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(guān)鍵工藝參數(shù)進行嚴(yán)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(guān)系到產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量[3]。間歇反應(yīng)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(yīng)釜溫度的控制。因此間歇反應(yīng)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(dǎo)意義。通常情況間歇反應(yīng)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(yīng)釜的溫度容易受到間歇反應(yīng)釜的材料與厚度、反應(yīng)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(yīng)釜溫度具有高度的非線性、時滯和嚴(yán)重的不確定性的特點，這使得對間歇反應(yīng)釜溫度進行準(zhǔn)確控制變得十分困難[4,5]。但是一旦間歇反應(yīng)釜溫度控制不準(zhǔn)確，就容易造成“飛溫”和“僵釜”現(xiàn)象，嚴(yán)重時甚至?xí)鸨�，十分危險。因而，深入研究間歇反應(yīng)釜溫度控制能夠指導(dǎo)間歇生產(chǎn)的安全進行，避免造成人身傷害和財產(chǎn)損失。

......

2 間歇反應(yīng)釜降溫工藝流程設(shè)計

2.1 概述

為了能夠完成整個生產(chǎn)任務(wù)，在實際生產(chǎn)過程中不僅需要配套的工藝設(shè)備而且還需要一套與之相適應(yīng)的、合理的生產(chǎn)工藝流程，因此為了完成間歇反應(yīng)釜降溫任務(wù)，本章結(jié)合現(xiàn)場實際情況與要求進行間歇反應(yīng)釜降溫工藝流程設(shè)計。在實際生產(chǎn)中，間歇反應(yīng)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(yīng)釜半管夾套中的冷媒與間歇反應(yīng)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(yīng)釜的反應(yīng)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(yīng)釜中的反應(yīng)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(yīng)物中通入氮氣，當(dāng)?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?xí)䦟?dǎo)致生產(chǎn)事故，因此本課題設(shè)計間歇反應(yīng)釜降溫采用間歇降溫的方式。又由于工藝要求的目標(biāo)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(yīng)釜降溫過程。

2.2 降溫工藝方案

為了實現(xiàn)對間歇反應(yīng)釜溫度在目標(biāo)時間內(nèi)由初始溫度降至目標(biāo)溫度，采用基于間歇反應(yīng)釜降溫模型的開環(huán)控制方式，即通過控制間歇反應(yīng)釜夾套入口溫度1t 來實現(xiàn)對間歇反應(yīng)釜溫度和降溫時間的控制。同時為了提高間歇反應(yīng)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(yīng)釜溫度實際測量值mT ，首先對間歇反應(yīng)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(yīng)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(yīng)釜降溫控制系統(tǒng)方框圖如圖 2.1 所示。間歇反應(yīng)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(yīng)釜降溫模型研究............................... 9

3.1 概述........................... 9
3.2 間歇反應(yīng)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(yīng)釜溫度控制方案........................ 17
4.3 間歇反應(yīng)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(shè)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(shè)計................ 25

6 間歇反應(yīng)釜降溫控制系統(tǒng)設(shè)計

6.1 概述

為了提高間歇反應(yīng)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(yīng)釜降溫工藝流程進行控制系統(tǒng)設(shè)計，主要包括控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計、電氣設(shè)計、程序設(shè)計和人機界面設(shè)計。本課題的控制核心是對間歇反應(yīng)釜降溫過程溫度的控制，并且監(jiān)控降溫工藝流程和設(shè)備的運行狀態(tài)。控制系統(tǒng)是基于西門子 S7-300PLC 進行設(shè)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(shè)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(yīng)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(shè)計

間歇反應(yīng)釜降溫控制系統(tǒng)采用三級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，即監(jiān)控級、控制級和現(xiàn)場設(shè)備層。間歇反應(yīng)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(shè)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(shè)計。監(jiān)控級不僅能夠?qū)崿F(xiàn)操作人員對間歇反應(yīng)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(yīng)釜降溫過程溫度控制的研究，目的在于為間歇反應(yīng)釜降溫設(shè)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(yīng)釜降溫過程及控制要求的深入分析，研究設(shè)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(yīng)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(yīng)釜降溫工藝流程的設(shè)計、控制系統(tǒng)的總體設(shè)計、控制系統(tǒng)電氣設(shè)計、間歇反應(yīng)釜降溫模型的研究、間歇反應(yīng)釜溫度控制算法的研究與仿真、間歇反應(yīng)釜降溫工藝程序的編寫和人機界面的設(shè)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(yīng)釜降溫的方式，提出采用間歇冷卻的方式對間歇反應(yīng)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(yīng)釜進行降溫。針對間歇反應(yīng)釜降溫工藝流程，確定結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)為三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，三層網(wǎng)絡(luò)分別指的是監(jiān)控級，控制級和現(xiàn)場設(shè)備層。（2）以間歇反應(yīng)釜溫度為研究對象，通過對間歇反應(yīng)釜降溫過程的降溫機理的研究，經(jīng)過合理的假設(shè)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(yīng)釜降溫模型。

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參考文獻（略）

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本文編號：92705