基于MCGS的反应釜控制系统设计与实现

基于MCGS的反应釜控制系统设计与实现

Design and Realization about Reactor Control System Based on MCGS

耿瑞芳曹辉马栋萍王暄

GENG Rui-fang,CAO-Hui,MA Dong-ping,Wang-Xuan

(北京联合大学生物化学工程学院北京 100023)

(Biochemical Engineering College of Beijing Union University ,Beijing,100023)摘要：设计了一套反应釜计算机控制系统，用以实现反应釜配料比值控制，以及反应釜温度—夹套温度串级控制。选用研华工控机、RS232/485转换模块，以及支持MCGS组态及通信功能的天辰智能仪表组成硬件系统；用MCGS工控组态软件编写控制程序。实际运行结果表明，该系统能够按照工艺要求正常运行，串级控制系统调节精度高，可靠性和工作效率均优于简单控制系统。

关键词：反应釜；MCGS；计算机控制系统；串级控制

中图分类号：TP273+.5文献标识码：B

Abstract: A computer control system for reactor has been designed for realize materiel-allotment ratio control, and the string control about the Reactor temperature-interlayer temperature. Hardware system is composed of YanHua IPC, RS232/485 transitional module,and TianChen intelligent meters which support MCGS configuration and communication function;Using MCGS industrial control configuration software write the control programs.The practical running results indicate that the system can runs normally according to the technical requests, string controlling system has high adjustive precision, and its reliability and work efficiency are excelled the simple controlling system.

Key Words: reactor；MCGS；computer control system；string control

1 引言

反应釜是化工生产过程中的关键设备之一,同时也是主要的能耗设备。搅拌釜式反应器系统是一个非线性、时变、大滞后的间歇反应过程，用于小批量、多品种的液相反应系统，如制药、染料等精细化工生产过程。

MCGS是由北京昆仑通态自动化有限公司研制开发的一套适合国情的、通用性强、高品质、低价位的工控组态软件。它具有简单灵活的可视化操作界面，丰富、生动的多媒体画面，能够支持多种硬件设备，实现“设备无关”，实时性强等优点。

2 工艺流程及控制要求

反应釜系统工艺控制流程图见图1。

图1 反应釜工艺控制流程图

图中， TK-A、TK-B、TK-C为储料罐，分别盛放反应物料A、B、C；LIC-302H（L），LIC-303H

（L），LIC-304H（L）分别为3个储料罐的上（下）液位指示变量；SSV501～SSV507、SSV509为电磁阀，DRV为反应釜搅拌器；TT1、TT2分别为反应釜内及反应釜夹套温度变送器，Pt100为铂热电阻；XSL/A-20LS2V0为天辰智能仪表—巡检仪。

按照工艺要求，反应物料A、B、C以一定比例事先加入到3个储料罐中，储料罐的液位计采用干簧式浮球液位计，有两个常开干簧管分别位于液位计的上位和下位，上位干簧管的位置可根据实际情况进行调节。液位计输出的是“通”或“断”的状态信息，当储料罐放空时，下位干簧管闭合，进料阀打开；当进入到储料罐中的物料液位达到要求时，上位干簧管闭合，进料阀关闭。当3个储料罐的液位均达到要求时，打开其对应的出料阀，将三种物料按一定比例加入反应釜内，充分搅拌、反应后，打开SSV509将产品卸出。

产品的质量与反应釜内温度T1密切相关，因此，在整个系统的工作过程中，将釜内温度控制在一定范围内是非常重要的。本系统要求T1=55±2℃。

3 硬件系统组成及连接

根据上述工艺流程分析，对于工控机而言，该反应釜计算机系统共有6个开关量输入变量LIC302H（L）、LIC303H（L）、LIC304H（L），分别为TK-A～TK-C的上(下)液位指示变量，干簧管闭合时其值为“1”。有9个开关量输出变量SSV501～SSV507、SSV509及DRV，其中SSV501～SSV507、SSV509反应电磁阀的工作状态，其控制命令由工控机发出，当其值为“1”时，将有+24VDC电压作用其上，电磁阀打开，反应物料通过对应管道，为“0”时，切断24VDC电源，电磁阀关闭；DRV为反应釜搅拌器的控制信号，为“1”时，将有220V AC电源作用其上，搅拌器动作。有2个模拟量输入变量T1、T2分别为釜内温度和夹套温度，变化范围为0～100%。有1个模拟量输出变量“调节阀”（电动调节阀的开度，变化范围为0～100%）。

工控机对上述18个变量进行信号采集和输出控制，可选用2块天辰开关量输入/输出仪表、1块巡检仪和1块模拟量输出仪表作为桥梁，实现从工控机到现场一次仪表的通信。工控机与天辰智能仪表之间通过RS232/485转换模块进行连接。如图2所示。

图2 硬件系统连接图

6个开关量输入变量接至1#仪表的输入通道，开关量输出变量SSV501～SSV507、SSV509接至2#仪表的输出通道，搅拌器（DRV）则接至1#仪表的输出通道；2个模拟量输入变量接至3#仪表的输入通道，1个模拟量输出变量接至4#仪表的输出通道。

由于输出变量要去控制相应的执行机构（电磁阀、搅拌器和电动调节阀），所以需要进

行输出驱动，即9个开关量输出变量通过1#、2#仪表的输出通道接至继电器的控制端，再由继电器控制+24VDC和220V AC电源的接通或断开；模拟量输出变量“调节阀”通过4#仪表的输出端接至伺服放大器的控制端，由伺服放大器驱动电动调节阀动作。

4 软件设计与实现

本系统应用MCGS设计监控软件，包括创建实时数据库、制作工艺流程画面和动画连接、设计运行策略、设备窗口组态。

4.1 创建实时数据库

根据前面分析的系统输入/输出变量的属性，在MCGS工作台的“实时数据库”窗口页建立以下数据对象，如图3（a）所示。

(a) 系统的输入/输出变量

（c）釜内温度—夹套温度串级控制界面（d）设备窗口组态

图3 反应釜计算机控制系统软件设计

已建立的这些数据对象大多与运行界面中的构件属性连接在一起，因而比较容易确定，但实际组态控制系统时，一般仅靠系统的输入/输出变量无法定义所有的数据对象，往往在进行运行策略设计时需要根据实际情况增加许多中间数据对象，逐步完成实时数据库的创建。

4.2 用户窗口组态

根据系统工艺控制流程图，在MCGS工作台的“用户窗口”中绘制运行画面，并进行动画连接，包括液位计、电磁阀、反应釜、温度变送器、调节阀及流动块构件的动画连接。见图1。

4.3 设计运行策略

4.3.1 反应釜配料比值控制程序设计

依据控制要求，反应釜配料控制为一顺序控制过程。在MCGS “运行策略”窗口的“启动策略”中建立脚本程序构件，编写程序，将除进料阀以外的所有电磁阀开启，启动定时器延时2分钟，以便在系统运行初始清空所有储料罐和反应釜。

设置循环策略的循环周期为200ms ，在其中增加脚本程序构件，并按图3(b)的流程编写控制程序。

搅拌时间在定时器构件中设置，可以根据物料充分反应所需时间调节，当定时器的计时状态变为“1”时，停止搅拌。

4.3.2 反应釜温度—夹套温度串级控制系统设计

在反应釜控制系统中，釜内温度T1是一个非常重要的参数，但由于反应釜具有较大的容量滞后，因此，采用单回路控制系统效果并不理想。本系统采用反应釜温度—夹套温度串级控制系统，副变量为夹套温度T2，主变量为釜内温度T1；副回路采用PI 控制算法，主回路采用PID 控制算法。系统构成如图3(c)所示。

图中，左下角是由反应釜、温度变送器（TT1、TT2）、输入/输出模块、工控机和电动调节阀构成的反应釜温度—夹套温度串级控制系统，右边为报警指示、控制方式和控制算法的选择、设定值及相关参数的设定、以及釜内温度控制实时曲线显示框，以便在线调试时能够直观地根据釜内温度实时曲线的形状，及时调整比例系数、积分时间和微分时间，得到满意的控制效果。

增量式数字PID 控制算式见式（1）

上式中K d =0时为PI 控制算式。

在MCGS 的“运行策略”窗口中建立以下用户策略：PI 、PID ，并按式（1）编写脚本程序。当系统在“自动方式”下运行时，可在“控制算法”下拉框中选择相应的控制算法，并在图3（c ）中对相关参数进行设置，观察釜内温度实时曲线的变化，直到达到控制要求为止。

4.4 设备窗口组态

设备窗口是MCGS系统的重要组成部分, 在设备窗口中建立系统与外部硬件设备的连接关系, 使系统能够从外部设备读取数据并控制外部设备的工作状态, 实现反应釜配料及釜内温度的实时监控。

在MCGS的“设备窗口”中添加通用串口父设备，在其基本属性中设置合适的串口端口号和采样周期；父设备下添加4个子设备，分别为天辰开关量输入/输出仪表1#、2#，巡检仪3#，及模拟量输出仪表4#的驱动，如图3（d）所示。

在基本属性设置中，分别将上述4个子设备的地址设为1、2、3、4。1#仪表的通道连接变量有1个数值输入量（DATA ）和1个开关量输出量（DRV ），DATA 代表6个开关量输入变量状态的加权和，各输入通道的权值为2n （n 为通道号）；2#仪表的通道连接变量为8个开关量输出量（SSV501～SSV507、SSV509），它们与1#仪表的DRV 的通道类型均为“设置输出开关量”；3#巡检仪的通道连接变量为T1、T2，读取1、2号通道的测量值，其变化范围为4～20mADC ，只反应变送器输出电流的大小，要得到温度值，可应用工程转换进行数据处理，将4～20mADC 变换为0～100；4#模拟量输出仪表的通道连接变量为“调节阀”，

(1)

[][])2()1(2)()()1()()1()()(?+??++??=??=?k e k e k e K k e K k e k e K k u k u k u d i p

输出并显示电动调节阀的开度。

设备窗口组态完成后，要进行设备调试，当通信状态的返回值为“0”时，说明通信正常，系统与外部设备的连接正确。

5 在线调试

在编写完成脚本程序，并完成设备组态任务后，便可对整个系统进行在线调试。调试结果如图4所示。

图4 在线运行结果

6 结论

本文设计了一套基于MCGS的反应釜计算机控制系统，实现了反应釜配料控制和反应釜内温度—夹套温度串级控制。实践证明：该系统能够按照工艺要求正常运行，串级控制系统能够将釜内温度很快地调节到工艺指标附近，系统余差C≈1.5℃，最大相对误差为2.7%，达到了控制要求。

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本文的创新点：硬件采用通用I/O设备和智能仪表，可靠性高，开发周期短；用MCGS组态软件设计监控程序，界面友好，比用VB开发简单易实现。

作者简介：耿瑞芳（1966—），女(汉族)，北京联合大学生物化学工程学院副教授，硕士，主要研究方向为自动检测及过程控制、模式识别、机器视觉。

Biography:GENG Rui-fang(1966-),woman(the HAN nationality),associate professor of Biochemical Engineering College of Beijing Union University,Master,Research areas:automatic detecting and process controlling, pattern recognition, robot-vision.