多物料混合放熱反應控制系統設計

彭 倩，王再英，王永進

（西安科技大學電氣與控制工程學院，西安 710054）

0 引言

化工生產、食品醫療、冶金制藥、建筑制造等行業均涉及到多物料混合放熱反應，而放熱反應是最不易控制的。多物料在進行放熱反應時，隨著溫度升高，反應速度會加快，將導致放熱量進一步增加，使反應溫度繼續升高。由于放熱反應過程內部存在正反饋，放熱反應過程在開環情況下是不穩定的，存在反應失控，并引發火災、爆炸事故的危險。為確保反應過程平穩進行和生產安全，需要尋找新型控制裝置，優化控制方案，這是產業發展的必要途徑［1］。

多物料混合放熱反應是一個多輸入-多輸出、大滯后、強非線性、干擾因素眾多的動態過程對象，實際生產中時刻發生改變，對控制系統要求較高，控制難度較大。本文以具有放熱反應特性的混合物料反應器為例，在分析了其工藝特性和控制需求基礎上，針對生產過程中關鍵參數反應溫度和反應器液位提出設計一套DCS自動控制系統控制方案，在滿足工程生產和安全需求的前提下減少反應廢料，提升產物濃度，提高生產效率，達到優化生產過程、減少停車事故、節能降耗，提高經濟效益的目的。

1 反應器控制

1.1 反應器生產

反應器生產流程如圖1 所示。混合物料經由管線閥門FV1103 進入反應器，FI1103 用來監測FV1103 的流量；催化劑經輸送泵P103 和管線閥門FV1104 送入反應器，FI1104 監測FV1104 的流量；LI1102、TI1103、PI1102 分別監測反應器液位、溫度、壓強；管線閥門XV1101 負責抑制劑的通斷，當反應氣相溫度過高、壓強超壓，及時通入抑制劑，抑制反應的進行，保證生產安全；管線閥門FV1201、FV1203 負責夾套冷卻水控制反應溫度，閥門FV1201 負責進水，閥門FV1203 負責出水，FI1201 和FI1203 分別監測管線閥門FV1201、FV1203 的流量。

圖1 反應器生產流程

混合物料（A +B）經管線閥門FV1103 通入反應器，在催化劑C的參與下進行反應，生成主產物D 經由管線閥門FV1105 產出。反應轉化率與溫度、壓力、反應停留時間及反應組份等因素有關，反應方程式如下：

其中，物料A，B，C 流量比為9∶3∶1，即反應需保證混合物料（A +B）流量與催化劑C 流量之比為12∶1，方可保證反應的充分進行。

1.2 反應器控制需求分析

（1）反應器溫度控制。該反應是放熱反應，反應器溫度直接關系到產物轉化率。該反應溫度控制有兩個過程組成：

①升溫過程。該反應是放熱反應，原料A、B 在催化劑C 的作用下，在反應器R101 中反應會放出大量的熱，參與反應的溫度和物料的濃度、催化劑的比例、反應的停留時間都會最終影響產物D 的轉化率。同時高溫往往伴隨著高壓，高壓又將會使反應器承受不住壓力而爆炸，所以必須控制反應器的溫度，保證溫度不會突變。

②恒溫過程。經過升溫反應后，反應進入恒溫階段，在此階段采用夾套冷卻水的方式保證反應器溫度始終維持在某一恒定值（80～100℃），并且最好可以在此使反應停留一定時間，確保原料反應充分，獲得更高的產物D轉化率。

（2）反應器壓力安全控制。判斷產物是否達到要求轉化率的另一重要指標即反應器壓力。過高或過低的壓力均對金屬導管和設備產生不利影響。壓力過高，則會加快金屬蠕變導致反應器罐體受到損壞；若過低，不可能達到所需的反應轉化率。因此對反應器壓力設計安全控制系統方可保證反應安全。

（3）反應器停留時間控制。反應的停留時間與反應器液位相關，依據工藝分析得知，反應產物轉化率與反應停留時間有關，因此需設計反應器液位控制系統，在生產安全前提下延長反應停留時間，使得原料得以充分反應。

（4）反應器組份控制。若要得到轉化率符合要求的高濃度產品，則要求控制反應器最終產物的產率。注意，產率無法在線采集。升溫速度、保溫時間、壓力大小、出口流量、反應時間等因素都會影響到反應主產物D 的產率。

2 控制方案設計

2.1 反應器溫度控制

壓力與溫度一直以來是互相影響的，因此控制好溫度，則壓力即可得到控制，溫度是反應器采取夾套水冷卻方式來進行控制，由于該反應是放熱過程，反應過程中，放熱強烈，溫度的急劇升高致使壓力隨之升高。若冷卻失效，氣相壓力必定會過高，反應器罐體承受不住就會爆炸。又因溫度變量大慣性、大滯后特點，設計單回路控制器往往響應較慢，不能及時調節；同時冷卻水流量的時間常數較小，響應較快，但冷卻水壓力不容易保持恒定，冷卻水流量也可能變化而引起其壓力變化，從而又會影響到反應溫度。考慮這種情況，冷卻水流量可以作為串級副回路，溫度為主回路，冷卻水控制器隨動控制，跟隨溫控的變化而變化。因此該反應器溫度可采取“溫度-流量”的串級控制方式。控制回路如圖2 所示［1-2］。

圖2 反應器爐膛內串級控制系統框圖

被控對象為反應器溫度TI1103，主調節器為溫度控制調節器TIC1103，執行器為反應器R101 夾套循環上水管線閥門FV1201；由于反應器采用夾套冷卻水方式，副回路選擇冷卻水流量回路：被控對象為反應器R101 夾套循環上水流量FI1201，副調節器為冷卻水流量控制器FIC1201，執行器和主回路一致。

2.2 反應器液位控制

影響反應器液位的因素主要有混合物料和催化劑的進料量以及罐底閥門的出料量，出料量影響下道工序，不利于調整，因此通過控制進料量以及配比來控制液位；故可采用雙閉環比值控制，控制框圖如圖3 所示。依據主物料與副物料的選擇原則，其中一條在生產中起主導作用的物料流量，一般選為主流量，其余的物料流量以它為基準，跟隨其他變化而變化，則為副流量。實際生產要求原料A、B 和催化劑C 的比例為9∶3∶1，即通過FV1103 的混合物料與催化劑比例為12∶1，選取FV1103 混合物料進料量為主動量，催化劑C進料量為從動量，則主流量為FI1103 的監測值，副流量為FI1104 的監測值，因此比值系數

通過雙閉環比值控制保證了混合物料和催化劑始終按照反應配比以穩定流量入料，不至于因出口閥門FV1105 的干擾而產生較大影響，極大程度地保證了反應的穩定進行。此外，反應停留時間越長，反應轉化率越高；而反應器D產物產出率=反應轉化率×反應器進料流量FI1103；在液位不變的情況下，反應停留時間與進料量FI1103 成反比，隨著停留時間加長，反應轉化率更會逐漸增大。

圖3 反應器雙閉環比值液位控制系統框圖

2.3 開車順序控制

開車的基本思路：首先將設備置冷態，保證所有的閥門和泵均處于關閉狀態；其次根據經驗手動給予混合物料（A +B）閥門FV1103 一定開度（10%），閥門FV1104 根據比值控制器設定開度48%，并啟動催化劑C的輸送泵P103，此時，有催化劑加入，原料A、B開始反應，放出熱量，反應升溫，并進一步誘發反應；當反應器溫度TI1103 達到86 ℃時，冷卻水出水閥門FV1203 開度改為80%，冷卻水進水閥門FV1201 開度改為20%，控制溫度緩慢上升；當反應器溫度TI1103達到98 ℃時，將反應器溫度控制器TIC1103 投自動，反應器溫度設定值為98 ℃；同時緊接著反應器R101液位到達78%時，開啟反應器底部管線閥門FV1105，開度設定35%，反應產物開始輸出；當反應器液位達到80%時，將反應器液位控制器LIC1102 手動切換自動，液位設定值為80%；經過PID控制器的調節，反應器的溫度、液位均實現無擾切換，超調量低于2%，系統得以平穩運行。

3 控制系統實現

3.1 DCS系統網絡層級結構

該控制系統由現場站、控制站、操作員站三級站組成，是典型的DCS 系統結構，集中管理，分散控制，如圖4 所示。現場站是半實物仿真裝置SMPT1000；控制站是西門子PLC400，CPU 型號412-5H（訂貨號6ES7 412-5HK06-0AB0），利用西門子PCS7 軟件來設計CFC（Control Flow Chart）控制程序和SFC（Sequeential Function Chart）開車程序；操作員站即為WinCC 軟件開發的上位機。操作員站和控制站之間采用以太網進行通信，控制站與現場站之間使用Profibus-DP通信協議進行通信，適配器利用泗博PM125 總線接口適配器［3-6］。

圖4 控制系統網絡層級結構

3.2 CFC組態

反應器溫度控制為串級控制，主控制器TIC1103起定值控制作用，即控制系統設自動時控制溫度穩定在設定值；副控制器起隨動控制作用，跟隨主控制器進行調節，無需給定設定值，加入副控制器的目的是為加快響應，起到先調、粗調、快調作用。反應器液位為比值控制，主副流量通過比值控制器K 值實現，液位控制器只需控制主流量即可，通過控制塊LIC1101 的PV_IN拐腳反饋的實時數據和液位設定值的差值控制主流量控制器輸出，調控管線閥門FV1103 開度，副流量控制器輸出通過比值控制器調控［7-8］。

3.3 SFC組態

SFC組態將2.3 小節中的開車基本思路用連續功能圖語言組態出來，用于控制系統的開車運行，控制器手自動切換等，SFC組態如圖5 所示［11］。

圖5 SFC開車控制程序

3.4 實時曲線趨勢

由圖6 得知，反應器溫度設定值98 ℃，反應起初，溫度不斷升高，在臨近98 ℃時自動切換，經控制器調節作用，溫度穩定在設定值附近，穩態誤差為0.053%，并且后續一直保持穩定，反應器壓力亦跟隨溫度保持穩定。反應器液位前期也在不斷上升，在80%時液位控制器設自動，設定值80%；后續稍有輕微波動但仍保持穩定，穩態誤差0.018%［9-10］。

圖6 實時曲線

3.5 WinCC上位機監控

通過PCS7 集成的WinCC組態上位機過程監控界面，WinCC內可直接從上位機進行PID參數的整定和操作開車步驟，完成整個控制方案的設計與調試；同時可隨時查看系統設定值，實時監測值，設置系統參數，監測系統變化，也可設置報警參數，系統若出現超壓超溫會及時報警提示［12-13］。

由圖7 得知，從液位控制器LIC1102 可以看出液位穩定在設定值80%，既可保證充足的反應停留時間，又不至于空罐滿罐，滿足工藝生產要求和安全要求；從溫度控制器TIC1103 可以看出溫度也穩定在設定值100℃左右，保證了反應溫度恒定，同時溫度不至于過低降低反應效率，溫度恒定又可保證壓力恒定，不會出現超壓負壓損壞罐體［14-15］。

4 結語

圖7 WinCC 實時監控畫面

通過西門子PCS7軟件，在詳細分析工藝流程和控制需求的基礎上，針對反應器設計了液位及溫度控制方案。液位控制采取雙閉環比值控制，既可保證主副物料流量的穩定性，又可保證物料始終維持一定比例，液位控制不僅提供了足夠的反應停留時間，還保證了參與反應的組分；溫度控制采取串級控制系統，極大程度解決了溫度滯后嚴重，調節過程緩慢的問題，且溫度平穩亦可保證壓力恒定。該系統成功實現了平穩投運，實時監控的功能，整個控制系統運行穩定可靠，超調量，殘差，穩態誤差均滿足工業現場要求，控制效率較高。