DCS控制系统在教学用反应釜模型中的应用

庞文燕

摘要：本文对教学用反应釜模型控制系统进行设计，分析了工艺过程与控制要求。设计了DCS系统的硬件。以液位流量串级控制为例介绍了组态设计。

关键词：反应釜；DCS；控制系统

中图分类号：TP273.5 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）05-0013-02

1 概述

反应釜即有物理或化学反应的容器，能够实现加热、蒸发、冷却及低高速的混配功能，广泛应用于石油、化工、橡胶、农药、染料、医药、食品等行业，用来完成硫化、硝化、氢化、烃化、聚合、缩合等工艺过程的压力容器，例如反应釜、反应锅、分解锅、聚合釜等。反应釜的控制要求，除了保证物料、热量平衡之外，还需要进行质量指标的控制，以及设置必要的约束条件控制。反应釜的种类很多，控制上的难易程度也相差很大[1]。在高职电气自动化技术专业《过程控制技术》教学中利用DCS设计反应釜模型的控制系统，通过训练使学生获得DCS控制系统设计、安装与调试的基本知识与方法。

2 系统分析

本次项目中使用的反应釜称水热合成反应釜，用来模拟碘化反应，考虑安全因素，反应温度、压力均调整为安全范围内，温度控制在50摄氏度，压力30千帕，用冷水模拟氢氧化钠物料，热水模拟碘酸钠。被控对象由水箱、锅炉、滞后水箱及不锈钢管道组成，用来模拟液位、温度、流量及压力等四个常用热工参数的现场过程控制；检测装置主要有压力传感器、Pt100热电阻和流量计等，安装在被控对象上或与其连接的管道上；执行机构有电动调节阀、变频器和加热调压模块等。动力系统分五路：其中四路由水泵、电动调节阀、变频器、流量计及电磁阀等组成，用来抽冷水或热水，以模拟反应釜进料冷却系统机构；另一路由变频器、气泵等组成，以模拟反应釜保压机构。反应釜结构如图1所示。

系统需要实现的控制功能有三个。一是反应釜压力控制。检测反应釜压力、空气缓冲罐压力。根据工艺要求将阀QV-113关至极小开度，自行选择相关阀门的启闭状态。通过DCS自动调节控制气泵变频器，将压力控制在目标值。二是比值控制。检测变频器—磁力泵支路的流量Q1、电动阀支路的流量Q2，根据工艺要求自行选择相关阀门的启闭状态，通过DCS自动调节控制#1水泵变频器，将K=Q1/Q2控制在目标值。三是模拟碘化反应。检测反应釜压力、液位、内胆温度、夹套温度，锅炉液位、温度，水箱液位，系统各支路流量。根据工艺要求自行选择相关阀门的启闭状态。通过DCS自动调节控制系统中所有的电动调节阀、电磁阀，将反应釜内的温度、压力均控制在目标值。

以和利时的DCS软件HOLLiAS-MACS和K系列硬件为例进行设计。

3 控制系统设计

3.1 硬件设计

I/O点数统计：根据系统控制要求，统计出AI点，RTD，TC点，AO，DI，DO各類型点的数量，确定控制点数。AI点9个，AO点6个，PT100点5个，DI点2个，DO点10个。

进行传感器、执行器、控制模块选型。温度检测传感器采用PT1OO热电阻（三线）；压力液位变送器采用电容式压力液位变送器、磁翻板液位变送器、电容式压力变送器、电磁流量计、涡轮流量计、电动调节阀、双位双通电磁阀等。

确定控制模块的配置。此项目的总点数是32，所以选择一个现场控制站，站号定为10；根据项目实际需求来确定操作员站，此项目冗余配置，站号分别为80、81；历史站分别配置在不同的操作员站上；根据物理点数和现场控制站数量，配置1个系统主机柜，型号SP108；配置网络柜1个（配置交换机GM010_ISW_24L），型号FP604。配置1对控制器，型号K-CU01；控制器底座1个，型号K-CUT01；IO-BUS模块1对，按照此项目的规模，我们可以选择星形和总线型，目前星型应用较多，所以选择这种类型配置控制网，型号IO-BUS02。电源选型要考虑到所有模块的功耗总和，且不能超过所选电源功耗的80%，交流电源配电板K-PW01（1块），直流电源配电板K-PW11（1块）；查询电源分配板K-PW21（1块）；24VDC（120W）电源模块SM910（1对）；24VDC（240W）电源模块SM913（1对）。

3.2 软件设计

一个应用工程通过工程师站组态软件实现，组态完成后，编译生成相关下装文件，通过工程师站将这些文件分别下装到现场控制站、操作员站、历史站、报表打印站，从而实现系统的运转[2]。软件组态按照软件安装、新建工程、数据库导入、编译、组态（控制站组态、图形组态、报表组态、其他设置）、下装（控制器、操作员站、历史站、报表打印站）、启动操作员在线的顺序进行。

以液位流量串级控制为例介绍其实现过程。本任务的被控对象为液位水箱，主调量为水箱液位，副调量为电动调节阀支路流量，它是一个辅助的控制变量。系统由主、副两个回路所组成，主回路是一个恒值系统，使系统的主控制量液位等于给定值；副回路是一个随动系统，要求副回路的输出能正确、快速地复现主调节器输出的变化规律，以达到对主控制量液位的控制目的[3]。其工艺流程如图2所示，控制方框图如图3所示。控制方案如图4所示。

4 系统调试

调试是指按照设计和设备技术文件规定对算法程序进行调整、整定和一系列试验工作。涉及的操作主要有强制、写入和释放。调试方式有仿真调试（仿真环境搭建参照仿真下装的前三步）和实际模式两种。无论哪种模式，必须保证控制器中的程序与工程师站的一致，因此，在调试前需要对控制器进行下装操作。下装结束后，执行“在线”命令，变量显示控制器中的在线值。将反应釜的1#储水箱灌满水（至最高高度）；打开阀门QV-101、QV-102；上水箱的出水阀QV-103 打开至适当开度；打开现场控制箱中水泵1#的电源开关。

启动DCS 上位机监控软件，进入主画面。整定PID 参数，按经验数据预先设置好副调节器的比例度，调节主调节器的比例度，使系统的输出响应出现4：1的衰减度，记下此时的比例度δS 和周期TS。据此，按经验表查得PI的参数对主调节器进行参数整定。（注：可以先进行参数整定，也可以在后面的步骤中逐步整定。）主回路设定给定值，副回路给定手动输出值，等液位水箱的液位趋于平衡状态，副回路切换为串级，主回路切换为自动状态，系统进入串级控制状态。当系统运行后，主回路设定值加一合适的阶跃扰动，观察并记录系统的输出响应曲线。通过反复对主、副调节器参数的调节，使系统具有较满意的动、静态性能。用计算机记录此时系统的动态响应曲线。整定参考值LIC103B，PT=20，TI=100，FIC101B：PT=30，TI=25。

参考文献

[1]赵硕伟.基于DCS控制的精馏系统设计与实现[D].河北大学，2017.

[2]姚亮.基于DCS的PU反应釜监控系统设计与研究[D].合肥工业大学，2012.

[3]林振坚.DCS在压力反应釜自控系统中的应用[J].中国钨业，2001（Z1）：109-110+116.