聚合反應裝置計算機仿真控制系統(tǒng)設計

1、聚合反應裝置計算機仿真控制系統(tǒng)設計王莉1宋春紅2(1遼寧石油化工大學信息學院 113001 2 CTE華北分工司機電所摘要:本文介紹聚丙烯反應釜生產過程仿真培訓系統(tǒng),從工藝流程、人工控制、自動控制等對聚丙烯生產過程進行全面仿真,采用面向對象設計,多用戶交互方式網絡環(huán)境下運行,經過實驗培訓得到較好效果。關鍵詞:聚丙烯反應釜 仿真培訓系統(tǒng) 系統(tǒng)仿真中圖分類號:TP391.9引言仿真培訓系統(tǒng)是利用計算機仿真各種物理工程技術,構造一種以訓練和教學為目的,在某種程度上再現(xiàn)一個真實系統(tǒng)行為的系統(tǒng)。其目的是使接受培訓的人員在進行實際生產前,熟悉生產過程中各階段的操作,以培養(yǎng)一批技術熟練、經驗豐富的操作人員。

2、這種培訓方式同傳統(tǒng)的操作人員培訓方式先學習技術理論和操作規(guī)定,再到生產現(xiàn)場,以師傅帶徒弟的方法進行技能培訓相比,具有無需投料、沒有危險性、能節(jié)省培訓費用、大大縮短培訓時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。為此,我們設計了“聚丙烯反應釜仿真培訓系統(tǒng)”。本文將從聚丙烯反應釜工藝流程、仿真控制、仿真結果驗證等方面介紹該系統(tǒng)。1.聚丙烯反應釜工藝流程簡介本體法聚丙烯生產裝置工藝流程如圖1左側所示,此聚合反應可分為4個階段: 1.1升溫階段由于整個反應是間歇式的,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)熱水打入反應釜夾套中進行加熱升溫,以便誘導聚合反

3、應,當聚合釜內溫度升至60時應注意加熱水的流量。1.2過渡階段當釜內溫度升至60時,聚合反應開始,進入放熱過程,該階段的反應極為敏感,許多干擾極有可能造成超溫或過度冷卻而轉型的工況:如(1活化劑質量不穩(wěn)定,使反應初期的放熱量極不穩(wěn)定;(2冷卻水過早地切入,則會導致冷卻過度,激落已經開始的反應,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,當熱水停止循環(huán)后,釜溫仍急劇上升。這一階段在整個反應過程中極為重要,它是整個聚合反應能否獲得高質量產品的關鍵,假如升溫過慢,產品質量會降低,升溫過快,釜內溫度會難以控制。1.3恒溫階段在第2階段中溫度平穩(wěn)上升,當溫度升至74±

4、;2,釜壓為3.4±0.1MP點后,便開始恒溫控制,約經過45小時反應過程結束。1.4結束階段釜內反應結束后,釜壓開始明顯下降,反應終止,全流量切入冷水,進行產品回收。2.仿真系統(tǒng)的體系結構該仿真軟件采用C+ for Windows 編程,運行于中文Windows 2000環(huán)境下,界面友好,操作簡便。其主畫面如圖1所示,主要包括六個模塊:工藝控制流程圖、報警信息窗口,實時控制仿真曲線,閥的開關狀態(tài)顯示,測量值棒圖顯示及系統(tǒng)功能模塊。 圖1:聚丙烯反應釜仿真培訓系統(tǒng)主畫面2.1工藝控制流程圖模塊在圖1的左上側為聚丙烯反應釜工藝流程圖,控制器為一臺工控機,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,對應的電磁閥與冷熱水閥同步動作,實驗中所采用的控制器為反作用控制,熱冷水調節(jié)閥分別采用氣開、氣關形式,其動作方式如圖3所示。2.2報警信息窗口模塊在圖1的右上角,設置了報警信息裝置,時刻跟蹤反應釜內的溫度、壓力這兩個測量值。當溫度或壓力超限時,發(fā)生報警,窗口內的“O”變?yōu)榧t色,并發(fā)出嗡嗡的轟鳴聲,其報警信息分別為“溫度過高”、“溫度過低”、“壓力超高”、“壓力過低”;當測量值在所限定范圍之內時,窗口內的“O”為無色,報警信息為空白。2.3實時仿真控制曲線模塊此模塊的功能是繪制出溫度隨反應過程的進行變化的情況。圖2所示為仿真系統(tǒng)結構圖,圖3為閥的分程示意圖。通過此控制曲線,調

6、節(jié)自動控制中控制器各參數(shù),以便反應能夠正常進行。 圖2:仿真系統(tǒng)結構圖 圖3:調節(jié)閥分程控制示意圖2.4閥的開關狀態(tài)顯示模塊如圖3示,當閥打開時,其相應的“ON”欄內的“O”為紅色,“OFF”欄內的“O”為白色,當閥為關閉狀態(tài)時,其相應的“ON”欄內的“O”為白色,“OFF”欄內的“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。在反應過程中,方框內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,同時在棒圖的左側顯示相應的測量值,為設計增添了動態(tài)感,同時也便于觀察。2.6系統(tǒng)功能模塊系統(tǒng)功能模塊包括:生產計劃、投運準備、人工控

7、制、自動控制、程序控制、智能控制、歷史紀錄、自動評分、退出九個功能。分別對應計算機上F1F9九個功能鍵。F1:生產計劃提出本系統(tǒng)的產量,要求操作人員根據系統(tǒng)產量的多少,投入適量的物料和催化劑,且明確其間的百分比。F2:投運準備操作人員在正式投運前,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:人工控制在反應過程中,操作人員根據反應條件和工藝要求,人工控制各操作閥的狀態(tài),時刻觀察反應釜內溫度和壓力的變化情況,根據其變化情況遙控循環(huán)熱、冷水閥的開度。F4:自動控制事先設定好控制器的正反作用及設定值的大小。本系統(tǒng)控制器為反作用

8、,設定值T0=74。同時,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:程序控制進行程序設計,其目的是根據各量的狀態(tài),編制順序動作程序,控制操作閥的先后動作順序,使得反應過程能夠自動有效的進行。F6:智能控制本系統(tǒng)的智能控制主要考慮了自適應控制和模糊控制兩種方法,涉及到自適應初值設定,模糊控制表設計等有關內容。F7:歷史記錄系統(tǒng)將重要的變量隨時間變化的趨勢、操作人員操作事件記錄于內存中,每經過半小時將歷史趨勢作為文件存入硬盤。當過程結束時,可以任意顯示每半小時的趨勢曲線,趨勢信息是評價學員操作水平的重要依據。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、個運行過程中,判斷各階段的運行狀態(tài)和操作事件,自動進行評分;人工評分則是根據歷史記錄,人工進行打分。F9:退出退出聚丙烯反應釜仿真培訓系統(tǒng)。3.仿真結果驗證控制方案經實驗室調試后投入運行,運行效果良好。控制系統(tǒng)的升溫過程穩(wěn)定平滑,特別是過渡段的6074中間平穩(wěn)兩端過渡轉換沒有太大波動,恒溫過程溫度控制在2以內達到了預期效果。圖1給出了熱水罐溫度為95,冷水罐溫度為30,反應物料為6噸時的仿真控制曲線。4.結束語先進工程技術的最大價值在于實際應用,實際應用又反過來促進了工程技術發(fā)展。仿真技術在過程工業(yè)領域中的應用已涉及教育與訓練、工程設計、輔助生產等方面,其社會經濟效益日趨顯著。本文所研制的聚丙

10、烯反應釜仿真培訓系統(tǒng)采用面向對象結構設計,動態(tài)顯示畫面,可以采用網絡環(huán)境下多用戶方式運行,投入運行后得到用戶的好評,取得了較好的經濟效益。參考文獻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