连续搅拌反应釜的硬件在回路实时仿真平台开发

发布时间：2020-11-13 17:04

　　 作为化工生产的重要设备,连续搅拌反应釜在化工、制药、发酵等领域得到广泛的应用。因其反应过程常常涉及高温高压和有毒有害物质,所以新的控制技术和控制方案在未验证前不能直接应用到系统中,否则很可能因技术不成熟或操作失误造成设备损坏,甚至人员伤亡。为了增强实验安全性,降低实验成本,同时克服全数字仿真的抽象性,提高操作者操作的真实感,本课题以半实物仿真技术为基础,自主设计了一套连续搅拌反应釜硬件在回路实时仿真平台。在深入分析半实物仿真平台需求的基础上,首先提出了平台的总体设计方案,即危险的过程反应用数字仿真服务器实现,实际的操作装置(如开关、PLC、调节阀、触摸屏等)以物理本体的形式加入平台当中。本论文中,我们简要介绍了连续搅拌反应釜的组成结构以及工艺流程,系统分析了反应釜的工作原理,同时以实际化工反应为例,根据建立的反应釜非线性微分方程,利用MATLAB/Simulink搭建了全数字仿真系统(服务器),通过多功能快速开发环境Quarc和Q4数据采集卡实现了数字仿真系统与外围硬件的实时通讯。其次,介绍了监控系统的硬件组成和软件的搭建过程,实现了对反应釜内各个变量的实时采集、实时监控、数据归档等功能。然后,针对全数字仿真系统、监控系统及外围硬件间电气信号不匹配问题,设计了信号调理模块,确保三者间的无障碍通讯。最后,我们成功将一种典型的先进控制算法——模糊控制算法在设计的硬件在回路实时仿真平台上进行了验证,针对指针查表法存在的不足,根据模糊规则和模糊推理,利用梯形图在Step7中实现了模糊控制算法。实验结果表明:自主开发的半实物仿真平台,运行效果良好,能够很好的模拟反应釜的工艺流程,同时在仿真回路中增加的实际物理本体,能够真实还原实际操作环境,给人一种身临其境的真实感,而且该平台能够有效验证控制器的实时性。除此之外,由于在仿真系统中控制器及控制算法实现过程和在真实系统中的实现过程一致,相关的控制技术可以非常容易地从仿真系统移植到实际工程中,从而大大提高控制系统开发的效率,因此可作为控制技术和控制方案的开发平台。
【学位单位】：吉林化工学院
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TQ051.72
【部分图文】：

[1]。连续搅拌反应釜实物图如图1.1 所示。对于连续搅拌反应釜系统，它的控制目的是保证系统稳定的前提下，选择适当的控制变量，对釜内的温度或浓度进行有效控制，以达到提高产品产量和改善产品质量的目的。但在实际操作中，物料浓度的检测较为不便，压力的控制较为繁琐，所以通常选择较为容易控制的釜内温度作为被控变量。反应釜内温度变化涉及升温，降温和恒温几个阶段，最为重要的就是恒温阶段，因此如何确保反应釜内温度快速达到恒温，使产品输出最大化是控制的关键所在。同时很多非线性和大滞后性问题的研究方法都是以连续搅拌反应釜系统为原型，通过分析和总结，得到控制方案。所以对连续搅拌反应釜进行学习和研究也具有很高的理论价值[2-3]。在实际生产过程中，新的控制技术和控制方案不能直接应用到生产装置中，否则很可能因为技术不成熟或操作失误造成人员伤亡

2.1 半实物仿真系统结构框架半实物仿真系统主要由仿真计算机、物理效应设备、接口设备三部分组成。半实物仿真系统原理图如图2.1所示[18]。图2.1 半实物仿真系统原理图（1）仿真计算机仿真计算机是指数字仿真服务器，其主要目的是采用不同方式，对被控对象进行建模分析，模拟过程系统动态特性，在仿真的过程中，实时性是整个环节的关键所在[19]。本课题采用Matlab/Simulink仿真软件对连续搅拌反应釜进行建模，并利用加拿大Quanser公司研发的实时仿真环境QuaRC，将仿真模型转换成实时代码，以确保系统运行的实时性。（2）物理效应设备物理效应设备是指在实际操作中，需要用到的物理本体，对于本课题，物理效应设备包括 S7-300 PLC、开关按钮、调节阀以及触摸屏等。通过将各物理本体接入到回路中的方式，高度还原实际环境，增加系统操作性[20]。（3）接口设备接口设备是指将仿真计算机的模拟量输出转换成外围硬件可接受的电压或电流信号，以驱动物理本体正常运行的装置[21-22]。同时接口设备可接受外部信号

以将本课题的总体方案可分为三个部分，分别为连续搅拌反应釜全数字实时模拟系统的搭建、信号调理模块的设计以及监控系统的设计。总体方案框图如图 2.2 所示。图2.2 总体方案框图在仿真系统建模方面，利用 Matlab/Simulink 软件，根据连续搅拌反应釜非线性微分方程，搭建其仿真模型，作为半实物仿真平台的仿真服务器。同时利用多功能快速控制开发环境 QuaRC，将仿真模型转换生成实时代码，以确保系统运行的实时性，即仿真时间尺度和真实的时间尺度相同。在信号调理方面，设计信号调理电路。由于有些外围设备的可接受信号与系统的输出信号不匹配，如选用的 Q4 数据采集卡的模拟量输入输出信号是 1V 至 5V 间变化的电压信号，但调节阀等设备输入类型很多是标准的 4-20mA 电流信号
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本文编号：2882421