摘要：本文通过对SIMATICPCS7的使用，设计了连续过程控制系统。本控制系统依据自动控制原理、PID控制算法、工业流程分析展开，对反应罐体整体运行自动化进行了设计。通过对工艺流程、开车顺序、控制回路、控制算法、PID参数整定、安全报警、安全连锁、安全仪表等方面的分析，采用西门子控制流程图CFCSFC实现对液位、温度、压强的控制。系统的运行结果表明，所设计的控制系统方案合理，系统安全性和可行性良好。
关键词：连续过程控制；PCS7；PID
1系统分析
完成控制过程的首要任务是要对系统的性能、需求等进行详细分析，只有了解了完整的工艺流程，才能了解其控制规律，只有了解了整体工艺需求，才能按照要求设计出合理的控制方法，只有对生产对象的特性足够了解，才能调整好控制方法和参数。
1.1控制需求分析
（1）反应控制，需要控制原料配比，以达到充分反应。当反应物达到一定的比例时，才能做到充分反应且不浪费燃料。而充分燃烧能够大幅度降低成本，带来巨大经济效益，所以需要控制原料A、B的比例。（2）混合罐控制。控制混合罐液位在50％左右，当液位到达50％时，打开阀FV1103使反应物进入反应器，进而维持混合罐液位。（3）反应器控制。需要对液位、温度、压强以及反应速率等进行控制。加入催化剂的量需要与反应物量匹配，反应器中液位要控制在50％左右，过高过低都会造成反应器损坏。为了保证能够充分反应,需要对反应的温度进行控制。当反应温度过低，反应会有杂质产生。当反应温度过高会造成反应器严重损坏。同时，为加快反应发生速度，在反应物进入反应器之前，要先通过预热器进行预热。因此，反应控制要通过FV1103和FV1105的开度来控制反应器液位在50％左右，当液位达到50％时，打开阀FV1105，使混合物进入闪蒸罐，同时，打开FV1104，加入催化剂，使之与反应物的量进行匹配。当温度过高达到60℃左右时，打开冷水阀FV1201通入冷水进行降温，同时，打开Fv1202使热水流过预热器对反应物进行预热。打开FV1203排出无用的水。(4)闪蒸罐控制，需要控制闪蒸罐液位以及压强。闪蒸罐的液位需要控制在50%左右，过高过低都会对闪蒸罐带来巨大的损害。当闪蒸罐的液位达到50%左右，打开阀FV1106，使混合物从流出，从而控制闪蒸罐的液位。同时，通过PV1101控制闪蒸罐在适当的压强，确保混合物能够顺利从阀FV1106流出。
1.2对象特性分析
（1）混合罐。混合罐是一个中间宽、上下窄的容器，其作用是在反应之前使反应物充分混合，进而加快反应速率。（2）反应器。反应器用来进行反应发生的容器，这就要求反应器的气密性非常好，以防止增加杂质，同时，由于反应需要一定的温度，所以要求反应器能够承受很高的温度。（3）闪蒸罐。闪蒸罐是一种重要的节能设备，通过降低溶液的沸点而使溶液迅速汽化，从而蒸出气体原料。
1.3系统安全要求
反应罐体温度稳定在可控制温度左右，同时，要防止反应罐的压强过大，发生反应罐爆炸的重大工业事故，做好紧急停车和仪表设计工作，做好冷水降温降压控制，液位波动、压力失衡等一系列紧急问题的处理和预防，做好声光报警和安全连锁。
2控制系统设计
2.1基础控制系统及开车顺序控制系统的设计
2.1.1基础控制系统
（1）混合罐液位控制系统
混合罐是一个中间宽，上下窄的结构，水位和流量变化是一个非线性结构，液位接近50%，其惯性越大。也更接近线性变化。而混合罐的安全指标也是在50%上下，过高容易溢出，过低容易干烧，都会造成损坏。最基本的方法是通过调节进水线阀FV1101和FV1102实现液位的控制，同时，为了防止液位调节时流量波动过大，增加其他环节扰动，采用液位—流量串级控制是很有效的方法。采用积分控制：LIC1101；采用比例控制：FIC1101和FIC1102；被控量是入口流量FI1101，&FI1102，混合罐液位LI1101；操纵变量：上水阀开度FV1101&FV1102；阀门特性：均采用线性阀门。
（2）反应器液位控制系统
反应器液位和混合罐类似，也受反应器液面的控制，同时与混合罐出口流量有关，所以采用液面—流量串级控制即可。采用比例控制：LIC1201；采用积分控制：FIC1103；被控变量：入口流量FI1103，反应器液位LI1201；操纵变量：出水阀开度FV1103；阀门特性：均采用线性阀门。
（3）闪蒸罐液位控制系统
闪蒸罐液位同样采用液位—流量串级控制。采用比例控制：LIC1102；采用积分控制：FIC1105；被控变量：入口流量FI1105，闪蒸罐液位LI1102；操纵变量：出水阀开度FV1105；阀门特性：均采用线性阀门。
（4）闪蒸罐压力控制系统
闪蒸是指当高压饱和液体以相对较低的压力进入容器时，由于压力突然下降，饱和液体在容器的压力下成为饱和蒸汽和饱和液体的一部分的现象。闪蒸后用真空泵将A料蒸气抽出循环利用，同时，保证闪蒸罐内压力正常。所以采用单回路反馈控制。PIC1101采用积分控制和比例积分；被控量：闪蒸罐压力指示PI1101；操纵变量：压力阀开度PV1101；阀门特性：均采用线性阀门。
（5）闪蒸罐出口流量控制系统
通过保证闪蒸罐液位的稳定性来保证出口流量的稳定性，避免对下一步生产带来不利影响。所以，采用液位—流量串级控制。采用比例控制：LIC1102；采用积分控制：FIC1106；被控量：出口流量FI1106，闪蒸罐液位LI1102；操纵变量：出水阀开度FV1106；阀门特性：均采用线性阀门。
（6）催化剂控制系统
该反应需要加入催化剂才能充分进行，催化剂与反应物要按一定比例，所以催化剂的流量与反应物入口流量有关。采用温度—流量串级控制系统。采用积分控制：FIC1103；采用比例控制：TIC1104；被控变量：入口流量FI1103，温度指示TI1104；操纵变量：催化剂阀开度FV1104；阀门特性：均采用线性阀门。
（7）冷水控制系统
冷水通过阀FV1201进入反应器外圈，冷水吸热后一部分经过FV1203流出，一部分经过FV1202回流到预热器，给反应物预热，节约能源。采用比例控制：TIC1104；采用积分控制：FIC1201和FIC1202；被控量：入口流量FI1201，温度指示TI1104；操纵变量：上水阀开度FV1201，出水阀开度FV1202&FV1203；阀门特性：均采用线性阀门。
2.1.2开车顺序控制系统
（1）冷态开车的重要性。锅炉系统的开车顺序直接关系到设备的安全性能和生产效益，良好的开车顺序节省燃料，减少浪费和污染。而错误的开车顺序不仅可能导致资源浪费，污染加剧，更重要的是会导致安全问题。（2）化工综合系统的开车顺序控制过程分析：①混合罐的安全指标在50%上下，过高容易溢出，过低容易干烧，都会造成损坏调节进水线阀实现液位的控制，同时，为了防止液位调节时流量波动过大，增加其他环节扰动。②尽快保证闪蒸罐液位的稳定：反应器液位和混合罐类似，也受反应器液面的控制，同时，和混合罐出口流量有关，尽快保持液位稳定，对本级和下一步的顺利进行至关重要。③闪蒸罐压力和水流量控制应正常：闪蒸后用真空泵将A料蒸气抽出循环利用，同时，保证闪蒸罐内压力正常。通过保证闪蒸罐液位的稳定性来保证出口流量的稳定性，避免对下一步生产带来不利影响。④冷水控制务必要时时检测：反应器温度过低反应不充分甚至无法进行，温度过高易发生意外，因此，对反应器温度的控制极为重要。冷水通过阀FV1201进入反应器外圈，冷水吸热后一部分经过FV1203流出，一部分经过FV1202回流到预热器，给反应物预热，节约能源。（3）冷态开车流程图如图2、图3所示。
2.2安全系统的设计
2.2.1常见事故处理与安全连锁
反应罐负压过大，是因为在反应罐中随着反应继续进行，罐体温度随之升高，罐内气体压力越来越大必须，即反应罐内存在杂质气体和空气存在气体受热，根本原因是反应过热。因此，需要加大冷水阀门开度，加入抑制剂，停止催化剂投入。
2.2.2紧急停车
当各项事故无法通过正常手段解决，指标趋于崩溃，必须启动紧急停车，这一定意义上另一种安全连锁。具体步骤如下：（1）关闭催化剂阀门；（2）全开抑制剂阀门；（3）当水温高于50℃，加大冷水开度。
2.2.3安全仪表选择
（1）确定过程存在的风险和允许的风险；（2）分析已有的其他防护层已经减少的风险；（3）判断剩余风险是否可以接受，确定需要增加的SIS的SIL；（4）为SIS各组成部分选择冗余结构，计算SIS的SIL是否符合要求；（5）根据SIS组成部分的冗余结构，选择相应仪表。
2.3绿色生产、节能减排降耗方面的考虑
绿色生产和节能减排降耗是提高经济效益的关键手段，同时，也是可持续发展战略的具体实践，所有生产都应该建立在节约资源、减少污染的原则上。（1）混合环节。为了充分利用原料，必须保证混合物A，B以一定比例混合，充分地按照化学反应方程式反应，所以要调节好比例关系，且要经过专业混合管混合。比例不当，会使物料有所剩余，这与节能减排的初衷相悖。。（2）反应罐环节。为了不浪费和降低产能，尽量使反应环境达到理想条件，所以不仅要加入催化剂，还要使反应在一个较高的温度，才能使反应完全。（3）冷水环节。水资源是我们最需要珍惜的，也是缺乏的。但是，化工反应的客观条件，冷水的使用又是必不可少的，如果在反应中可以尽可能地减少对冷水的使用，那也是特别好的。所以，在此次化工反应中，冷水的主要作用在于对于反应罐温度的控制，以及过罐体之后的热水对物料的预热。如果能完美地控制反应温度，那么，对冷水的使用就会大大减少，从多环节节省能源，减少排放，有助环保，大大提高了经济效益。
3系统设备选择与系统连接
3.1AS硬件设备连接。
控制层内CPU通过PROFIBUS工业总线连接PM125，实现数据传送。OS站采用CP443-1进行数据转换，以工业以太网建立上位机和OS站的连接。过程层内PM125通过DI、DO、AI、AO模块与各仪表和执行机构建立连接，将监控信号和控制信号转换为4-20mA标准控制信号。网络连接可以直观看出各层级各设备之间的联系方式，表现方式为NetPro网络结构图，AS和OS站组态完成后编译并下载即可生成，其连接图如7所示。
3.2配置SMPT-1000的通信内容
在组态视图中，选中S7Program（1）的Sources文件夹，插入S7Software、SCLSource，命名为COMM。（2）双击COMM，编写通信代码
3.3CFC组态
锅炉综合系统共需建立6个控制系统和附加的数字量控制、模拟量监控等。控制量包括MEANS模块，主要有FI1101、FI1103、PI1102、AI1101、TI1103、LI1102、FI1105、PI1101等，以及Op-do模块，主要控制变量有FI1101、FI1102、FI1103、FI1105、LI1101、LI1102、TI1104等。
4实施效果
反应开始时，将A、B送入反应罐，由于初始温度低通入热水促进反应发生，当温度上升至45℃左右开始反应，该放热反应提供的热量足以支持反应持续进行，此时，关闭热水，反应罐内温度持续升高在400s达到最高温度91℃，随后利用控制系统使温度在400s后稳定在90℃，达到温度指标。各罐液位也保持在50%左右，通过控制系统使其不受其他变量影响。
5结语
对于温度，反应罐会因为过高的温度容易出现爆炸现象，所以采用温度—流量串级控制系统。各反应罐是一个中间宽，上下窄的结构，水位和流量变化是一个非线性结构，液位接近50%，其惯性越大。也更接近线性变化。而其安全指标也是在50%上下，过高容易溢出，过低容易干烧，都会造成损坏。最基本的方法是通过调节进水线阀实现液位的控制，同时，为了防止液位调节时流量波动过大，增加其他环节扰动，采用液位—流量串级控制是很有效的方法。通过运行结果可以看出，基于于PCS7的控制系统的高控制精度和较好的稳定性，以及较强的抗干扰能力。
参考文献：
[1]杜青青.基于SMPT-1000实验平台的连续过程控制系统的设计[J].兰州石化职业技术学院学报,2019,19(03):21-25.
[2]李海霞,杜青青.基于SMPT-1000与PCS7的多容器控制系统设计[J].石油化工自动化,2019,55(03):22-25.
[3]王浩,吴峰,张建强,李文阳.基于PCS7聚氯乙烯工业反应的连续过程控制[J].自动化与仪表,2018,33(10):33-36.
[4]宋玉琴,李超,程诚,赵洋.基于SIMATCPCS7的化工反应釜综合控制系统设计[J].自动化技术与应用,2018,37(05):9-13.
[5]高晴,张莉,高田田,薛旭璐.基于PCS7的反应釜炉温控制系统PID参数整定仿真与分析[J].计算机与数字工程，2017,45(08):1607-1610+1624.
[6]袁文强.锅炉过热蒸汽温度控制研究与仿真实现[D].东北大学，2017.
[7]麻丽明,白锐,高天生.基于PCS7的工业连续反应过程控制系统的设计与开发[J].辽宁工业大学学报(自然科学版)，2016,36(05):286-290+295.
[8]马泽宇,李季.基于模糊-PID的小型反应釜控制系统设计[J].自动化技术与应用，2013,32(12):29-34.
作者:李政达 单位:辽宁大学轻型产业学院
