连续反应釜温度控制系统的设计与仿真.pdf

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1、过程控制化工自动化及仪表，20lO，37(11)：19—22Contml蚰dInstlllmentsinChemicalIndustry连续反应釜温度控制系统的设计与仿真每瓠l(山东交通职业学院机电工程学院，山东潍坊261206)摘要：针对连续反应釜中进行的化学反应特性，按照过程的动力学方程和能量平衡等关系，设计了一套基于西门子PcS7的连续化学反应釜(cSlm)温度控制系统。由于连续反应釜内温度的非线性、时变等特性，采用变结构模糊控制结合前馈、串级、分程等先进的控制方式，克服了传统PID算法参数调整复杂、超调量

2、大的缺点。仿真结果表明：对温度采用变结构模糊控制能获得较好的稳态精度和动态特性，满足了反应釜内温度控制的要求。关键词：连续反应釜；温度控制；变结构模糊控制；过程控制；仿真中图分类号：11P273文献标识码：A文章编号：1000-3932(2010)11JDol9JD41引言在化工生产过程中，连续反应釜是一种常用的、重要的反应容器¨’21。由于其内部的化学反应机理十分复杂，难以建立精确的数学模型，致使整套设备的自动化水平较低。而且在反应釜中进行的反应一般属于放热反应，反应放热量大，传热效果却不理想，因此反应釜内温度

3、一般具有大滞后、非线性等特征。针对反应釜内温度变化的特点，设计良好的温度控制系统是保证产品质量的关键。本文设计了一套连续反应釜温度控制系统，通过调节夹套和蛇管内冷却水的流量来使反应釜内的温度达到平衡。需达到以下要求，在反应开车阶段，反应器由20℃常温逐渐诱发反应至温度到达120℃。此阶段要求控制系统在安全允许范围内，以最快的升温速率达到120℃，超调量要尽可能小。但是该反应属于非自衡的危险过程，当反应温度过高时，如果热量无法及时移走，则反应温度进一步升高，导致反应器压力飞升。因此必须将升温速率控制在一定范围之内，

4、以保证反应安全、稳定地进行。当反应温度达到120℃时，须将反应器在压力安全的条件下维持在这一温度，使反应转化率达到最大值。2系统硬件设计连续反应釜内温度自动控制系统是将测温仪表和自动化装置组成一个闭环的系统来实现的。整个系统采用sIMAllcPCS7自动化系统，采用上位机软件wincc作为操作和监控的人机界面，如图l所示。西门子sIMArI’ICPCS7系统为工业自动化提供了很大范围的硬件、软件、组态、配置和诊断工具。其过程控制系统是一个全集成的、结构完整、功能完善、面向整个生产过程的过程控制系统。Pcs7的自动

5、化系统使用S7_400的组件，S7400控制器采用模块化设计，无风扇、鲁棒性高，并可高度扩展。根据本次设计控制系统所给条件及工艺特性、控制要求，选取L／O点如表1所示。图1Pcs7系统结构图表lPLCI／0配置L／0点类型数量具体L／0点符号及说明A物料流量F4，B物料流量硝，c物料流量F16，蛇管冷却水流量F7，AI9夹套冷却水流量髓，’D物料(出料)流量F9，压力P7，液位L4，温度T1A物料进料量控制阀v4，B物料进料蜃控制阀v5，c物料进料量控制阀v6，A06蛇管冷却水进垣控制阀V7，夹套冷却水进量控制阀

6、V8，D物料出料量控制阀V9反应器搅拌电机开关S8，D02热水阀开关s6收稿日期：20lO瑚·18(修改稿)·20·化工自动化及仪表第37卷根据所确定的输入输出点数以及控制功能的实现要求，结合所设计的Pcs7网络结构，s7枷硬件配置如表2所示。表2s7枷硬件配置模块名称订货号型号说明数量电源(Ps4a7)4a7旬KR】D旬AA01CPU(四t14174H)417-4}Ⅱ04．o^JⅪ1模拟量输入AI(s^B31)6Es7331．7Ⅺ砚枷A瞎牛12B2模拟量输出AO(S№82)6Es7332—5}砌0A即A08}1

7、2Bl数字量输出D0(sm笠)6Es73亚—8BFDl0A即D08}DC弭、13温度控制系统设计升温速率型氅慵冷3．1升温速率控制系统设计在这一阶段温度的变化只需控制温度的上升率，使其保持在0．1—0．2℃／s即可。因为温度变化具有很大的延时性，即使加反馈也会存在滞后，所以这里采用“反馈+前馈”的控制方式，它将温度变化的速度加到PID的输出上，如果在实验中较准确测得前馈模型(为一比例因数用字母民代替)，那么被调量将严格跟随速率变化信号，并且不产生超调。另外，在升温阶段，冷却水流量变化很大，即使阀门开度不变，冷水流

8、量也会发生变化，从而影响反应温度，所以这里采用温度一流量串级控制的方式，系统结构如图2、图3所示。赫H麓控制器l’I控制器图2升温速率控制结构框图温度控制对象图3升温速率控制系统管道仪表流程图在温度的上升阶段，需要同时调节夹套冷却水调节阀和蛇形管冷却水调节阀，分程控制能够很好地满足这一要求。在温度控制系统中也可以使用分程控制器来调节两个调节阀的开度，图2给出的结构图中就使