AI-程序调节器在高压反应釜应用

关键词：高压反应釜、程序控制
  一、概述：
         不锈钢高压反应釜具有加热迅速、耐高温、耐腐蚀、卫生、无环境污染、勿需锅炉自动加温，使用方便等特点。广泛应用于石油、化工、橡胶、农药、染料、医药、食品、用来完成硫化、硝化、氢化、烃化、聚合、缩合等工艺过程，是以参加反应物质的充分混合为前提，对于加热、冷却、和液体萃取以及气体吸收等物理变化过程均需要采用搅拌装置才能得到到好的效果。
        目前聚合物生产中的聚合反应主要是在间歇式反应釜中进行的。聚合反应釜是一种常用的化学反应容器，其内部反应机理较为复杂，系统具有较大的时变性、非线性和时滞性，难以建立精确的数学模型。而反应温度是影响聚合反应最重要的参数之一，研究聚合反应温度的相关控制方法，以提高产品的产量和质量，对化工生产具有十分重要的意义。
     大连通产高压釜容器制造公司采用宇电708PE5I4K1S4控制高压反应釜温度达到了控制要求。
  实现高压反应釜温度、压力、流量等参数的测量与控制。对于温度控制，采用模糊PID控制算法。
  二、控制系统组建：
         在化学反应釜控制系统采用AI智能模糊控制算法,使反应釜的温度获得最佳控制效果，由1台上位微机进行管理,实现了控制自动化,管理现代化,提高了产品的质量,节能效果明显，
  反应釜的反应过程进行监控，时性好，组态软件设计界面监控反应釜组态灵活、方便.
        实现单台反应釜或多台反应釜组合PC控制的要求。即组合2台、3台...及任意多台任意型号的反应釜，实现PC控制和数据在线采集。提供您完整的自控技术方案。使得生产的反应釜性能上更安全、使用时更方便。不尽大大减轻反应釜使用者的劳动强度，更重要的是极大的提供了反应釜的安全使用性能。该监控系统分为三层：现场仪表层（下位机控制站）通过RS485通讯总线上传，上位机计算机操作站由工控机组建，AIFCSV9.0组态软件经过二次开发和后台数据库组成，完成整个生产系统的信息监控。该监控系统具有良好的人机界面、操作简单方便，同时它也具有较好的可靠性、稳定性和易扩展性，不仅能够直观、形象地反映现场的实际工况，而且为不同控制方案、不同控制算法的研究提供了软件开发平台。监控系统通过工业以太网进行信息共享。
  三、控制要求：
       高压反应釜要完成物料的反应和乳化、加料和取样、蒸馏和结晶等操作，加热和冷却及制冷、搅拌和混合、物料酸碱度控制，每天24小时连续运行，并可配超温、超pH、定时报警装置，特别适用于对温度和pH要求严格的合成反应。
  设备组合：
  1、反应釜：单/双夹套式反应器系统，含搅拌系统，配置不锈钢换热盘管，反应器盖，带恒压手动加料漏斗，回流冷凝管，带真空泵接口，温度检测套管（可插玻璃温度计或热电偶式温度传感器），进料/取样口，酸碱度/浊度/在线光谱检测口，底部无死角PTFE卸料阀，配置为法兰连接。按要求可配材质为316不锈钢或哈氏合金C或B的合金釜盖。 反应釜及搅拌装置高度可调，测温探头深度可调，加料管插入液面深度可调。PTFE包裹的锚式搅拌桨，高效密封超强耐腐蚀。底部手动卸料/取样。
  2、搅拌：直流无刷搅拌电机和调速器，显示瞬时转速，无级调速，大力矩宽调速，转速精确控制，可进行搅拌定时。
  3、 pH监控：电子pH监测控制器，带1套在线pH检测器和电极和2套蠕动泵。
  4、 温度监控：恒温循环油槽及油温自动水流调控系统（外置式热电偶式温度传感器，导热油/甲基硅油/合成矽油/压缩机油循环，温度范围：-80℃~+300℃内可选择，均带有所选温度范围内的升温和降温装置），可采取温度补偿和直接控制方式进行反应器内温度控制。
  加热方式：采用30KW插入型贮罐电加热器。
         加热原件采用防爆电加热棒。它是用特殊的高温绝缘件为骨架，以镍铬丝为发热元件，用碳钢或不锈钢为护套。产品具有表面热负荷低、使用寿命长、安全可靠、高效节能。加热元件为挠性结构，可作挠性弯曲，更换元件时储罐不需排空。电加热器用于油田、炼油厂、化工厂、油库及各行业罐体、槽池、贮气容器内介质的防冻、防凝、保温、降粘和减阻。取代罐体内传统的蒸汽盘管、热水盘管以及电热管加热方式，解决了传统加热方法的能耗大、维修困难、事故率高等问题它具有结构简单、安装方便、发热均匀、加热速度快、热效率高（可达95%以上）、工作可靠、使用寿命长等特点。
  电热棒的结构
  1、碳钢或不锈钢为护套 2、镍铬丝为发热元件3、接口法兰 4、防爆接线盒 5、电源电缆进口 6、信号线出口   

                                
   
  四、仪表选型、参数表、调试方式
  ①仪表选型：
  釜内温度控制：AI-708PE5I4K1L1L1S4型
  仪表功能：708P程序升温、I4传感器二线制4～20mA输入、K1过零触发可控硅、L1超温报警、S4有通讯功能；
  釜外温度测量：AI-701E5I4L1L1S型
  仪表功能：701测量显示、I4传感器二线制4～20mA输入、L1超温报警、S4有通讯功能、
  釜内压力控制：AI-708E5I4L4S型；
  仪表功能：708控制压力、I4传感器二线制4～20mA输入、L4控制超压保护打开卸压阀、L1超压报警、S4有通讯功能；
  ②参数设置： AI-708PE5I4K1L1L1S4型                 

                     
   
  
  ③调试方式
  温度程序控制仪表AI-708PE5K1L1L1S4增强型智能调节器 ，单向过零触发控制。
  程序设置：
        程序曲线的编排；程序调节器可用于按一定时间规律：温度－时间－温度－时间的格式来程序升温，自动改变给定值进行控制的场合。具有50段程序编程功能，可设置任意大小的给定值升、降斜率；具有跳转（目标段只限于前30段）、运行、暂停及停止等可编程/可操作命令，可在程序控制运行中修改程序；具有二路事件输出功能。可通过报警输出控制其他设备联锁动作，进一步提高设备自动化能力；具有停电处理模式、测量值启动功能及准备功能，使程序执行更有效率及更完善。
  自动自整定功能：
        系统在不同给定值下整定得出的参数值不完全相同，执行自整定功能前，应先将给定值设置在最常用值或是中间值上，把AI-708P程序型仪表第一段设置为常用温度或最高温度，可通过修改当前程序段值来改变给定值以满足要求。如果系统是保温性能好的电炉，给定值应设置在系统使用的最大值上，再执行启动自整定的操作功能。由于自整定执行时采用位式调节，经2~3次振荡后，仪表内部微处理器根据位式控制产生的振荡，分析其周期、幅度及波型来自动计算出M 5、P、t等控制参数。
        参数CtI（控制周期）及dF（回差）的设置，对自整定过程也有影响，一般来说，这2个参数的设定值越小，理论上自整定参数准确度越高。但dF值如果过小，则仪表可能因输入波动而在给定值附近引起位式调节的误动作，这样反而可能整定出彻底错误的参数。推荐CtI=0-2，dF=2.0。此外，基于需要学习的原因，自整定结束后初次使用，控制效果可能不是最佳，需要使用一段时间（一般与自整定需要的时间相同）后方可获得最佳效果。
        AI仪表的自整定功能具备较高的准确度，可满足超过90%用户的使用要求，但由于自动控制对象的复杂性，对于一些特殊应用场合，自整定出的参数可能并不是最佳值，所以也可能需要人工调整MPT参数。
        目前AI仪表自整定采用的是AI人工智能调节算法是采用模糊规则进行PID调节的一种新型算法，在误差大时，运用模糊算法调节，以消除PID饱和积分现象，当误差趋小时，采用改进后的PID算法进行调节，并能在调节中自动学习和记忆被控对象的部分特征以使效果最优化。具有无超调、高精度、参数确定简单、对复杂对象也能获得较好的控制效果等特点。在使用过程中AI调节器 结合PID调节、自学习及模糊控制技术，实现了自整定/自适应功能及无欠调的精确调节，性能远优于传统PID调节器。
         当曲线拟合出现PV值跟不上程序设定曲线SV值时，可采用曲线拟合技术：曲线拟合是AI-708P/808P型仪表采用的一种控制技术，由于控制对象通常具有时间滞后的特点，所以仪表对线性升、降温及恒温曲线在折点处自动平滑化，平滑程度与系统的滞后时间参数t有关，t越大，则平滑程度也越大，反之越小。控制对象的滞后时间(如热惯性)越小，则程序控制效果越好。按曲线拟合方式处理程序曲线，可以避免出现超调现象。注意：曲线拟和的特性使程序控制在线性程序升温时产生固定的负偏差，在线性降温时产生固定的正偏差，该偏差值大小与滞后时间（t）和升（降）温速率成正比。这是正常的现象。
     仪表的程序设置操作请阅读说明书。
  五、计算机监控
        应用宇电AIFCSV9.0组态软件经过二次开发和后台数据库组成，完成整个生产系统的信息监控。采用了RS485总线技术，由于RS485总线技术具有良好的实时性、可靠性、抗干扰能力及检错能力，所以在一些条件比较苛刻的场合里广泛应用。通过串口实现整个系统运行监控，其画面包含：现场模拟图、设备运行状态指示、温度压力显示、各种参数设置、变频调节、实时温度曲线图、设定温度曲线图以及报警信息。
       在系统中由于AI系列仪表的出色性能，宇电又开发出基于AI仪表并具备现场总线特性的AIFCSV9.0计算机监控系统。AI仪表相当于现场总线系统中的各个控制单元，利用RS485作为现场通讯总线，采用宇电自行开发的AIBUS通讯协议，可在上位机上实现100%仪表功能操作如实时读取测量值、给定值、设置参数、自动/手动无扰动切换、调整手动输出值、启动/运行/停止程序，并具备开关量输入/输出操作能力。由于自己掌握100%知识产权，又是开放式结构，所以系统价格非常低廉，具有极高的性能/价格比。
     采用AIBUS协议的AI仪表在9600波特率下能在40ms内向上位机传送4个重要数据，比采用MODBUS协议的进口仪表速度高3-10倍以上，因此即使采用廉价的RS485通讯，AIFCS也具备如DCS或FF、PROFIDBUS等高价现场总线系统同等的使用效果，并可以组建大型系统，而不象通常进口仪表那样只能应用于小型系统。RS485不仅价格低，还具备布线简单、对通讯线要求低及通讯距离长等优点。
　  整个系统分为管理层、操作站和工业现场3个层级,也可只分操作站和工业现场两个层级。 管理层可提供工厂领导浏览现场实时工况画面，也可进行如使用权限、系统配置等高级设置；操作站供仪表班组和技术人员进行计算机实时监控；万一计算机系统发生故障时，仪表操作人员可依传统仪表使用方法直接操作仪表；工业现场提供各种控制信号，如模拟量输入/输出和开关量输入/输出至仪表。
     （1）信息显示画面
        在流程图上可根据现场的要求添加工业现场的量程图片。仪表显示画面主要显示在反应釜当前运行状态信息值，如当前温度、压力、等参数在流程图、实时趋势图或仪表画面上：点击【仪表显示框】出现操作平台：可看到该AI仪表定义控制设备的名称，位号、仪表型号，地址，量程上限，量限下限，测量单位，此时AI仪表的所有显示参数与控制按纽都体现在该平台上。     

                        
   
  
  （2）实时报警处理画面
  对系统实时采集的数据进行判断，当符合报警条件后，屏幕将弹出闪烁的醒目报警信号，具有画面报警和声音报警功能。实时检测被测窑炉参数以及系统电源等故障异常报警。可以对程序运行中发生的事件进行记录。具体在监控程序中可以设置所记录事件的类型，起止时间，对应的动作等。
  （3）量程设置、程序设置画面
  具有一定权限的用户可以用密码登录后，对所测量的参数进行量程的设定，这样可以对因各种不可预知的外界因素产生的测量误差进行细微校正，保证所测量数据的有效性和真实性。此软件适合各种工业现场应用。对有升降温控制的窑炉，使用AI-708P仪表所有的参数可设定，可编排程序，查看编排程序的走向，保存多条程序曲线，实现上传、下传，在线修改程序设置曲线，设置多条控温程序保存在软件系统内。修改【上限绝对值报警值HAL】在对话框里填写参数，点击“确定”参数就下传到现场AI仪表温度调节器；
  （4）报表打印画面
  选择报表名称、设置查询时间范围的打印时间段，选择查询间隔等，生成报表，随时打印，还可选择数据导出功能按Excel类型报表导出。各类报表可导出到软件外以Microsoft Excel文档或浏览器的形式保存。报表查询：输入起始与结束时间段查询历史数据；采样有1；3；5；15；30；60分钟可选择报表。
  （5）实时数据曲线画面
  监视反应釜有关参数的变化趋势曲线，从而可以了解反应釜在一段时间的运行状况。工业现场温度控制器采集测量值，编辑实时曲线，可同时显示8条实时曲线，用颜色来区别。曲线显示可选百分比与实时曲线2种图。也可屏蔽其他曲线，显示单条曲线。呈现的实时数据，并存入系统内数据库，以便日后数据查询等使用。
  （6）历史趋势画面
  功能与实时数据曲线类似，只是它显示的是过去一段时间设备的运行参数值。选中历史曲线组别，设置查询时间范围，显示的是单条或显示全部曲线，点击查询。在历史曲线上可写入备忘录，可写入59个字。直接打印在历史曲线上。可有选择1条或多条来打印历史曲线。
  （7）运行记录画面
  记录软件运行中操作对应的动作记录备案。如：登陆系统、退出系统、打印曲线名称、修改参数等。选择时间段可查询某段时间的记录运行情况。
  （8）用户管理画面
  可以允许不同权限的用户登陆，登陆后，可进行相关的操作。同时还可以允许用户注销自己的身份，这样既可实现灵活，方便的应用，又能保证系统的安全性。
  （10）巡检报告画面
  用户根据反应釜的运行情况，随时巡检反应釜并记录运行情况，生成报告。可用于下达工作计划、留言备忘、可随时添加。
  五、结论
  经过实际生产使用证明，使用该反应釜控制系统控温精确，整个控制系统具有很大的扩展性和可维护性，在工作环境改变时，可灵活增添或减少设备。不用考虑其他事项，这对于系统的不断完善和升级换代奠定了很好的基础。使它的实时性、灵活性、组网方便性以及可维护性获得很好的保证。在一定程度上简化程序设计的工作量。是对传统化工反应器的一次革命性创新，将在化工生产领域具有广泛的应用前景。                          流程图2   表1  电热棒 图1