化工企业中的硝化反应主要指有机化合物分子中引入硝基取代氢原子而生成硝基化合物的反应^[1]。硝化方法很多, 最为常用的是混酸硝化法, 即将浓硫酸和浓硝酸混合后得到混酸作为硝化试剂。它属于剧烈放热反应, 如果操作稍有疏忽、如中途搅拌停止、冷却水供应不足或加料速度过快, 都易造成温度失控而爆炸, 散发大量有毒物质, 甚至引起火灾^[2]。而目前很多中小型化工企业的硝化反应多以人工手动操作为主, 具有下列危险因素:

1) 现场操作人员多, 一旦发生事故将会造成人员机械伤害、中毒甚至直接威胁生命安危。

2) 人为不当操作是事故发生的重要原因。在温度、压力、进料量的控制中, 阀门开关错误或操作错误将会导致事故发生。

3) 人工手动控制中很难严格控制工艺参数, 稍有不慎即会出现投料比控制不当、超温、超压等异常现象, 引发事故。

4) 作业环境对人体健康的影响不容忽视, 容易造成职业危害^[3]。

本文设计的基于西门子PLC的硝化反应控制及安全联锁系统, 通过西门子S7-200 PLC、扩展模块、触摸屏、现场传感器及执行机构等组成闭环控制系统, 不仅能够实现温度闭环控制, 避免手动操作带来的不安全隐患, 还能降低劳动强度、改善作业环境, 能更好的实现高产、优质、长周期的安全运行。

1 硝化反应工艺简介及控制要求

硝化反应工艺流程如图 1所示, 浓度较高的硫酸按照设定流量加入硝化反应釜, 与釜内浓硝酸及其他化学原料发生反应, 产生硝化产物。搅拌电机用于保证反应均匀, 防止局部过热。硝化釜外层带有夹套, 并通过冷媒控制釜内温度^[4]。

系统控制要求:

1) 流量控制:通过流量计检测浓硫酸滴加流量, 并通过调节阀进行流量控制, 使反应过程稳定可靠。

2) 温度控制:通过控制冷媒流量使反应釜内温度保持在硝化反应最佳温度范围内, 当温度过高时, 系统自动增大调节阀开度以加大冷媒流量, 当温度过低时, 系统自动减小调节阀开度以减少冷媒流量。

3) 温度超高联锁:当温度超高时系统报警, 同时关闭浓硫酸调节阀, 切断进料, 冷媒阀开至最大。

4) 搅拌电机联锁:当滴加浓硫酸时, 为防止局部过热, 搅拌电机始终处于工作状态, 如果搅拌电机停止, 立即停止滴加浓硫酸。

5) 人机交互:可通过触摸屏设置浓硫酸流量、反应釜反应温度、温度最高限报警、浓硫酸调节阀手/自动无扰切换等, 也可以累计浓硫酸滴加总量。

2 控制系统电气原理图

硝化反应控制系统共包括一台用于搅拌的三相异步电动机, 采用全压起动控制方式。控制系统电气原理图如图 2所示。空气开关QA0为设备电源进线总开关, FU为控制回路熔断器。按下电源开按钮, 交流接触器QF线圈吸合, 控制回路自锁, 电路保持接通状态, 电源指示灯EA4亮。1号2号开关电源、电磁流量计、温度变送器、PLC得电工作。1号开关电源用于模拟量输入扩展模块EM231和模拟量输出扩展模块EM232供电, 与其他电器分离, 减小干扰。2号开关电源给PLC供电。按下电源停按钮可以断开控制系统电源, 停止运行。为保证系统安全, 控制柜和反应釜现场分别安装急停按钮, 有紧急事故时按下急停按钮, 整个系统断电。流量控制选择气开式调节阀, 断电阀门自动关闭, 停止滴加浓硫酸。交流接触器QA1由PLC输出点控制, 控制搅拌电机起停。BB为搅拌电机的热继电器, 对电机过载保护^[5]。

3 PLC系统硬件设计

PLC系统采用两层控制模式, 上位机选用昆仑通态触摸屏TPC1162-Hi进行信息显示、参数设置、生产操作和数据管理等。下位机选用西门子公司S7-200系列PLC作为控制器^[6], 采集现场运行、过载、温度、流量等各种信号, 根据预先设定好的程序控制搅拌电机、调节阀、报警灯等各种执行机构。系统结构框图如图 3所示。

根据硝化工艺及具体控制要求, 本系统包括自动启停按钮、各执行机构手动控制按钮、各调节阀开关位信号、电机运行信号等10个数字量输入点, 搅拌电机及报警指示等5个数字量输出点, 反应釜温度与浓硫酸流量2个模拟量输入点, 冷媒调节阀与浓硫酸调节阀给定2个模拟量输出点。具体输入输出地址分配表如表 1所示。根据输入/输出点数配置, 系统选用西门子S7-200 CPU-224作为中央处理单元, 选用一块EM231用于模拟量信号输入、选用一块EM232用于模拟量信号输出。

4 PLC系统软件设计 4.1 触摸屏界面设计

触摸屏是人机交换设备^[7], 通过触摸屏界面可以显示现场生产参数和设备运行情况, 可以设置工艺参数和控制参数, 可以实现危险装置远程控制, 解决了作业环境对人体健康造成的职业危害。

4.1.1 主界面设计

主画面可以显示浓硫酸滴加流量、浓硫酸调节阀开度、反应釜温度、冷媒调节阀开度、搅拌机工作状态。当温度过高、流量过大、搅拌电机过载时, 会显示报警信息, 并以2 Hz频率闪烁以提醒操作人员。主画面可以设置反应釜温度、浓硫酸流量。硫酸调节阀及冷媒调节阀手/自动切换, 阀门输出值设置(手动状态下有效)。主画面如图 4所示。

4.1.2 控制参数及历史曲线画面设计

控制参数画面可以设置浓硫酸流量P和I参数设定值, 反应釜温度P、I和D参数设定值, 浓硫酸流量最高限定值以及温度最高限、最低限设定值。控制参数影响系统控制效果, 因此不能随意修改, 组态时设置修改工程师权限, 保证系统安全可靠。历史曲线画面可以显示温度和流量历史变化曲线, 便于操作人员及管理人员统计管理。控制参数及历史曲线画面如图 5所示。

4.2 PLC控制程序设计

PLC控制程序采用分块化结构, 分为系统初始化程序、量程转换程序、手动控制程序、自动控制程序等。其中初始化程序用于复位程序使用到的中间变量和标志位, 设置某些参数为默认值等。量程转换程序用于将模拟量输入模块采集到的标准数字量转换为现场实际工程量, 如温度、流量等, 同时将CPU输出的阀门开度转换成标准数字量, 并通过模拟量输出模块转换为直流4~20 mA信号控制气动执行机构。手动控制程序根据触摸屏的输出命令或操作按钮的开关状态控制搅拌电机起停、调节阀的开度。自动控制程序根据设定的工艺参数, 自动完成所有工作, 期间不需要人为干预。控制程序流程图如图 6所示。

在自动控制程序中, 温度控制采用Bang-Bang控制算法, 流量控制采用PID控制算法。

4.2.1 Bang-Bang控制

Bang-Bang控制既可称作快速控制又可称为时间最优控制为, 广泛的应用于导弹、宇宙飞船等姿势控制方面^[8]。Bang-Bang控制的输出值的表达式如公式(1)所示。

$ u(k) = \left\{ {\begin{array}{*{20}{c}} {{u_{\mathit{max}}}}&{e(k) > \varepsilon }\\ 0&{e(k)\varepsilon } \end{array}} \right. $

(1)

式中, u(k)为Bang-Bang控制的输出值, u_max为输出的最大值, e(k)为温度误差。当误差e(k)大于设定值ε时, 控制器输出值为最大值u_max; 当误差e(k)小于或等于设定值ε时, 控制器输出值为零。因为Bang-Bang控制算法简单且能够快速的消除较大误差, 所以我们采用Bang-Bang控制实现温度控制。Bang-Bang控制实现温度控制的流程图如图 7所示。

4.2.2 PID控制

PID控制器包括比例、积分、微分三个环节, 输入信号经过三个环节后作用于被控对象, 经过反复比较输出结果与设定值的偏差并修正构成了一个闭环系统。根据输入的偏差值, 按比例、积分、微分的函数关系, 进行运算, 可得输出值U(t)。如公式(2)所示:

$ u(t) = {k_p}\left( {e(t) + \frac{1}{{{T_i}}}\int e (t)dt + {T_d}\frac{{de(t)}}{{dt}}} \right), $

(2)

其中, k_p为比例系数, k_p的大小决定控制系统响应速度的快慢, 同时也存在着一定的稳态误差。k_p越大, 系统响应速度越快, 但系统的稳态误差变大了; 反之, k_p越小, 系统响应速度越慢, 系统的误差变小了, 同时也缩短了系统的调节时间。T_i为积分时间常数, T_i的取值决定着系统稳态误差的大小。T_i取较大值时, 系统的稳态误差较大, 积分作用较弱; T_i取较小值时, 系统的稳态误差较小, 积分作用较强, 系统的稳定性不好。T_d表示微分环节, 微分环节具有提前预知系统变的作用。PID控制结构简单, 参数易于整定, 比例、积分、微分控制规律各自成独立环节, 且响应速度快, 鲁棒性、系统稳定性好, 我们采用PID控制实现对流量的控制^[9]。PID控制原理如图 8所示。

5 结束语

针对中小型化工企业的硝化反应操作复杂、安全联锁不完善、存在安全隐患、自动化程度低等现状, 我们设计了基于西门子PLC的硝化反应控制及安全连锁系统, 通过西门子S7-200 PLC、扩展模块、触摸屏、现场传感器及执行机构等组成闭环控制系统, 在原有手动控制的基础上采用Bang-Bang控制和PID控制分别对温度和流量进行控制, 不仅实现了温度、流量的闭环控制, 还解决了温度控制上的滞后问题及流量的波动问题, 同时又避免了手动操作带来的不安全隐患, 降低了劳动强度、改善了作业环境, 更好的实现高产、优质、长周期的安全运行。