| 标题 | PID控制在化工反应中的设计与实现① |
| 范文 | 张成旺 徐冬梅 程凯亮 李耿 [摘 ? ? ? ? ? 要] ?结合2018年“中国智能制造挑战赛”中过程控制赛题，详细分析其中三个主要环节的工作原理和控制方案。再重点结合反应罐的工艺需求，给出详细的温度控制和液位控制的策略，最后再对相关控制策略中PID参数的设置给出可行性方案。 [关 ? ?键 ? 词] ?连续过程控制;PID控制;化工反应 [中图分类号] ?TP273 ? ? ? ? ? ? ? ? [文献标志码] ?A ? ? ? ? ? ?[文章编号] ?2096-0603（2019）18-0132-02 在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其他技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。 一、PID控制参数整定 PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：（1）理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。（2）工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。 二、化工反应过程 以2018年“中国智能制造挑战赛”的赛题为例，整个工艺流程主要是用来实现A和B的反应过程，反应会生成主产物D以及副产物E，并且反应过程需要催化剂C的参与。此次的赛题同往年相比增加了冷凝部分，由冷凝罐和冷凝器组成，其主要作用是把未反应完的反应物A和反应物B再次送回混合罐中，使反应变得更加高效的同时也使得整个控制过程更加复杂。反应方程式如下所示： 主反应：2A+B→D，副反应：A+B→E 主反应的D为最终反应产物，副反应产物E为杂质，并且在这个过程中两者都会释放出巨大的能量，使系统的温度升高，为了最大程度上获得D，可以适当地将A的用量增加些。 （一）混合罐 反应罐是生产过程的主要环节，物料在进入反应罐之前要在混合罐中按一定比例进行充分混合，然后再送入反应罐中，该工艺要求物料A和B的进料比例为3：1。可以采用比值控制，保证A，B物料进料平稳，以A物料为主物料，B物料为从物料，采用单闭环或双闭环比值控制，同时为了防止A物料溢出，要对混和罐的液位采用反馈回路控制。两物料充分混合之后，再将混合物料送入預热器进行预热。 （二）反应罐 该反应过程的反应温度存在多个阶段，主要有升温段和正常工作温度段。加热升温段是指加入一定量比例的物料和催化剂之后，温度上升到一定值的时间段，随着反应物和催化剂的不断加入，反应过程剧烈放热，温度继续上升，直到反应过程达到一个最佳反应温度。温度上升到一定值后，为避免反应罐因温度过高而发生爆炸，需要在反应过程中加入冷却水对其降温，最后达到控制对象所需的工艺标准。在催化剂的催化下，反应生成产物，催化剂和混合物A&B的比例决定反应罐反应的效果好坏。同时反应需要一定时间，为了使反应充分，混合物和催化剂需要在反应罐中停留一定时间，同时为了避免反应罐出现空罐等安全事故，所以反应罐需要保证一定液位。本反应属于放热反应，因此反应速度的快慢决定了反应温度的高低。即当反应速度加快时，放出的热量增加，导致系统温度升高;为保证反应罐内的温度维持在安全范围内，需用冷却水将多余的热量吸收并带走，从而使系统的温度降下来。冷却水吸收反应过程中释放的热量后，水的温度提升，可通过回收管道进入E101（预热器）对物料进行预热。 反应温度对产物的产率也存在很大影响，反应罐的出料由反应产物D和未反应的A、B组成。这里反应产物D主要受到升温速度、保温时间与实际温度的影响。温度以一定的速率上升，同时保证合适的恒温时间可以使反应充分进行，从而获得较高的转化率。 （三）闪蒸罐 闪蒸罐的原理是高压的饱和液体进入比较低压的容器中后，由于压力的突然降低，使这些饱和液体的沸点降低，从而实现物料蒸发并分离的目的。闪蒸罐的控制主要有压力控制和液位控制。 闪蒸罐压力控制：因为要求未反应的物料A变为气体进入冷凝器，未反应的物料B和产物D仍为液体留在闪蒸罐作为产物流出，并送入后续的分离工序中。所以要调节闪蒸罐的压力既使A的沸点低于闪蒸罐温度并气化为气体，同时也要保证未反应的物料B和产物D的沸点高于闪蒸罐的温度并保持为液态。 闪蒸罐液位控制：为保证闪蒸罐内的反应能顺利进行，闪蒸罐的液位应在一个合适的范围内，不能出现满灌或抽空的状态。根据生产工艺要求，反应物A、B和催化剂C生成的产物D通过阀门FV1105进入闪蒸罐，针对闪蒸罐液位和压力组成串级控制或选择性控制，通过闪蒸罐液位大小控制入口阀门FV1105的开度来控制液位，这样做能有效提升生产产物的浓度。 三、反应安全与要求 根据《全国大学生西门子杯自动化挑战赛设计开发型初赛样题》要求反应罐液位要控制在固定值（偏差±2%），持续稳定一段时间偏差小于5%，调节时间小于300秒。闪蒸罐压强控制在一定范围里（偏差±2），从控制完成时开始计时，至少连续稳定一段时间，偏差小于20kPa，调节时间小于400秒。在确保安全的同时，也要尽可能地使反应更加快速高效和节能。本设计中的生成混合物料的流量控制在一定范围（偏差±0.1kg/s），并持续稳定一段时间;偏差小于0.5kg/s，调节时间小于300秒。经济效益的质量指标主要体现在两方面：一是物料A、B控制在一定的比例，二是使温度控制在70℃±1℃。物料的稳定通过物料流量单回路控制系统来保证，温度的要求通过整个控制系统来保证。当系统处于满负荷时，供电系统、控制器、软件负载不能超过50%，其他各种设备都应有至少50%的工作裕量，各种I/O通道、安全栅、接线端子、电缆和软件授权备用量不应低于15%，不同的I/O插槽和机柜内的卡件预留空间必须至少为20%。反应器设备耐压约为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1.5MPa。反应器压力报警上限组态值为1.2MPa。反应器正常运行时，确保反应器温度、压力、液位、产品组分和出口流量均维持在工艺要求范围。 四、控制回路与控制算法 下面以反应罐为例具体说明控制算法的设计与实现。由于该反应是放热反应，且温度越高反应速率越快，而反应温度对反应器压力也存在影响。放热反应一旦发生就可以一直反应下去直到反应物反应完全为止，反应速度越快释放的热量也越多。如果不能及时地送走热量，将导致反应罐的温度急剧上升，随之反应罐压力也会快速增大，使该反应过程变得不可控，从而引发安全事故。 温度控制有两个特点：（1）惯性大，容量滞后大，时间常数有的过程达到十几分钟;（2）温度对象通常是多容的。反应压力由反应温度决定，反应压力与反应温度变化趋势一致。即温度上升，反应器压力也同步上升，反应器温度下降，反应压力也同步下降。 因此本文采用压力与温度串级控制（如图1所示），温度T作为主变量，压力P作为副变量。温度传感器TT和压力传感器PT分别监测反应罐的温度和压力并将信号传递给温度控制器TC和压力控制器PC，PC通过控制冷水的阀门开度控制冷水的流量，以此来控制反应罐的温度。压强变化灵敏，时滞性小，所以可以采用PI控制，比例系数K要取大，而温度滞后大，控制起来不灵敏，因此温度控制系统需要增加微分控制，即PID。 采用串级控制的优点是使系统的动作更加灵敏，反应速度加快，调节更为及时，有利于提高控制性能。需要注意的是，冷却罐中的热水同样影响反应罐的温度。当温度不高时，冷却水的出水阀开度可以调低。当温度高时，冷却水的出水阀开度调高，及时送走热水。因此需要再添加一个温度传感器TT，将温度信号传递给温度控制器TC，决定阀门的开度。 反应罐的液位同样重要，无论是空罐还是满罐都可能造成安全事故，仅通过温度无法控制反应罐的液位，因此需要对反应罐添加一个液位控制。对液位，我们采用的是双闭环比值控制（如图2所示）。一方面液位传感器LT监测液位并将信号传递给液位控制器LC，经过低选器LS，再通过控制阀门开度控制混合物料的进量，以此来控制反应罐的液位。另一方面，LC控制出口阀FV1105的开度，同样可以通过控制出料量来控制反应灌液位。在液位控制器LC1中的比例系数需要取大，这样就可以保证在异常工况中可以更快地回到正常工况，使用效果更好。 在调试的过程中遇到过许多问题，比如反应罐的温度和压力不能控制在一定的安全范围内，或者反应速度很慢，使整体的反应效率不高，很难找到一个理想的参数。于是我们采用实验试凑法，小组成员在实验室里反复调试，观察各个參数对系统的影响，一次一次地变换参数，直到出现满意的反应，从而确定PID的控制参数，使反应在安全的情况下快速反应。我们也获益非常多，虽然一开始很艰难，不知道从哪里着手，效率很差。但在教师的指导下与小组成员之间的一次又一次的合作和共同努力下解决了许多难题，从而实现把学过的东西运用到实际中。 参考文献： [1]王建辉，顾树生.自动控制原理[M].北京：清华大学出版社，2005. [2]史智慧.浅析在过程控制中PID控制的应用[J].科协论坛，2012（7）. [3]薛小兵.论串级PID温度控制的应用[J].科技创新与应用，2014（35）. [4]刘莱琛.化工反应工艺设计中的安全问题及控制[J].建材发展导向，2017（2）. ◎编辑 陈鲜艳 |
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