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背景與意義 

近年來，化工工業(yè)進(jìn)入了快速發(fā)展階段，企業(yè)在加大新技術(shù)應(yīng)用和新產(chǎn)品開發(fā)力度的同時(shí)，也始終注重經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益的統(tǒng)一，同時(shí)國家也越來越注重工業(yè)廢氣的排放標(biāo)準(zhǔn)。由石油化工、輕工、印刷行業(yè)以及機(jī)動車發(fā)動機(jī)排出的揮發(fā)性有機(jī)化合物（Volatile organic compounds，簡稱VOCs）廢氣，已成為大氣中的重要污染源之一。PTA氧化反應(yīng)尾氣是PTA裝置排出的數(shù)量*大的有害氣體，其中主要的污染物為乙酸甲酯、對二甲苯和溴代烴類，其中乙酸甲酯高達(dá)14600mgm3，對二甲苯達(dá)2420mgm3，總溴達(dá)228mgm3，其中以乙酸甲酯的含量*高，而且酯類被認(rèn)為是一類較難脫除的VOCs。PTA氧化尾氣中VOCs（揮發(fā)性有機(jī)化合物）含量為中、低濃度，若采用回收技術(shù)法，存在處理效率低、裝置體積大、成本高等缺點(diǎn)。降解技術(shù)中目前較為成熟的是直接燃燒和催化燃燒技術(shù)。直接燃燒是通過800～900 ℃高溫直接氧化尾氣中的有害物質(zhì)為CO2和水，脫除效率可超過99%，但直接燃燒成本價(jià)高；催化燃燒是借助于催化劑的作用，使有害物質(zhì)的分解溫度降低到280～450 ℃，催化燃燒法具起燃溫度較低、氧化溫度低、能耗低、效率高，NOx生成量極少，無二次污染物等優(yōu)點(diǎn)。在自動控制領(lǐng)域中，控制的要求總是在不斷提高，在尾氣處理的中合適地選擇控制策略和選用儀表可以很好地改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可控性，節(jié)省資金投入，促進(jìn)控制系統(tǒng)的普及，取得整體經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和較好的環(huán)保效益。 

但由于催化燃燒過程會有大量易燃易爆化學(xué)氣體，且往往采用高溫高壓操作方式，因此實(shí)驗(yàn)室很難建立實(shí)驗(yàn)裝置展開相關(guān)的工程應(yīng)用研究。與此同時(shí)，以信息技術(shù)、相似原理、系統(tǒng)技術(shù)及其應(yīng)用領(lǐng)域有關(guān)的專業(yè)技術(shù)  

  為基礎(chǔ)，以各種物理效應(yīng)設(shè)備和計(jì)算機(jī)為工具，借助系統(tǒng)模型對實(shí)際的或設(shè)想的系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)研究，展開工業(yè)精餾過程流程模擬與集成監(jiān)控方法的應(yīng)用研究具有很高的工程實(shí)用價(jià)值。雖然仿真代替不了實(shí)際中的生產(chǎn)情況，但可以模擬、驗(yàn)證該方案的可行性。所以近年來，化工過程的計(jì)算機(jī)仿真監(jiān)控平臺的設(shè)計(jì)和故障診斷等方面得到了迅速發(fā)展。 

1.2催化燃燒基本原理 

催化燃燒是借助催化劑在低溫下(200～400℃)下，實(shí)現(xiàn)對有機(jī)物的完全氧化，因此，能耗少，操作簡便，安全，凈化效率高，在有機(jī)廢氣特別是回收價(jià)值不大的有機(jī)廢氣凈化方面，比如化工，噴漆、絕緣材料、漆包線、涂料生產(chǎn)等行業(yè)應(yīng)用較廣，已有不少定型設(shè)備可供選用。 

1)催化劑定義：催化劑是一種能提高化學(xué)反應(yīng)速率，控制反應(yīng)方向，在反應(yīng)前后本身的化學(xué)性質(zhì)不發(fā)生改變的物質(zhì)。 

2)催化作用機(jī)理：在一個(gè)化學(xué)反應(yīng)過程中，催化劑的加入并不能改變原有的化學(xué)平衡，所改變的僅是化學(xué)反應(yīng)的速度，而在反應(yīng)前后，催化劑本身的性質(zhì)并不發(fā)生變化。而實(shí)際上，催化劑本身參加了反應(yīng)，正是由于它的參加，使反應(yīng)改變了原有的途徑，使反應(yīng)的活化能降低，從而加速了反應(yīng)速度。例如反應(yīng)A+B→C是通過中間活性結(jié)合物(AB)過渡而成的，即：A+B→[AB]→C，其反應(yīng)速度較慢。當(dāng)加入催化劑K后，反應(yīng)從一條很容易進(jìn)行的途徑實(shí)現(xiàn)：A+B+2K→[AK]+[BK]→[CK]+K→C+2K，中間不再需要[AB]向C的過渡，從而加快了反應(yīng)速度，而催化劑并未改變性質(zhì)。 

3)催化燃燒的工藝組成：不同的排放場合和不同的廢氣，有不同的工藝流程。但不論采取哪種工藝流程，都由如下工藝單元組成。 

1.廢氣預(yù)處理: 為了避免催化劑床層的堵塞和催化劑中毒，廢氣在進(jìn)入床層之前必須進(jìn)行預(yù)處理，以除去廢氣中的粉塵、液滴及催化劑的毒物。   

  2.預(yù)熱裝置: 預(yù)熱裝置包括廢氣預(yù)熱裝置和催化劑燃燒器預(yù)熱裝置。因?yàn)榇呋瘎┒加幸粋€(gè)催化活性溫度，對催化燃燒來說催化劑是起燃溫度，必須使廢氣和床層的溫度達(dá)到起燃溫度才能進(jìn)行催化燃燒，因此，必須設(shè)置預(yù)熱裝置。但對于排出的廢氣本身溫度就較高的場合，如漆包線、絕緣材料、烤漆等烘干排氣，溫度可達(dá)300℃以上，則不必設(shè)置預(yù)熱裝置。預(yù)熱裝置加熱后的熱氣可采用換熱器和床層內(nèi)布管的方式。預(yù)熱器的熱源可采用煙道氣或電加熱，目前采用電加熱較多。當(dāng)催化反應(yīng)開始后，可盡量以回收的反應(yīng)熱來預(yù)熱廢氣。在反應(yīng)熱較大的場合，還應(yīng)設(shè)置廢熱回收裝置，以節(jié)約能源。預(yù)熱廢氣的熱源溫度一般都超過催化劑的活性溫度。為保護(hù)催化劑，加熱裝置應(yīng)與催化燃燒裝置保持一定距離，這樣還能使廢氣溫度分布均勻。 

1.3化學(xué)反應(yīng)器的基本控制策略 

影響化學(xué)反應(yīng)的擾動主要來自外部，因此控制外圍是反應(yīng)器控制的基本控制策略。穩(wěn)定外圍控制是盡可能使進(jìn)入反應(yīng)器的每個(gè)過程變量保持在規(guī)定數(shù)值的控制，它使反應(yīng)器操作在所需操作條件，產(chǎn)品質(zhì)量滿足工藝要求。通常，穩(wěn)定外圍的控制一句物料平衡和能量平衡進(jìn)行，采用的基本控制方法如下： 

1）反應(yīng)物流量的控制  

為保證進(jìn)入反應(yīng)器物料的恒定，可采用參加反應(yīng)物料的定值控制，同時(shí)，控制生成物流量，使由反應(yīng)物帶入反應(yīng)器的熱量和由生成物帶走的熱量也能夠平衡。反應(yīng)轉(zhuǎn)化率較低，反應(yīng)熱較小的絕熱反應(yīng)器或反應(yīng)溫度較高，反應(yīng)放熱較大的反應(yīng)器，采用這種控制策略有利于控制反應(yīng)的平穩(wěn)進(jìn)行。 

2）流量的比值控制  

  

  多個(gè)反應(yīng)物料之間的配比恒定是保證反應(yīng)向正方向進(jìn)行所必需的，因此，不僅要靜態(tài)保持相應(yīng)的比值關(guān)系，還需要在動態(tài)時(shí)保證相應(yīng)的比值關(guān)系，有時(shí)，需要根據(jù)反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率或溫度等指標(biāo)及時(shí)調(diào)整相應(yīng)的比值。為此，可采用單閉環(huán)，雙閉環(huán)比值控制，有時(shí)，可采用變比值控制系統(tǒng)。 

3）反應(yīng)器冷卻劑量或加熱劑量的控制     

當(dāng)反應(yīng)物量穩(wěn)定后，由反應(yīng)物帶入反應(yīng)器的熱量就基本恒定，如果能夠控制放熱反應(yīng)器的冷卻劑量或吸熱反應(yīng)器的加熱劑量，就能夠使反應(yīng)過程的熱量平衡，使副反應(yīng)減少，及時(shí)地移熱或加熱，有利于反映向正方向進(jìn)行，因此，可采用對冷卻劑量或加熱劑量進(jìn)行定值控制或?qū)⒎磻?yīng)物量作為前饋信號組成前饋-反饋控制系統(tǒng)。 

4）化學(xué)反應(yīng)器的質(zhì)量指標(biāo)是*主要的控制目標(biāo)     

對反應(yīng)器的控制，主要被控變量是反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率或反應(yīng)生成物的濃度等直接質(zhì)量指標(biāo)，當(dāng)直接質(zhì)量指標(biāo)較難獲得時(shí)，可采用間接質(zhì)量指標(biāo)。例如，溫度或帶壓力補(bǔ)償?shù)臏囟鹊茸鳛殚g接質(zhì)量指標(biāo)，操縱變量可以采用進(jìn)料量，冷卻劑量或加熱劑量，也可以采用進(jìn)料溫度等進(jìn)行外圍控制[1]。 

1.4控制系統(tǒng)仿真軟件的應(yīng)用研究現(xiàn)狀 

近十年來，隨著MATLAB語言和Simulink仿真環(huán)境在控制系統(tǒng)研究與教學(xué)中日益廣泛的應(yīng)用，在系統(tǒng)仿真、自動控制等領(lǐng)域，國外很多高校在教學(xué)與研究中都將MATLABSimulink語言作為首選的計(jì)算機(jī)工具。我國的科學(xué)工作者和教育工作者也逐漸認(rèn)識到MATLAB語言的重要性，并且在很多高校的本科自動控制原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中得到應(yīng)用[2,3,4]。 

在自動控制領(lǐng)域里的科學(xué)研究和工程應(yīng)用中有大量繁瑣的計(jì)算與仿真曲線繪制任務(wù)，給控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)帶來了巨大的工作量，為了解決海量計(jì)算的問題，各種控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真的軟件層出不窮，技術(shù)人員憑

  

  借這些產(chǎn)品強(qiáng)大的計(jì)算和繪 圖功能，使系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)的效率得以大大提高。然而在眾多控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真軟件中，MATLAB以其強(qiáng)大的計(jì)算功能、豐富方便的圖形功能、模塊化的計(jì)算方法，以及動態(tài)系統(tǒng)仿真工具Simulink，脫穎而出成為控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和仿真領(lǐng)域中的佼佼者，同時(shí)也成為了當(dāng)今*流行的科學(xué)工程語言[5,6]。 

MATLAB是MathWorks公司于1982年推出的一套高性能的數(shù)值計(jì)算和可視化軟件。它集數(shù)值分析、矩陣運(yùn)算、信號處理和圖形顯示于一體，構(gòu)成了一個(gè)方便、界面友好的用戶環(huán)境。它還包括了ToolBox（工具箱）的各類問題的求解工具，可用來求解特定學(xué)科的問題。MATLAB所具備的強(qiáng)有力的計(jì)算功能和圖形表現(xiàn)，以及各種工具箱提供的豐富的專用函數(shù)，為設(shè)計(jì)研究人員避免重復(fù)繁瑣的計(jì)算和編程，更快、更好、更準(zhǔn)確地進(jìn)行控制系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)提供了極大的幫助。 MathWorks公司于2011年4月發(fā)布了MATLAB的*新版本——2011a(R2011a) 版MATLAB和Simulink產(chǎn)品系列。該版本的核心在于引入了新一代的代碼生成產(chǎn)品：MATLAB Coder、Simulink Coder和Embedded Coder。 

1.5仿真模型與監(jiān)控平臺間的通訊技術(shù) 

根據(jù)現(xiàn)有資料，Matlab和監(jiān)控組態(tài)軟件之間的數(shù)據(jù)交換方法有很多種，其中以動態(tài)數(shù)據(jù)交換DDE為主，動態(tài)數(shù)據(jù)交換是Windows系統(tǒng)中支持進(jìn)程間的通信機(jī)制，它是以共享內(nèi)存來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換的。大量的文獻(xiàn)表明了采用DDE數(shù)據(jù)交換技術(shù)實(shí)現(xiàn)組態(tài)軟件和MALAB的數(shù)據(jù)通信的有效性。但DDE存在的缺陷是：當(dāng)通訊數(shù)據(jù)大時(shí)，數(shù)據(jù)刷新速度慢，容易出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象；DDE本身的窄帶寬，并不非常適用于實(shí)時(shí)交換系統(tǒng)，而這種實(shí)時(shí)系統(tǒng)卻為自動化控制所必需。OPC以其獨(dú)有的開放性、互連性、高效性和產(chǎn)業(yè)性占據(jù)了主導(dǎo)地位。OPC是OLE for Process的縮寫，即把OLE應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，采用客戶服務(wù)器體系。   

  在工業(yè)過程的實(shí)際應(yīng)用中，大多數(shù)監(jiān)控組態(tài)軟件都擁有開發(fā)商自主開發(fā)的專有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫。如果要訪問這些數(shù)據(jù)庫，以前必須要編寫相應(yīng)的代碼程序調(diào)用開發(fā)商提供的API函數(shù)或其他特殊方式來實(shí)現(xiàn)。隨著OPC技術(shù)的廣泛應(yīng)用，國內(nèi)流行的監(jiān)控組態(tài)軟件，如RSVIEW32、Ifix、WinCC、MCGS、Kingview 等全面支持OPC技術(shù)，即這些組態(tài)軟件提供了可以訪問數(shù)據(jù)庫的OPC服務(wù)器，任一客戶端無需了解接口特性，只要按照OPC規(guī)范編寫客戶端服務(wù)程序即可讀取和寫入監(jiān)控組態(tài)軟件實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)。 

1.6化工過程集成監(jiān)控軟件 

組態(tài)軟件的應(yīng)用領(lǐng)域很廣，它可以用于電力系統(tǒng)、給水系統(tǒng)、石油、化工等數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制以及過程控制等諸多領(lǐng)域。隨著工業(yè)自動化水平的提高，以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，人們對工業(yè)監(jiān)控軟件的通用性和靈活性提出了更高的要求。組態(tài)軟件(configuration software)是指一些數(shù)據(jù)采集與過程控制的專用軟件。它們是在自動控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級的軟件平臺和開發(fā)環(huán)境，能以靈活多樣的組態(tài)方式提供良好的用戶開發(fā)界面和簡潔的使用方法，其設(shè)置的各種軟件模塊可以非常容易的實(shí)現(xiàn)和完成監(jiān)控層的各項(xiàng)功能，為自動化工程技術(shù)人員提供了一種設(shè)計(jì)控制策略及控制界面的工具。 

WinCC(windows control center)是由德國西門子公司與微軟公司共同開發(fā)的軟件系統(tǒng)，是結(jié)合西門子在過程自動化領(lǐng)域中的先進(jìn)技術(shù)和計(jì)算機(jī)軟件強(qiáng)大功能的產(chǎn)物。WinCC是一個(gè)功能強(qiáng)大、接口豐富的監(jiān)控系統(tǒng)，既可以用來完成小規(guī)模、簡單的過程監(jiān)控應(yīng)用，也可以用來完成復(fù)雜的應(yīng)用。WinCC將Windows NT應(yīng)用程序的現(xiàn)代體系結(jié)構(gòu)與使用方便的圖形設(shè)計(jì)程序結(jié)合在一起，可以很方便地生成人機(jī)界面，建立完整的過程監(jiān)控解決方 案。 

WinCC監(jiān)控平臺設(shè)計(jì)軟件有著通用的應(yīng)用程序，適合所有工業(yè)領(lǐng)域的解決方案；擁有多語言支持，全球通用 ；它可以集成到所有自動化解決方案內(nèi)，內(nèi)置所有操作和管理功能，可簡單、有效地進(jìn)行組態(tài)，可基于Web持續(xù)延展，采用開放性標(biāo)準(zhǔn)，集成簡便；而且它集成的Historian 系統(tǒng)可以作為IT 和商務(wù)集成的平臺，可用選件和附加件進(jìn)行擴(kuò)展，適用于所有工業(yè)和技術(shù)領(lǐng)域的解決方案。  

WinCC監(jiān)控平臺設(shè)計(jì)軟件集生產(chǎn)自動化和過程自動化于一體，實(shí)現(xiàn)了相互之間的整合，這在大量應(yīng)用和各種工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用實(shí)例中業(yè)已證明，包括：汽車工業(yè)、化工和制藥行業(yè)、印刷行業(yè)、能源供應(yīng)和分配、貿(mào)易和服務(wù)行業(yè)、塑料和橡膠行業(yè)、機(jī)械和設(shè)備成套工程、金屬加工業(yè)、食品、飲料和煙草行業(yè)、造紙和紙品加工、鋼鐵行業(yè)、運(yùn)輸行業(yè)、水處理和污水凈化。 

WinCC提供了所有*重要的通訊通道，用于連接到SIMATIC S5S7505控制器(例如通過S7協(xié)議集)的通訊，以及如PROFIBUS-DP FMS、DDE(動態(tài)數(shù)據(jù)交換)和OPC，(用于過程控制的OLE)等非專用通道；亦能以附加件的形式獲得其它通訊通道。 

   WinCC在其基本系統(tǒng)內(nèi)集成了基于Microsoft SQL Server 2000的功能強(qiáng)大、可延展的“Historian”系統(tǒng)，并以跨公司“Historian”服務(wù)器的形式用作中央信息交換系統(tǒng)。不同的評估用客戶機(jī)、開放性接口(開放性數(shù)據(jù)庫接口：ADO，OLEDB，SQL；編程接口：VBScript和有訪問COM對象模型和API功能的ANS I - C)以及各種任選件(WinCCDat @Monitor, 

WinCCConnectivity Pack，WinCC, Industrial Data Bridge)構(gòu)成了靈活而高效的集成監(jiān)控平臺的基礎(chǔ)，這樣就可以與生產(chǎn)和公司管理層軟件(MES和ERP)相連接。