在 C 的催化下发生以下两个反应。方程式如下所示：主反应 （3.1）副反应 （3.2）考虑到反应均为强放热反应，因此需要采用内盘管式水冷却，将反应放出的热量移除，进而维持反应器温度稳定。待反应充分后，将产物（未完全反应的 A 和 B，催化剂 C，生成物 D 和 E）输送到闪蒸罐 V102 中进行闪蒸提纯。提纯后的 D 为液相，输送至下游加工。为了提高产品浓度，A 一般过量，因而闪蒸罐 V102 顶部气相绝大部分为 A，这部分气相通过真空泵抽送至冷凝单元进行冷凝回收。4 系统控制设计4.1 控制回路设计4.1.1 混合罐 V101 进料比值与液位复合控制回路如图 2 所示，A（原进料 A 和回收 A）B 进料需按一定比例，A 为主动量，B 为随动量。由于流量本身惯性和滞后性较小，因此 B 的流量控制器比例作用应设得大些，增大 B 的调节速率，同时为了消除余差，适当引入积分作用。如果B的流量增大，由于FV1102是气开阀，为保持流量稳定，B 的阀门开度应当减小，因此 B 的控制器应是反作用。综上 A、B 采取单闭环比值控制，流量控制采用 PI 反作用控制。混合罐液位通过 A 的进料阀门控制混合罐液位。下面分析控制器的正反作用，当液位升高时，液位给 A 一个正信号，由于 A 是气开阀，图 2：进料比值与液位复合控制电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering130A 的阀门开度应当减小，因此液位控制器应是反作用。4.1.2 催化剂比值控制回路当混合罐达到一定液位，将混合原料与催化剂按一定比例输送至反应罐中。为保证 A、B 充分反应，催化剂流量应随混合物料流量变化而变化。由于混合物料流量远大于催化剂流量，在此选择混合物料流量为主动量，催化剂流量为随动量，构建双闭环比值控制系统，使得主副流量都较稳定，且便于后续提降负荷。主副控制器均为反作用。如图 3 所示。4.1.3 反应器温度控制回路由于该反应为强放热反应，且达到诱发的活化温度后，反应速率随温度的上升成指数级增长。因此在温度上升阶段应当适当抑制其反应上升速率。本方案采取单回路的控制方式，其控制简单方便，调节时间较快。由于温度是一个滞后性较强，惯性较大的变量，因此控制器应加入微分环节。由于冷却水阀门属于气开阀，当温度上升时，为抑制温度上升，冷却水阀门开度应当调大，故温度控制器属于正作用控制器。综上温度控制采用单回路 PID 正作用控制器。如图 4 所示。4.1.4 闪蒸罐压力控制回路如图 5 所示，闪蒸是循环回收物料 A 与控制产品浓度的重要环节，为确保产品 D 的浓度，需对闪蒸罐的图 3：催化剂比值控制图 4：反应器温度控制图 5：闪蒸罐压力控制电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering131压强进行控制。压强过高，气液相分离则不充分，产品D 的浓度得不到保证。同时如果压强不够稳定，那么反应器出口流量和闪蒸罐的出口流量也会受压力波动而上下波动，这也不利于闪蒸罐液位的控制。本方案采用固定真空泵功率，选择 PV1101 作为执行器控制压强。当压强上升时，为降低压强，PV1101 开度增大，因此压强控制器应为正作用。由于压强的滞后性以及惯性较小，所以采用 PI 控制即可。4.1.5 闪蒸罐液位控制回路如图 6 所示，闪蒸器液位决定反应混合物在罐中的停滞时间，液位越高，混合物停留时间越久，气液分离更加充分，但液位过高则会导致气相空间被压缩，压强受温度影响较大，不利于闪蒸罐的减压，并且可能会将部分液相抽入气相管道，既影响管道使用，同时也会腐蚀管道，减少设施使用寿命。本方案采用单回路控制，出口阀（气开阀）作为执行器。当液位过高，出口阀门开度应当调大，因此，该控制器应为正作用控制。4.1.6 冷凝罐液位控制回路如图 7 所示，冷凝罐积累来自经过冷凝器冷却后液相物料 A，液相 A 只有在冷凝罐中贮存一段时间，温度足够低，才能循环回流至工艺流程入口，因此冷凝罐液位不宜过低；又因为冷凝罐液位不宜超限，故设计了冷凝罐液位单回路控制，操纵变量是冷凝罐出口流量。冷凝罐出口阀为气开阀，冷凝罐液位上升应开大出口阀，则该控制器为正作用，液位滞后性不强，故控制采用 PI作用。4.1.7 冷凝罐温度控制回路如图 8 所示，冷凝器冷却来自闪蒸罐的高温气相物料 A，使其到达较低温度循环回流至工艺流程入口。为避免对工艺流程产生较大冲击，冷凝罐温度必须维持稳定，故采用单回路控制器进行温度控制。该控制的执行器是冷凝水阀门，为气开阀，当冷凝罐温度上升，冷却水阀门开度应该变大，则该控制器为正作用。因为温度惯性较大，该回路采用 PID 控制。4.2 安全设计安全是整个系统投运的前提，安全指标不达标的控制程序即便经济效益再好，也是无法投入到实际使用中去的。安全设计的原则体现在以下几个方面:（1）整体性：系统开车是一个各个单元无缝衔接的过程，任何单元的变化都会影响整个系统，系统稳定后各个单元受到的干扰也会牵连其它单元。所以系统设计需要从全局出发，统一考虑。（2）易操作性：操作人员可以在上位机通过简易操作应对生产事故。（3）有效性：当系统出现报警，操作人员采取的应急措施可以及时奏效。为杜绝混合罐，反应器，闪蒸罐，冷凝罐出现抽空或满罐现象，选择合适的进料量和出料量，维持物料平图 6：闪蒸罐液位控制图 7：冷凝罐液位控制电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering132衡，防止入口流量远大于出口量或相反情况的出现。当反应器温度大于 170或者压强大于 180kPa，抑制剂自动投入，以此来应对超压爆炸事故的发生。4.3 开车顺序控制设计首先对各阀门进行初始化。在检查无误后，开始通入原料 A，B，与此同时打开真空泵和排气阀，将闪蒸罐压强降至负压，然后关闭，再打开反应罐顶部放空线，为后续流程做好准备。待混合罐 V101 累计一定液位，此时 A、B 进料流量稳定，FIC1102 投入自动，让 B 的流量跟随 A 变化而变化。当混合罐液位达到 11%时，开启 V101 出口阀和催化剂进料阀，并打开蒸汽阀门开始加热。等到混合物料与催化剂流量稳定后，将 FIC1104 投入自动，让 C的流量按预设的比例跟随混合物料。随着反应器温度逐渐上升至反应的诱发温度，关闭蒸汽阀门，凭借反应本身所放出的热量继续升温。由于此阶段反应速率随温度的上升成指数级增长，因此当温度上升至 80时，开始投用冷却水并减小进料流量，抑制升温速率，避免出现温度失控的情况。随着反应的深入进行，当下的进料流量已不能维持温度以适合的速率上升，因此本方案采取逐级增加进料流量的方式，让温度上升至设定的值。升温过程中，当温度达到 109时，关闭放空线，让反应器内压强随温度上升，使反应器中物料不至于出现迅速汽化现象导致 R101 超压。温度上升至 142时，将TIC1103 投入自动，使反应器温度尽快稳定。当反应器液位达到 48%，给出口阀门开度一个合适的值，使得开度与液位投自动的值相接近。当液位到达 49%时，将 LIC1102 投入自动。随着反应器生成物的流入，闪蒸罐 V102 内的压强逐渐上升，当到达 30kpa 时，开启PV1101。当 V102 液位升至 20%时，将 PIC1103 投入自动。当液位到达 28.5%时，给出口阀门开度一个合适的值，使得开度与液位投自动的值相接近，在液位到达29.5%时将 LIC1201 投自动。在有气相 A 即将流入冷凝器之时，投用冷凝器循环上水。当冷凝罐液位达到 20%时，此时温度也接近 25 摄氏度，将 TIC1203 投自动。冷凝罐液位达到 26%时，开启 FV1108 和循环泵，液位达到 28%时，LIC1202 投入自动。此时开车基本全部完成。此外，本方案在 SFC 中还设置了安全保护措施，当反应器温度超过 170或压强超过 180kpa 时，立即投入抑制剂中止反应，从而避免出现重大安全事故。4.4 系统监控界面设计利用 wincc 视窗控制中心设计的人机交互监控画面如图 9 所示。本界面能够直观地显示出各工艺控制对象的实时参数。在画面的左上方有两个 SFC 控制按钮（其中一个用于测试各阀门流通能力），单击即可看见顺序功能图，可进行开车。5 系统组成5.1 系统结构系统结构组成如图10所示，个人电脑作为上位机，运行 WinCC 人机交互画面，SIMATIC 400 站是可编程图 8：冷凝罐温度控制图 9：WinCC 画面电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering133程序控制器，PM