1、高抗冲聚苯乙烯中间试验装置高抗冲聚苯乙烯中间试验装置中应用中应用 电加热和电保温控制方案。被控制对象是具有纯滞后时间长、热惯性大的特点。由增韧溶胶、引发预聚、聚合反应、挤出造粒和导热油加热循环系由增韧溶胶、引发预聚、聚合反应、挤出造粒和导热油加热循环系统等组成。统等组成。聚合又分为塔式聚合和静态聚合，分别模拟二类不同的聚合反应过聚合又分为塔式聚合和静态聚合，分别模拟二类不同的聚合反应过程。程。目的是开发高抗冲聚苯乙烯新牌号的工艺流程和提供工业化装置设目的是开发高抗冲聚苯乙烯新牌号的工艺流程和提供工业化装置设计和操作用的基础数据等计和操作用的基础数据等 聚合反应温度控制的重要性聚合反应温度控制的
2、重要性 苯乙烯聚合的引发预聚反应是一个吸热过程苯乙烯聚合的引发预聚反应是一个吸热过程,进进入聚合反应后入聚合反应后,会释放出大量聚合热会释放出大量聚合热,又因聚合分又因聚合分子量增加子量增加,粘度增大粘度增大,传热效率会降低。所以在整传热效率会降低。所以在整个聚合反应过程中先要预热引发个聚合反应过程中先要预热引发,然后要及时撒热然后要及时撒热和恒温。和恒温。聚合反应温度对于产品质量影响巨大。温度过聚合反应温度对于产品质量影响巨大。温度过高将导致所生成的聚合物分子量降低，影响熔融高将导致所生成的聚合物分子量降低，影响熔融指数指数,使产品机械强度下降使产品机械强度下降;而温度过低又会使聚而温度过低
3、又会使聚合时间过长，无法发挥装置的生产能力合时间过长，无法发挥装置的生产能力.工艺要求工艺要求设定温度的波动范围在设定温度的波动范围在1以内。以内。聚合反应温度用导热油来控制聚合反应温度用导热油来控制聚合反应温度聚合反应温度,是由聚合反应器夹套内的导热油来是由聚合反应器夹套内的导热油来完成预热或撤热恒温的。导热油来自于导热油完成预热或撤热恒温的。导热油来自于导热油罐罐,采用双缸式计量泵进行恒流量循环采用双缸式计量泵进行恒流量循环.油温靠导油温靠导热油罐夹套内的远红外电加热元件来加热恒温。热油罐夹套内的远红外电加热元件来加热恒温。温度控制对象的特性 本装置的聚合反应温度对象由聚合反应器和导热油罐
4、组成,共有八套。被控温度对象被控温度对象具有纯滞后加一阶惯性特性。具有纯滞后加一阶惯性特性。从测试数据表明纯滞后时间与电加热功率有关:电加热功率大时,纯滞后时间较短;电加热功率小时,纯滞后时间较长纯滞后时间较长,最长为最长为10分钟左右分钟左右。也就是说,当电加热功率增加或减少时,导热油温度的变化最长可能要经过10分后才能被导热油罐上的铠装热电偶检测到,可见温度滞后现象是非常明显的。温度控制对象的特性 导热油的降温正常情况下是靠自然散热。因导热油罐夹套外有保温层,故散热缓慢.根据测试知道:当导热油温度为50,环境温度为23时,导热油温度降温速度仅为导热油温度降温速度仅为10/小小时左右时左右。
5、因此导热油在预热升温过程中,不不能有温度超调量出现能有温度超调量出现,否则使用人工加入泠油的办法来降温是很费时和耗能的。续 导热油循环管道电保温对象由循环管道和导热油循环管道电保温对象由循环管道和外缠电热带组成外缠电热带组成,设计上分成设计上分成45段。由于管段。由于管道保温段的长短不一道保温段的长短不一,所以每段保温对象的所以每段保温对象的纯滞后时间也各不相同。纯滞后时间也各不相同。PID采样控制的应用采样控制的应用 采样控制不需要预先己知对象的数学模型采样控制不需要预先己知对象的数学模型,其控制思想是其控制思想是用用“调一下调一下,等着瞧等着瞧”的方法的方法,对具有纯滞后特性的温控对对具有
6、纯滞后特性的温控对象较为有效。象较为有效。它是靠采样开关来实现的它是靠采样开关来实现的,在每个采样周期内进行一次采在每个采样周期内进行一次采样控制样控制,其输出变化是断续的其输出变化是断续的:在采样时间内在采样时间内,采样开关闭合采样开关闭合,则按则按PID控制规律输出变化控制规律输出变化(“调一下调一下”);当采样时间结束当采样时间结束,采样开关断开以后采样开关断开以后,则采用使输入偏差为零或零阶保持器则采用使输入偏差为零或零阶保持器技术技术,使控制输出保持不变使控制输出保持不变(“等着瞧等着瞧”)。采样周期一定要大于对象的纯滞后时间采样周期一定要大于对象的纯滞后时间,采样控制才能充采样控制
7、才能充分发挥其控制作用。若设定的采样时间等于采样周期时分发挥其控制作用。若设定的采样时间等于采样周期时,则采样控制的输出特性与一般则采样控制的输出特性与一般PID连续调节输出特性相一连续调节输出特性相一致。致。固态继电器在电加热控制中的应用固态继电器在电加热控制中的应用 在温度电加热控制中在温度电加热控制中,目前广泛使用交流固态继电目前广泛使用交流固态继电器（器（SSR）作为执行机构，它集可控硅和传统继）作为执行机构，它集可控硅和传统继电器的功能于一体，实现无触点化，其可靠性和电器的功能于一体，实现无触点化，其可靠性和安全性大大提高。安全性大大提高。它是一种四端有源器件，其中两端为输入控制它是
8、一种四端有源器件，其中两端为输入控制端，另外两端为输出受控端，输入与输出端之间端，另外两端为输出受控端，输入与输出端之间用光电隔离。当输入控制端加上用光电隔离。当输入控制端加上15伏的直流电伏的直流电压信号时，输出受控端就能从开路变成导通状态压信号时，输出受控端就能从开路变成导通状态.适用于温度控制或需要频繁开关的场合。为减少适用于温度控制或需要频繁开关的场合。为减少高次谐波的干扰高次谐波的干扰,污染电网污染电网,采用过零触发采用过零触发Z型交流型交流固态继电器固态继电器 交流固态继电器与电加热元件工作原理交流固态继电器与电加热元件工作原理导热油循环管道电保温的导热油循环管道电保温的PID采样
9、控采样控制方案制方案 控制回路的方块图如图所示控制回路的方块图如图所示,共设有共设有45个控个控制回路制回路聚合反应温度的聚合反应温度的PID采样控制方案采样控制方案 具有二个测温点自动选择的温度采样控制方块图共设有8个控制回 大纯滞后温度控制方案的实施大纯滞后温度控制方案的实施 仪表方案仪表方案二个仪表柜二个仪表柜+53台温度调节器台温度调节器+切换开关切换开关+二个电气柜二个电气柜大纯滞后温度控制方案的实施大纯滞后温度控制方案的实施 DCS方案方案 两个操作站两个操作站(OCS1和和OCS2),能同时对整个装置的运行进能同时对整个装置的运行进行监控和管理行监控和管理,互为备用。其中一台兼工
10、程师站。并设激互为备用。其中一台兼工程师站。并设激光打印机一台光打印机一台,用于试验报表和警报信息的打印。用于试验报表和警报信息的打印。控制站（控制站（FCS1）通过双层冗余过程控制网）通过双层冗余过程控制网SCnet连连接两个操作站接两个操作站,内部有内部有1个冗余电源箱机笼。个冗余电源箱机笼。利用控制站内部冗余网利用控制站内部冗余网SBUS连接连接6个个I/O机笼。机笼。系统系统I/O点数点数:模拟量输入（模拟量输入（AI）285点点;模拟量输出（模拟量输出（AO）25点点;开关量输入（开关量输入（DI）65点点;开关量输出（开关量输出（DO）108点。点。采用浙江中控采用浙江中控JX-3
11、00X控制系统控制系统大纯滞后温度控制在大纯滞后温度控制在DCS的实施的实施 利用利用JX300X系统提供的编程语言系统提供的编程语言SCX和自定和自定义义PID控制回路控制回路,在工程师站上完成采样控制程序在工程师站上完成采样控制程序的编程和自定义控制回路的组态等，经编译调试的编程和自定义控制回路的组态等，经编译调试后，下载到控制站，从而构成导热油的温度自定后，下载到控制站，从而构成导热油的温度自定义义PID采样控制回路。采样控制回路。设计中共使用了从设计中共使用了从bsc(0)bsc(52)共共45+8=53 个个自定义自定义PID控制回路控制回路,循环调用采样控制程序完成循环调用采样控制
12、程序完成各项任务。各项任务。采样控制程序由循环计数采样控制程序由循环计数(053);程序和回路设程序和回路设定参数赋值定参数赋值;PID采样控制采样控制;PID输出输出/保持切换保持切换;触触发脉冲的占空比的转换输出和导热油测温点自动发脉冲的占空比的转换输出和导热油测温点自动选择等几大部分组成。选择等几大部分组成。自定义自定义PID采样控制的框图采样控制的框图某一一采样周期内的采样控制的框图:只有在采样周期等于或大于纯滞后时间下只有在采样周期等于或大于纯滞后时间下,程序才能向下进行程序才能向下进行.采样控制程序是靠采样定时器进行计时采样控制程序是靠采样定时器进行计时:当小于采样时间时当小于采样
13、时间时,采样开关闭合采样开关闭合,采样控制根据偏差进行采样控制根据偏差进行PID运算运算,使输出变化使输出变化;当等于或大于采样时间时当等于或大于采样时间时,采样开关断采样开关断,采样控制程序使输入偏差为零采样控制程序使输入偏差为零,即使设定值等于测量值即使设定值等于测量值,则采样控制输出保持不变则采样控制输出保持不变;当采样定时器计时等于采样周期时当采样定时器计时等于采样周期时,一个采样控制周期结束一个采样控制周期结束.固态继电器触发脉冲占空比的转换固态继电器触发脉冲占空比的转换 为将自定义为将自定义PID控制回路输出的模拟信号控制回路输出的模拟信号AO的的MV值值,转换成不同宽度的正脉冲开
14、关转换成不同宽度的正脉冲开关量信号量信号DO输出，作为控制端的输入信号输出，作为控制端的输入信号,特特开发了固态继电器触发脉冲占空比转换的开发了固态继电器触发脉冲占空比转换的程序程序,通过控制固态继电器的占空比通过控制固态继电器的占空比,来控制来控制电加热功率。电加热功率。续续 当自定义当自定义PID控制回路控制回路bsc(PID)的模拟的模拟AO输出在输出在420mA之间为之间为MV0时，由于在时，由于在DCS系统中模拟量的输出被定义为半浮点系统中模拟量的输出被定义为半浮点数，即数，即420mA是对应于机器内部为是对应于机器内部为01.0f，于是将输出正脉冲时间（，于是将输出正脉冲时间（T0
15、14）定义为输出周期（定义为输出周期（T013）与自定义）与自定义PID控控制回路输出制回路输出MV0乘积再取整后的值。电加乘积再取整后的值。电加热元件在输出正脉冲时间（热元件在输出正脉冲时间（T014）内为加）内为加热状态。热状态。续当自定义当自定义PID控制回路控制回路bsc(PID)的模拟的模拟AO输出输出在在420mA之间为之间为MV0时，时，由于在由于在DCS系统中模拟量的输出被定义为半浮点数系统中模拟量的输出被定义为半浮点数，即，即420mA是对应于机器内部为是对应于机器内部为01.0f，于是将输出正脉冲时间（，于是将输出正脉冲时间（T014）定义为输出周期）定义为输出周期（T01
16、3）与自定义）与自定义PID控制回路输出控制回路输出MV0乘积再取整后乘积再取整后的值。的值。电加热元件在输出正脉冲时间（电加热元件在输出正脉冲时间（T014）内为加热状态。）内为加热状态。AO/DO其转换关系 固态继电器触发脉冲占空比转换的框图:占空比转换程序靠输出定时器占空比转换程序靠输出定时器(TM02)进行计时进行计时:当小于输出正脉冲时间（当小于输出正脉冲时间（T014）时）时,正脉开关量输出信号正脉开关量输出信号DO(TE01)为为1,固态继电器受控端处于导通状态固态继电器受控端处于导通状态,为加热中为加热中;当等于或大于输出正脉冲时间（当等于或大于输出正脉冲时间（T014）时）时
17、,正脉开关量输出信号正脉开关量输出信号DO(TE01)为为0,固态继电器受控端处于开路状态固态继电器受控端处于开路状态,停止加热停止加热.当输出计时器当输出计时器(TM02)计时等于或大于计时等于或大于输出周期（输出周期（T013)时为一个占空比转换的输出周期结束时为一个占空比转换的输出周期结束 采样控制回路的参数设定和操作画面采样控制回路的参数设定和操作画面 本参数设定和操作画面，是本参数设定和操作画面，是53个温度采样控制回个温度采样控制回路的人机界面路的人机界面,共设有共设有7幅画面幅画面,每幅包含八个温每幅包含八个温度采样控制回路。每个控制回路中包括度采样控制回路。每个控制回路中包括:
18、程序的程序的运行停止、温度采样控制回路的设定值运行停止、温度采样控制回路的设定值(SV)、采样周期、采样时间、对象纯滞后时间和输出采样周期、采样时间、对象纯滞后时间和输出周期周期(T013)等的设定。同时还能显示与本采样等的设定。同时还能显示与本采样控制回路密切相关的程序参数值控制回路密切相关的程序参数值:采样定时器、采样定时器、输出定时器输出定时器(TM02)和输出正脉冲时间和输出正脉冲时间(T014)等。等。由此可观察到回路程控运行的状况由此可观察到回路程控运行的状况。1反应器和导热油罐反应器和导热油罐TIC11温度控温度控制回路制回路控制回路参数的设定控制回路参数的设定 在采样控制回路参
19、数设定和操作画面上在采样控制回路参数设定和操作画面上,进行位号进行位号TIC11各种参数的设定各种参数的设定.设定值如下：设定值如下：纯滞后时间纯滞后时间T012：200秒秒;采样周期采样周期T011：300秒秒;采样时间采样时间:20秒秒;输出周期输出周期T013;10秒秒;比例带比例带P：100%;积分时间积分时间Ti：15分钟分钟;设定设定值值SV：预设定为：预设定为50,待温度稳定之后待温度稳定之后,再再升到设定值升到设定值60.控制回路的投运控制回路的投运手动操作手动操作MV值为值为100%,全功率升温，全功率升温，当温度从室温升到预定温度当温度从室温升到预定温度35时时,将将MV值
20、改为预置值值改为预置值15%.并确定并确定 PID调节作用是设为反作用。调节作用是设为反作用。在采样时间内控制回路切入自动在采样时间内控制回路切入自动,待稳定在待稳定在50后后,再改变设定温度到再改变设定温度到60。图。图9为位号为位号TIC11的升温趋势记录曲线的升温趋势记录曲线 效果本回路原采用常规本回路原采用常规PID数字式温度控数字式温度控制仪制仪.自改用自改用DCS系统采用采样控系统采用采样控制后温度控制精度提高制后温度控制精度提高,导热油预导热油预热升温时间由热升温时间由1224小时缩短为小时缩短为56小时。当设定值改变后温度小时。当设定值改变后温度变化平稳变化平稳,温度的过渡过程
21、时间缩温度的过渡过程时间缩短短,超调量较小超调量较小,不再需要人工用冷不再需要人工用冷油来降温后再重新升温油来降温后再重新升温,操作平稳操作平稳,增加了实验时间增加了实验时间.并节约了能耗。并节约了能耗。结论结论 PID采样控制、固态继电器触发脉冲的采样控制、固态继电器触发脉冲的占空比转换和采样控制回路的参数设占空比转换和采样控制回路的参数设定和操作画面三者有机的结合定和操作画面三者有机的结合,构成具构成具有纯滞后特性的温度电加热控制解决有纯滞后特性的温度电加热控制解决方案。在导热油温度控制中成功应用方案。在导热油温度控制中成功应用,温度控制在温度控制在1以内以内,预热升温时间预热升温时间缩短缩短,取得了明显的效果取得了明显的效果,
