聚合反應(yīng)裝置計(jì)算機(jī)仿真控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、聚合反應(yīng)裝置計(jì)算機(jī)仿真控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)王莉1宋春紅2(1遼寧石油化工大學(xué)信息學(xué)院 113001 2 CTE華北分工司機(jī)電所摘要:本文介紹聚丙烯反應(yīng)釜生產(chǎn)過程仿真培訓(xùn)系統(tǒng),從工藝流程、人工控制、自動控制等對聚丙烯生產(chǎn)過程進(jìn)行全面仿真,采用面向?qū)ο笤O(shè)計(jì),多用戶交互方式網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下運(yùn)行,經(jīng)過實(shí)驗(yàn)培訓(xùn)得到較好效果。關(guān)鍵詞:聚丙烯反應(yīng)釜 仿真培訓(xùn)系統(tǒng) 系統(tǒng)仿真中圖分類號:TP391.9引言仿真培訓(xùn)系統(tǒng)是利用計(jì)算機(jī)仿真各種物理工程技術(shù),構(gòu)造一種以訓(xùn)練和教學(xué)為目的,在某種程度上再現(xiàn)一個(gè)真實(shí)系統(tǒng)行為的系統(tǒng)。其目的是使接受培訓(xùn)的人員在進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)前,熟悉生產(chǎn)過程中各階段的操作,以培養(yǎng)一批技術(shù)熟練、經(jīng)驗(yàn)豐富的操作人員。

2、這種培訓(xùn)方式同傳統(tǒng)的操作人員培訓(xùn)方式先學(xué)習(xí)技術(shù)理論和操作規(guī)定,再到生產(chǎn)現(xiàn)場,以師傅帶徒弟的方法進(jìn)行技能培訓(xùn)相比,具有無需投料、沒有危險(xiǎn)性、能節(jié)省培訓(xùn)費(fèi)用、大大縮短培訓(xùn)時(shí)間且能模擬操作在現(xiàn)場中絕對不可出現(xiàn)的各種事故狀態(tài)等種種優(yōu)點(diǎn)。為此,我們設(shè)計(jì)了“聚丙烯反應(yīng)釜仿真培訓(xùn)系統(tǒng)”。本文將從聚丙烯反應(yīng)釜工藝流程、仿真控制、仿真結(jié)果驗(yàn)證等方面介紹該系統(tǒng)。1.聚丙烯反應(yīng)釜工藝流程簡介本體法聚丙烯生產(chǎn)裝置工藝流程如圖1左側(cè)所示,此聚合反應(yīng)可分為4個(gè)階段: 1.1升溫階段由于整個(gè)反應(yīng)是間歇式的,在加熱前必須重新向聚合釜中投放物料和催化劑。投放完畢打開熱水閥,將循環(huán)熱水打入反應(yīng)釜夾套中進(jìn)行加熱升溫,以便誘導(dǎo)聚合反

3、應(yīng),當(dāng)聚合釜內(nèi)溫度升至60時(shí)應(yīng)注意加熱水的流量。1.2過渡階段當(dāng)釜內(nèi)溫度升至60時(shí),聚合反應(yīng)開始,進(jìn)入放熱過程,該階段的反應(yīng)極為敏感,許多干擾極有可能造成超溫或過度冷卻而轉(zhuǎn)型的工況:如(1活化劑質(zhì)量不穩(wěn)定,使反應(yīng)初期的放熱量極不穩(wěn)定;(2冷卻水過早地切入,則會導(dǎo)致冷卻過度,激落已經(jīng)開始的反應(yīng),發(fā)生工程上俗稱的“感冒”現(xiàn)象;(3熱水溫度較高,流量過大,升溫速率過快,當(dāng)熱水停止循環(huán)后,釜溫仍急劇上升。這一階段在整個(gè)反應(yīng)過程中極為重要,它是整個(gè)聚合反應(yīng)能否獲得高質(zhì)量產(chǎn)品的關(guān)鍵,假如升溫過慢,產(chǎn)品質(zhì)量會降低,升溫過快,釜內(nèi)溫度會難以控制。1.3恒溫階段在第2階段中溫度平穩(wěn)上升,當(dāng)溫度升至74±

4、;2,釜壓為3.4±0.1MP點(diǎn)后,便開始恒溫控制,約經(jīng)過45小時(shí)反應(yīng)過程結(jié)束。1.4結(jié)束階段釜內(nèi)反應(yīng)結(jié)束后,釜壓開始明顯下降,反應(yīng)終止,全流量切入冷水,進(jìn)行產(chǎn)品回收。2.仿真系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)該仿真軟件采用C+ for Windows 編程,運(yùn)行于中文Windows 2000環(huán)境下,界面友好,操作簡便。其主畫面如圖1所示,主要包括六個(gè)模塊:工藝控制流程圖、報(bào)警信息窗口,實(shí)時(shí)控制仿真曲線,閥的開關(guān)狀態(tài)顯示,測量值棒圖顯示及系統(tǒng)功能模塊。 圖1:聚丙烯反應(yīng)釜仿真培訓(xùn)系統(tǒng)主畫面2.1工藝控制流程圖模塊在圖1的左上側(cè)為聚丙烯反應(yīng)釜工藝流程圖,控制器為一臺工控機(jī),其輸出控制熱水閥和冷水閥的開度,

5、即采用分程控制方案,對應(yīng)的電磁閥與冷熱水閥同步動作,實(shí)驗(yàn)中所采用的控制器為反作用控制,熱冷水調(diào)節(jié)閥分別采用氣開、氣關(guān)形式,其動作方式如圖3所示。2.2報(bào)警信息窗口模塊在圖1的右上角,設(shè)置了報(bào)警信息裝置,時(shí)刻跟蹤反應(yīng)釜內(nèi)的溫度、壓力這兩個(gè)測量值。當(dāng)溫度或壓力超限時(shí),發(fā)生報(bào)警,窗口內(nèi)的“O”變?yōu)榧t色,并發(fā)出嗡嗡的轟鳴聲,其報(bào)警信息分別為“溫度過高”、“溫度過低”、“壓力超高”、“壓力過低”;當(dāng)測量值在所限定范圍之內(nèi)時(shí),窗口內(nèi)的“O”為無色,報(bào)警信息為空白。2.3實(shí)時(shí)仿真控制曲線模塊此模塊的功能是繪制出溫度隨反應(yīng)過程的進(jìn)行變化的情況。圖2所示為仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,圖3為閥的分程示意圖。通過此控制曲線,調(diào)

6、節(jié)自動控制中控制器各參數(shù),以便反應(yīng)能夠正常進(jìn)行。 圖2:仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 圖3:調(diào)節(jié)閥分程控制示意圖2.4閥的開關(guān)狀態(tài)顯示模塊如圖3示,當(dāng)閥打開時(shí),其相應(yīng)的“ON”欄內(nèi)的“O”為紅色,“OFF”欄內(nèi)的“O”為白色,當(dāng)閥為關(guān)閉狀態(tài)時(shí),其相應(yīng)的“ON”欄內(nèi)的“O”為白色,“OFF”欄內(nèi)的“O”為紅色。2.5測量值的棒圖顯示模塊為了更加動態(tài)的顯示出一些重要測量值的量化情況,加入了棒圖顯示的方式。在反應(yīng)過程中,方框內(nèi)的紅色液柱隨著釜溫、釜壓、熱水溫、冷水溫的高低而上下變化,同時(shí)在棒圖的左側(cè)顯示相應(yīng)的測量值,為設(shè)計(jì)增添了動態(tài)感,同時(shí)也便于觀察。2.6系統(tǒng)功能模塊系統(tǒng)功能模塊包括:生產(chǎn)計(jì)劃、投運(yùn)準(zhǔn)備、人工控

7、制、自動控制、程序控制、智能控制、歷史紀(jì)錄、自動評分、退出九個(gè)功能。分別對應(yīng)計(jì)算機(jī)上F1F9九個(gè)功能鍵。F1:生產(chǎn)計(jì)劃提出本系統(tǒng)的產(chǎn)量,要求操作人員根據(jù)系統(tǒng)產(chǎn)量的多少,投入適量的物料和催化劑,且明確其間的百分比。F2:投運(yùn)準(zhǔn)備操作人員在正式投運(yùn)前,需要檢查各控制閥的狀態(tài),將熱水溫度控制在95左右,冷水溫度控制在30左右,熱、冷水液位均控制在罐容量的2/3左右。F3:人工控制在反應(yīng)過程中,操作人員根據(jù)反應(yīng)條件和工藝要求,人工控制各操作閥的狀態(tài),時(shí)刻觀察反應(yīng)釜內(nèi)溫度和壓力的變化情況,根據(jù)其變化情況遙控循環(huán)熱、冷水閥的開度。F4:自動控制事先設(shè)定好控制器的正反作用及設(shè)定值的大小。本系統(tǒng)控制器為反作用

8、,設(shè)定值T0=74。同時(shí),通過修改控制器參數(shù),整定控制曲線,使其滿足工藝條件要求。F5:程序控制進(jìn)行程序設(shè)計(jì),其目的是根據(jù)各量的狀態(tài),編制順序動作程序,控制操作閥的先后動作順序,使得反應(yīng)過程能夠自動有效的進(jìn)行。F6:智能控制本系統(tǒng)的智能控制主要考慮了自適應(yīng)控制和模糊控制兩種方法,涉及到自適應(yīng)初值設(shè)定,模糊控制表設(shè)計(jì)等有關(guān)內(nèi)容。F7:歷史記錄系統(tǒng)將重要的變量隨時(shí)間變化的趨勢、操作人員操作事件記錄于內(nèi)存中,每經(jīng)過半小時(shí)將歷史趨勢作為文件存入硬盤。當(dāng)過程結(jié)束時(shí),可以任意顯示每半小時(shí)的趨勢曲線,趨勢信息是評價(jià)學(xué)員操作水平的重要依據(jù)。F8:自動評分自動評分系統(tǒng)包括自動評分和人工評分兩部分。自動評分是在整

9、個(gè)運(yùn)行過程中,判斷各階段的運(yùn)行狀態(tài)和操作事件,自動進(jìn)行評分;人工評分則是根據(jù)歷史記錄,人工進(jìn)行打分。F9:退出退出聚丙烯反應(yīng)釜仿真培訓(xùn)系統(tǒng)。3.仿真結(jié)果驗(yàn)證控制方案經(jīng)實(shí)驗(yàn)室調(diào)試后投入運(yùn)行,運(yùn)行效果良好?？刂葡到y(tǒng)的升溫過程穩(wěn)定平滑,特別是過渡段的6074中間平穩(wěn)兩端過渡轉(zhuǎn)換沒有太大波動,恒溫過程溫度控制在2以內(nèi)達(dá)到了預(yù)期效果。圖1給出了熱水罐溫度為95,冷水罐溫度為30,反應(yīng)物料為6噸時(shí)的仿真控制曲線。4.結(jié)束語先進(jìn)工程技術(shù)的最大價(jià)值在于實(shí)際應(yīng)用,實(shí)際應(yīng)用又反過來促進(jìn)了工程技術(shù)發(fā)展。仿真技術(shù)在過程工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用已涉及教育與訓(xùn)練、工程設(shè)計(jì)、輔助生產(chǎn)等方面,其社會經(jīng)濟(jì)效益日趨顯著。本文所研制的聚丙

10、烯反應(yīng)釜仿真培訓(xùn)系統(tǒng)采用面向?qū)ο蠼Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),動態(tài)顯示畫面,可以采用網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下多用戶方式運(yùn)行,投入運(yùn)行后得到用戶的好評,取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。參考文獻(xiàn)5.David W E.Object-Oriented System Analysis and Model-Driven Approach.Yourdon Press Inc.19926.Marquardt W.Trends in Computer-Aide Process Modeling.Computers Chem Engng.19967. Joachim Horn. Trajectory tracking of a batch polymer

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12、echanical-Electrical institute, HuaBeiBranch,CTEAbstract:This paper introduces the simulation system for the productive process of polypropylene agitated reactor. It simulates the productive process of polypropylene agitated reactor across chemical process, manual control and automatic control in a whole,then applies to design of process toward object and mutual way of multi