2008西门子杯全国大学生控制仿真挑战赛考题

根据被控对象特性，设计控制方案，方案中需突出本次大赛主题“节能与安全”。

一、被控对象工艺流程概述

所选被控对象为过程工业常见的带搅拌釜式反应器（CSTR）系统，属于连续反应过程。反应过程为反应物A与反应物B在催化剂C的作用下发生反应，生成产物D。反应初期用热水诱发，当反应开始后由冷却水通过蛇管与夹套进行冷却。其工艺流程图如下：

带搅拌器的釜式反应器（CSTR）

反应釜直径1000 mm，釜底到上端盖法兰高度1376 mm，反应器总容积0.903 m3，耐压2.5MPa。

二、工艺过程简介

该连续反应系统以反应物A与反应物B在催化剂C作用下，在反应温度70?1.0℃下进行反应，反应的产物为D。

反应设备包括：带搅拌器的釜式反应器。反应器为标准盆头釜。反应器耐压约2.5MPa。为了安全，要求反应器在系统开、停车全过程中压力不超过1.5 MPa。反应器压力报警上限组态值为1.2 MPa。

反应过程主要有三股连续进料。第一股是反应物A，F4为进料流量，V4是进料阀；第二股是反应物B，F5为进料流量，V5是进料阀；第三股是催化剂液，F6为催化剂进料流量、V6是催化剂进料阀。

反应器内主产物D重量百分比浓度在图中指示为A，反应温度为T1，液位为L4。反应器出口浆液流量为F9，由出口阀V9控制其流量。出口泵及出口泵开关为S5。反应器出口为混合液，由产物D与未反应的A、B以及催化剂C组成。

反应器设置两类冷却装置，均可作为反应温度的控制手段。第一类为夹套冷却，冷却水入口流量为F7，由阀V7控制流量。第二类为蛇管冷却，冷却水入口流量为F8，由阀V8控制流量。此外，在反应初期，需要由反应器夹套加热热水来触发反应。该热水由开关阀S6引入。反应器搅拌电机开关为S8。

三、反应过程对象特性

由于本反应器有强烈地搅拌作用，起到了很好的分散与稀释功能，使得反应器中的物料流动状态满足全混流假定，即反应器内各点的组成和温度都是均匀的，反应器的出口组成和温度与反应器内相等。

（1）反应停留时间

从反应物料进入反应器开始至该反应物料离开反应器为止所历经的时间称为停留时间。该时间与反应器中实际的物料容积和物料的体积流量有关。一般来说停留时间长，进料流量小，反应的转化率高。也就是说为了使出口混合液中产物D的浓度提高，必须减少进料和出料流量。由于本反应器的物料流动状态满足全混流假定，可以采用平均停留时间的方法表达，反应平均停留时间等于反应器中物料实际容积除以反应器中参与反应的物料体积流量。

（2）反应温度与转化率

当前反应属于放热反应，因此，根据反应温度的高低能判断反应速度的快慢。即当反应速度加快时，放出的热量增加，导致系统温度升高；反之系统温度下降，因为此时出口物料流量和夹套冷却水会带走热量。放热反应属于非自衡的危险过程，当反应温度过高时，反应速度加快，使得反应放出的热量增加，如果热量无法及时移走，则反应温度进一步升高。这种“正反馈”作用将导致反应器温度急剧上升，同时反应器压力飞升。如果反应器内压力超过反应器所能耐受的极限，可能发生爆炸与火灾事故。

在反应停留时间相同、催化剂量相同的条件下，反应转化率由反应温度所决定。控制反应温度的主要手段是夹套冷却水的流量。反应温度要求控制在70?1.0℃。影响夹套冷却作用的相关因素是反应器内料位的高低、冷却水与反应温度的温度差，料位高换热面积大，温度差大热交换推动力大。

反应温度和反应转化率的变化属于时间常数较大的高阶特性。冷却水流量的变化随阀门的开关变化较快、时间常数较小。当冷却水压力下降时（这种干扰在现场时有发生），即使阀位不变，冷却水流量也会下降，冷却水带走的热量减少，反应器中物料温度会上升。由于温度变化的滞后，常规控制器进行调节效果不佳。

（3）反应压力 反应压力的高低主要取决于反应器中反应物A与B混合气体的比例以及反应温度。纯气相物质A在20℃时约为1.0 MPa，70℃时已超过3.0 MPa，温度继续升高，压力还会急剧升高。因此，在较低温度下本反应器就可能发生爆炸危险。实践证明将反应物A与B混合后，混合气体的总压力会降低。而且在温度不变的前提下，物料B的百分比含量越高，系统压力越低。因此，在反应器中必须防止反应物A的百分比含量过高以及反应温度过高的情况发生。另外，在温度不变的条件下，调整反应物A与B的进料流量比可以在一定的范围内控制反应器内压力。

在物料A与B的进料流量比不变的前提下，反应压力随反应温度变化，即反应温度上升，反应压力也同步上升，反应温度下降，反应压力也同步下降。亦即，反应压力升高表征着反应速度加快，转化率提高。

四、具体控制要求

1. 反应转化率控制

要求选手设计控制方案，在反应温度一定的情况下，使得反应体系的转化率尽可能达到最大。

2、开车阶段升温速率控制

在反应开车阶段，由20℃常温逐渐诱发反应至温度到达70℃。在此阶段要求选手设计控制系统，在安全允许范围内，以最快的升温速率达到70℃,超调量要尽可能小。

3、正常工况温度控制

在正常工况下，设计温度控制系统，保证在10%干扰下的控制性能。

4、反应器压力安全控制

为保证反应安全，需要对压力进行安全控制系统的设计。压力高限报警为1.2MPa。

五、比赛要求

针对控制要求，需要选手在理解被控对象的基础上，完成：

1. 控制系统及方案的设计，包括被控变量、操纵变量、阀门特性等的选择，并说明理由

2. 硬件系统方案设计

3. 被控对象的特性测试

4. 在西门子PCS7 上进行控制器组态以及WinCC上进行流程图、趋势、报警等组态。

5. 实施控制系统，包括参数整定、控制系统投运，顺利完成升温过程

6. 实施扰动，评估控制系统性能

初赛要求参加比赛的小队完成上述任务中第1、2项，即控制系统与硬件系统的方案设计。需要选手以工程文档方式进行撰写。评委基于所撰写的控制方案进行初赛。初赛通过的十五支队进入决赛夏令营。在夏令营中完成剩余的任务。控制方案不限，最终得分以综合控制性能为主要依据。

附录：开车操作步骤

1． 初始化检查，系统处于开车前状态。确认所有阀门关闭，所有开关处于关闭状态。

2． 开V5（反应物B进料阀）约60%，使F5（反应物B的进料流量）达到约1540 kg/h，关注液位L4上升。由于与反应物A相比，反应物B在常温下气体的压力较低，因此先加入物料B后加物料A，可以避免反应器内压力大幅升高。

3． 液位L4上升至50%左右，开V4（反应物A进料阀）约55%，使F4（反应物A进料流量）达到约729 kg/h。

4． 当液位L4上升至75%左右，开V9（反应器出口阀）约55%。应防止液位在控制给定值附近上升过快，导致超调量过大。因为设定值已经接近100%液位高限。

5． 当液位L4上升达到工况要求时，将液位控制器投自动控制。

6． 开S8（反应器搅拌电机开关）。使物系处于全混状态。

7． 开S6（热水加热阀），诱发反应。热水流入夹套，通过夹套对反应器内物料加热。用热水最高可将物系加热到50℃（当物系没有化学反应时）。

8． 开V6（催化剂C进料阀）约90%，使F6（催化剂C进料流量）达到约88 kg/h。此时，反应器的三股物料都已按要求连续进入反应器。由于反应尚未诱发，三股物料的混合物也在连续地流出反应器。此状态应当尽量短暂，因为没有产品生成，只有能量及物料损耗。

9． 当T1（反应温度）达到约40℃，关S6（热水加热阀），若T1继续上升，则反应诱发成功。由于当前反应是放热反应，反应速度会随温度升高而不断加快。

10． 当T1（反应温度）达到约45℃，进行升温速率的控制，根据T1（反应温度）自动调整冷却水量，使其按一定速率上升。控制系统的调整应根据反应温度T1的上升情况灵活掌握，总的原则是：维持T1连续快速升温，但不得升温过快而导致失控。

11． 当T1（反应温度）达到70℃附近时，通过控制系统的作用将其温度稳定在±1℃以内。待温度稳定后实施干扰，观察控制系统的调节作用。

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