西门子杯全国大学生过程控制仿真挑战赛设计方案第I页

西门子杯全国大学生过程控制仿真挑战赛

设计方案

目录

1 被控对象工艺流程概述...............................................................................................................1

2 系统设计.......................................................................................................................................3

2.1 DCS系统概述..........................................................................................................3

2.2 系统软件安装设置...................................................................................................3

2.3 硬件结构及网络层次...............................................................................................4

3 控制方案设计...............................................................................................................................6

3.1 进料流量控制方案...................................................................................................6

3.1.1 比值控制系统特点.............................................................................................6

3.1.2 比值控制系统主动量的选择.............................................................................6

3.1.2 进料流量的变比值控制方案.............................................................................6

3.1.4 控制器规律的选择.............................................................................................9

3.1.5 比值控制系统中控制器正、反作用的选择.....................................................9

3.2 反应器料位控制方案.............................................................................................10

3.2.1 串级控制系统的特点.......................................................................................10

3.2.2 反应器料位串级控制系统...............................................................................10

3.2.3 串级控制系统中主、副控制器规律的选择...................................................11

3.2.4 串级控制系统中主、副控制器正、反作用的选择.......................................12

3.3 反应温度及升温速率控制方案.............................................................................12

3.3.1 模糊分程控制方案...........................................................................................12

3.3.2 模糊控制系统的参数设计...............................................................................15

3.3.4 具有压力补偿的反应釜温度控制...................................................................15

3.4 反应器压力安全控制及联锁保护.........................................................................17

3.5 反应器组分控制.....................................................................................................18

3.6 开车步骤顺序控制.................................................................................................19

4 结论............................................................................................................................................21

附录................................................................................................................................................22

基于PCS7的带搅拌釜式反应器系统的控制方案 的带搅拌釜式反应器系统的控制方案 1 被控对象工艺流程概述 被控对象工艺流程概述

所选被控对象为过程工业常见的带搅拌釜式反应器（CSTR）系统，属于连续反应过程。反应过程为反应物A与反应物B在催化剂C的作用下发生反应，生成产物D。反应初期用热水诱发，当反应开始后由冷却水通过蛇管与夹套进行冷却。

其工艺流程图如图1.1所示。

图1.1 带搅拌器的釜式反应器1.1 带搅拌器的釜式反应器（带搅拌器的釜式反应器（CSTR）CSTR）

如图1.1所示的反应过程主要有三股连续进料。第一股是反应物A，F4为进料流量，V4是进料阀；第二股是反应物B，F5为进料流量，V5是进料阀；第三股是催化剂液，F6为催化剂进料流量、V6是催化剂进料阀。

反应器内主产物D重量百分比浓度在图中指示为A，反应温度为T1，液位为L4。反应器出口浆液流量为F9，由出口阀V9控制其流量。出口泵及出口泵开关为S5。反应器出口为混合液，由产物D与未反应的A、B以及催化剂C组成。

反应器设置两类冷却装置。第一类为夹套冷却，冷却水入口流量为F8，由阀V8控制流量。第二类为蛇管冷却，冷却水入口流量为F7，由阀V7控制流量。此外，

在反应初期，需要由反应器夹套加热热水来触发反应。该热水由开关阀S6引入。反应器搅拌电机开关为S8。

其中主要的工艺条件为：

1) 反应器共有三股连续进料，需要保证三股物料以一定比例进料

（A:B:C=1:2.11:0.12）。

2) 控制液位处于85％，以获得较大的反应停留时间，保证反应充分进行。

3) 通过调剂冷却水阀的开度使升温速率保持在0.1℃/sec左右。

4) 系统稳定后的反应温度为70±1.0℃。

5) 反应器耐压约2.5Mpa，为了安全，要求反应器在系统开、停车全过程中

压力不超过1.5 Mpa，反应器压力报警上限组态值为1.2 MPa。

2 系统设计2 系统设计 系统设计

2.1 DCS系统概述 系统概述

控制系统采用西门子PCS7过程控制系统，PCS7是一种模块化的基于现场总线的新一代过程控制系统，将传统的DCS和PLC控制系统的优点相结合，系统所有的硬件都基于统一的硬件平台，可以根据需要选用不同的功能组件进行系统组态。所有的软件也都全部集成在SIMATIC程序管理器下，有统一的软件平台。它采用了现代化的软件体系结构，对项目进行管理、处理、归档和建立文件，在软件开发方面，采用了面向对象的技术。在项目管理上，以系统硬件和工艺过程两个不同的视角，同时进行管理。这两个视角在程序管理器中分别称为标准分级

(Standard_Hierarchy)和工艺分级(Plant_Hierarchy)。其中，标准分级主要管理系统的硬件，如控制器、系统总线、I/O系统等；工艺分级主要管理工艺过程，它将整个工厂按工艺过程的要求，分为各个子系统，然后将各子系统映射到控制器上。与传统DCS系统相比，DCS的组态直接面向工艺过程。在SIMATIC程序管理下，有多种组态工具可以使用，无论采用何种组态工具，生成的组态数据都自动存到一个统一的数据库中。这些组态工具是：CFC(连续功能图)、SFC(顺序功能图)、STEP7(SIMATICS7系列PLC编程语言)、SCL(结构化的控制语言)和

WinCC(SIMATIC视窗控制中心)等。

系统采用大量新技术，在网络配置上采用标准工业以太网和Profibus网络，消除了DCS和PLC系统间的界限，真正实现了仪控和电控的一体化，充分体现了全集成自动化的特点，使系统应用范围变广，是一种面向所有过程控制应用场合的开放型过程控制系统。

PSC7有以下组成部分：

1) SIMATIC Manager-核心应用程序，用于建立或访问PCS7项目应用程序。

2) HW Config-组态系统硬件结构。

3) CFC和SFC编辑器-建立连续功能图和顺序功能图。

4) 带有各种编辑器的PCS7 OS-操作员站（OS）的组态。

2.2 系统软件安装设置 系统软件安装设置

本项目中，PCS7 V6.1是基于Windows XP的过程控制系统，软件运行条件为 WindowsXP SP2（其安装详见Windows XP 安装手册）。

具体安装步骤如下：

1) 硬盘的分区和格式化。

2) 从Windows XP CD启动，进行Windows XP SP2的安装。

3) 上述安装成功后，必须安装设备驱动器。

4) 设置网络：分配一个IP地址，把它包括在工作组或域中。

5) 安装Internet Explorer 6.0 SP1。

6) 安装 Microsoft Hotfix Q828748（操作系统补丁）。

7) 在Windows控制面板中，卸载IIS和索引服务，安装Message Queuing

services。选择：Star→ Control Panel→Add/Remove

Programs→Add/Remove Windows Components进行所要求的设置。

8) 安装MS SQL Server2000。

9) 装入PCS7 V6.1安装盘，运行Setup.exe

安装完成后将出现安装完毕要求你重启的对话框，你可以根据需要选择是否重启，推荐重启一次。这样PCS 7 V6.1的安装就完成了。整个安装过程要持续40至60分钟。

2.3 硬件结构及网络层次 硬件结构及网络层次

控制系统采用结构紧凑、设计独立的SIMATIC PCS7 BOX来实现的。SIMATIC PCS7 BOX是西门子公司在充分利用了 SIMATIC PCS7 的所有标准组件并秉承了全面的可伸缩性、无缝兼容的可扩展性和组网能力等优势的基础上专门设计用于小型应用的紧凑而经济的过程控制系统。

SIMATIC PCS7 BOX 在一台紧凑设计的工控机中整合了一个最优秀过程控制系统（DCS）的所有组件，诸如可视化系统、工程师站、现场总线、基于 SQL 的归档系统以及集成的硬件控制器。SIMATIC PCS 7 BOX 系统能够以通常方式连接到工业以太网总线，进而集成到整个工厂的通讯系统。在 SIMATIC PCS 7 网络中，通过 Box PC 的集成以太网接口，还可与其它 SIMATIC PCS 7 组件进行通讯，例如 AS、OS 或 ES 以及批处理或 MES 应用程序。通过 Slot CPU 416 中的两个集成 PROFIBUS-DP 接口，还可链接过程 I/O 以及 SIMATIC ET 200M分布式标准I/O 设备。

本控制系统正是通过SIMATIC PCS7 BOX集成的 PROFIBUS-DP 接口与SIMATIC ET200M进行连接通信。ET 200M 是 PROFIBUS-DP 现场总线的一个从站，最大数据传输率是12 Mbit/s。

ET 200M分布式I/O站主要由以下几部分组成：

1) DIN安装导轨

2) BM总线模板

3) IM153通讯接口模块

4) 高可靠的I/O信号接口模块

由于ET 200M分布式I/O站的IM153通讯接口模块或SM系列I/O信号接口模块都安装在一个配有有源总线模板的机架上，有源总线模板具有“插入/取出”特性，使得ET200M分布式I/O站的每个模块能够在系统运行过程中带电热插拔更换。

具体的控制系统网络示意图如图2.1所示。

OSOS

工业以太网

仿真系统

ES/OS/AS

PCS7 BOX

ProfibusDP通讯网络ET200M I/O站4-20mA

图2.1 控制系统网络示意图2.1 控制系统网络示意图 控制系统网络示意图

如图2.1所示，SIMATIC PCS7 BOX单机就可以实现工程师站和操作员站的功能，同时它还集成硬件控制器（Slot CPU 416），因此它只需通过PROFIBUS-DP就可以实现与ET 200M的通信，大大简化了上层网络，使网络结构变得简洁，清晰。

3 控制方案设计 控制方案设计

3.1 进料流量控制方案 进料流量控制方案

本控制系统的反应器中共有三股物料连续进料，其中A和B为反应物，C为催化剂，为了更好的满足工艺要求，应保证三股物料以一定比例进料

（A:B:C=1:2.11:0.12），同时为适应生产的灵活性，我们选用变比值控制的方式来设计进料流量控制系统。

3.1.1 比值控制系统特点3.1.1 比值控制系统特点 比值控制系统特点

实现两个或两个以上参数符合一定比例关系的控制系统，称为比值控制系统。通常以保持两种或几种物料的流量为一定比例关系的系统，称之为流量比值控制系统。

在需要保持比值关系的几种物料中，必有一种物料处于主导地位，这种物料称之为主物料，表征这种物料的参数称之为主控变量或主动量；而另外几种物料按主物料进行配比，在控制过程中随主物料而变化，因此称为从物料，表征其特性的参数称为从控变量或从动量。

在实际的生产过程控制中，比值控制系统除了实现一定比例的混合外，还能起到在扰动影响到被控过程质量指标之前及时控制的作用。而且当最终质量指标难于测量、变送时，可以采用比值控制系统，使生产过程在最终质量达到预期指标下安全正常地进行，因为比值控制系统具有前馈控制的实质。

3.1.2 比值控制系统主动量的选择3.1.2 比值控制系统主动量的选择 比值控制系统主动量的选择

控制系统为了克服每股进料的流量扰动，对每股流量均采用了闭环控制，因此面临着这样的选择——谁来作为主动量。

从反应过程对象特性我们可以知道，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。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。基于上述关于安全方面的考虑我们选择了物料B作为主动量，物料A和催化剂C作为从动量。

3.1.2 进料流量的变比值控制方案3.1.2 进料流量的变比值控制方案 进料流量的变比值控制方案

根据三股物料的特性不同以及工艺的要求，我们分别采用了不同的比值控制方式。对于物料A和B构成了串级变比值控制系统，而催化剂C和物料B构成了简单的双闭环的定比值控制系统。具体的控制系统图如图3.1所示：

表3.33.3 测点变送器 测点变送器设备清单测点变送器设备清单 设备清单 序号

1

2

3

4

设备号 FT-4 FT-5 FT-6

PT-7

设备描述 反应物A的进料流量变送器 反应物B的进料流量变送器 催化剂C的进料流量变送器 反应釜内压力变送器

生产上维持流量比恒定往往不是控制的最终目的，仅仅是保证产品质量的一种手段。稳定化学反应器操作的关键条件是反应温度和反应压力，因此采用反应温度和压力可以间接表征反应过程的质量指标。但是影响温度变化的其他干扰很多，因此仅仅保持反应物进料流量比值，尚不能最终保证反应温度不变，

还需要根据反应温度的变化来适当修正反应物进料流量的比例，以保证反应温度的恒定。反应压力改变实质上是温度变化的前奏，而压力的变化及其测量都要比温度来得快，进料流量负荷的变化主要体现在反应压力的变化，因此利用反应器的压力作为主回路，反应物A进料流量作为副回路构成串级控制回路，来及时调整由于负荷变化所造成的压力变化。如图3.1所示，用PIC-7控制器（主控制器）的输

出作为比值器K1的输入设定值，比值器K1的输出作为FIC-4控制器（副控制器）的输入设定值，利用压力变送器不断将反应器压力测量值反馈到主控制器的输入端，与压力设定值进行比较，通过它们的协调工作，来合理的调节副回路A的流量。对流量波动等扰动因素的影响由副控回路迅速地调节，而反应压力等扰动因素的影响则由主控回路调节，具有很好的对负荷变化的适应能力。主控回路具有“细调”作用，副控回路具有“粗调”作用，而两者相互配合，使控制质量高于比值控制系统。这样以来，进料控制系统中既有对外部扰动进行快速消除的串级控制，又有对进料配比进行精确控制的比值控制。系统除了能克服落在主，副环

内的扰动外，还提高了系统的工作频率，加快过渡过程。

而催化剂C的流量变化对反应过程的温度和压力影响较小，我们采用简单的双闭环定比值控制就可以达到克服进料流量扰动的要求。

图3.2为变比值控制系统框图。在升温速率控制阶段，三股物料通过顺控开到指定的开度，在温度和压力趋于稳定后，控制系统投自动。在初始化后，比值器K1和K2都有初始的设定值，同时它们也可用通过上位机进行在线修改。系统投自动后，B流量回路和C流量回路构成了双闭环定比值系统，F5sp作为B流量回路的设定值，B流量的测量值经过比值器K2的换算后得到C流量回路的设定值；而压力、A流量和B流量就构成了一个串级变比值控制回路，P7sp为压力控制器的设定值，压力控制器的输出可修改比值器K1的参数，B流量的测量值乘以比值器K1的参数输出后作为A流量控制器的设定值，从而实现了串级变比值控制。对压力的测量值我们可采用滤波算法对其进行滤波后作为压力控制器的输入值，同时对压力的输入值进行限幅，以防止意外的扰动使压力产生突变。

3.1.4 控制器规律的选择3.1.4 控制器规律的选择 控制器规律的选择

因为生产工艺对进料流量的稳定性要求较高，为减小稳态误差，主控制器应该具有积分作用，采用比例积分PI控制器。对于副控制器，作为串级系统的副环时，为了克服进入副回路干扰的影响，保证副变量也达到一定的控制质量要求，以便能够改善整个调节系统的品质，而且当它单独作为比值控制系统使用时，希望有好的动态性能，可以选用PI控制器。

采用比值控制方法，所控制的进料流量比较稳定。而采用串级比值控制方法，由于副控回路给系统带来的一系列优点，使其具有了独特的优越控制性能，能及时准确地克服多方面的扰动因素。两种方法选择使用，增强了系统的自控程度。

3.1.5 比值控制系统中控制器正3.1.5 比值控制系统中控制器正、比值控制系统中控制器正、反作用的选择 反作用的选择

在比值控制系统中的各个流量控制器均可视为单回路控制系统进行考虑，即其开环的放大倍数的符合必须为“负”。根据安全要求控制阀应选气开式，其放大倍数符号为正，当阀门开大时，流量将上升，流量对象的放大倍数为正，变送器放大倍数符号也为正，因此流量控制器应选择反作用。

其中的压力控制器可视为串级控制的主回路控制器，其正、反作用只取决于主对象放大倍数符号。主对象的输入信号为反应物料A和B流量的比值，输出信号为压力，当A和B流量的比值变大时，反应器内压力变大，因此，主对象放大倍数符号为正。主控制器放大倍数符号应取主对象放大倍数符号的反号，因此主控制器应选反作用。

3.2 反应器料位控制方案 反应器料位控制方案

3.2.1 串级控制系统的特点3.2.1 串级控制系统的特点 串级控制系统的特点

串级控制系统可以选择一个滞后时间较小的辅助参数组成副回路，使等效副对象的时间常数减小，以提高系统的工作效率，加快响应速度，缩短控制稳定时间，从而获得较好的控制质量。对化学反应器这样容量滞后大、负荷和干扰变化比较剧烈、比较频繁的场合，串级控制系统使用最为普遍，串级控制系统是改善过程控制品质的有效方法之一，串级控制系统可以迅速控制副回路的扰动。副回路起迅速的粗调的作用，主回路起进一步的细调的作用。容许副回路内各个环节的特性在一定范围内变动而不影响整个系统的控制品质。当采用单回路控制质量达不到要求时，采用串级控制系统可以获得较为满意的效果。

3.2.2 反应器料位串级控制系统3.2.2 反应器料位串级控制系统 反应器料位串级控制系统

该系统的被控变量为反应器料位L4，用反应物料混合液出口流量F9作为操作变量，构成如图3.3的反应器料位串级控制系统。流量控制器的设定值由液位控制器输出。当液位偏高的时候，把出料流量的设定值增大一点；当液位偏低的时候，出料流量的设定值应当减少一点。这里采用串级形式不仅仅为了提高主参数液位的控制质量，流量副回路得引入同时还克服控制阀前后压力的波动以及自衡作用对流量的影响，使流量变化平缓。这样既能迅速克服一些影响流量的扰动作

用，同时又能使料位在其他扰动作用下保持设定值。

图3.3 料位串级控制系统3.3 料位串级控制系统 料位串级控制系统

表3.43.4 阀门设备清单 阀门设备清单 阀门设备清单 序

号

1 设备号 设备描述 反应物料混合液出口调

节阀 阀门公称直径Dg Dg25 阀门流通能力 Kv 8.54

Cv 10 阀门特性 气开气关特性 V9 对数阀 气关控制阀

表3.53.5 控制器设备清单 控制器设备清单 序

号

1 LIC-4 反应器物料控制器 反应器料位串级控制中

的主回路中的主回路

2 FIC-9 反应物料混合液出

口控制器 反应器料位串级控制中的副回路 P/PI

正作用 PI/PID 正作用 设备号 设备描述 设备用途 控制规律 正反作用

表3.63.6 测点变送器 测点变送器设备清单测点变送器设备清单 设备清单

序号

1

2 设备号 LT-4 FT-9 设备描述 反应釜料位变送器 出口混合液的流量变送器

图3.4是反应器料位串级控制系统的框图。

从串级控制系统的结构上看，主回路是一个定值系统，主控制器起着定值控制作用。为了主变量的稳定，主控制器必须具有积分作用，因此，主控制器通常都选用比例积分控制器。为了克服化学反应器容量滞后大，本文选用比例积分微分三作用的控制器作为主控制器。然而副回路是一个随动系统，它的给定值随主控制器输出的变化而变化，为了能快速跟踪，副控制器最好不带积分作用，因为积分作用会使跟踪变得缓慢。副控制器的微分作用也是不需要的，因为当副控制器有微分作用时，一旦主控制器和输出稍有变化，控制阀就将大幅度变化，这对控制也是不利的。但在采用流量副回路时，为使系统保持稳定，流量控制器的比例宽只能很宽，比例控制作用很弱，为了增强控制作用，副控制器选用PI型还是有必要的。

3.2.4 串级控制系统中主3.2.4 串级控制系统中主、串级控制系统中主、副控制器正、副控制器正、反作用的选择 反作用的选择

主、副控制器正、反作用的选择顺序应该是先副后主。

副回路：副控制器的正、反作用要根据副回路的具体情况决定，而与主回路无关。根据安全要求控制阀应选气闭式，其放大倍数符号为负；副对象是流量对象，当阀门开大时，流量将上升，副对象放大倍数为正；副变送器放大倍数符号为正。根据副回路开环放大倍数符号为负的要求，副控制器应选正作用。

主回路：主控制器的正、反作用只取决于主对象放大倍数符号。主对象的输入信号为反应物料混合液出口流量，输出信号为反应器料位，当出口流量增大时，料位下降，因此，主对象放大倍数符号为负。主控制器放大倍数符号应取主对象放大倍数符号的反号，因此主控制器应选正作用。

3.3 反应温度及升温速率控制方案 反应温度及升温速率控制方案

温度控制阶段可分为3个阶段：预热阶段、过渡阶段以及恒温控制阶段。在预热阶段的控制方法比较简单，打开热水加热阀S6对反应进行诱发。在温度达到40℃的时候，关闭S6。而在过渡阶段和恒温控制阶段采用模糊-PID复合控制结构来控制反应温度，初期（45℃～70℃±1℃）为升温速率控制，采用模糊分程控制方案来控制夹套冷水阀V8及蛇管冷水阀V7，目的就是要在适当的时间内，控制冷却水阀的开度，使温度、压力按照较理想的速率上升，上升太慢影响产量，太快则可能使后期反应过于激烈，难以控制。当温度达到70℃左右时，自动切换温度的稳态控制系统，后期采用具有压力补偿的PID控制系统来维持反应温度的稳定。

3.3.1 模糊分程控制方案3.3.1 模糊分程控制方案 模糊分程控制方案

过渡阶段是整个控制的难点，控制的目的就是要依据反应的强弱即温度的变化来分程控制夹套冷水阀及蛇管冷水阀，使温度控制在70℃左右。在这个过程中如果控制不好，有可能因温度过高引起超压，导致系统停车，反之则可能造成“僵釜”。为了达到更好的控制效果，本方案设计出智能的二维模糊控制器，用双输

入单输出的模糊控制，代替人的手动操作，实现快速平稳过渡。以温度和温度变化速率作为模糊控制器的输入变量，控制器的输出作为冷却水阀的开度。图3.5

为模糊分程控制系统图，表3.5和表3.6是该控制方案的设备清单。

图3.5 模糊分程控制3.5 模糊分程控制系统图模糊分程控制系统图 系统图

表3.73.7 阀门设备清单 阀门设备清单 阀门设备清单 序

号

1 设备号 设备描述 蛇管冷却水

调节阀

夹套冷却水

调节阀 阀门公称直径Dg Dg40 阀门流通能力 Kv 25.64 Cv 30 阀门特性 气开气关特性 V7 对数阀 气关控制阀 2 V8 Dg50 42.73 50 对数阀 气关控制阀

表3.83.8 控制器设备清单 控制器设备清单

序

号

1 TIC-1 反应温度控制器 模糊分程控制回路 模糊控制 / 设备号 设备描述 设备用途 控制规律 正反作用

表3.93.9 测点变送器 测点变送器设备清单测点变送器设备清单 设备清单

序号

1 设备号 TT-1 设备描述 反应釜内温度变送器

不同的工况需要不同的控制手段，TIC-1控制器的输出同时送往两个冷却水阀执行器，而各个执行器的工作范围不同。在分程控制系统中，有两个或更多的控制阀，与它们在一起的广义对象特性（包括增益）通常总是不同的。这样，在越过分程点时，广义对象特性将产生突变，对调节过程品质会带来不利的影响。

为了缓和在分程点出现的增益突变，采用信号重叠方法，反应温度T1在生温阶段的变化范围为45-70℃，冷却水阀V8应该在45-65℃区段内动作，冷却水阀V7可以设在60-70℃信号区段内动作，有一段重叠区域作为过渡，如图3.6所示。

阀门开度

图3.6 分程控制图3.6 分程控制图 分程控制图

反应物在参加反应时温度、压力及诸多因素的实时变化和反应釜本身的非线性导致控制系统数学模型的难以辨识，模糊控制器以其本质的非线性及对模型的不依赖性为反应釜的分程控制提供了新的思路。模糊控制器对被控对象的数学模型要求不高，对被控对象的时滞、非线性和时变性都具有一定的适应能力，同时对干扰也具有较强的抑制能力，即鲁棒性较好。因而，模糊控制器得到广泛的应用。

模糊控制的基本原理如图3.7所示，反应温度模糊控制的控制框图如图3.8

所示。

由图可见，模糊控制技术的核心是模糊控制器，为双输入单输出的结构。其实际温度t及温度变化率tc作为输入变量，它们是确定的清晰量，以冷却水流量

控制阀开度作为输出变量u。T、TC和U分别为反映系统温度、温度变化率和控制量的模糊集合（模糊量），经过模糊控制器对输入信号t和tc分别量化模糊成模糊

量，再由t、tc和模糊控制规则R根据推理合成规则进行模糊决策和模糊推理，得

到模糊控制量，最好将该模糊控制量解模糊成精确量，从而得到控制量，施加于被控对象冷却水流量控制阀，实现阀门开度大小的平滑切换。

K是尺度变换的比例因子，它相当于系统的放大倍数，它的取值与执行机构的灵敏度等因素相关，执行机构的灵敏度高，K可选小一些。对于模糊推理系统（FIS）一般采用Mamdani推理法进行模糊推理与反模糊化。

3.3.2 模糊控制系统的参数设计3.3.2 模糊控制系统的参数设计 模糊控制系统的参数设计

1) 确定模糊变量温度T和温度变化率TC赋值表

温度t的基本论域选定为（45℃～70℃），选定T的离散论域为（45，55，60，65，70），则为T选取5个模糊变量（S,NS,M,PL,L）。温度变化率tc的基本论域选

定为（0℃/s～0.2℃/s），选定TC的离散论域为（0，0.05，0.1，0.15，0.2），则为TC选取5个模糊变量（S,NS,M,PL,L）。

2) 确定模糊控制规则

表3.10 模糊控制规则表3.10 模糊控制规则表 模糊控制规则表 U

S

NS

TC M

PL

L T S Z Z Z S S NS Z Z S S M M Z S S M M PL S M M M L L S M M L L

3) 生成模糊控制表

经过模糊运算，最后生成的控制表如表3.11所示

表3.11 模糊控制3.11 模糊控制表模糊控制表 U

0.00~0.04

0.04~0.08

TC0.08~0.12

0.12~0.16

0.16~0.20 T 45~50 0.110 0.155 0.155 0.362 0.362 50~55 0.176 0.315 0.367 0.537 0.633 55~60 0.267 0.367 0.463 0.633 0.685 60~65 0.363 0.402 0.638 0.661 0.841 65~70 0.362 0.638 0.638 0.845 0.845

3.3.4 具有压力补偿的反应釜温度控制3.3.4 具有压力补偿的反应釜温度控制 具有压力补偿的反应釜温度控制

对于此类聚合反应釜，由于容量大，热效应强，而传热效果不理想，因此，要克服这类反应器滞后特性，提高对反应温度的控制精度，采用一般的单回路控

制难以满足工艺要求，根据压力与温度的变化的规律可知，压力变化超前于温度的变化，一般可采用温度与压力构成的串级控制系统。

而当对反应釜温度测量精度要求很高的时候，如本系统恒温时温度要求控制在70℃±1℃，此时可采用压力测量信号去补偿温度的测量，补偿后的控制质量可比一般的串级方案控制效果要好，如图3.9表示具有压力补偿的温度控制系统。

图3.93.9 具有压力补偿的反应温度控制 具有压力补偿的反应温度控制图具有压力补偿的反应温度控制图

如图3.10所示，为具有压力补偿的反应温度控制框图。

图3.103.10 10 具有压力补偿的反应温度控制 具有压力补偿的反应温度控制框图具有压力补偿的反应温度控制框图 框图

其中TIC-1控制器采用单纯的PID控制，引入补偿后的温度作为控制器的温度测量信号。采用反应器内压力测量信号去补偿温度的测量，控制系统的温度测量信号Tc不是反应器内温度测量值，而是经过釜压校正后的值。校正的计算装置由RY1和RY2两个运算装置组成。RY1是计算温度的，其运算式为：Tc=aP7+T0；RY2是校正计算值用的，其运算式为：T0=b∫(T1−Tc)dt。压力补偿的计算框图如图

3.11所示。

图3.113.11 11 压力补偿的计算框图 压力补偿的计算框图 压力补偿的计算框图

压力补偿校正的思路是这样的：首先假定温度与压力具有线性关系，根据压力算出对应的温度值。实际上两者存在非线性关系，所以再按非线性加以校正。压力、温度关系改变得比较缓慢，可逐步校正。

3.4 反应器压力安全控制及联锁保护 反应器压力安全控制及联锁保护

为了保证反应釜内的反应安全，需将釜内压力保持在一定的范围之内，一方面，在保证物料A和物料B的进料比不变的前提下，反应压力随反应温度的变化而变化，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。控制好釜内反应温度也是控制釜内压力的手段，在投入釜内温度控制系统之后，只要将釜内反应温度控制在70±1℃，即可将釜内压力值保持在一定的范围。另一方面，在温度不变的条件下，釜内压力与反应物A在釜内的百分比含量有关，反应物A含量越高，压力越大，反之，压力越低，通过调整反应物A与B的进料比可在一定范围内控制釜内压力，投入反应物A和反应物B进料的变比值控制系统，通过压力控制器给出物料B和物料A比值的设定值，从而调整反应物A在釜内的含量，达到控制压力的目的。

同时，应保证反应器在系统开、停车过程中压力不超过1.5MPa，根据此要求设计釜内压力报警和联锁保护系统。当压力超过1.2MPa时，上位机监控系统产生压力实时报警信息。此时可根据实际情况进行手动操作，可手动调小物料A进料调节阀V4，加大加套和蛇管冷却水调节阀V8，V7开度。当压力稳定之后，重新投自动控制。当压力超过1.5MPa时，此时需联锁停整个系统，具体描述（如图3.12）如下：

1) 进料比值控制系统切手动，反应器液位控制系统切手动，温度控制系统

切手动；

2) 物料A、B、C对应调节阀V4、V5、V6手动控制，开度指令为0％；

3) 蛇管、夹套冷却水调节阀V7、V8手动控制，开度指令为100％；

4) 反应物料出口调节阀V9手动控制，开度指令为100％。

图3.123.12 压力联锁保护逻辑图 压力联锁保护逻辑图

当液位低于一定值（比如60％，可根据具体情况而定）时，关搅拌器S8。观察温度小于一定值（比如40℃，根据具体情况而定）后，可手动关闭冷却水调节阀V7、V8，当釜内物料排尽后手动关闭V9调节阀。

3.5 反应器组分控制 反应器组分控制

出口物料混合液中组分D的含量是最终的控制目标，即反应转化率的控制。但由于出口组分D在生产过程中进行实时测量具有一定的局限性，而检测反应转化率高低的指标取决于反应停留时间和反应温度控制的优劣。因此保持反应器料位和反应温度的稳定则可稳定地控制反应转化率。

3.6 开车步骤顺序控制 开车步骤顺序控制

图3. 13 开车步骤顺控图3. 13 开车步骤顺控图 开车步骤顺控图

如图3.13所示，左边为顺序控制的条件，右边为具体的顺控步骤，开车步骤如下：

1) 初始化检查，系统处于开车前状态。确认所有阀门关闭，所有开关处于

关闭状态。

2) 按下启动按钮，开V5（反应物B进料阀）约60%，使F5（反应物B的进料

流量）达到约1540 kg/h，关注液位L4上升。

3) 液位L4上升至50%左右，开V4（反应物A进料阀）约55%，使F4（反应物A

进料流量）达到约729 kg/h。

4) 当液位L4上升至75%左右，开V9（反应器出口阀）约55%。 5) 当液位L4上升至80-90%左右，将液位控制器投自动控制。 6) 开S8（反应器搅拌电机开关）。使物系处于全混状态。

7) 开S6（热水加热阀），诱发反应。热水流入夹套，通过夹套对反应器内

物料加热。用热水最高可将物系加热到50℃。

8) 开V6（催化剂C进料阀）约90%，使F6（催化剂C进料流量）达到约88 kg/h。

此时，反应器的三股物料都已按要求连续进入反应器。 9) 当T1（反应温度）达到约40℃，关S6（热水加热阀）。

10) 当T1达到约45℃，采用模糊分程控制，合理地控制升温速率，使温度上

升不会因过快而失控。

11) 当T1达到70±1.0℃，从模糊分程控制切换为PID恒温控制。

4 结论4 结论 结论

本文基于PCS7控制系统，采用进料的变比值控制方案、反应器料位的串级控制方案、温度的智能复合控制、反应器压力安全控制及反应器组分控制方案，使整个过程反应的质量指标能够达到工艺要求，实现控制目的。

附录 附录

附表1 I/O清单

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

点号 F4 F5 F6 F7 F8 F9 P7 L4 T1 V4PF V5PF V6PF V7PF V8PF V9PF V4PD V5PD V6PD V7PD V8PD

描述

反应物A进料流量 反应物B进料流量 催化剂C进料流量 蛇管冷却水流量 夹套冷却水流量

反应物料混合液出口流量 反应温度 反应压力 反应器料位

反应物A进料调节阀位置反馈 反应物B进料调节阀位置反馈 催化剂C进料调节阀位置反馈 蛇管冷却水调节阀位置反馈 夹套冷却水调节阀位置反馈

反应物料混合液出口调节阀位置反馈 反应物A进料调节阀调节指令 反应物B进料调节阀调节指令 催化剂C进料调节阀调节指令 蛇管冷却水调节阀调节指令 夹套冷却水调节阀调节指令

类型 AI AI AI AI AI AI AI AI AI AI AI AI AI AI AI AO AO AO AO AO

信号 4~20mA 4~20mA 4~20mA 4~20mA 4~20mA 4~20mA 4~20mA 4~20mA 4~20mA 4~20mA 4~20mA 4~20mA 4~20mA 4~20mA 4~20mA 4~20mA 4~20mA 4~20mA 4~20mA 4~20mA

单位 Kg/h Kg/h Kg/h t/h t/h Kg/h ℃ MPa % % % % % % % % % % % %

零点 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

量程 6000 3400 135 25 42 2.5 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100

报警限值

低低报 / / / / / / / / / / /

低报 / / / / / / / / / / /

高报 1.2 / / / / / / / / / / /

高高报 / / / / / / / / / / /

模块 AI AI AI AI AI AI AI AI AI AI AI AI AI AI AI AO AO AO AO AO

通道 DP03S04-1 DP03S04-2 DP03S04-3 DP03S04-4 DP03S04-5 DP03S04-6 DP03S04-7 DP03S04-8 DP03S05-1 DP03S05-2 DP03S05-3 DP03S05-4 DP03S05-5 DP03S05-6 DP03S05-7 DP03S06-1 DP03S06-2 DP03S06-3 DP03S07-1 DP03S07-2

22

21 22 23 24 25 26 27 28 29

V9PD S6OF S6CF S8OF S8CF S6OD S6CD S8OD S8CD

反应物料混合液出口调节阀调节指令 热水阀开反馈 热水阀关指令

反应器搅拌电机开反馈 反应器搅拌电机关反馈 热水阀开指令 热水阀关指令

反应器搅拌电机开指令 反应器搅拌电机关指令

AO DI DI DI DI DO DO DO DO

4~20mA / / / / / / / /

% / / / / / / / /

0 / / / / / / / /

100 / / / / / / / /

/ / / / / / / / /

/ / / / / / / / /

/ / / / / / / / /

/ / / / / / / / /

AO DI DI DI DI DO DO DO DO

DP03S07-3 DP03S08-1 DP03S08-2 DP03S08-3 DP03S08-4 DP03S09-1 DP03S09-2 DP03S09-3 DP03S09-4

附表2 设备清单，参数一览表

序号 1 2 3 4 5 6 7 8

设备号 V4 V5 V6 V7 V8 V9 S6 S8

设备描述

反应物A进料调节阀 反应物B进料调节阀 催化剂C进料调节阀 蛇管冷却水调节阀 夹套冷却水调节阀

反应物料混合液出口调节阀 热水阀

反应器搅拌电机

阀门公称直径Dg

Dg25 Dg25 Dg20 Dg40 Dg50 Dg25 / /

阀门流通能力

Kv 3.42 5.38 0.214 25.64 42.73 8.54 / /

Cv 4 6.3 0.25 30 50 10 / /

阀门特性 对数阀 对数阀 对数阀 对数阀 对数阀 对数阀 开关阀 /

气开气关特性 气开控制阀 气开控制阀 气开控制阀 气关控制阀 气关控制阀 气关控制阀

/ /

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