1 緒論

為了保證間歇生產(chǎn)過程中生產(chǎn)能夠安全高效的進行，就必須對間歇生產(chǎn)過程中的關鍵工藝參數(shù)進行嚴格的控制，例如壓力控制、溫度控制、濃度控制、流量控制等。其中對溫度的控制更是生產(chǎn)過程中常見的重要環(huán)節(jié)，其控制的好壞直接關系到產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量[3]。間歇反應釜作為間歇生產(chǎn)過程的核心裝備，間歇生產(chǎn)過程中溫度控制主要指的就是對間歇反應釜溫度的控制。因此間歇反應釜溫度控制系統(tǒng)的研究，對提高生產(chǎn)效率、產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量具有重要的指導意義。通常情況間歇反應釜的溫度控制主要包括升溫、恒溫和降溫控制[5]。由于間歇反應釜的溫度容易受到間歇反應釜的材料與厚度、反應物料濃度、催化劑、外界環(huán)境等眾多因素的影響，因此間歇反應釜溫度具有高度的非線性、時滯和嚴重的不確定性的特點，這使得對間歇反應釜溫度進行準確控制變得十分困難[4,5]。但是一旦間歇反應釜溫度控制不準確，就容易造成“飛溫”和“僵釜”現(xiàn)象，嚴重時甚至會引起爆炸，十分危險。因而，深入研究間歇反應釜溫度控制能夠指導間歇生產(chǎn)的安全進行，避免造成人身傷害和財產(chǎn)損失。

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2 間歇反應釜降溫工藝流程設計

2.1 概述

為了能夠完成整個生產(chǎn)任務，在實際生產(chǎn)過程中不僅需要配套的工藝設備而且還需要一套與之相適應的、合理的生產(chǎn)工藝流程，因此為了完成間歇反應釜降溫任務，本章結(jié)合現(xiàn)場實際情況與要求進行間歇反應釜降溫工藝流程設計。在實際生產(chǎn)中，間歇反應釜常見的降溫方式主要分為間接降溫和直接降溫兩種。顧名思義，間接降溫指的是通過間歇反應釜半管夾套中的冷媒與間歇反應釜進行熱量交換來完成降溫。間接降溫常用的冷媒主要有冷卻水、無水酒精等；直接降溫則主要是指將冷媒直接通入到間歇反應釜的反應物中進行熱量交換來完成降溫。其常用的冷媒主要為氮氣。兩種降溫方式各有利弊，分別適合不同的降溫情況。根據(jù)現(xiàn)場實際情況與要求，間歇反應釜中的反應物中的二氯甲烷具有毒性，如果選擇直接降溫的方式直接向反應物中通入氮氣，當?shù)獨鈸]發(fā)時有可能將毒原料攜帶至空氣中造成污染，甚至會導致生產(chǎn)事故，因此本課題設計間歇反應釜降溫采用間歇降溫的方式。又由于工藝要求的目標溫度又比較低，冷卻水無法滿足要求，因此選擇無水酒精作為間歇反應釜降溫過程。

2.2 降溫工藝方案

為了實現(xiàn)對間歇反應釜溫度在目標時間內(nèi)由初始溫度降至目標溫度，采用基于間歇反應釜降溫模型的開環(huán)控制方式，即通過控制間歇反應釜夾套入口溫度1t 來實現(xiàn)對間歇反應釜溫度和降溫時間的控制。同時為了提高間歇反應釜溫度和降溫時間控制精度，又根據(jù)給定的工藝參數(shù)和間歇反應釜溫度實際測量值mT ，首先對間歇反應釜降溫模型進行修正，然后再根據(jù)修正后降溫模型重新計算間歇反應釜夾套入口溫度給定值1t ，從而形成閉環(huán)修正系統(tǒng)。間歇反應釜降溫控制系統(tǒng)方框圖如圖 2.1 所示。間歇反應釜降溫控制方案為本文重點研究內(nèi)容，下文將進行詳細論述。

3 間歇反應釜降溫模型研究............................... 9

3.1 概述........................... 9
3.2 間歇反應釜降溫模型的建立....... 9
3.3 工藝參數(shù)對降溫模型的影響.................... 13
3.4 本章小結(jié).................. 16
4 基于降溫模型的溫度控制算法研究....... 17
4.1 概述.............................. 17
4.2 間歇反應釜溫度控制方案........................ 17
4.3 間歇反應釜降溫模型修正........ 17
4.4 夾套入口溫度給定值的計算.................... 19
4.5 基于模型的修正控制器設計........ 20
5 溫度控制算法的仿真研究....................... 25
5.1 概述...................... 25
5.2 仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)...... 25
5.3 仿真程序設計................ 25

6 間歇反應釜降溫控制系統(tǒng)設計

6.1 概述

為了提高間歇反應釜的降溫工藝流程的自動化程度，本章以西門子 S7-300PLC 為核心，對間歇反應釜降溫工藝流程進行控制系統(tǒng)設計，主要包括控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計、電氣設計、程序設計和人機界面設計。本課題的控制核心是對間歇反應釜降溫過程溫度的控制，并且監(jiān)控降溫工藝流程和設備的運行狀態(tài)�？刂葡到y(tǒng)是基于西門子 S7-300PLC 進行設計的，因此需要利用編程軟件 STEP7 進行降溫程序編寫，實現(xiàn)對降溫設備的自動化控制，實現(xiàn)降溫過程。為了實時監(jiān)控間歇反應釜降溫，使用西門子觸摸屏組態(tài)軟件 WinCC flexible 進行降溫人機界面組態(tài)。

6.2 降溫控制系統(tǒng)總體設計

間歇反應釜降溫控制系統(tǒng)采用三級網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，即監(jiān)控級、控制級和現(xiàn)場設備層。間歇反應釜降溫控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 6.1 所示。（1）監(jiān)控級：監(jiān)控級是實現(xiàn)人機交互的窗口，本課題中設計使用西門子觸摸屏 MP277 10 Touch，并且通過工業(yè)以太網(wǎng)與控制級 S7-300PLC 進行通訊。觸摸屏 MP 277 10Touch 安裝在降溫現(xiàn)場，使用組態(tài)軟件 WinCC flexible 進行人機界面設計。監(jiān)控級不僅能夠?qū)崿F(xiàn)操作人員對間歇反應釜降溫過程的操作，而且還可以對整個降溫過程的現(xiàn)場狀況進行監(jiān)控。除此之外，監(jiān)控級還能為提供現(xiàn)場操作人員形象生動的各種現(xiàn)場參數(shù)的實時曲線（例如溫度、壓力、液位、流量等實時曲線）；對某些重要工藝參數(shù)進行數(shù)據(jù)歸檔；最重要的是監(jiān)控級能夠及時的進行故障報警，確保安全生產(chǎn)。
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7 結(jié)論

本課題主要是針對間歇反應釜降溫過程溫度控制的研究，目的在于為間歇反應釜降溫設計開發(fā)一套控制精度高、操作方便并且可靠的溫度控制系統(tǒng)。根據(jù)對間歇反應釜降溫過程及控制要求的深入分析，研究設計了一套以 S7-300 PLC 為控制核心，觸摸屏作為上位機的間歇反應釜降溫過程溫度控制系統(tǒng)。歸納起來論文主要完成工作有：間歇反應釜降溫工藝流程的設計、控制系統(tǒng)的總體設計、控制系統(tǒng)電氣設計、間歇反應釜降溫模型的研究、間歇反應釜溫度控制算法的研究與仿真、間歇反應釜降溫工藝程序的編寫和人機界面的設計。得出結(jié)論如下：（1）根據(jù)現(xiàn)場實際生產(chǎn)情況和要求，通過深入研究間歇反應釜降溫的方式，提出采用間歇冷卻的方式對間歇反應釜進行降溫，首先通過液氮冷卻無水酒精，然后再利用無水酒精對間歇反應釜進行降溫。針對間歇反應釜降溫工藝流程，確定結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)為三層網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，三層網(wǎng)絡分別指的是監(jiān)控級，控制級和現(xiàn)場設備層。（2）以間歇反應釜溫度為研究對象，通過對間歇反應釜降溫過程的降溫機理的研究，經(jīng)過合理的假設和次要因素的忽略，基于熱量平衡原理和傳熱速率方程，構(gòu)建了間歇反應釜降溫模型。

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參考文獻（略）

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本文編號：92705