杜青青
【期刊名称】《《兰州石化职业技术学院学报》》 【年(卷),期】2019(019)003 【总页数】5页(P21-25)
【关键词】SMPT-1000; PCS7; 控制系统; 仿真 【作 者】杜青青
【作者单位】兰州石化职业技术学院电子电气工程学院 甘肃兰州730060 【正文语种】中 文 【中图分类】TP273
化工生产过程大多具有复杂的工艺流程，混合罐、反应罐、闪蒸器等常作为其重要组成部分[1]，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，策略及开车顺序，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[2,3]。化工生产过程由于流程相对复杂，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[4]。SMPT-1000实验平台可以模拟水汽全流程，进行多项实验[5]。麻丽明等在文献[6]中进行了反应器控制系统的研究，周浩杰等在文献[7]中进行了基于SMPT-1000过程控制实验设计，对于仿真设备上多个容器综合仿真控制进行看研究。
本文在SMPT-1000实验平台上进行仿真实验，设计了包含系统中所有控制回路的启停顺序及相应的控制策略。控制系统能够全程自动化的实现冷启动、开车运转直到达到工艺给定目标负荷。 图1 系统工艺图 1 系统工艺流程
原料A与原料B分别由原料A进料泵、原料B进料泵输送进入混合罐V101(立式圆罐)内混合，混合物料经预热器E101升温后，进入放热反应器R101进行反应，反应所需的催化剂C，由催化剂C输送泵P103从反应器顶部加入。在反应过程中，反应放热强烈，因此反应器R101采用夹套式水冷却。反应转化率与反应温度、停留时间、反应物料浓度及混合配比有关，反应体系气相压力对温度敏感，在冷却失效产生的高温条件下，过高的气相压力使反应器有爆炸的风险。在反应器顶部设一路抑制剂，当反应压力过高危及安全时，通入抑制剂F，使催化剂C迅速中毒失活，从而中止反应。冷却水吸收反应器的放热量形成热水，热水通往E101预热器对进料进行预热，以回收一部分热量，多余的热水通往公用工程。
反应器R101底部出口生成物含有产品D、杂质E，催化剂C、以及未反应的原料A和少量原料B，为了回收原料A，在反应器下游设置闪蒸罐V102，将混合生成物(D+E+C+A+B)中过量的原料A分离提纯，以备循环使用。闪蒸罐V102底部的混合生成物(D+E+C+A+B)经输送泵加压，送到下游分离工序，进行提纯精制，以分离出产品D。
该放热反应过程在催化剂C的作用下，原料A与原料B反应生成主产物D和副产物E，反应方程式如下： 主反应： 2A + B →D 副反应： A + B → E 2 控制回路及控制方案设计
2.1 物料A、B进料控制
本次设计中，物料A选择用流量单回路控制，设计要求以一定比值进料，所以选择用双闭环比值控制。相对A物料而言，物料B的价值更高，根据过程控制中双闭环主从动量选择的方式，选用物料A作为主动量，物料B作为从动量。控制规律选择正反馈。采用SFC顺序开车，假如某个条件不满足，则下一步不能满足，这样保证了各控制回路的顺序启用，因此在此设计中不考虑逻辑顺序。安全保障均通过调用急停SFC来实现，物料A、B控制方框图如图2所示。 图2 物料A、B双闭环比值控制方框图 2.2 混合罐液位控制
混合器液位控制精度不高，选择用单回路控制，将混合器的出口调节阀FV1103作为混合器液位控制的执行器。具体的控制方框图如图3所示。
图3 混合罐液位单回路控制方框图 2.3 物料C控制
本次设计中，物料A与物料C成比例进料，选择物料C流量调节阀FV1104作为执行器。被控变量是物料C的流量，控制规律选择负反馈。具体的控制方框图如图4所示。
图4 物料C单闭环控制方框图 2.4 反应器液位控制
反应器作为物料A、B、C原料混合反应的容器，选择反应器的出口调节阀FV1105作为反应器液位控制的执行器。被控变量是反应器的液位，操作变量是反应器出口调节阀的流量。控制器选择正反馈。具体的控制方案如图5所示。
图5 反应器液位单回路控制方框图
2.5 反应器温度控制
反应器温度取决于冷却水流量，为了达到动态平衡，通过冷却水输入来控制温度，因此在控制反应物温度时，采用串级控制。操纵变量选择冷却水流量，被控变量为反应器温度，主回路控制器选择正反馈，副回路控制器选择负反馈，其串级回路控制结构如图6所示。
图6 反应器温度单回路控制方框图 2.6 闪蒸罐液位控制
闪蒸罐作为生成物与物料A分离的场所，其液位控制精度要求不高，选择用单回路控制，选择闪蒸罐的出口调节阀FV1106作为闪蒸罐液位控制的执行器。被控变量是闪蒸罐的液位，操作变量是闪蒸罐出口调节阀的流量。控制器选择正反馈。具体的控制方案如图7所示。 图7 闪蒸罐液位控制方框图 2.7 闪蒸罐压力控制
由所给条件以及控制要求可知，闪蒸罐的压力控制负压，本次设计中采用变频泵的作为执行器去控制闪蒸罐的压力。被控变量是闪蒸罐的压力，操作变量是闪蒸罐物料A出口调节阀的流量。控制器选择正反馈。具体的控制方案如图8所示。 图8 闪蒸罐压力单回路控制方框图 3 开车顺序设计
根据甲方需求，在不发生故障的情况下，需获得尽可能多的满足要求的产物，所以设计如下开车顺序：
1)初始化检查，系统处于开车前状态，确认所有的阀门、泵均处于关闭状态。 2)初始检查完成之后，分别打开物料A、B的进料泵，同时打开物料A的管线阀，并且调节物料B的进料管线阀，让物料B按照与物料A成一定比例进料。
3)等待混合罐液位上升，当其到达一定的液位，打开混合罐物料出口流量管线阀，让混合罐液位保持在一定的液位上，同时启动催化剂泵，打开催化剂进料阀让催化剂与混合罐出口流量按一定比例进料。
4)等待反应器液位上升，当其上升到一定的液位，打开反应器物料出口流量管线阀，让反应器液位保持在一定的液位上。
5)等待闪蒸罐液位上升，当其上升到一定的液位，打开闪蒸罐物料出口流量管线阀及产物出料泵，让闪蒸罐液位保持在一定的液位上。
6)当反应器温度上升到一定值时，打开冷水管线阀，让反应器液位保持在一定温度值上。
7)调节变频泵及气态物料A出料管线阀，使闪蒸罐罐压力维持在一个定值上。 8)当各个控制回路处于稳定状态时，进一步提升物料负荷。
9)正常运行时，确保反应器温度、压力、液位、产品组份和出口流量均维持在工艺要求范围内。同时，确保反应器处在安全、稳定的生产工况。 开车流程图如图9所示。 图9 开车过程流程图 4 系统连接
在本次设计中PLC与IO模块之间用PROFIBUS DP总线连接，电脑与PLC之间选择用工业以太网连接。使用PM125作为PLC与SMPT-1000信号转换的纽带。具体的硬件组态与网络组态如图10和图11所示。
图10 硬件组态
图11 网络组态图
按照开车步骤在操控画面中通过手动改定各泵、控制器的设定值进行操作，具体步
骤如下：
1)在系统投入运行之前检查各泵、阀是否均处于关闭状态；
2)开P101物料A驱动泵，将FIC1101控制回路设为自动控制，SP设置为7； 3)开P102物料B驱动泵，将FIC1102控制回路设为自动控制，外部给定； 4)混合罐液位上升到40%后，LIC1101控制回路设为自动状态，SP设置为45； 5)开P103物料C驱动泵，将LIC1104控制回路投自动，设外部给定； 6)反应器液位上升到45%后，LIC1102控制回路投自动，SP设置为50； 7)闪蒸罐液位上升到55%后，闪蒸罐液位投自动，SP设置为60； 8)开闪蒸罐压力回路PIC1103投自动，SP设置为50；
9)反应器温度上升到85℃后，TIC1103控制回路投自动，SP设置为95； 10)待系统运行稳定，进一步提升负荷。
按照上述手定设置步骤编写SFC顺序流程控制程序，从而是实现系统的自动切换操作。
5 响应曲线及性能分析
通过控制物料A、B以及催化剂C的进料，期望以最小的生产投入获得最大的效益，由于该反应是强放热反应，所以必须用冷水冷却降温，所以经由反应器内部的冷却水降温通道流出的高温水可以用于混合物料预热，起到能源循环利用的作用。其次，另一部分直接排出的高温水还可以进入冷却池冷却之后，可以再次循环利用。在闪蒸罐中对物料进一步提纯的时候，可以将物料A分离，一方面，提高了产物纯度，另一方面，不至于造成物料A浪费且以物料A过量还可以保证反应更充分的进行。工艺参考参数：A∶B∶C 进料比约为 9∶3∶1； 反应器温度20～110 ℃；反应器液位 0～100%；闪蒸罐压力20～120kPa；出口物料产量浓度要求达75%以上。通过图13响应曲线可以看出， 系统达到稳态时， 各个变量的超调量均在规定的范围内，累积量约达到80%。
图12 响应曲线 6 结束语
本文根据连续过程的工艺要求，设计了对流量、温度、压力、液位四大参数的控制。采用PCS7系统及SMPT-1000平台进行实验验证，仿真结果表明，本文提出的控制方案能很好的满足工艺要求，达到工艺指标，并且具有较强的抗干扰能力，系统能安全可靠的稳定运行。 参考文献：
【相关文献】
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