《橡胶硫化促进剂生产过程控制系统设计》毕业论文Word格式.docx
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它能大大加快橡胶硫化速度。
硫化作用能使橡胶的高分子结构变成网状，从而使橡胶的抗拉断力、抗氧化性、耐磨性等加强。
它和促进剂D合用适用于棕色橡胶的硫化。
与促进剂M合用适用于浅色橡胶硫化。
但DM促进剂的生产过程属于间歇缩合反应，反应过程较复杂。
目前，在国内的促进剂反应生产过程中，常见的反应过程主要有连续搅拌釜式反应器（CSTR）和间歇搅拌釜式反应器，而前者反应过程效率高但控制复杂，后者则较易于控制，但操作难度较大。
间歇反应过程在精细化工、制药、催化剂制备、染料中间体等行业应用广泛，而连续反应实验系统上除了进行常规控制系统实验外，还可以进行模糊控制、优化控制、深层知识专家系统（例如SDG法）故障诊断等高级控制实验。
1.1硫化促进剂的生产工艺概述
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两台高位计量罐，其中二硫化碳计量罐液位L2，入口阀V3，出口阀V4，二硫化碳泵及泵电机开关S4，邻硝基氯苯计量罐液位L3，入口阀V2，出口阀V5，邻硝基氯苯泵及泵电机开关S2，带搅拌器的釜式反应器、反应器内主产物浓度A，反应温度T1，液位L4，反应物出口流量F9，出口阀V9，出口泵，出口泵开关S5（开关），反应器蛇管冷却水入口流量F7，蛇管冷却水阀V7，反应器夹套冷却水入口流量F8，夹套冷却水阀V8，反应器夹套加热蒸气阀S6（开关），反应器放空阀V6，反应器搅拌电机开关S8，高压冷却水阀V10，多硫化钠下料流量F6，多硫化钠下料阀V6。
邻硝基氯苯、多硫化钠和二硫化碳在反应釜中经夹套蒸汽加入适度的热量后，将发生复杂的化学反应，产生促进剂M的钠盐及其副产物。
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。
当硫指数较低时，反应是向副反应方向进行。
主反应的活化能高于副反应，因此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，将可能造成不可遏制的爆炸而产生危险事故。
1.2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0.1~0.2℃/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95~110℃（或釜压0.41~0.55Mpa）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0.68~0.70Mpa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0.68~0.70Mpa）5~10分钟（实际为2~3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。
1.3生产过程的安全控制
1）依次加入邻硝基氯苯和二硫化碳和邻硝基氯苯后打开多硫化钠物料阀V6，将料液打入反应釜。
注意反应釜的最终液位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95~110℃（或釜压0.41~0.55Mpa）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二硫化碳蒸汽散失（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，二硫化碳的散失会直接影响主产物产率。
2自动控制系统设计
2.1控制器系统组成
主控制器也就是上位机，本设计方案采用PC机作上位机，其硬件配置要求一般，主要包括以下几点：
2.2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。
其中主要硬件配置包括：
17寸彩色液晶显示器（棒图显示和数码显示）。
MPCE-1000硬件配置如下表：
表2.1控制系统硬件配置
2.3控制系统的功能特点
工业以太网符合国际标准IEEE802.3，是功能强大的区域和单元网络，它传输速率快，可达到100Mbps，网络最大范围达150km，并且容易并入其他网络，便于网络的扩充，所以在管理级用工业以太网连接工程师站、管理员站和现场控制站。
为了防止因为可编程控制器CPU出故障而中断生产，对CPU进行硬件冗余。
针对控制室与控制现场的距离大小，在I/O模块的选择上有两种方案：
如果现场设备和现场传感器分布集中且离控制室很近，那么可以选择直接把信号接到与CPU所在的基站的I/O模块上；
如果生产现场离控制室比较远，或者生产现场环境危险，对CPU的安全威胁大，则可采取分布式I/O模块，比如可以选择ET200M。
ET200M放置在现场传感器和执行器附近，通过PROFIBUS—DP现场总线将ET200M与控制室的CPU相连，这样也可以大大节约电缆等材料。
选择PROFIBUS—DP现场总线的原因是：
传输速率高，可达12Mbps；
技术成熟，易于调试和维护；
容于扩容和系统升级且成本不高。
3自控方案设计
3.1控制方案分析
本控制过程主要包括5个阶段，我们根据不同阶段的特点和控制精度要求对各个阶段设计最适合的控制方案。
首先，是前期的准备工作包括对装置的检查和对要填加物料的准备工作。
本阶段的操作比较简单也不涉及到控制的问题但也不得大意，工程中的任何一点疏忽都会导致最终结果不理想。
认真检查各开关、手动阀门是否关闭。
对A，B两种物料计量备料。
然后进行物料的填加，本过程也是比较简单的过程，可以人为的进行手动控制或设置简单的顺序控制就能实现，但要注意所填加的量要尽量准确，包括对上一过程的计量备料也要注意准确，当液位接近目标值时，关小阀门以免由于流量过大而导致计量的误差。
本课题的关键部分同时也是控制难点在缩合反应阶段。
由于反应过程过程中要放大量的热，而温度升高又会加速反应的进行，如此形成一个不能自衡的系统，如果不加控制或则控制效果不好会导致正反馈的作用使系统温度迅速上升，导致爆炸等危险情况的发生。
同时缩合反应过程中还伴有副反应的发生，我们在控制主反应的同时还要兼顾副反应的作用，因为副反应强烈的话会严重影响反应生成物的质量。
除此之外，该系统本身就是一个比较复杂的难控制过程，其中包含有大的滞后，控制对象的时变和不确定性都会给控制方法的实施带来一定的困难。
在缩合反应过程中又可以分成几个阶段，包括
（1）初期的加热过程：
初期阶段的反应刚刚开始比较容易控制，只要能使其按照设定值也就是温度的升高的速率平稳的升稳即可。
可以用一些比较简单的控制方法，即能实现控制要求又达到了简便易行，降低成本的目的。
（2）短暂的停止加热阶段：
靠自身放热提供热量的阶段，该阶段靠反应自身的热量对其进行加热，不需要加入控制，即不用加如加热蒸汽也不用加冷水。
但是，也要对反应过程的监测，一旦出现意外或则异常情况要采取相应的措施。
（3）反应的难控阶段：
该阶段发生剧烈的化学放热反应，容易引起事故的发生，要通过各种冷却方法实现控制，其中包括一些强制冷却的措施。
该阶段是本课题的关键部分，应采用先进的控制方案，既要克服系统本身的滞后，时变等不里因素，还要充分对剧烈的化学反应的控制。
保温阶段的控制：
这一阶段的控制效果直接导致主产物的产率，因此，控制要达到较高的精度。
保温阶段虽然反应没有那么剧烈但是也要涉及到控制的变化，为了保持温度，先是逐渐关小冷却水阀V8和V7，然后是适当打开夹套蒸汽加热阀S6，相当于前面反应的逆过程。
但是由于反应不剧烈会容易控制一些。
另外我们所最关心的直接输出信息就是最终产物的产率，而产物的产率无法在线测量，这就要用到软测量的方法来对其进行软测量。
由于化学反应机理比较复杂，我们选择采用支持向量机的方法进行建模，其主要的相关参数包括升温速度、保温时间和温度。
出料及清洗反应器：
该过程要注意的是反应釜中的残存的可燃气体，一是要注意安全；
二是要注意放空后的后续处理过程减少污染，后续过程这里暂不考虑。
鉴于以上分析，该项目应采取不同的控制方法对根据各自的特点，对不同的阶段加以控制，充分发挥各种控制手段的优点，完成自己的控制任务。
并通过控制程序实现各阶段的控制方法的切换。
达到最优的控制效果。
3.2进料过程控制
由于前期的准备工作及备料工序不包含在本次考题范围内，并且操作过程简单，这里不再详细描述。
主要的仪器设备如下表：
表3-1准备工作设备参数一览表
另外，还涉及到两个计量罐。
其中
A物料计量罐：
容积180升，直径500mm，高度900mm，正常液位640mm
B物料计量罐：
容积270升，直径600mm，圆筒形部分高度800mm，圆锥形部分高度520mm，正常液位1000mm
A物料计量罐、B物料计量罐底到反应釜顶高差1500mm
A物料上料管、下料管，B物料上料管、下料管的公称直径Dg40mm
表3-2系统工况要求一览表
进料过程是将准备好的物料顺次加入到反应釜中，要求计量的精准，此过程可以采用人工手动的方式进行对物料的添加，为提高整体的自动化水平也可以采用简单的顺序控制对其进行自动控制。
主要过程包括：
打开A物料计量罐下料阀V4，观察计量罐液位因高位势差下降，直至液位L2下降至0.0m，即关闭V4。
打开B物料计量罐下料阀V5，观察液位指示仪，当液位L3下降至0.0m，即关V5。
打开C物料阀V6，将料液打入反应釜。
（注意反应釜的最终液位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。
当反应釜的最终液位L4小于1.2m时，必须补加C物料，直至合格。
否则反应不会继续。
）
以上的加料过程可以用简单的顺序控制程序得以实现，由于A和B物料在备料时已经准确的储备在计量罐中，只要打开阀门将其放入反应釜中即可，而添加C物料则可以通过人为观测或简单的控制达到反应釜最终液位的目标值（在1.37m左右）。
为了实现A、B和C物料的按顺序的加入到反应器中也要对A和B的计量罐以及反应器的液位进行检测，首先是对A计量罐的液位L2进行检测当发现L2为0时，关闭阀门V4，打开阀门V5这时的检测信号为B计量罐的液位L3，当发现L3为0时关闭阀门V5打开C物料阀V6，观察反应釜的液位L4当L4接近目标值1.37m时，关小阀们让液位逐渐趋近目标值这样的操作可以减小由于滞后、视差等因素带来的误差。
控制方案可以采用简单的比例控制，当液位L4越接近目标值时，阀门关的越小，直到阀门完全关闭。
同时如果由于以外的发生导致最终液位低于1.2m或高于1.6m时应采相应的措施继续添加或则超限报警。
具体流程如下：
图3.1物料添加过程流程图
由于A，B两物料的加入不需要进行反馈控制，这里将C的添加进行单回路的比例控制，原理图如下：
图3.2反应釜液位控制单元
该过程属于简单易行的单回路控制：
被控变量为反应釜的液位L4
控制变量为物料C的进料流量F6
控制阀门V6为气开阀（从安全因素考虑，当系统处于断电状态时，阀门V6处于关闭状态）阀门可以选用线性截止阀（考虑到被控参数的特性和阀门在管道的流量以及公称直径等问题）。
并且LIC-01是正作用，当控制信号减小时，阀门随之关小。
选用P为控制规律是由于控制对象比较简单,用简单的比值控制足够满足要求且克服了积分作用带来的系统稳定性差,闭环响应慢等缺陷。
图3.3反应釜液位控制P&
ID图
进料过程所涉及的设备如下表:
表3-3进料过程设备
另外还包括反应器:
每釜容积2500升（最大容积2800升），直径1400mm，高度2000mm，浆式搅拌器（体积忽略不计），转速90r.p.m，搅拌电机功率4.5kw。
还有一个简单的条件选择控制器,负责通过检测到的流量的信号来进行进料的几个过程的切换。
报警系统，实时对反应釜液位进行检测,当反应釜的液位超过1.6m时进行报警。
具体SCL代码为：
FUNCTION_BLOCKFB997
//静态变量定义
VAR
LEVEL1:
REAL:
=0;
LEVEL2:
LEVEL3:
END_VAR
//输入变量定义
VAR_INPUT
IN1:
//接收检测到的液位L2信号
IN2:
//接收检测到的液位L3信号
IN3:
//接收检测到的液位L4信号
输出变量定义
VAR_OUTPUT
OUT1:
//控制阀门V4的开关
OUT2:
//控制阀门V5的开关
OUT3:
//控制阀门V6的开度
OUT4:
//控制器的LIC-01的使用
OUT5:
//报警装置
//主程序
BEGIN
IF（IN1=0）THEN
=1;
END_IF
IF（IN2=0）THEN
IF（IN3=1.3）THEN
IF（IN3=1.37）TEEN
IF（IN3>
1.6）THEN
END_FUNCTION_BLOCK
3.3缩合反应控制
3.31反应器温度跟踪控制
该反应阶段是系统的难控阶段也是关键的部分，控制不好不仅会影响生成物的产率，还有可能导致爆炸等危险事故的发生。
在充分考虑控制对象的特点和对控制精度要求的情况下，我们选择采用预测函数控制代替传统的PID控制实现串级控制方案。
（1）串级控制策略
串级控制是一种常用的控制系统，串级控制系统通过选择一个滞后时间较小的辅助参数组成副回路，使等效副对象的时间常数减小，以提高系统的工作效率，加快响应速度。
从而获得较好的控制质量。
对化学反应这种滞后大，符合和干扰变化比较剧烈，比较频繁的场合，串级控制使用最为普遍。
串级控制的核心思想是让副回路尽可能多的包含主干扰和大滞后，因此在对系统进行设计时要注意使主扰动和尽量多的扰动进入副回路，合理选择副对象和检测变送环节的特性使副环近似为1：
1的比例环节，还要避免出现共振现象。
（2）预测函数控制
鉴于该反应过程的复杂性和控制的难度，应采用控制效果较好的先进控制策略，而在诸多的先进控制方法中，预测控制可以说是应用最为广泛，实用性最强的一种控制方法，并且已经有相当成熟的理论和丰富的工程应用的实例。
预测控制算法对模型的精度要求低，鲁棒性好，具有灵活的约束处理能力。
综合控制质量高，特别适合于处理具有输入输出约束、时滞时变特性、反向特性和变目标函数的工业过程。
预测控制最大限度地结合了工业实际的要求。
参数整定简单，对于检测仪表和执行器局部失效之类的结构改变具有鲁棒性。
以上特点也决定了预测控制良好的应用性。
在这里，我们采用的是预测控制中的预测函数控制，因为虽然预测控制在工业领域里取得了大量的成功，但是，预测控制算法毕竟比传统的PID控制算法复杂的多，带来了在线计算量大和难以满足控制实时性要求等问题。
因此，预测控制的应用大都是在慢时变的过程。
预测函数控制正是为克服上述缺陷而提出的先进的预测算法。
预测函数在保持模型预测控制优点的同时，将使所产生的控制输入更具规律性，并且可有效减少算法计算量，从而能适应一类快速响应受控对象控制算法的快速要求。
图3.4PFC原理框图
考虑到本题目中的化学反应进程是在不断变化的，特别是在剧烈反应阶段，应用预测函数控制算法，实现其快速的响应是十分必要的，以免由于控制不及时温度迅速升高而造成危险事故的发生。
（3）多模型切换
由于反应釜中的化学反应变化涉及到一些时变和非线性的因素，使得建立用固定的数学模型很难实现很好的控制。
对于解决时变问题，理论上可采用自适应的方法，通过在线不断的辨识系统数学模型的参数而进行实时的调整，但是，在实际应用中，自适应控制的应用性并不是很好，一方面是由于自适应算法十分复杂，另一方面局限于自适应控制在稳定性，收敛性和鲁棒性等方面理论上的突破。
对于非线性问题，若采用非线性模型，则在线滚动优化将成为非线性系统预测控制中的难题，同时也存在着增加复杂度的问题。
总结以往的各种算法的应用经验，兼顾控制效果与可实施性，我们选择采用多模型切换的手段解决上述问题。
分析题目中的化学反应过程要经历不同的阶段，在反应初期要加热蒸汽来促进反应的进行，中间有一小段时间停止加蒸汽，之后的比较剧烈的反应到十分剧烈反应阶段有要加冷水控制反应的速度，以免发生危险的事故和得到较好的产率，这就需要在不同的阶段建立不同的数学模型来适应环境的需要。
即在每个反应阶段均有一个对应的失配较小的数学模型。
依情况而定，如果系统的非线性比较严重，也可以把上述的系统划分进一步细化。
非线性系统的多模型控制是一类比较简单且有效的方案，其出发点是在非线性系统的各个平衡点附近进行线性化，而后在各局部范围内采用传统的预测控制算法。
由此，既解决了模型时变的问题又解决了系统非线性的问题，并且方法简单容易实现。
图3.5多模型预测函控制结构图
原则上反应过程中温度和压力是有一定的对应关系的,因此只要对温度进行控制就可以解决压力的问题,但是为了安全起见,还是要在一些关键的时间点对容器压力进行检测一旦超出安全范围马上采取相应的措施.尤其在剧烈反应阶段要密切检测容器的压力,以免出现危险事故。
图3.6反应釜温度串级控制框图
其中的流量对象包括夹套中的冷水流量和蛇管中的冷水流量两部分.通过对温度的检测和控制器调度器的调度作用在不同的控制模型和控制对象中进行切换。
图3.7缩合反应温度串级控制P&
在反应初期由于加入蒸汽时使用的是开关阀,不涉及到流量的变化，也就不用串级等复杂的控制方法。
只要实时的采集温度信号并将其与设定值进行比较，当大于设定值时，关闭阀门，小于设定值时打开阀们。
被控变量为热蒸汽阀S6的开关状态,执行器为阀门S6,直到反应进入下一个阶段时，采用预测函数的串级控制，被控变量也变为冷水流量和蛇管中的冷水流量,执行器是相应的阀门V7和V8.被控对象为相应的冷水流量F7和F8。
当反应进行到一定阶段转换成另一套控制器,即相应的预测控制模型,实现模型的切换。
参考阀门的选用手册，根据流量和公称直径我们对上面的两个阀门选用线性碟阀。
具体设计如下：
控制阀S6为开关阀：
从安全角度考虑，选择气开阀（没有作用信号时为关闭状态）。
控制器：
为保证负反馈，温度升高速率快于设定值时关闭开关选择反作用。
被控变量为反应釜内的温度T1。
控制变量为控制阀们的开关状态。
控制阀V7为线性碟阀：
从安全角度考虑，选择为气关阀（由于意外失去信号作用时为打开状态）。
副控制器：
为保证负反馈，流量增加时适当减小选择反作用。
主控制器：
为保证负反馈，温度升高时加大流量，所以选择正作用。
控制变量为反应器
升级会员 