本发明涉及控制领域、流量测量技术领域，尤其涉及一种基于pcs7的聚合反应器控制装置及其控制方法。
背景技术：
现代聚合反应工程涵盖广、发展快。特别是近年来由于多种学科的协同、交叉与渗透，聚合反应工程的界定己从高分子科学、化学工艺和过程工程原理的结合，演变为和控制工程原理、信息技术的结合。聚合反应是高分子放热反应生产过程，反应器内温度高、压力大，被控变量具有时滞、大惯性和时变等特点。因此建设符合我国企业需要的聚合反应过程控制系统对降低企业成本、提高产量、改善环境、建立可持续发展社会、保持我国经济高速发展具有重要意义。
如图1所示，被控对象为过程工业常见的连续反应器、混合罐和闪蒸罐。该连续反应系统以反应物a和反应物b的在混合罐中混合形成的混合物，混合物、催化剂c，在反应器中进行反应，反应的产物为d、杂质e以及剩下的反应物料a，通过闪蒸罐分离出原料a、杂质e和产品d的混合物。反应由原料a、b在反应器里进行化学反应，并放出一定的热量用于体系升温及诱发反应，由冷却水进行冷却。其反应工艺流程如图1所示，该放热反应过程在催化剂c的作用下，原料a与原料b反应生成主产物d和副产物e，反应方程式如下：
主反应：2a+b→d
副反应：a+b→e
其中，主生成物d是所需产品，副生成物e是杂质，主、副反应均为强放热反应。为了获得较高的反应转化率，采用原料a过量的工艺。
工艺过程如下：
原料a与原料b分别由原料a进料泵、原料b进料泵输送进入混合罐v101(立式圆罐)内混合，混合物料经预热器e101升温后，进入放热反应器r101进行反应，反应所需的催化剂c，由催化剂c输送泵p103从反应器顶部加入。在反应过程中，反应放热强烈，因此反应器r101采用夹套式水冷却。反应转化率与反应温度、停留时间、反应物料浓度及混合配比有关，反应体系气相压力对温度敏感，在冷却失效产生的高温条件下，过高的气相压力使反应器有爆炸的风险。在反应器顶部设一路抑制剂，当反应压力过高危及安全时，通入抑制剂f，使催化剂c迅速中毒失活，从而中止反应。冷却水吸收反应器的放热量形成热水，热水通往e101预热器对进料进行预热，以回收一部分热量，多余的热水通往公用工程。
反应器r101底部出口生成物含有产品d、杂质e，催化剂c、以及未反应的原料a和少量原料b，为了回收原料a，在反应器下游设置闪蒸罐v102，将混合生成物(d+e+c+a+b)中过量的原料a分离提纯，以备循环使用。闪蒸罐v102底部的混合生成物(d+e+c+a+b)经输送泵加压，送到下游分离工序，进行提纯精制，以分离出产品d。
采用传统的控制方案，产品d的产量和质量不存在不足，同时原料的利用率不高，能源消耗较大，系统运行不够稳定。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服上述技术的不足，而提供一种基于pcs7的聚合反应器控制装置及其控制方法。
本发明为实现上述目的，采用以下技术方案：一种基于pcs7的聚合反应器控制装置，其特征在于：包括pcs7控制器、数字显示模块、声光报警模块、模数转换器、信号放大器以及若干个传感器和调节阀；所述传感器包括液位传感器和温度传感器，通过所信号放大器和模数转换器与所述pcs7控制器连接，用于监测反应器内部的液位和温度信号，并将液位和温度信号传送给所述pcs7控制器；
所述pcs7控制器用于控制各个调节阀开启和关闭,pcs7控制器内包含反应器液位控制、反应器温度及升温速率控制、进料流量及比例控制、反应器压力安全控制，其中：反应器液位控制的被控对象为：li1102，操纵变量为：fv1105
，调节阀选择反应器出口的调节阀fv1105；反应器温度及升温速率控制的被控对象为：ti1103，操纵变量：fv1201，调节阀选择冷却水的调节阀fv1201；进料流量及比例控制的被控对象为：fi1101、fi1102、fi1104，操纵变量为：fv1101、fv1102、fv1104，调节阀选择进料流量的调节阀fv1101、fv1102、fv1104；反应器压力安全控制的被控对象为：pi1103，操纵变量为：s1101，对s1101采用闭环pid控制。
所述数字显示模块与所述pcs7控制器连接，用于显示各个调节阀以及反应器运行情况；所述声光报警模块对反应器内的压力和液位检测报警，并控制相应的阀门、蜂鸣器和指示灯。
优选地，反应器中设置三个压力和液位传感器，每个传感器把检测的信号送入pcs7控制器，只有两台以上传感器的数值接近过到达临近值，才进行报警。
一种基于pcs7的聚合反应器控制装置的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：1.初始化检查，系统处于开车前状态，确认所有阀门处于关闭状态；
2.开fv1101，开始a进料，液位上升；
3.液位上升到50％左右，开fv1102，开始b进料；
4.当液位上升到60％，打开阀门fv1103；
5.打开催化剂c管线阀门fv1104，诱发反应；
6.当反应器液位上升到60％，打开fv1105；
7.当闪蒸罐液位上升到55％，打开fv1106；
8.打开循环冷却水阀门fv1201，以控制反应器温度；
9.反应器正常运行时，确保反应器温度、压力、液位、产品组份和出口流量均维持在工艺要求范围内。
本发明的有益效果是:一、易于实施能够节约物料成本。
二、无需专门搭建通讯线路，方便美观。
三、功能设计强大而且人性化，考虑到用户对反应器控制的各种需求，削峰填谷，用户节约成本，而且绿色环保。
四、数据记录功能，能够形成大数据系统，方便对用户的反应器的使用情况进行分析并指导后续改进工作。
附图说明
图1为为本发明中控制系统管道仪表流程图；
图2为本发明中plc控制系统结构示意图；
图3为本发明中进料流量比例控制框图；
图4为本发明中反应器液位控制框图；
图5为本发明中反应器温度控制框图；
图6为本发明中闪蒸罐压力控制框图；
图7为本发明中压力报警原理图；
图8为本发明中压力保护逻辑图。
具体实施方式
下面结合附图及较佳实施例详细说明本发明的具体实施方式。如图2所示，一种基于pcs7的聚合反应器控制装置，包括pcs7控制器、数字显示模块、声光报警模块、模数转换器、信号放大器以及若干个传感器和调节阀；所述传感器包括液位传感器和温度传感器，通过所信号放大器和模数转换器与所述pcs7控制器连接，用于监测反应器内部的液位和温度信号，并将液位和温度信号传送给所述pcs7控制器；所述pcs7控制器用于控制各个调节阀开启和关闭；所述数字显示模块与所述pcs7控制器连接，用于显示各个调节阀以及反应器运行情况；所述声光报警模块对反应器内的压力和液位检测报警，并控制相应的阀门、蜂鸣器和指示灯。
一、系统运行及开车过程设计
系统开车顺序控制的好坏关系到系统能否快速稳定。如果开车顺序控制不好很可能造成前期产品的产量下降，组份不达标等问题。为了减少开车时间，物料a和b按一定比例注入反应器时阀门fv1101和fv1102打开，升温时和反应时不仅要保证最大速度，还要保证温度在一定范围内，以达到工艺要求，所以在开车的升温、反应时要引入温度控控制回路，但参数和连续生产时有所不同。因为温度、液位、流量和压力都是可测的，所以它们的转换条件相当清晰，也比较好控。但是组份不可测，在控制时必须依靠其他变量。
1、初始化检查，系统处于开车前状态，确认所有阀门处于关闭状态。
如图3所示，在流量控制系统中控制的对象是一个连续过程,该过程有三种物料,为了保证正常工况式反应的动态平衡,满足工艺的要求,三种物料应该以一定的比例进料，同时为了适应生产的灵活性以及在开车段对进料的要求,因此针对流量我们设计了比值控制流量。为了抑制流量的扰动,减小流量的干扰,我们对流量设计双闭环控制,使流量跟随给定。因为是三种物料是按比例进料的,这就涉及到主副物料确定的问题。
2、开fv1101，开始a进料，液位上升。
在反应过程中，液位控制对反应的安全进行有着重要的影响，对转化率也有很大的影响。高液位会增加反应物的停留时间，提高反应的转化率，但是也容易引起液位过高而报警。
如图4所示，液位控制的被控变量就是液位li1101，影响li1101的主要因素有进料流量fi1103、fi1104、以及出料流量fi1105,、若是以fv1103作控制量,控制过程中进料流量的改变会对其他重要参数如温度ti1102,压力pi1102以及输出混合液中产物百分比ai1101都带来扰动,从而使整个系统经历一个长时间的调整过程,而选取fv1105作控制量则不存在这样的麻烦,因此选择fv1105作为操作变量。液位对象可以看作是一个一阶惯性环节,可以采用pid控制，为克服流量的扰动,对fv1202采用闭环pid控制。
3、液位上升到50％左右，开fv1102，开始b进料。
4、当液位上升到60％，打开阀门fv1103。
5、打开催化剂c管线阀门fv1104，诱发反应。
因为连续反应器的反应属于放热反应，反应温度高低可以表征反应速率的快慢，即当反应速度加快时，放出热量增加，导致系统温度升高；反之系统温度下降。当反应温度过高时，反应速度加快，使得放出的热量增加，如果热量无法及时释放，则反应温度进一步升高。这种“正反馈”作用将导致反应器系统中的温度急剧上升，同时还将导致反应器的压力急剧上升。对于工业生产，这是非常危险的，易发生安全事故。
如图5所示，采用温度串级pid控制:选取反应器温度为主被控参数(简称主参数)，选取冷却水为副被控参数(简称副参数)，把反应器温度调节器的输出作为冷却水调节器的给定值。这样，扰动对反应器温度的影响主要由冷却水调节器(称为副调节器)构成的控制回路(称副回路)来克服，扰动对反应器温度的影响则由反应器温度调节器(称为主调节器)构成的控制回路(称为主回路)来消除。
6、当反应器液位上升到60％，打开fv1105。
7、当闪蒸罐液位上升到55％，打开fv1106。
如图6所示，在反应过程中，压力控制对反应的安全进行有着重要的影响，对闪蒸罐的分离率也有很大的影响。维持一定的压力，提高分离率从而提高出口料产量浓度。液位对象可以看作是一个一阶惯性环节,可以采用pid控制，为克服流量的扰动,对s1101采用闭环pid控制。
8、打开循环冷却水阀门fv1201，以控制反应器温度。
9、反应器正常运行时，确保反应器温度、压力、液位、产品组份和出口流量均维持在工艺要求范围内。同时，确保反应器处在安全、稳定的生产工况。
二.控制系统阀门特性设计
阀门定位器是调节阀的主要附件，通常与气动调节阀配套使用，它接受调节器的输出信号，然后以它的输出信号去控制气动调节阀，当调节阀动作后，阀杆的位移又通过机械装置反馈到阀门定位器，阀位状况通过电信号传给上位系统。阀门定位器能够增大调节阀的输出功率，减少调节信号的传递滞后，加快阀杆的移动速度，能够提高阀门的线性度，克服阀杆的摩擦力并消除不平衡力的影响，从而保证调节阀的正确定位。
本系统的调节器输出信号即阀门定位器的输入信号为电信号，所以选择电-气阀门定位器。
三、系统压力报警设计
如图7所示，本设计中，反应器反应压力的高低主要取决于反应器中反应物a与b的比例以及反应温度。反应压力随反应温度变化，反应温度下降，反应压力也下降；反应温度上升，反应压力也上升，反应剧烈进行时温度继续升高，压力还会急剧升高。如果反应器中的压力过大，就有可能发生安全事故。反应压力的改变实质上是温度变化的前奏，而压力的变化及其测量变送都要比温度的变化和测量快，反应压力作为安全报警，不仅可以作为对反应器安全的判断指标，而且它的测量变送快的特点，使得采取安全措施的时间留有一定的裕度。安全监控的主要作用是使整个反应安全、有序、高效的进行。
正常情况下，由进料流量及比例控制系统控制流量比值和反应温度及升温速率控制系统控制冷却水阀门分别起作用。但当反应器内的压力达到报警限时，此时比例控制系统和升温速率控制系统暂时成为次要控制，而压力控制上升为主要控制。压力控制器将取代上述两种控制器工作。等压力恢复到安全限以内，此时恢复进料流量及比例控制系统和反应温度及升温速率控制系统正常运行。
如图8所示，当反应器内压力到达1.2mpa时，发出报警信号并调节阀门fv1203，fv1201，fv1105，fv1202开度；若压力接着上升到1.5mpa(见图8)，通过控制程序立即关闭阀门fv1201，fv1203，fv1104，同时将阀门fv1105，fv1202开到最大，当液位低于一定值(比如60％，可根据具体情况而定)时，关搅拌器hs1101。观察温度小于一定值(比如40℃，根据具体情况而定)后，可手动关闭冷却水调节阀fv1105，当锅炉内物料排尽后手动关闭fv1202调节阀；待反应器内压力降至1.2mpa以下退出报警程序，返回正常运行时控制程序。
四、系统液位报警设计
当液位达到90％时，发出报警信号并调节阀门fv1203和fv1202的开度，若液位上升到93％，立即产生控制作用使阀门fv1202全开并减少阀门fv1203的开度，从而调节液位快速回落；待液位下降到90％以下退出报警程序，返回正常运行时的控制程序。
五、系统压力、液位连锁报警设计
为切实保障设备安全，保证工业生产顺利进行，对反应器内的压力和液位可采用计算机控制的报警系统。一旦检测到压力接近或到达1.2mpa临近值，液位接近或达到90％临近值就进行报警。采用西门子公司plc400可编程控制器作为车间级中心控制器，对压力和液位检测报警，并控制相应的阀门，蜂鸣器和指示灯等。
为防止误报警造成混乱，必须确保报警的可靠性。采用“三取二”报警原则：反应器中设置三个压力和液位传感器，每个传感器把检测的信号送入plc。只有两台以上传感器的数值接近过到达临近值，才进行报警。如同只有传感器检测的数值接近或到达临近值，则认为是传感器故障，不作为临近值报警处理。一旦压力，液位接近或到达临近值，plc控制系统应启动“报警”程序，及时对阀门进行控制。
六、系统紧急停车设计
由于反应器系统中温度、压力值、液位值过大对于反应器来说是很危险的，所以紧急停车的前提，首先，应当保证温度、压力、液位的实际值低于安全预设值；然后再考虑停车效率。
本设计中，当反应器出现故障时，首先，应当关闭物料进口阀，即物料a、b、c的阀门，保证液位不会上升，反应物料的减少同样可以降低压力。搅拌开关断开，使搅拌器停止工作。通过检测反应器系统中温度，pid调节冷却水阀门开度，当温度低于一定值，关闭冷却水阀门。延时一段时间，若反应器温度不再有较大提升，关闭出口阀门。这样才能达到安全、有效的紧急停车效果。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。