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1、 2007 年西门子杯全国大学生过程控制技能 挑战赛年西门子杯全国大学生过程控制技能 挑战赛 间歇反应过程控制方案设计间歇反应过程控制方案设计 队伍编号：队伍编号：29 2007 年年 6 月月 I目 录 目 录 第一章 被控对象工艺流程简介第一章 被控对象工艺流程简介.1 1.1 被控对象工艺流程概述.1 1.2 反应过程特性分析 .2 1.3 注意事项及安全措施.3 第二章 自动控制系统设计第二章 自动控制系统设计.4 2.1 PCS7 过程控制系统.4 2.2 反应器控制系统组成 .5 2.3 控制系统的功能特点及优点 .6 第三章 自控方案设计第三章 自控方案设计.8 3.1 控制方案
2、分析与总体设计 .8 3.2 进料过程控制 .9 3.3 缩合反应控制 .15 3.31 反应器温度跟踪控制.15 3.32 反应保温阶段控制.20 3.33 生成物产率检测与控制.20 3.4 出料及清洗 .23 3.5 安全措施 .23 3.6 总体顺序控制方案设计.27 第四章 自控方案的实施设计第四章 自控方案的实施设计.29 4.1 系统硬件配置 .29 4.2 系统输入/输出数据 .30 4.3 I/O模块接线图 .31 第五章 总 结第五章 总 结.34 参考文献参考文献.35 附件附件.37 II第一章第一章 被控对象工艺流程简介被控对象工艺流程简介 1.1 被控对象工艺流程概
3、述被控对象工艺流程概述 被控对象为过程工业常见的带搅拌釜式反应器系统，属于间歇反应过程。其工艺流程图如图 1 所示： 图 1.1 间歇反应工艺流程图 该反应过程主要包括备料工序和缩合反应工序，其中，备料工序相对比较简单，就是按照所要求的物料比例将三种物料加入到反应釜中。缩合工序是一个比较复杂的过程，历经下料、升温、保温、出料及反应釜清洗几个阶段。 在缩合反应中 A、 B、 C 三种物料在反应釜中经夹套蒸汽加入适度的热量后，1将发生复杂的化学反应，产生反应最终产物 D 及其副产物。缩合反应不是一步合成，实践证明还伴有副反应发生。缩合收率的大小与这个副反应有密切关系。主反应的活化能高于副反应，因此
4、提高反应温度有利于主反应的进行。但在本反应中若升温过快、过高，可能造成爆炸而产生危险事故。 1.2 反应过程特性分析反应过程特性分析 该控制过程的重点和难点在缩合反应工序。 缩合反应工序也可以大致分为几个阶段： (1) 当开启反应釜搅拌电机 S8，适当打开夹套蒸汽加热阀 S6 后反应釜内温度 T 逐渐上升，要控制加热量使温度上升速度在 0.10.2/s 以内。加热速率过猛会使反应后续的剧烈阶段失控而产生超压事故。 加热速率过慢会使反应停留在低温区，副反应会加强，影响主产物产率。 (2) 在 45左右和 65左右（釜压 0.18Mpa 左右）之间时不需要加热，反应此时已被深度诱发，并逐渐靠自身反
5、应的放热效应不断加快反应速度。 (3) 当反应温度达到 65左右（釜压 0.18Mpa 左右）后间断小量开启夹套冷却水阀门 V8 及蛇管冷却水阀门 V7，控制反应釜的温度和压力上升速度，提前预防系统超压。 此时， 副反应速率仍然大于主反应速率， 此过程一直延续到 90左右。 (4) 反应预计在 95110（或釜压 0.410.55Mpa）进入剧烈难控的阶段。此时应充分加强对 V8 和 V7 的调节，这一阶段既要大胆升压，又要谨慎小心防止超压。 为使主反应充分进行， 并尽量减弱副反应， 应使反应温度维持在 121 （或压力维持再 0.69Mpa 左右） (5) 反应保温阶段, 如果控制合适，反应
6、历经剧烈阶段之后，压力 P、温度 T会迅速下降。 此时应逐步关小冷却水阀 V8 和 V7， 使反应釜温度保持在 120 （压力保持在 0.680.70Mpa 左右） ，不断调整直至全部关闭 V8 和 V7。当关闭 V8 和V7 后出现压力下降时，可适当打开夹套蒸汽加热阀 S6，使反应釜温度始终保持在 120（压力保持在 0.680.70Mpa）510 分钟（实际为 23 小时） 。保温之目的在于使反应尽可能充分地进行，以便达到尽可能高的主产物产率。 21.3 注意事项及安全措施注意事项及安全措施 1) 依次加入 A 物料和 B 物料后打开 C 物料阀 V6，将料液打入反应釜。注意反应釜的最终液
7、位 L4 等于 1.37m 时，必须及时关 V6，否则反应釜液位会继续升高，当大于 1.6m 时，将引起液位超限报警。 2) 开启 V8 和 V7 的同时，夹套冷却水出口温度和蛇管冷却水出口温度不得低于 60。如果低于 60，反应物产物中的副产物将会在夹套内壁和蛇管传热面上结晶，增大热阻，影响传热，因而大大减低冷却控制作用。特别是当反应釜温度还不足够高时更易发生此种现象。 反应釜温度和压力是确保反应安全的关键参数， 所以必须根据温度和压力的变化来控制反应的速率。 3) 反应预计在 95110（或釜压 0.410.55Mpa）进入剧烈难控的阶段。这一阶段既要大胆升压，又要谨慎小心防止超压。应使反
8、应温度维持在 121（或压力维持再 0.69Mpa 左右） 。但压力维持过高，一旦超过 0.8Mpa（反应温度超过128） ，将会报警。 4) 如果反应釜压力 P7 上升过快，已将 V8 和 V7 开到最大，仍压制不住压力的上升，可迅速打开高压水阀门 V10，进行强制冷却。 如果开启高压水泵后仍无法压制反应，当压力继续上升至 0.83Mpa（反应温度超过 130）以上时，应立刻关闭反应釜搅拌电机开关 S8。 如果操作不按规程进行，特别是前期加热速率过猛，加热时间过长，冷却又不及时，反应可能进入无法控制的状态。即使采取了第 7、第 8 项措施还控制不住反应压力，当压力超过 1.20Mpa 已属危
9、险超压状态，将会再次报警扣分。此时应迅速打开放空阀 V5（代替） ，强行泄放反应釜压力。 5) 由于打开放空阀会使部分 A 物料蒸汽散失 （当然也污染大气） ， 所以压力一旦有所下降，应立即关闭 V5，若关闭 V5 压力仍上升，可反复数次。需要指出，A 物料的散失会直接影响主产物产率。 3第二章第二章 自动控制系统设计自动控制系统设计 2.1 PCS7 过程控制系统过程控制系统 SIMATIC PCS7是西门子公司在TELEPERM系列集散系统和S5、S7系列可编程控制器的基础上， 结合先进的电子制造技术、 网络通讯技术、 图形及图像处理技术、现场总线技术、计算机技术和先进自动化控制理论的先进
10、过程控制系统。它采用优秀的上位机软件WinCC作为操作和监控的人机界面，利用开放的现场总线和工业以太网实现现场信息采集和系统通讯， 采用S7自动化系统作为现场控制单元实现过程控制，以灵活多样的分布式I/O接收现场传感检测信号。 SIMATIC PCS7过程控制系统具备了以下几个方面的特点： （1） 高度的可靠性和稳定性； （2） 高速度，大容量的控制器； （3） 客户服务器的结构； （4） 集中的从上到下的组态方式 （5） 能灵活、可靠地嫁接于老系统； （6） 集中的、友好的人机界面； （7） 含有配方功能的批量处理包； （8） 开放的结构，可以同管理级进行通讯； （9） 同现场总线技术融为一
11、体。 SIMATIC PCS7采用符合IEC61131-3国际标准的编程软件和现场设备库，提供连续控制、顺序控制及高级编程语言。现场设备库提供大量的常用的现场设备信息及功能块，可大大简化组态工作，缩短工程周期。SIMATIC PCS7具有ODBC，OLE 等标准接口，并且应用以太网、PROFIBUS现场总线等开放网络，从而具有很强的开放性，可以很容易地连接上位机管理系统和其它厂商的控制系统。 这里我们选用S7-300系列PLC。 S7-300PLC与上位机采用MPI通信方式。 S7-300系列PLC都集成有MPI口，在上位机中装入内置的CP5611卡，然后用串口线将CPU的MPI口与CP561
12、1卡相连。 系统中各模块通过CPU的DP编程口与控制器相连组成网络， 接收上位机的命令， 实现数据采集和设备控制。 CPU和所有的I/O模块使用UPS 电源供电，CPU外加E2PROM程序和数据存储卡，并使用后备电池用于程序和运行4数据的保存。 工程师站(ES)选用功能强大的STEP7编程软件编写控制程序,选用有友好中文图形界面的WinCC监控软件设计人机界面。 在编制程序的过程中,尽量做到单一功能模块化、子文件化，减少程序代码的长度和内存开销，以缩短程序的扫描周期，并加快程序的运行速度。 2.2 反应器控制系统组成反应器控制系统组成 根据对控制对象的介绍，经分析将本系统控制部分分为反应器液位控制、反应温度控制、反应器压力和温度安全控制，以及开车顺序控制4个子系统。监控部分由1个操作员站（OS）和1个工程师站（ES，工程师站兼有操作员站功能）组成，通讯介质采用双绞线。操作员站是处理一切与运行操作有关的人机界面功能的网络节点，其主要功能就是为系统的运行操作员提供人机界面，使操作员可以通过操作员站及时了解现场运行状态和各种运行参数的当前值。 工程师站负责调试、维护整个控制系统。I/O的分布通常要求冗余，模件要求热插拔，电源要求冗余。 本系统主要由一个工业以太网PROFINET和一个PROFIBUS网络组成。 其中工业以太网由
