龐文燕

摘要：本文對(duì)教學(xué)用反應(yīng)釜模型控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，分析了工藝過(guò)程與控制要求。設(shè)計(jì)了DCS系統(tǒng)的硬件。以液位流量串級(jí)控制為例介紹了組態(tài)設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：反應(yīng)釜；DCS；控制系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP273.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2018）05-0013-02

1 概述

反應(yīng)釜即有物理或化學(xué)反應(yīng)的容器，能夠?qū)崿F(xiàn)加熱、蒸發(fā)、冷卻及低高速的混配功能，廣泛應(yīng)用于石油、化工、橡膠、農(nóng)藥、染料、醫(yī)藥、食品等行業(yè)，用來(lái)完成硫化、硝化、氫化、烴化、聚合、縮合等工藝過(guò)程的壓力容器，例如反應(yīng)釜、反應(yīng)鍋、分解鍋、聚合釜等。反應(yīng)釜的控制要求，除了保證物料、熱量平衡之外，還需要進(jìn)行質(zhì)量指標(biāo)的控制，以及設(shè)置必要的約束條件控制。反應(yīng)釜的種類很多，控制上的難易程度也相差很大[1]。在高職電氣自動(dòng)化技術(shù)專業(yè)《過(guò)程控制技術(shù)》教學(xué)中利用DCS設(shè)計(jì)反應(yīng)釜模型的控制系統(tǒng)，通過(guò)訓(xùn)練使學(xué)生獲得DCS控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝與調(diào)試的基本知識(shí)與方法。

2 系統(tǒng)分析

本次項(xiàng)目中使用的反應(yīng)釜稱水熱合成反應(yīng)釜，用來(lái)模擬碘化反應(yīng)，考慮安全因素，反應(yīng)溫度、壓力均調(diào)整為安全范圍內(nèi)，溫度控制在50攝氏度，壓力30千帕，用冷水模擬氫氧化鈉物料，熱水模擬碘酸鈉。被控對(duì)象由水箱、鍋爐、滯后水箱及不銹鋼管道組成，用來(lái)模擬液位、溫度、流量及壓力等四個(gè)常用熱工參數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程控制；檢測(cè)裝置主要有壓力傳感器、Pt100熱電阻和流量計(jì)等，安裝在被控對(duì)象上或與其連接的管道上；執(zhí)行機(jī)構(gòu)有電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、變頻器和加熱調(diào)壓模塊等。動(dòng)力系統(tǒng)分五路：其中四路由水泵、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、變頻器、流量計(jì)及電磁閥等組成，用來(lái)抽冷水或熱水，以模擬反應(yīng)釜進(jìn)料冷卻系統(tǒng)機(jī)構(gòu)；另一路由變頻器、氣泵等組成，以模擬反應(yīng)釜保壓機(jī)構(gòu)。反應(yīng)釜結(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的控制功能有三個(gè)。一是反應(yīng)釜壓力控制。檢測(cè)反應(yīng)釜壓力、空氣緩沖罐壓力。根據(jù)工藝要求將閥QV-113關(guān)至極小開度，自行選擇相關(guān)閥門的啟閉狀態(tài)。通過(guò)DCS自動(dòng)調(diào)節(jié)控制氣泵變頻器，將壓力控制在目標(biāo)值。二是比值控制。檢測(cè)變頻器—磁力泵支路的流量Q1、電動(dòng)閥支路的流量Q2，根據(jù)工藝要求自行選擇相關(guān)閥門的啟閉狀態(tài)，通過(guò)DCS自動(dòng)調(diào)節(jié)控制#1水泵變頻器，將K=Q1/Q2控制在目標(biāo)值。三是模擬碘化反應(yīng)。檢測(cè)反應(yīng)釜壓力、液位、內(nèi)膽溫度、夾套溫度，鍋爐液位、溫度，水箱液位，系統(tǒng)各支路流量。根據(jù)工藝要求自行選擇相關(guān)閥門的啟閉狀態(tài)。通過(guò)DCS自動(dòng)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)中所有的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、電磁閥，將反應(yīng)釜內(nèi)的溫度、壓力均控制在目標(biāo)值。

以和利時(shí)的DCS軟件HOLLiAS-MACS和K系列硬件為例進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

I/O點(diǎn)數(shù)統(tǒng)計(jì)：根據(jù)系統(tǒng)控制要求，統(tǒng)計(jì)出AI點(diǎn)，RTD，TC點(diǎn)，AO，DI，DO各類型點(diǎn)的數(shù)量，確定控制點(diǎn)數(shù)。AI點(diǎn)9個(gè)，AO點(diǎn)6個(gè)，PT100點(diǎn)5個(gè)，DI點(diǎn)2個(gè)，DO點(diǎn)10個(gè)。

進(jìn)行傳感器、執(zhí)行器、控制模塊選型。溫度檢測(cè)傳感器采用PT1OO熱電阻（三線）；壓力液位變送器采用電容式壓力液位變送器、磁翻板液位變送器、電容式壓力變送器、電磁流量計(jì)、渦輪流量計(jì)、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、雙位雙通電磁閥等。

確定控制模塊的配置。此項(xiàng)目的總點(diǎn)數(shù)是32，所以選擇一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制站，站號(hào)定為10；根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際需求來(lái)確定操作員站，此項(xiàng)目冗余配置，站號(hào)分別為80、81；歷史站分別配置在不同的操作員站上；根據(jù)物理點(diǎn)數(shù)和現(xiàn)場(chǎng)控制站數(shù)量，配置1個(gè)系統(tǒng)主機(jī)柜，型號(hào)SP108；配置網(wǎng)絡(luò)柜1個(gè)（配置交換機(jī)GM010_ISW_24L），型號(hào)FP604。配置1對(duì)控制器，型號(hào)K-CU01；控制器底座1個(gè)，型號(hào)K-CUT01；IO-BUS模塊1對(duì)，按照此項(xiàng)目的規(guī)模，我們可以選擇星形和總線型，目前星型應(yīng)用較多，所以選擇這種類型配置控制網(wǎng)，型號(hào)IO-BUS02。電源選型要考慮到所有模塊的功耗總和，且不能超過(guò)所選電源功耗的80%，交流電源配電板K-PW01（1塊），直流電源配電板K-PW11（1塊）；查詢電源分配板K-PW21（1塊）；24VDC（120W）電源模塊SM910（1對(duì)）；24VDC（240W）電源模塊SM913（1對(duì)）。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

一個(gè)應(yīng)用工程通過(guò)工程師站組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)，組態(tài)完成后，編譯生成相關(guān)下裝文件，通過(guò)工程師站將這些文件分別下裝到現(xiàn)場(chǎng)控制站、操作員站、歷史站、報(bào)表打印站，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)[2]。軟件組態(tài)按照軟件安裝、新建工程、數(shù)據(jù)庫(kù)導(dǎo)入、編譯、組態(tài)（控制站組態(tài)、圖形組態(tài)、報(bào)表組態(tài)、其他設(shè)置）、下裝（控制器、操作員站、歷史站、報(bào)表打印站）、啟動(dòng)操作員在線的順序進(jìn)行。

以液位流量串級(jí)控制為例介紹其實(shí)現(xiàn)過(guò)程。本任務(wù)的被控對(duì)象為液位水箱，主調(diào)量為水箱液位，副調(diào)量為電動(dòng)調(diào)節(jié)閥支路流量，它是一個(gè)輔助的控制變量。系統(tǒng)由主、副兩個(gè)回路所組成，主回路是一個(gè)恒值系統(tǒng)，使系統(tǒng)的主控制量液位等于給定值；副回路是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)，要求副回路的輸出能正確、快速地復(fù)現(xiàn)主調(diào)節(jié)器輸出的變化規(guī)律，以達(dá)到對(duì)主控制量液位的控制目的[3]。其工藝流程如圖2所示，控制方框圖如圖3所示?？刂品桨溉鐖D4所示。

4 系統(tǒng)調(diào)試

調(diào)試是指按照設(shè)計(jì)和設(shè)備技術(shù)文件規(guī)定對(duì)算法程序進(jìn)行調(diào)整、整定和一系列試驗(yàn)工作。涉及的操作主要有強(qiáng)制、寫入和釋放。調(diào)試方式有仿真調(diào)試（仿真環(huán)境搭建參照仿真下裝的前三步）和實(shí)際模式兩種。無(wú)論哪種模式，必須保證控制器中的程序與工程師站的一致，因此，在調(diào)試前需要對(duì)控制器進(jìn)行下裝操作。下裝結(jié)束后，執(zhí)行“在線”命令，變量顯示控制器中的在線值。將反應(yīng)釜的1#儲(chǔ)水箱灌滿水（至最高高度）；打開閥門QV-101、QV-102；上水箱的出水閥QV-103 打開至適當(dāng)開度；打開現(xiàn)場(chǎng)控制箱中水泵1#的電源開關(guān)。

啟動(dòng)DCS 上位機(jī)監(jiān)控軟件，進(jìn)入主畫面。整定PID 參數(shù)，按經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)預(yù)先設(shè)置好副調(diào)節(jié)器的比例度，調(diào)節(jié)主調(diào)節(jié)器的比例度，使系統(tǒng)的輸出響應(yīng)出現(xiàn)4：1的衰減度，記下此時(shí)的比例度δS 和周期TS。據(jù)此，按經(jīng)驗(yàn)表查得PI的參數(shù)對(duì)主調(diào)節(jié)器進(jìn)行參數(shù)整定。（注：可以先進(jìn)行參數(shù)整定，也可以在后面的步驟中逐步整定。）主回路設(shè)定給定值，副回路給定手動(dòng)輸出值，等液位水箱的液位趨于平衡狀態(tài)，副回路切換為串級(jí)，主回路切換為自動(dòng)狀態(tài)，系統(tǒng)進(jìn)入串級(jí)控制狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行后，主回路設(shè)定值加一合適的階躍擾動(dòng)，觀察并記錄系統(tǒng)的輸出響應(yīng)曲線。通過(guò)反復(fù)對(duì)主、副調(diào)節(jié)器參數(shù)的調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)具有較滿意的動(dòng)、靜態(tài)性能。用計(jì)算機(jī)記錄此時(shí)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線。整定參考值LIC103B，PT=20，TI=100，F(xiàn)IC101B：PT=30，TI=25。

參考文獻(xiàn)

[1]趙碩偉.基于DCS控制的精餾系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].河北大學(xué)，2017.

[2]姚亮.基于DCS的PU反應(yīng)釜監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[D].合肥工業(yè)大學(xué)，2012.

[3]林振堅(jiān).DCS在壓力反應(yīng)釜自控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].中國(guó)鎢業(yè)，2001（Z1）：109-110+116.