基于PCS7的具有回收工藝的連續過程控制系統設計

何 凱, 歐陽名三, 茹雪艷

(1. 安徽理工大學 電氣與信息工程學院, 安徽 淮南 232001; 2. 蚌埠學院 電子與電氣工程學院, 安徽 蚌埠 233030)

通信作者：歐陽名三(1967—)，安徽淮南，博士，教授，電氣與信息工程學院副院長，主要研究方向為自動化控制技術.

連續過程反應器是化學品生產過程中的關鍵設備,多應用于化學品、燃料和聚合物的大規模生產[1],決定化工產品的品質、品種和生產能力,具有高溫、高壓、多輸入、多輸出、強耦合和強非線性等特性,調節參數和擾動因素過多,改變其中任一個參數,將會影響整個系統的運行狀況[2]。 目前,基于PCS7和SMPT-1000實驗平臺開發的連續過程控制系統還沒有實現物料回收的工藝,物料浪費嚴重且產量偏低[3-5]。

本文以工業連續反應過程為背景,采用SDG圖方法分析了系統工藝流程和對象特性,充分考慮回收工藝后,設計的系統主要包括進料比值-液位控制、催化劑流量控制、反應器溫度及液位控制、閃蒸罐液位及壓力控制、冷凝器出料溫度控制和物料A回收流量控制等部分,實現全工況、全過程、全自動化控制,滿足安全、穩定運行和節能減排的要求。

基于集散控制系統PCS7設計了CFC和并行SFC控制,縮短開車時間，顯著提高產量,可直接調用CFC功能塊中的各引腳信號對該反應器進行全自動連續控制,利用SMPT-1000實驗平臺,對整個連續過程控制系統進行仿真驗證[3]。在實驗探索過程中,通過分析、改善現有系統的缺點,使學生從綜合分析出發,加深了連續過程系統控制的思想,參與實驗的學生在優化節能、協作配合、綜合開發、創新實踐等方面的能力得到一定的提升[6]。

1 工藝過程分析與特性分析

1.1 工藝過程分析

連續反應工藝流程控制系統框圖如圖1所示。

圖1 連續反應工藝流程控制系統框圖

(1) 原料A(含循環管線流量)和B以3∶1的比例進入混合罐V101。

(2) 待原料A和B混合程度較高、達到一定液位時,反應器中催化劑C料的流量與AB混合物以1∶12的比例進料。

(3) 原料A與原料B充分混合后,在催化劑C的作用下反應生成主產物D和副產物E,反應方程式如下:

主反應:2A+B→D

副反應:A+B→E

該反應放熱強烈,采用夾套式水冷卻降溫,同時反應會產生高壓氣體。當反應壓力超過135 kPa、危及安全時,通入抑制劑F,使催化劑C迅速失去活性,從而中止反應[7]。整個反應過程中,壓力不得高于140 kPa,溫度穩定在80～110 ℃。

(4) 反應生成液流入閃蒸罐V102,分離提純混合生成物(A+B+C+D+E)中過量的原料A,要求閃蒸罐壓力穩定在30～70 kPa。

(5) 循環物料A氣體從閃蒸罐V102頂部蒸出后,與冷凝器E102中的冷卻水換熱冷凝,進入冷凝罐V103,排氣閥XV1102排氣控制冷凝罐壓力,冷凝后的循環物料A經循環泵P106加壓、流入混合罐V101,再次參與反應,實現物料的循環回收。

(6) 混合生成物從閃蒸罐V102底部流出后,通過輸送泵加壓,經下游分離工序提純精制,分離出產品D,要求濃度AI1101達到79%,并保持流量穩定。

1.2 特性分析

由于被控對象輸入、輸出較多,同時非線性和耦合度較高,分析干擾因素和調節參數較為繁瑣。為直觀表示參數間耦合關系,設計該連續反應系統的SDG圖如圖2所示，該圖清晰直觀地表明了變量間的耦合性,變量由圖中圓圈表示,圓圈之間的箭頭表示各變量間的相互作用,箭頭由作用變量指向被作用變量,實線表示作用變量增大(減小),被作用變量也相應增大(減小); 虛線則與之相反[8]。

圖2 連續反應系統SDG模型

2 連續過程控制系統設計

綜合考慮穩態要求、產量要求、能耗要求和安全要求,設計了具有回收工藝的混合罐液位及物料A、B流量串級-比值控制回路、催化劑C流量比例控制回路、反應器液位及溫度控制回路、閃蒸罐壓力及液位控制回路、預熱器出口流量溫度控制回路、冷凝罐液位控制回路。A、B、C進料比決定了產物濃度的最大值。另外,反應器溫度上升的快慢和反應時間影響濃度上升的速度,其中核心算法為PID控制算法[9]。

2.1 連續過程控制策略設計

2.1.1 具有回收工藝的混合罐液位及原料A、B流量串級-比值控制回路

混合罐液位是整個控制系統的源頭,混合罐液位的穩定直接影響系統各參數的穩定,關系著反應器的穩定,為此設計該回路。混合罐液位主要受A料進料閥門FV1101、A循環回收物料閥門FV1108、B料進料閥門FV1102以及出料閥門FV1103的影響,這里選擇進料閥作為FV1101、FV1102為混合罐液位的執行器。A、B進料的流量比值約為3∶1,同時從物料循環節能角度考慮,設計了具有回收工藝的混合罐液位及原料A、B流量串級-比值控制回路。如圖3所示,下半部分為混合罐液位串級控制回路,被控變量為混合罐液位LI1101,執行器為A料進料調節閥FV1101; 上半部分為B流量比例單回路控制,被控變量為B料流量,回收物料A流量和原料A總流量乘以比例系數K2作為該回路的給定值,執行器是B料進料調節閥FV1102。

圖3 具有回收工藝的混合罐液位及原料A、B流量串級-比值控制系統

2.1.2 催化劑C流量單閉環比值控制回路

A、B、C進料的流量比值約為9∶3∶1,即反應器中催化劑C料、AB混合物比值為1∶12,為此設計了催化劑C流量單回路比值控制，如圖4所示,以AB混合物料流量乘以比例系數K2作為該回路的設定值,執行器是C料進料調節FV1104[10]。

圖4 催化劑C流量單閉環比值控制系統圖

2.1.3 反應器液位控制回路

反應器液位LI1102主要受AB混合料進料閥門FV1103、催化劑C進料閥門FV1104、生成液出料閥門FV1105的影響。這里FV1103作為全系統增減負荷的閥門由SFC控制,FV1104比值控制跟隨FV1103,此處選擇生成液出口閥FV1105作為反應器液位的執行器,設計了反應器液位控制回路,同時考慮到反應器液位越高,與冷卻水接觸面積越大,冷卻效果更好,能夠突破提升負荷的限制。

2.1.4 反應器溫度控制回路

混合罐進料過程中,待原料A、B流量穩定時,開啟FV1103進行小流量進料,由于FV1104比值控制緊緊跟隨FV1103,此時A、B、C按照設定的比值進入反應器R101,進行反應預熱,溫度迅速提高的同時避免壓力超調,且停留時間和化學反應程度較好,能夠獲得更好的產物起始濃度。選擇冷卻水閥門FV1201作為執行器來控制反應器溫度TI1103。

2.1.5 閃蒸罐液位控制回路

閃蒸罐液位直接影響閃蒸罐壓力PI1103和產物D出料流量。閃蒸罐液位LI1201主要受進料閥門FV1105、產物D出料閥門FV1106、循環物料A蒸出閥門PV1101和真空泵頻率S1101的影響,這里選擇產物D出料閥門FV1106作為執行器控制閃蒸罐液位LI1201。

2.1.6 閃蒸罐壓力串級控制回路

閃蒸罐壓力PI1103直接影響產物D濃度AI1101和產物D出料提升速度,影響因素有閃蒸罐液位、進料流量、出料流量、真空泵頻率和頂部物料A出口流量等因素,其中真空泵頻率、閃蒸罐頂部物料A出口流量對閃蒸罐的壓力影響最明顯。PV1101具有很強的流通能力,控制其閥門開度精度比較困難,此處將PV1101置為99%開度,以真空泵P104作為執行器,為了保證閃蒸罐壓力穩定,設計真空泵電機變頻器頻率S1101為主控制對象,同時將頂部循環A流量FI1107作為副控制對象,間接控制閃蒸罐壓力。閃蒸罐壓力串級控制回路見圖5。

圖5 閃蒸罐壓力串級控制系統

2.1.7 冷凝器出口物料溫度控制回路

冷凝器出口物料溫度TI1202主要受閃蒸罐溫度影響。選擇冷凝器E102冷卻水閥門FV1204作為執行器來控制循環物料出冷凝器溫度TI1202。

2.1.8 冷凝罐液位控制回路

冷凝罐液位的穩定影響著冷凝罐壓力和循環物料A回收速度。冷凝罐液位LI1202主要受頂部循環A流量FI1107、循環物料A出料閥門FV1108影響,這里選擇循環物料A出料閥門FV1108作為執行器控制閃蒸罐液位LI1202。

2.2 基于PCS7系統配置及仿真實現

控制系統采用具有編程、組態、監控和模擬測試等功能的SIMATIC PCS7過程控制系統。SMPT-1000由4個部分組成:全真實空間位置和工業感的立體流程設備盤臺、直觀顯示高精度數據波形的工業仿真檢測引擎軟件、豐富可自定義的IO接口與輔助操作臺、全自動化的控制系統[11]。被控對象SMPT-1000通過AI/AO、DI/DO、Profibus、OPC與各種PLC、DCS或工業控制計算機等控制器相連,與西門子PCS7組成現場站、控制站、操作站三級完整的工業控制環境[12],系統硬件配置如圖6所示。以混合罐液位及原料A、B流量串級-比值控制回路為例對CFC組態,采用西門子PCS7 V8.0提供的連續功能圖實現該控制回路。

圖6 系統配置及仿真設備連接圖

由于A、B、C進料比很大程度上決定了產物D濃度的最大值和最終產量,因此嚴格控制進料比,經多次試驗改進后的控制回路CFC組態示意圖如圖7所示。

圖7 具有回收工藝的混合罐液位及原料A、B流量串級-比值控制系統的CFC組態示意圖

通過對物料A、B閥門流通能力的計算與實驗得出：當A、B閥門開度為0.76335時,A、B進料的流量比值約為3∶1。在未進行物料A循環回收前,在SFC中分別將OP1的U管腳置為1.0、OP2的U管腳置為0.0、FIC1102設置為手動的同時MAN_OP管腳置為0.76335,FV1101、FV1102以0.76335的比值緊密關聯。從開始手動進料、液位波動到切換全自動運行都能嚴格保證進料比。冷凝罐液位到達設定值,物料A開始回收時,在SFC中分別將OP1的U管腳置為0.0、OP2的U管腳置為1.0、FIC1102設置為自動，同時SPEXTSEL_OP管腳置為外給定,斷開了FV1101、FV1102之間的比值控制,無擾動切換為液位-流量串級比值控制,以A料總流量的1/3為控制器FIC1102的設定值。在串級-比值控制系統的作用下,混合罐液位經過微小波動后迅速穩定,同時物料A的總流量與原料B流量以3∶1的比例全自動進料,同時物料A開始循環回收加入新一輪的反應,達到生產優化、節能的要求[13]。

2.3 并行開車順序控制

開車的基本思路分為小流量、中流量、大流量投放進料,通過轉移條件的改變控制開車狀態,待反應器預熱完成,各參數當前值接近設定值時,無擾切換成自動運行。由于被控變量較多,將各個回路逐次投自動以減少干擾,最后控制各指標達到穩定運行[4]。為了減少開車時間、快速生成反應物，提高產量,在SFC中選擇并行結構,具體并行開車順序控制SFC組態如圖8所示。

3 系統運行及結果分析

基于PCS7設計、編譯的硬件組態、CFC、并行SFC等通過以太網連接,下載到S7-400 PLC,PLC通過自帶Profibus DP接口連接到仿真對象SMPT-1000。

根據上述操作流程,得到液位等的趨勢曲線如圖9所示。

圖8 并行開車順序控制組態圖

圖9 液位LI1101、溫度TI1103、流量FI1106、壓力PI1102和濃度AI1101等的趨勢曲線

從圖9可以看出,原料A、B流量曲線的波動頻率相同,嚴格以3∶1的比值進料,檢測冷凝罐液位達到設定值,1 020 s循環回收開始,循環物料A對混合罐的液位產生波動,經無擾動切換為串級-比值控制系統運行后,混合罐液位及物料A總量、B比值50 s后重新達到設定值,充分保證A(進入混合罐的總流量含循環回收流量)、B、C進料比控制在9∶3∶1。為了A、B物料能充分混合的同時盡量快速地進入反應器反應,此處將混合罐液位控制在32%,反應器液位維持在80%,既留有充分反應空間,又有足夠的冷卻接觸面積,溫度控制在101.5℃,壓強穩定在129.5 kPa,閃蒸罐液位保證在15%。

從FI1103流量曲線圖可以看出,500 s第一次提高負載后,60 s后閃蒸罐壓力穩定,產物D流量FI1106出料穩定為10.63 kg/s,濃度AI1101持續上升。1 050 s第二次提高負載,閃蒸罐壓力微小波動迅速穩定,FI1106持續上升,濃度AI1101到達最高值81.69%。各參數穩定度較高,都在安全可控的范圍內,采用并行開車將產物出料時間提前到490 s,初始濃度可以達67.562%,濃度AI1101在751 s后均滿足79%以上的濃度,產物D流量最終穩定在12.68 kg/s,回收物料A流量穩定在1.837 kg/s。充分滿足了“西門子杯”賽題的要求,并且加入物料的回收工藝,最終的產量可達16 017 kg。

4 結語

本文基于SIMATIC PCS7系統在SMPT-1000實驗平臺,進行了具有回收工藝的連續過程控制系統的設計與實現。實驗結果表明,所設計的連續控制系統能夠全工況、全過程、全自動地穩態運行,在安全、生產優化、節能和產量等方面不僅達到了設計要求,而且實現原料的回收利用,提高了產量,體現綠色節能思想,能夠提高經濟效益，且可行性好、操作簡單[5]。該方案用于2018年“西門子杯”中國智能制造挑戰賽連續過程設計開發賽項的比賽,在評分系統自動打分獲得滿分,各參數符合設計要求,產量達到16 017 kg,對PCS7在現代工業控制中的應用及連續系統相關實驗具有重要的參考價值。