间歇反应釜先进控制系统的设计与应用

摘要：根据乙二醇二甲醚生产工艺流程，结合实际生产要求，研制了以PC机作为先进控制层，以可编程控制器PLC作为基本控制层的经济适用型控制系统。本文详细阐述了该系统的硬件设计原理及选型配置，通过进料流量控制系统和反应釜温度控制系统软件设计和联锁实现，证明该系统完全符合生产自动化要求。

关键词：乙二醇二甲醚生产 PLC 间歇式反应釜 模糊-PID控制

中图分类号:TQ052.5 文献标识码：A 文章编号：1007-9416(2012)02-0014-02

Abstract:The paper introduces a supervisory system for Dimethoxyethane production-line,which is based on the PLC and using host computer for advanced control.This system is economical and practical.The running results of hardware system and software programs indicate that the system can adjust the flow rate of reactant and the reactor temperature efficiency.

Key words:DME product PLC Polymeric reactor fuzzy-PID control

1、引言

本文以采用新生产工艺的乙二醇二甲醚产品建设项目为背景，研制反应釜生产过程控制系统，以保证产品质量、提高生产效率、降低劳动强度，从本质上提高生产工艺的安全性。反应釜是化工间歇工艺类生产过程中应用最普遍的设备，其操作过程中影响产品质量的关键因素是反应温度，而聚合反应具有受影响因素多、滞后大、非线性等难于准确控制的特点[1]，该控制系统采用基于PLC的模糊-PID控制方式对该项目的反应釜生产过程进行自动化改造，取得了预期的效果。

2、生产工艺流程概述

该工艺的主要生产阶段是醚化反应阶段，生产设备采用的是带蛇管的搅拌式反应釜，按比例顺序在釜内添加各种原料：首先投加固体氢氧化钠，然后泵入催化剂和乙二醇甲醚，最后边搅拌边缓缓通入氯甲烷气体。本生产工艺属于温和、绿色、环保的较先进的生产工艺，初期无需加热诱发，常温常压下即可自发反应，但是由于反应放热，需要通入冷却水对釜内温度控制在60℃左右，以保证产品的合格率。由于添加反应物氯甲烷气体是贯穿整个反应过程的，需要对氯甲烷气体进行定量流量积算控制，也因此影响釜内温度不停变化，温度控制曲线如图1所示。

综上所述，该聚合反应生产过程包括了进料、冷却控温、保温等阶段，为确保生产安全，还设计了釜内温度-氯甲烷气体流量联锁控制装置，在氯甲烷气化阶段还设计了氯甲烷气化温度控制系统、超限液位及压力报警系统。

3、控制系统方案

3.1 反应釜温度控制

控制对象是反应釜，根据生产工艺要求，以反应釜内物料的温度作为被控变量，用冷却水流量作为控制变量来控制和调节釜内温度。釜温与进料温度高低及流量大小波动、冷却水的温度高低及流量大小波动、不能预料的干扰等有关，为了减小干扰因素对控制过程的影响，首先必须确保进料和冷却水温度及流量稳定[2]。釜温控制系统的结构图如图2所示。

3.2 控制系统硬件配置

系统的硬件方面配置一台上位PC机和一套可编程控制器[3]。硬件原理图如图3所示。

其中PLC主要包括：CPU一台，型号为CP1-XA40； 模拟量转换器一块，型号为MD11；温度模块一块，型号为TS102。

3.3 工作方式的选择

在控制柜上设置“手动”、“自动”两种控制方式，由转换开关切换。

在触摸屏和上位机人机接口界面上也分别设置了“自动”、“手动”两种控制方式，两者之间可自动切换。

3.4 工艺参数设置和生产数据管理

通过操作界面，可设定釜内温度、氯甲烷流量、储罐液位及汽化罐液位、压力、温度等给定值，PLC和上位机根据给定值控制[4]。在整个生产过程中，要保证生产线安全流畅，既有顺序控制，也有连续的参数调节，还有限位报警、有毒气体浓度监测报警、联锁保护等要求，因此还设计有参数设定、查询、修改、历史记录、监视操作等管理模式，所有数据存储于PLC和上位机硬盘中。

4、模糊-PID控制

为了克服常规PID控制只是针对具有精确数学模型的线性过程有良好效果的局限，本文将模糊控制与PID控制相结合，利用PLC实现模糊-PID控制，如图4所示，使之适用于本项目，并取得良好的控制效果[5]。

4.1 模糊控制规则的设定

取反应釜温度偏差E和偏差变化EC为模糊控制器的输入量，取冷却水阀门开度U为输出量。温度偏差E的量化论域为{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}，偏差变化率EC的量化论域为{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}，输出变量U的量化论域为{-7,-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6,7}，相应的模糊子集均为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}。根据操作人员的经验，制定模糊控制规则表如表1所示。

4.2 系统仿真

根据机理建模法和测试建模法，确定系统的传递函数为。利用MATLAB软件对PID控制系统和模糊-PID控制系统仿真[6]，控制效果对比图如图5所示。明显可以看出模糊-PID控制效果要好很多，超调量小，跟踪快速。

5、结语

本文设计的基于PLC的反应釜先进控制系统，不仅满足了工程要求，更提出了利用PLC实现模糊-PID的先进控制方法，提高了系统的可靠性和工作效率。本控制方案所需控制设备成本相对低价，符合中小型化工企业经济实用的需求，可广泛利用。

参考文献

[1]胡寿松.自动控制原理[M].北京:科学工业出版社,2001.

[2]翁维勤,孙洪程.过程控制系统及工程[M].化学工业出版社,2002.

[3]霍罡,樊晓兵.欧姆龙CP1H PLC应用基础与编程实践[M].机械工业出版社,2009.

[4]SYSMAC CP系列CP1H CPU单元.操作手册,2008.

[5]诸静.模糊控制原理与应用[M].机械工业出版社,2003.

[6]刘金琨.先进PID控制MATLAB仿真[M].北京:电子工业出版社,2004.