1  前言

    2萬(wàn)噸/年 聚甲醛是我公司從波蘭ZAT公司引進(jìn)的精細化工裝置，產(chǎn)品價(jià)值高，使用霍尼韋爾公司的PKS（過(guò)程知識系統）系統控制。裝置中精餾塔、蒸餾塔共計17個(gè)，由于精餾塔、蒸餾塔關(guān)聯(lián)變量之間耦合嚴重，過(guò)程反應慢、動(dòng)態(tài)響應時(shí)間長(cháng)、滯后嚴重，使用常規PID控制效果一直不佳，不僅不能投自動(dòng)，手動(dòng)操作效果也不理想，成為該裝置控制的難點(diǎn)，直接影響到了產(chǎn)品質(zhì)量和蒸汽的消耗。PKS系統提供的Profit Loop控制器，使得這一難題有了解決的途徑和可能。

    2  精餾塔C462工藝

    2.1 C462精餾塔的工藝流程

    C462是浮閥塔精餾塔，用于系統中含有微量NaOH的三聚甲醛的精餾，將NaOH除去后，把三聚甲醛回收到系統中去。帶控制點(diǎn)工藝流程圖如圖1所示，進(jìn)料為變頻調速控制流量，由泵P464、P471打入的含堿三聚；由再生堿液蒸發(fā)器間斷蒸發(fā)后送到V466，通過(guò)FRC4641進(jìn)行控制的汽體冷凝液。為防止糖類(lèi)生成，向塔內加入脫鹽水，通過(guò)FRC4645進(jìn)行控制。

    工藝上主要通過(guò)塔頂和塔底兩個(gè)溫度控制系統來(lái)控制產(chǎn)品質(zhì)量。塔底通過(guò)蒸汽調節FIC4642、TIC4647，防止三聚超標。塔頂由回流控制FRC4643與TIC4644調節頂部三聚濃度，并使采出中不含有鈉離子。

圖1. C462工藝流程圖

    2.2 2-C462精餾塔控制的主要問(wèn)題

    2.2.1 變量之間耦合嚴重

    C462塔頂產(chǎn)品質(zhì)量采用直接物料平衡控制，第19塊塔板的溫度與回流量組成串級控制；C462塔底產(chǎn)品質(zhì)量采用能量平衡控制，第7塊塔板的溫度與進(jìn)入再沸器的蒸汽量組成串級控制。當頂層塔板溫度升高時(shí)，塔頂回流量增加，同時(shí)也導致底層塔板溫度下降，進(jìn)入再沸器的蒸汽量增加，頂層塔板溫度卻繼續升高。

圖2. 控制系統框圖

    從圖2所示的控制系統框圖可知，有兩個(gè)被控量和兩個(gè)操作量，過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性傳遞函數為：
   
   
    當回路1的控制器Gc1調節U1，使Y1回到設定值Ysp1，U1也通過(guò)傳遞函數Gp21波及Y2；由于Y2發(fā)生變化，回路2控制器Gc2調節U2，使Y2回到它的設定值Ysp2，而改變U2又會(huì )通過(guò)傳遞函數Gp12影響到Y1。

    變量之間的這種強耦合使得兩個(gè)控制回路不能同時(shí)在自動(dòng)方式下控制，只能由操作人員手動(dòng)操作，操作頻繁且不易控，造成塔頂和塔底產(chǎn)品質(zhì)量受到較大影響，蒸汽量消耗增加。
 
    2.2.2 塔的干擾因素多

    塔的主要擾動(dòng)有：a、進(jìn)料量的波動(dòng)。三路進(jìn)料，有兩路是經(jīng)齒輪泵打到塔的上部，由于物料特性及齒輪泵運行工況差，流量經(jīng)常發(fā)生波動(dòng)甚至斷流； 另一路進(jìn)料是間歇的，由操作人員視前段工序液位的高低手動(dòng)進(jìn)料，瞬間進(jìn)料量的大小對精餾塔的穩定運行有極大的影響；b、再沸器加熱蒸汽壓力的波動(dòng)；c、因環(huán)境變化而引起的回流溫度波動(dòng)；d、三路進(jìn)料的組分波動(dòng)無(wú)法預知。

    3  精餾塔C462控制系統的改進(jìn)

    3.1 控制回路關(guān)聯(lián)分析

    如圖2所示，塔底和塔頂溫度控制是兩個(gè)相互關(guān)聯(lián)的回路，以第一回路為例，被控量Y1與操作量U1之間的傳遞函數與第二回路是開(kāi)啟還是閉合有很大的關(guān)系。假如第二個(gè)控制器Gc2處于手動(dòng)模式，使控制器輸出維持在正常值，即輸出增量U2=0，則Y1與U1之間的傳遞函數：

    （Y2—U2的回路打開(kāi)） (3.1)

    如果兩個(gè)回路都閉合，兩個(gè)回路對Y1的作用疊加在一起：

    （3.2）

    若Ysp2=0，且處于自動(dòng)模式，則根據方框圖：

    (3.3)

    從第二個(gè)回路傳給第一回路的信號是：

    (3.4)

    將式3.3和3.4代入式3.2，得到Y1與U1之間總的傳遞函數：

    （3.5）

    （Y2與U2的回路閉合）

    由此可知，Y1與U1之間的傳遞函數通過(guò)關(guān)聯(lián)項與第二回路的調節器Gc2相關(guān)，涵蓋了第二個(gè)回路對它的影響。

    使用結果表明，常規PID控制算法在這種情況下，系統不穩定，控制器參數的整定也變得更為困難，無(wú)法滿(mǎn)足強耦合、多干擾、大滯后對象的控制要求，而這正是Profit Loop的強項。

    3.2 Profit Loop的控制原理

    Profit Loop是完全集成進(jìn)PKS系統的一種單輸入/輸出（SISO）、基于模型的控制和優(yōu)化技術(shù)，來(lái)源于霍尼韋爾公司專(zhuān)利技術(shù) Profit Suite control，其控制器用一個(gè)簡(jiǎn)單的過(guò)程模型來(lái)預測過(guò)去、現在和將來(lái)的過(guò)程變量的動(dòng)作。模型預測控制方框圖如圖3。

  圖3. 模型預測方框圖

    基于對當前和未來(lái)的預測值，就可產(chǎn)生一個(gè)控制動(dòng)作序列，以最優(yōu)的方式趨向設定值，控制序列圖如圖4。

圖4. 控制序列圖

    3.3 Profit Loop有效降低控制回路的關(guān)聯(lián)

    基于數學(xué)模型的單變量預測控制器Profit Loop將模型預測值引入控制回路，但數學(xué)模型不是單一變量的，引入控制的模型預測值包括了關(guān)聯(lián)回路的影響，利用預測值的超前調節，能有效克服各種干擾，降低控制回路的關(guān)聯(lián)，提高控制的品質(zhì)。

    為滿(mǎn)足C462的控制目標，綜合考慮，確定對塔頂溫度回路TIC4644用Profit Loop控制器來(lái)取代，而塔底溫度回路TIC4647、FRC4643和FRC4642依然用常規PID實(shí)現。

    4  Profit Loop控制器的實(shí)施

    4.1 通過(guò)實(shí)驗數據，建立模型

    PKS系統中，提供了模型生成工具，實(shí)現Profit Loop，生成的方式有：

    PID轉換方式

    PID生成方式

    回路信息方式

    拉普拉斯輸入方式

    在線(xiàn)階躍輸入測試

    我們使用階躍輸入測試建模的方法。

    為獲取對象數學(xué)模型，作階躍測試，根據輸出響應曲線(xiàn)獲得模型參數。塔頂溫度對象的輸入量為塔頂回流量FRC4643，輸出量為塔頂溫度TIC4644，利用提供的模型工具給溫度對象施加偽矩形脈沖響應（PRBS）激勵信號，如圖5所示，τ為對象的時(shí)間常數，輸入信號按正負交替的形式在一定幅度范圍內按一定的速率變化，反復多次，使溫度輸出響應曲線(xiàn)有較好的重現性，以滿(mǎn)足模型精度的要求。

圖5. 輸入脈沖

    4.2 模型預測

    為了進(jìn)行預測，需要 將Profit Loop辨識得到的動(dòng)態(tài)模型內置到控制器中，使控制器過(guò)去的輸出OP值和將來(lái)預測的PV值聯(lián)系起來(lái)，如圖6所示，傳遞函數為： 
   
    其中G是對象的增益系數，T 是對象的滯后時(shí)間，n和d是模型系數，s 是拉普拉斯常數，單位是  。

圖6. 預測PV軌跡

    經(jīng)過(guò)多次辨識，得到C462塔頂溫度的動(dòng)態(tài)模型為   。

    4.3 模型偏差校正，增強控制系統的魯棒性

    系統建模是優(yōu)化控制的難點(diǎn)，不論是多變量的大系統還是單回路的模型。不僅要使所建立的模型與實(shí)際相符，還要在滿(mǎn)足模型精度的前提下，降低模型階次。但所建立的數學(xué)模型，模型預測值和實(shí)際過(guò)程測量值之間，總是存在偏差。為解決模型的失配，Profit Loop 把當前PV的預測值和實(shí)際的測量值做比較，比較后的差值加到PV將來(lái)的運行軌跡中，如圖7所示：

圖7. 模型偏差的校正

    進(jìn)行偏差校正后，控制器對模型的不準確不會(huì )過(guò)度靈敏，具有較好的魯棒性。在Profit Loop 中，MODELPV是沒(méi)有經(jīng)過(guò)偏差校正的模型預測值，正常情況下，未校正的模型預測值，不管在時(shí)間和幅度上都應跟蹤實(shí)際的PV，如果響應出現了偏離，就應該進(jìn)行調整。

    4.4   建立控制器，實(shí)現控制

    當模型預測值滿(mǎn)足要求后，在PKS系統中安裝運行，一旦計算出PV將來(lái)的運行軌跡，控制器就會(huì )采取相應的控制動(dòng)作，促使過(guò)程的運行軌跡朝向控制目標，在這段時(shí)間，滾動(dòng)計算以使PV值靠近SP值，減小控制器的偏差，如圖8所示：

 圖8. 控制步長(cháng)內的偏差

    Profit Loop主要關(guān)注閉環(huán)回路響應時(shí)間之前的那部分運行軌跡，在用戶(hù)設定的閉環(huán)響應時(shí)間之前，其范圍控制(Range Control Algorithm )算法，以最小輸出（OP）移動(dòng)，把PV拉回到SP。即用極小的控制動(dòng)作來(lái)滿(mǎn)足控制的目標，因此相比其它的預測控制來(lái)說(shuō)，魯棒性更好，對模型的精度要求也不高。  
 

圖9. 控制作用的滾動(dòng)優(yōu)化

    5  Profit Loop控制器的實(shí)施效果

    5.1 易于實(shí)施，便于維護

    在控制器不穩定或出現震蕩時(shí)，Profit Loop的 “一鍵式”性能比單參數整定，通過(guò)簡(jiǎn)單地增加性能比值來(lái)減慢調節動(dòng)作的速度，同時(shí)增加魯棒性。反之，如果調節器動(dòng)作太慢，則可以通過(guò)減少性能比值來(lái)加速閉環(huán)調節器的響應。采用Profit Loop控制器，參數容易理解，整定簡(jiǎn)單，耗時(shí)少。而PID控制器，則需要綜合考慮比例帶，積分時(shí)間和微分時(shí)間的作用，不容易整定，耗時(shí)長(cháng)。

    5.2 質(zhì)量指標得到提升

    Profit Loop投用后，控制器很好地克服了模型誤差、強耦合、多干擾、未知干擾等不良因素的影響，精餾塔達到了穩定運行、提高產(chǎn)品質(zhì)量的效果。原來(lái)精餾塔靈敏板溫度波動(dòng)較大，只能作為一個(gè)操作的參考變量，而現在成為一個(gè)生產(chǎn)指標，給進(jìn)一步的優(yōu)化打下了堅實(shí)的基礎。從表1-1可看出，TIC4644 自投用Profit Loop后，波動(dòng)幅度大幅度減小。

    表1-1  C462控制效果對照表

圖10. TIC4644投用前后對照

    5.3 節能降耗，提高了經(jīng)濟效益

    采用Profit Loop控制器，不僅降低了操作人員的勞動(dòng)強度，使裝置運行平穩，提高了產(chǎn)品質(zhì)量控制的一致性，還節約了蒸汽，提高了生產(chǎn)的經(jīng)濟效益。如表1-2 2007年精餾塔C462蒸汽消耗表所示（表中未列月份，裝置處于半開(kāi)車(chē)狀態(tài)），從10月份開(kāi)始TIC4644模型的建立、控制器的安裝調試，10、11月份TIC4644控制器處于調試期間，12月份正式投用。

    表1-2  2007年精餾塔C462蒸汽消耗表

    作者簡(jiǎn)介：

    趙寧，女，1973年生，工程師，現從事DCS管理工作。

    E-mail：lady_li@163.cnom 電話(huà)：08708664865

    地址：云南省水富縣云天化股份有限公司

    錢(qián)光燦，男，1958年生，工程師，現從事DCS管理工作。

    E-mail：qiangguangcan@yth.cn 電話(huà)：08708664885

    地址：云南省水富縣云天化股份有限公司

    郵編：657800