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1 西门子大学生过程控制挑战赛技术方案西门子大学生过程控制挑战赛技术方案西门子大学生过程控制挑战赛技术方案西门子大学生过程控制挑战赛技术方案
1. 概述概述概述概述
1.1工艺流程概述工艺流程概述工艺流程概述工艺流程概述本系统为一釜式反应器系统,反应过程中、反应物A与反应物B在催化剂C的作用下发生反应、生成产物D.反应初期,通过热水诱发使反应能够顺利进行.反应开始后,通过冷却水对反应釜的冷却来控制反应的速度.根据反应器进出物料的状况,该系统为连续式系统,系统一旦平稳开车后,就可以连续而平稳的生产.如图(1):本方案旨在设计一套能够满足安全生产,效率较高,同时对扰动有着较强的抑止能力且反应产物的质量可以控制的过程控制系统.图(1)
其中测控条件如表(1)所示:F4 反应物A进料流量729 kghF5 反应物B进料流量1540 kghF6 催化剂C进料流量88 kghF7 冷却水流量(蛇管冷却) 最大25 thF8 冷却水流量(夹套冷却) 最大42 thF9 反应物料混合液出口流量kghT1 反应温度℃P7 反应压力MPa(绝压)L4 反应器料位% (0-1.3m,0-100%)表(1)
设备参数如下表(2)所示:V4 反应物A进料阀Dg25 Kv=3.42 (Cv=4)V5 反应物B进料阀Dg25 Kv=5.38 (Cv=6.3)V6 催化剂C进料阀Dg20 Kv=0.214 (Cv=0.25)V7 冷却水阀(蛇管) Dg40 Kv=25.64 (Cv=30)V8 冷却水阀(夹套) Dg50 Kv=42.73 (Cv=50)V9 反应器出口阀Dg25 Kv=8.54 (Cv=10)S6 热水阀开、关两种状态S8 反应器搅拌电机开关开、关两种状态表(2)
1.2系统分析系统分析系统分析系统分析
1.2.1控制对象分析控制对象分析控制对象分析控制对象分析该系统直接控制对象均为阀门,包括调节阀和一般的开关阀、通过对流量计,温度计,液位计的值的判断以及工艺流程的需要来对过程进行相应的控制,实际上也就是对阀门的控制,使反应可以正常进行.
1.2.2反应过程控制对象特性分析反应过程控制对象特性分析反应过程控制对象特性分析反应过程控制对象特性分析由于本反应器搅拌机的强烈作用,起到了很好的分散稀释功能,在系统分析设计时,可以假设反应器中的物料满足全混流、即反应器各点的组成和温度都是均匀的.
(1) 反应停留时间从反应物料进入反应器开始至该物料离开反应器为止所经历的时间称为停留时间.该时间与反应器中实际的物料容积与物料的体积有关.一般来说停留时间长,进料流量小,反应的转化率高.为了使出口混合液中产物D的浓度提高,必须减少进料和出料的流量.由于本反应器的物料流动状态满足全混流假定,因此可以采用平均停留时间的方法来表达,平均停留时间等于反应器中物料实际容积除以反应器中参与反应的物料体积流量.
(2) 反应温度该反应属于放热反应、因此,根据反应温度的高低可以判断反应速度的快慢.当反应速度加快时,放出的热量增加,导致系统温度升高;反之系统温度下降、因为此时出口物料流量和夹套冷却水会带走热量.放热反应属于非自衡的危险过程,当反应温度过高时,反应速度加快、使得反应放出的热量增加,如果热量无法即时移走,则反应温度进一步升高.这种作用将导致反应器温度急剧上升,同时反应器压力也会随着温度飞升.如果反应器内压力超过反应器所能耐受的极限,可能发生或者火灾事故、后果相当严重.
在反应停留时间相同、催化剂量相同的条件下,反应转化率由反应温度所决定.控制反应温度的主要手段是夹套冷却水的流量.反应温度要求控制在70 1.0℃.影响夹套冷却作用的相关因素是反应器内料位的高低,冷却水与反应温度的温度差,料位高换热面积大,温度差大热交换推动力大.反应温度和反应转化率的变化属于时间常数较大的高阶特性.冷却水流量的变化随阀门的开关变化较快、时间常数较小.当冷却水压力下降时(这种干扰在现场时有发生),即使阀位不变,冷却水流量也会下降、冷却水带走的热量减少,反应器中物料温度会上升.由于
3 温度变化的滞后,当常规控制器进行调节效果不佳.
(3) 反应压力反应压力的高低主要取决于反应器中反应物A与B混合气体的比例以及反应温度.纯气相物质A在20℃时约为1.0 MPa,70℃时已超过3.0 MPa,温度继续升高,压力还会急剧升高.因此,在较低温度下本反应器就可能发生危险.实践证明将反应物A与B混合后,混合气体的总压力会降低.而且在温度不变的前提下,物料B的百分比含量越高,系统压力越低.因此,在反应器中必须防止反应物A的百分比含量过高以及反应温度过高的情况发生.另外,在温度不变的条件下,调整反应物A与B的进料流量比可以在一定的范围内控制反应器内压力.在物料A与B的进料流量比不变的前提下,反应压力随反应温度变化,即反应温度上升,反应压力也同步上升,反应温度下降、反应压力也同步下降.亦即,反应压力升高表征着反应速度加快、转化率提高.
4
2.系统设计系统设计系统设计系统设计
2.1西门子PCS7过程控制系统本系统采用西门子PCS7过程控制方案,自PCS7方案提出以来,已经在多个行业中得到了应用,承担了相当重要的角色.实践表明,PCS7过程控制系统稳定可靠,它的使用使得过程生产效率得到了极大的提高.
2.1.1 SIMATIC PCS7-西门子过程控制系统特点西门子过程控制系统特点西门子过程控制系统特点西门子过程控制系统特点基于标准的SIMATIC软件和硬件组件先进的分布式客户机服务器架构可伸缩性强、从小型实验室系统,到具有高达60,000个过程对象的大型工厂可用于连续和批处理应用
可用于所有工业领域:过程,制造以及混合工业强大的HMI系统,带有集成的基于SQL服务器的归档系统基于IEC 61131 的集中式,工厂范围内的工程系统通过现场总线PROFIBUS,现场设备和驱动系统均可很灵活和容易的集成无缝集成的安全系统,通过T0验证的可满足AK6SIL3在同一个可编程控制器中可以混合运行标准和故障安全相结合的形式,高可用性和故障安全相结合的形式可在所有层级实现冗余,提高可用性符合ISAS88.01 和FDA 21 CFR Part 11规范的模块化批处理系统SIMATICBATCH通过SIMATIC IT架构实现MESERP层级的接口
2.1.2 PCS7系统组成系统组成系统组成系统组成具有多用户能力的HMI组件大容量架构客户机-服务器结构冗余在线修改
2. AS, IO 模块模块模块模块, IO 热插拔(运行中插入和拔出模块)运行中可进行扩展修改用于危险区域的IO 模块冗余(控制器,模块和PROFIBUS)集成的故障安全技术智能现场设备驱动设备的集成
3. 通讯通讯通讯通讯快速以太网和PROFIBUS DPPA光纤交换技术冗余(系统总线和现场总线)在线扩展
4. 工程工程工程工程管理管理管理管理集中式工程工具,简单易用,通用操作批量工程,具有导入导出功能应用图形化和面向PLT的工具进行全面,有效的工程集成的SIMATIC PDM软件对智能现场设备进行集中参数化软件模拟和测试修改跟踪功能分布式,并行工程功能配方与单元和设备无关层级配方、符合ISA S88.01从小型工厂到超大型工厂,灵活伸缩-单用户系统或客户机-服务器结构冗余性符合21 CFR Part 11 规范、查账索引,路径保护,电子签名紧密集成在HMI和工程系统中
2.2阀门的选择阀门的选择阀门的选择阀门的选择气动调节阀在过程控制工业中的使用最为广泛、本过程中、阀门相应的Dg,Cv已定气动执行器具有结构简单,动作可靠,性能稳定,维修方便,价格便宜,适用于防火防爆场合等特点、它不仅能与QDZ仪表配用,而且通过电气转换器或阀门定位器与DDZ仪表配用,所以,它广泛应用于石油、化工,冶金,电力、轻纺等工业部门,尤其适用于易燃易爆等生产场合.电动执行器动作迅速.其信号便于远传,并便于与计算机配合使用.但是它不适用于易燃易爆等生产场合.本系统调节阀全部采用气动执行器.
1.选择合适的调节工作区间在过程控制系统设计中.调节阀的Dg,Jg必须很好选择,在正常工况下要求调节阀开开度处于15%一85%之间.因为调节阀口径选得过小,当系统受到较大扰动时,调节阀可能运行在全开或接近全开的非线性饱和工作状态、使系统暂时失控;调节阀口径选得过大,系统运行中阀门会经常处于小开度的工作状态、不但调节不灵敏,而且易造成流体对阀芯,阀座的严重冲蚀、在不平衡力作用下产生振荡现象,甚至引起调节阀失灵.
2.选择合适的流量特性调节阀流量特性的选择一般分两步进行.首先根据过程控制系统的要求,确定工作流量特性,然后根据流量特性曲线的畸变程度,确定理想流量特性,以作为向生产厂家订贷的内容.在过程控制系统的工程设计中、既要解决理想流量特性的选取.也要考虑阻力比S值
的选取.其中:∑△P 为系统总压差,是阀、全部工艺设备和管路系统上的各压差之和.
在具体选择调节阀的流量特性时,根据被控过程特性来选择调节阀的工作流量特性,其目的是使系统的开环放大系数为定值.若过程特性为线性时,可选用线性流量特性的调节阀;
若过程特性为非线性,应选用对数流量特性的调节阀.同时,考虑工艺配管倩况,当阻力比S确定后,可以从所需的工作流量特性出发,决定理想流量特性.当S=1~0.6时,理想流量特性与工作流量特性几乎相同;当S=0.3~0.6
6 时,调节阀流量特性无论是线性的或对数的,均应选择对数的理想流量特性;当S=0.3时,一般已不宜用于自动控制.因此,本系统调节阀的流量特性选择必须根据现场条件再做定性.
3.选择合适的调节阀开、关形式调节阀开、关形式的选择主要是考虑在不同工艺条件下安全生产的需要.气动调节阀
在选用时,考虑以下情况:
(1)考虑事故状态时人身、工艺设备的安全.当过程控制系统发生故障(如气源中断、控制(调节)器损坏或调节阀坏了)时,调节阀所处的状态不致影响人身和工艺设备的安全.
冷却水调节阀采用气关式,一旦事故发生,可保证温度过高状态下调节阀处于全开位置,排除危险.进料调节阀应采用气开式.一旦事故发生.调节阀处于全关状态、切断进反应器燃料,避免温度继续升高,造成设备事故.
(2)考虑事故状态下减少经济损失,保证产品质量.进料调节阀一般选用气开式,这样,在事故状态下调节阀关闭、停止进料,以减少原料损耗;而出口调节阀选用气关式,在事故状态下使调节阀全开、保证系统的安全.
本系统的阀门气开、关特性确定见表(3):阀门名称气开、关类型反应物A进料阀(V4) 气开反应物B进料阀(V5) 气开反应物C进料阀(V6) 气开冷却水阀(蛇管V7) 气关冷却水阀(夹套V8) 气关反应器出口阀(V9) 气关热水阀(S6) 气开表(3)
7 3控制系统控制系统控制系统控制系统
3.1 进料流量及比例控制系统进料流量及比例控制系统进料流量及比例控制系统进料流量及比例控制系统进料流量及比值控制系统的设计包括两个方面,一是进料时克服每股进料的扰动,二是设计的系统能够适应生产灵活性,以变比值方式控制.
3.1.1流量信号处理流量信号处理流量信号处理流量信号处理每种反应物进料时,不可避免的将受到一些现场一些生产和非生产因素的干扰,在设计进料流量及比例控制系统时,首先应当滤除这些噪声.这样的噪声主要分为两类,过程噪声和测量噪声,测量噪声可以通过选用合适的仪表和通过屏蔽来实现,而过程噪声只能通过模拟和数字滤波来加以处理.两者的角色和作用是相辅相成的.本系统中、流量计的选择符合过程的要求,因此,主要讨论选择合适的模型滤除过程噪声.
1.模拟滤波模拟滤波器用来滤除流量信号的高频噪声.本系统中、通过在信号回路中加入电阻,电容来实现.存在如下关系:
(titudttduRC=其中)(ti为输入,)(tu为输出.RC电路可以有效的抑止高频噪声.但其缺点是只适用时间常数比较小的场合.在时间常数较大的场合下,使用运算放大器这类有源元件,缺点是价格昂贵.本系统中、使用RC模拟滤波器.
2.数字滤波通过数字滤波来消除流量信号的低频噪声.数字滤波通过在西门子下位机中编制相应的算法程序来实现.通过数字滤波,提高了信号的真实性,同时可以对信号进行平滑加工.
数字滤波不是单一的过程,应该根据系统和信号的特点、将多种数字滤波方法结合在一起对信号进行处理.
(1) 限幅滤波控制系统中、现场采样过程存在一些大的随机干扰将导致输入信号的大幅度跳动,从而导致计算机系统的误动作,需要比较长的时间系统才能恢复、对系统性能影响非常大.通过分析过程曲线可以发现,这种信号很容易判断.在本系统中、通过采用编制判断程序的方式来去伪存真.具体方式是比较相邻两个点的采样值,假如它们的差值过大,超过了参数可能的变化范围,则认为后一次采样的值是虚假的,予以废除.后一次采样值仍取上一次采样值送入计算机.参数的选择包括两方面的因素,一是采样时间,二是所选信号的最大正常变化速率.
(2) 平均滤波流量信号呈现出的是上下波动的情况,这种变化有一个特点、即在平均值附近变化.
在过程控制中、仅靠一次采样作为控制的依据是不可行的,这样会引起控制输出的紊乱,执行器的频繁动作,导致控制的稳定性变差,严重影响系统的控制品质.这样,通过平均滤波对流量信号进行处理.
该滤波模型为:第n次采样的N项递推平均值是n,(n-1),(nN1)次采样
值的算术平均.递推平均算式如下:=1NinnyNyN值的选取对采样平均值的平滑程度以及反应灵敏度有着紧密联系.N值取的大,平均
8 后的输出平滑,滤波效果良好,但滞后严重、会影响控制质量.N值取小虽反应即时,但滤波效果会变差.本系统中、由于是流量信号,根据工程上的经验、取十二项平均.
3.1.2 变比值系统的设计变比值系统的设计变比值系统的设计变比值系统的设计
1.变量的选择
操纵变量:反应物A进料阀V4开度,反应物C进料阀V6开度
被控变量:反应物A流量F4,反应物B流量F5,催化剂C流量F6,反应器内压力P7
2.过程概述以反应物B的流量F5作为比值系统的主流量,F4,F6作为副流量.设反应物A流量与反应物B流量的比值为r1,则催化剂C流量与反应物B流量的比值为Cr1,C为一常数.
稳定状态下,F4,F5,F6恒定(即均为定值).它们分别经测量变送、开方运算后,送除法器相除,输出表征了它们的比值,同时作为比值控制器的测量信号,这时表征最终质量指标的反应器内压力P7也恒定,所以主控制器输出信号稳定,且和比值测量信号相等、比值控制器输出也稳定,各流量控制阀开度一定,产品质量合格.
而当系统中出现除流量干扰外的其它类型的干扰引起反应器内压力P7变化时,通过主反馈回路使得主控制器输出变化,修改r1的值,以保持主参数的稳定.对于主流量的干扰,由于比值控制回路的快速随动跟踪,使副流量按关系变化,以保持反应器内压力P7体现的质量指标稳定.对于副流量本身的干扰,同样可以通过自身的控制回路克服、相当于串级控制系统的副回路.为保证系统的安全,在主副流量的提降满足如下逻辑关系.提负荷时,先提B的流量,再提A的流量,然后提催化剂C的流量.降负荷时,顺序正好相反、即先降催化剂C的流量,再降反应物A的流量,然后降反应物B的流量.系统连接如图(2)所示:图(2)
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3.2 反应器液位控制系统反应器液位控制系统反应器液位控制系统反应器液位控制系统为获得较大的反应停留时间,保证反应的充分进行、设计的反应器液位控制系统保证液位处于85.液位控制系统的特点是不如压力、流量控制灵敏,但比温度控制要灵敏的多.
操纵变量:反应器出口阀V9开度
受控变量:出口D流量F9,反应物B的流量F5影响液位的影响因素较多,而主要影响因素为出口的流量以及进入反应釜物料流量的和.本系统设计一个串级控制系统,外环为出口流量,它来直接控制反应器的液位.内环为反应物B的流量.这样,可以保证液位在一个比较理想的范围内、使反应能够充分顺利的进行.以上构成的串级控制系统的回路如图(2)所示:图(5)
3.3 反应温度及升温速率控制系统反应温度及升温速率控制系统反应温度及升温速率控制系统反应温度及升温速率控制系统反应开车后,加温阶段系统能够以0.1°Cs的速率加温到70°C,然后稳定在701.0°C的范围内.
操纵变量:冷却水阀(夹套)V8开度
受控变量:反应器温度T1,反应器压力P7加温阶段,使用模糊控制器,以温升速率1tV作为模糊控制器的输入,阀门开度作为系统输出、按如下规则(部分)对冷却水阀的开度进行调整:
(1) 温升速率>0.1°Cs时,夹套冷却水阀位开大(2) 温升速率>0.1°Cs时,夹套冷却水阀位适当开大(3) 温升速率

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