摘要：针对聚合物的大规模生产流水线，对连续反应器的特性和反应物发生化学反应的工艺流程进行了详细的分析，结果表明化工流程控制系统满足控制基本要求。系统控制方案是在PCS7软件上设计的，包括控制回路的功能设计、控制算法、控制变量、操作变量、控制律、序列逻辑和系统连接等部分。由西门子S7-400PLC控制器以现场总线的方式实现对现场系统进行监测和输出控制。控制器、工程站、操作员站和现场流程控制站通过系统网络连接在一起【1】。本系统可以完成从原料开始到最终产品的整个过程全自动生产。通过该系统控制化工反应进程，减少了操作人员的劳动强度，提高了进料、原料反应精度，降低生产成本。【2】
关键词：PCS7；连续过程控制；精细化工；自动化；SMPT-1000
0引言
化工生产过程中的关键设备是连续工艺反应器，系统设计的背景为聚合物的大规模生产。【3】通过调节温度、流量、压强、液位，控制化工产品的品质和生产水平。目前，由PCS7和SMPT-1000实验平台开发的连续过程控制系统具有非常全面的功能，包括进料、混合、反应、蒸发、提纯和回收。该系统控制主要包括流量控制、液位控制、温度控制、压力控制等。【4】系统对整个过程进行自动控制，保证生产过程能够安全稳定地运行，并满足节能减排的要求。操作人员可以通过工控机直接调用CFC程序中功能块的管脚信号来修改参数，通过SFC程序控制实现一键开车与停机，并且对生产过程中的反应进行全自动连续控制，该自动控制系统大大的缩短了生产启动时间并提高生产效率。系统设计完成后，利用SMPT-1000实验平台对整个控制系统进行了仿真实验，验证了设计效果。
1硬件配置
硬件配置是表示负载性能均衡的基本配置，该系统对硬件要求较高，故选择功能强大、性能可靠的西门子公司的产品，所选择产品性能要求如下：
集散控制系统的主操作站一般由一台高端微型计算机组成，实现实时、多任务操作的控制系统。一般情况下我们按需求配置一台操作站和一台触摸屏，一台放置于现场机控室，一台放置于DCS主控制室，两台操作设备为备用。生产现场西门子触摸屏用于现场监控。DCS控制室配备的操作员用于全局监控，触摸屏和操作员通过Profibus-DP网络与PLC通信。通过工程师站，可以对系统进行组态、编程、修改，并通过PCS7软件下载所有系统组件。【5】
2软件及操作控制
1.现场西门子触摸屏与DCS控制室操作员站操作软件配置和作用基本相同。【6】
2.操作的软件功能定义了操作员和管理员的管理权限，可以根据授权权限使用或调用流程图、流程参数、数据文件夹和各种可用数据，还可以有效地调整控制回路的输出。
3操作系统的数据存储格式是通用的，其数据库和数据管理系统是标准的，可以由其他系统或网络调用，如DCS和实时生产数据网络。
4.系统具有完美的硬件和软件故障诊断和自我诊断功能，自动记录故障警报，并通知维修人员进行维修，如图1所示。
图1 CFC、SFC程序框图
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3被控对象控制过程分析
3.1.流量控制分析
本项目有较多的流量参数需要控制，通过阀门开度对流量控制，会有以下特点：流量改变快速，响应快，时间短，管道容量有限，缓冲区空间小。为此需要建立一个控制系统，以克服电流等方面的干扰。与此同时，还要确保一定比例的材料供应，保证反应产品的质量和组成。产物流量的大小是反应产物是否达到要求浓度的重要指标之一。为达到产物的累积量，需要对产物流量建立的对应控制方案。
3.2液位控制分析
液位的特点：负荷变化不大，滞后比较大。反应堆需要更高的液面，以获得更长的反应停留时间，并确保反应的充分进展。控制过程中反应器的液位不允许超过所设上限或低于下限，以确保生产过程的安全。【7】
3.3压强控制分析
压力过高或过低，对管道和设备都是不利的。压力过高，会导致反应器爆炸；压力过低则达不到所需的反应转化率。因此，为了确保安全反应时，压力需要设计安全控制系统。压力控制解决了两个常见的问题：一是气体在生产过程中，数量和容量较大，动态管理的持续时间较大，即系统惯性较大的问题。第二个是管道的压力，由于管道体积小，鼓时间常数低，即控制敏感的问题。【8】
3.4温度控制分析
在工业生产过程中，温度控制是指控制传热过程，包括对流热量、辐射热量和传导热量的传递。操作的温度控制变数通常是流量，例如加热、冷却等。在控制控制对象温度特性的方法中，控制精度要求很高，并且有多种类型。 温度动态发展的特点如下；一是惯性较大，能力相对滞后，一些过程可能需要达到十分钟以上；其次，温度控制对象通常是多体积的，由于温度偏移很大且控制不灵敏，温度控制系统添加差动控制。【9】
3.5工艺流程分析
例如若A和B是反应的原料，原料A、B通过原料泵P101、 P102输送到混合罐V101，混合后进入反应罐R101，反应需要催化剂C缩短原料反应的时间，反应罐在初期由夹套蒸汽加热。反应具有强放热性，需要水冷却线圈冷却。反应物转化率与反应温度、停留时间、反应原料的质量浓度和混合比有关。系统中的气相压力对温度变化敏感，在冷却系统故障而引起的高温环境条件下，反应罐存在因气相压力过大而爆炸的危险。单方向抑制剂入口布置在反应堆顶部。当反应压力过大而危及安全时，抑制剂F进入罐中使反应停止。【10】R101包含产品D、杂质E、催化剂C、起始原料A以及少量原料B，通过闪蒸罐V102使生产的混合物分离、提纯，罐上部处于气相状态。气体进入冷凝器E102通过冷却水冷凝。冷凝液进入冷凝罐V103，通过控制循环泵P106送入V101混合液槽进行再循环利用。输送泵输出混合闪蒸罐V102的底部产物，在下游进行分离纯化，最后得到所需浓度的产物D。
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图2工艺流程图
4结论
本文以SMPT-1000实验平台上SIMATIC PCS7系统的设计与验证为基础，设计了一种具有自检过程的连续过程控制系统，并进行了仿真验证。验证结果表明，基于PCS7的连续过程控制系统和SMPT-1000实验平台具有非常全面的功能。，实现了包括进料、混合、反应、提纯、回收等一系列功能，实现全过程的自动化控制。它能够安全稳定地运行，提高产量，体现绿色节能思想，提高经济效益，具有良好的可行性、简单的操作以及全程自动化的特点。
参考文献
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作者简介：吕鹏帅（1999.6——），男，辽宁沈阳，本科生，过程装备与控制工程专业
通讯作者：常学森（1971.6——），男，辽宁鞍山，工学博士，讲师，主要研究方向过程装备设计与制造
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