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1  前言

    石化產(chǎn)品中85%以上以聚合物為最終產(chǎn)品，聚合物的質(zhì)量指標(biāo)和分子鏈長分布決定了產(chǎn)品特性，如成纖、成膜、高強(qiáng)度等。這些特性和聚合方法有關(guān)，更依賴于生產(chǎn)過程的工藝操作條件。

    要實(shí)現(xiàn)在生產(chǎn)過程中預(yù)期的效果，需研發(fā)綜合自動化系統(tǒng)，采用過程模型化技術(shù)、自動化技術(shù)、信息技術(shù)和現(xiàn)代管理化技術(shù)，將現(xiàn)場大量傳感器信號經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時傳給全廠的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合，向企業(yè)決策系統(tǒng)提供裝置生產(chǎn)評價、資源核算、質(zhì)量分析與控制的深層信息，以提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益、市場的適應(yīng)能力和競爭能力，是當(dāng)前企業(yè)的重要對策[1]。

    目前，國內(nèi)外已有商品化綜合自動化的軟件出現(xiàn)，提出了一些整體解決方案。但對非均相、機(jī)理復(fù)雜和集多種單元操作于一體的典型非線性時變聚合物生產(chǎn)過程，還需自行開發(fā)專業(yè)化的生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)。開發(fā)過程將涉及多學(xué)科協(xié)同作戰(zhàn)，只有運(yùn)用跨學(xué)科、多專業(yè)綜合研究方法，才能尋找出適宜的技術(shù)策略，更有效地將裝置運(yùn)行數(shù)據(jù)和控制及管理信息有機(jī)的進(jìn)行轉(zhuǎn)換、加工、傳遞和整合，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)裝置的優(yōu)化運(yùn)行、監(jiān)控和管理。

    以聚丙烯腈（PAN）工業(yè)生產(chǎn)過程為對象，建立了適用于不同控制目的的全流程多種結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型，開發(fā)成集動態(tài)數(shù)據(jù)庫、過程模擬、統(tǒng)計分析、質(zhì)量檢測和控制、在線優(yōu)化、故障診斷等功能為一體的生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)，形成工程化的軟件系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，得到了成功的應(yīng)用，取得了較大成效。本項(xiàng)目實(shí)施是控制理論和信息技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中成功的應(yīng)用實(shí)例，以軟件創(chuàng)收，提高了企業(yè)的自動化和管理水平[3]。

    所建模型及相應(yīng)技術(shù)可推廣應(yīng)用到同類型聚合生產(chǎn)裝置，進(jìn)一步發(fā)展成具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的先進(jìn)控制軟件。

2  工藝流程簡介

    如圖1所示，PAN生產(chǎn)工藝流程有聚合、脫單、水洗、溶解和脫泡等環(huán)節(jié)。整個工藝生產(chǎn)的設(shè)備種類繁多，除聚合釜和五效蒸發(fā)器外，還有脫單塔、真空旋轉(zhuǎn)洗滌機(jī)、高剪切溶解機(jī)、溶解槽、脫泡塔等，整個工藝流程集單元操作聚合反應(yīng)、精餾、分離、溶解、蒸發(fā)于一體，氣、液、固多相操作融合，又是有單體和溶劑循環(huán)回收，關(guān)聯(lián)嚴(yán)重且工藝指標(biāo)要求高的（直接紡絲）化工工藝過程[2]。

圖1  工藝流程圖

    某廠PAN聚合裝置為我國自主設(shè)計開發(fā)的裝置。裝置上配置了先進(jìn)的集散控制系統(tǒng)DCS，并通過網(wǎng)絡(luò)通訊和上位機(jī)連接，具有良好的軟件開發(fā)環(huán)境。

3  軟件系統(tǒng)總體框圖

    開發(fā)的軟件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示[3]，開發(fā)的系統(tǒng)由以下幾個主要部分組成：

    (1)  動態(tài)數(shù)據(jù)庫

    采用數(shù)據(jù)接口技術(shù)和位號映射技術(shù)建立DCS系統(tǒng)和上位機(jī)軟件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通道，并將現(xiàn)場數(shù)據(jù)運(yùn)用標(biāo)度變換、顯著誤差檢測及相關(guān)數(shù)據(jù)處理技術(shù)將現(xiàn)場數(shù)據(jù)送入動態(tài)數(shù)據(jù)庫，是軟件計算的實(shí)時數(shù)據(jù)源，也是軟件系統(tǒng)計算結(jié)果數(shù)據(jù)存貯庫。

    (2)  質(zhì)量指標(biāo)軟測量系統(tǒng)

圖2 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

    采用以模型為基礎(chǔ)的軟測量技術(shù)將生產(chǎn)過程不能直接測量的與操作控制有關(guān)的質(zhì)量指標(biāo)和組分實(shí)現(xiàn)全流程在線實(shí)時檢測和顯示。涉及本項(xiàng)目各設(shè)備的指標(biāo)有聚合物分子鏈長分布、聚合度、pH值、總固、殘單及硫腈酸氰鈉濃度等。

    (3)  生產(chǎn)管理軟件系統(tǒng)

    充分發(fā)揮動態(tài)數(shù)據(jù)庫和在線統(tǒng)計計算的功能，完成在線原料能耗統(tǒng)計、成本核算等，通過人機(jī)界面完成日、班和任何時段的報表均值及歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析等，是工程技術(shù)和操作人員進(jìn)行工藝分析、調(diào)整和調(diào)度決策的有用工具。

    (4)  故障診斷和報警系統(tǒng)

    除對軟測量值和中間計算值超限故障進(jìn)行預(yù)測預(yù)報外，應(yīng)車間要求重點(diǎn)開發(fā)聚合釜入口八股流量的故障診斷和預(yù)測預(yù)報系統(tǒng)。

    (5)  人機(jī)友好界面開發(fā)

    根據(jù)上述系統(tǒng)對界面和結(jié)合工藝人員對軟件操作要求，開發(fā)本項(xiàng)目的人機(jī)友好界面。除主界面外，還分有聚合、脫單、水洗、故障診斷和統(tǒng)計管理等界面。每個界面都設(shè)有相應(yīng)的操作功能，如參數(shù)設(shè)定、曲線顯示等。

4  模型開發(fā)

    過程模型化是控制論研究基礎(chǔ)，也是數(shù)字信息處理技術(shù)和工藝分析的基礎(chǔ), 它涉及多領(lǐng)域的知識，是本系統(tǒng)開發(fā)的創(chuàng)新點(diǎn)和難點(diǎn)所在。過程模型和開發(fā)是一個跨領(lǐng)域的復(fù)雜過程，需要一個長期不斷積累和完善的過程。過程模型的在線正常運(yùn)行離不開設(shè)備工藝和操作控制的正常工作基礎(chǔ)，要適應(yīng)大范圍的工況變化和滿足對象的時變特性。模型必須不斷地完善、改進(jìn)和在線運(yùn)行的維護(hù)。

    聚丙烯腈生產(chǎn)過程是一個機(jī)理復(fù)雜、集多種操作為一體的多變量非線性時變對象，結(jié)合設(shè)備的結(jié)構(gòu)、傳質(zhì)和流動狀況，采用機(jī)理分析模型為主，與實(shí)測數(shù)據(jù)辨識模型參數(shù)相結(jié)合方法，建立本項(xiàng)目有關(guān)的模型。所開發(fā)模型經(jīng)仿真研究和參數(shù)檢驗(yàn)及在線運(yùn)行，模型精度滿足不同控制目的和工藝分析要求。針對裝置單元操作多的特點(diǎn)，建立了滿足不同要求的多種形式數(shù)學(xué)模型。本項(xiàng)目涉及主要的數(shù)學(xué)模型有：

    (1)  聚合釜模型

    利用改進(jìn)的宏觀動力學(xué)模型并結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、回歸模型等方法，分別建立了三個聚合釜的混合模型；為提高模型精度，通過實(shí)驗(yàn)研究方法，給出了pH值和亞硫酸濃度與操作條件的實(shí)時定量關(guān)系[4]。圖3所示是多模型混合混聯(lián)結(jié)構(gòu)圖[5]。從DCS中采集到的輸入數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理，由pH值和亞硫酸濃度回歸模型（子模型1）、反應(yīng)熱量模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型（子模型2～4），求出模型過程參數(shù)k₁、k₂和k₃及聚合物總數(shù)P，最后利用丙烯腈聚合宏觀動力學(xué)模型，得到聚合物的在線轉(zhuǎn)化率和平均分子量等質(zhì)量指標(biāo)[6]。

圖3  多模型混合混聯(lián)結(jié)構(gòu)圖

        (2)  脫單塔模型

        脫單塔是一復(fù)雜精餾塔。通過嚴(yán)格機(jī)理模型方法，結(jié)合裝置的工程結(jié)構(gòu)，分別建立了脫單塔的精餾塔模型，經(jīng)實(shí)時數(shù)據(jù)仿真研究，確定了實(shí)時在線的簡化機(jī)理模型[1]。

        (3)  水洗機(jī)模型

        水洗機(jī)實(shí)質(zhì)上就是回轉(zhuǎn)真空過濾機(jī)。鑒于過濾過程十分復(fù)雜，采用機(jī)理和回歸相結(jié)合的方法，建立了真空旋轉(zhuǎn)洗滌機(jī)的半機(jī)理回歸模型。

        (4)  高剪切溶解機(jī)和脫泡塔模型

        采用機(jī)理分析方法，分別建立了高剪切溶解機(jī)和脫泡塔的機(jī)理模型[6]。

5  質(zhì)量指標(biāo)在線檢測軟件系統(tǒng)

        采用現(xiàn)代控制理論的估計技術(shù)，實(shí)現(xiàn)全流程各環(huán)節(jié)的質(zhì)量指標(biāo)在線檢測并開發(fā)了在線運(yùn)行計算機(jī)工程軟件系統(tǒng)，成功地實(shí)現(xiàn)了“在線分析”。涉及裝置輸出（主導(dǎo)）變量和選擇的輔助變量表1所示，生產(chǎn)過程中工藝操作人員所關(guān)心的質(zhì)量指標(biāo)都已在內(nèi)。

表1  軟測量系統(tǒng)輸入輸出表

        軟測量系統(tǒng)使用過程中融合了大量現(xiàn)場數(shù)據(jù)，原始數(shù)據(jù)的采集、分析和數(shù)據(jù)的預(yù)處理是輸入數(shù)據(jù)處理的第一步，過程檢測數(shù)據(jù)的濾波、誤差處理和數(shù)據(jù)變換就顯得非常重要。在軟儀表程序編制和實(shí)施過程中嵌入了誤差處理、標(biāo)度變換、瞬時輸入變量按時間分布進(jìn)行加權(quán)處理和軟測量結(jié)果進(jìn)行動態(tài)滑動平均等環(huán)節(jié)[7]。

        系統(tǒng)在使用過程中為適應(yīng)對象特性時變、工況或負(fù)荷的變化，要求模型有一定的泛化性，為保證檢測精度，對模型進(jìn)行校正是必要的。參數(shù)估計模塊將根據(jù)需要進(jìn)行模型參數(shù)的估計、存貯和在線修改，采用了自適應(yīng)、增量法等優(yōu)化校正方法。

6  故障診斷系統(tǒng)

        基于解析模型的故障診斷方法仍然是當(dāng)前及今后的主流之一。PAN生產(chǎn)過程的聚合釜為流程龍頭、關(guān)鍵設(shè)備和產(chǎn)品的源頭，聚合反應(yīng)機(jī)理復(fù)雜，影響因素多，操作難度大，故障診斷尤為重要。

        應(yīng)工廠要求，開發(fā)了聚合釜進(jìn)料流量故障診斷報警系統(tǒng)，采用基于解析模型的故障診斷方法，建立反應(yīng)原料供配料槽液位與實(shí)際流量的關(guān)系模型[3]。由于原料的供料情況各不相同，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)是根據(jù)各自的供料情況，建立合適的模型。同時，由于液位計的液面波動測量本身存在很大的誤差，針對此種情況，采用了數(shù)據(jù)處理技術(shù)，對輸入的液位數(shù)據(jù)和輸出的偏差數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的滑動平均和剔除毛刺處理等方法。

7  生產(chǎn)管理軟件

        PAN生產(chǎn)管理軟件系統(tǒng)是借助于數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)來完成實(shí)時生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計計算和數(shù)據(jù)存儲，最終自動生成班報表、日報表以及一段時間的均值報表。主要由三部分組成：數(shù)據(jù)采集及存儲模塊、統(tǒng)計計算模塊和報表生成模塊[3]。

        該系統(tǒng)的成功開發(fā)，充分發(fā)揮了裝置潛在的信息資源能力，完成物流、能源等成品核算等，不僅替代煩瑣的手抄數(shù)據(jù)、人工計算，并及時反映生產(chǎn)信息及相關(guān)重要數(shù)據(jù)，為工程技術(shù)人員和管理層提供重要的決策信息，可隨時觀察和掌握裝置運(yùn)行情況，為生產(chǎn)操作決策給出了有力支撐，實(shí)現(xiàn)了以軟件技術(shù)提高企業(yè)效益。

8  系統(tǒng)軟件程序結(jié)構(gòu)

        根據(jù)不同的語言平臺和功能從總體結(jié)構(gòu)上可以大體分為三大模塊：后臺軟測量模型計算模塊、前臺界面顯示（動態(tài)數(shù)據(jù)顯示、報警顯示、歷史數(shù)據(jù)存儲顯示和參數(shù)設(shè)定等）模塊和中間數(shù)據(jù)庫模塊。軟件系統(tǒng)流程圖如圖4所示[3]。根據(jù)系統(tǒng)軟測量和控制及現(xiàn)場工藝人員的要求，整個系統(tǒng)的人機(jī)界面由六個部分組成：(1) 聚合過程軟測量界面；(2) 脫單過程軟測量界面；(3) 水洗、溶解、脫泡過程軟測量界面；(4) 故障診斷系統(tǒng)界面；(5) 參數(shù)設(shè)置界面；(6) 管理窗口。每個子界面同時具備實(shí)時曲線顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢及顯示等功能。

9  總結(jié)

        綜上所述，聚丙烯腈生產(chǎn)是三單體水相懸浮共聚反應(yīng)、工藝機(jī)理復(fù)雜，生產(chǎn)裝置設(shè)備種類繁多、多種單元操作為一體，并且工藝質(zhì)量指標(biāo)要求高（直接紡絲）的化工過程。對檢測、控制和故障診斷有很高的要求。對這樣一個復(fù)雜的工業(yè)對象，在裝置已有的DCS系統(tǒng)上，通過企業(yè)內(nèi)部局域網(wǎng)傳遞數(shù)據(jù)，將企業(yè)經(jīng)營、過程控制和運(yùn)行管理作為整體，以數(shù)據(jù)和模型為核心，形成裝置信息集成系統(tǒng)，對現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行深層加工處理，在上位機(jī)上應(yīng)用軟測量、優(yōu)化和故障診斷技術(shù)開發(fā)工程應(yīng)用軟件，對工藝質(zhì)量指標(biāo)實(shí)時檢測和顯示，在線進(jìn)行工藝分析和完成物流、能源等的成本核算和生產(chǎn)統(tǒng)計管理，對生產(chǎn)工藝實(shí)現(xiàn)監(jiān)控、管理、單元整合和優(yōu)化，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)裝置的平穩(wěn)、安全、高效運(yùn)行。

        軟件服務(wù)于工程，本系統(tǒng)經(jīng)工程投運(yùn)、調(diào)試和考核，已和工藝裝置連續(xù)同步運(yùn)行。本項(xiàng)目在不增加設(shè)備投資的條件下，通過工廠信息集成處理和先進(jìn)監(jiān)控及管理軟件的開發(fā)，提高了生產(chǎn)裝置的工藝操作水平和管理水平，為穩(wěn)定生產(chǎn)、提高產(chǎn)品質(zhì)量和數(shù)量、降耗節(jié)能提供了有效依據(jù)，達(dá)到了以軟件來增益的目的，提高了企業(yè)的競爭能力[8]。