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張素貞 劉濟 楊惠中 黃翔宇 張超峰 苗曉寒
1 前言
石化產品中85%以上以聚合物為最終產品，聚合物的質量指標和分子鏈長分布決定了產品特性，如成纖、成膜、高強度等。這些特性和聚合方法有關，更依賴于生產過程的工藝操作條件。
要實現在生產過程中預期的效果，需研發綜合自動化系統，采用過程模型化技術、自動化技術、信息技術和現代管理化技術，將現場大量傳感器信號經網絡實時傳給全廠的數據進行綜合，向企業決策系統提供裝置生產評價、資源核算、質量分析與控制的深層信息，以提高企業經濟效益、市場的適應能力和競爭能力，是當前企業的重要對策[1]。
目前，國內外已有商品化綜合自動化的軟件出現，提出了一些整體解決方案。但對非均相、機理復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過程，還需自行開發專業化的生產執行系統。開發過程將涉及多學科協同作戰，只有運用跨學科、多專業綜合研究方法，才能尋找出適宜的技術策略，更有效地將裝置運行數據和控制及管理信息有機的進行轉換、加工、傳遞和整合，進而實現裝置的優化運行、監控和管理。
以聚丙烯腈（PAN）工業生產過程為對象，建立了適用于不同控制目的的全流程多種結構數學模型，開發成集動態數據庫、過程模擬、統計分析、質量檢測和控制、在線優化、故障診斷等功能為一體的生產執行系統，形成工程化的軟件系統連續穩定運行，得到了成功的應用，取得了較大成效。本項目實施是控制理論和信息技術在工業生產中成功的應用實例，以軟件創收，提高了企業的自動化和管理水平[3]。
所建模型及相應技術可推廣應用到同類型聚合生產裝置，進一步發展成具有我國自主知識產權的先進控制軟件。
2 工藝流程簡介
如圖1所示，PAN生產工藝流程有聚合、脫單、水洗、溶解和脫泡等環節。整個工藝生產的設備種類繁多，除聚合釜和五效蒸發器外，還有脫單塔、真空旋轉洗滌機、高剪切溶解機、溶解槽、脫泡塔等，整個工藝流程集單元操作聚合反應、精餾、分離、溶解、蒸發于一體，氣、液、固多相操作融合，又是有單體和溶劑循環回收，關聯嚴重且工藝指標要求高的（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計開發的裝置。裝置上配置了先進的集散控制系統DCS，并通過網絡通訊和上位機連接，具有良好的軟件開發環境。
3 軟件系統總體框圖
開發的軟件系統總體結構如圖2所示[3]，開發的系統由以下幾個主要部分組成：
(1) 動態數據庫
采用數據接口技術和位號映射技術建立DCS系統和上位機軟件系統的數據通道，并將現場數據運用標度變換、顯著誤差檢測及相關數據處理技術將現場數據送入動態數據庫，是軟件計算的實時數據源，也是軟件系統計算結果數據存貯庫。
(2) 質量指標軟測量系統
圖2 軟件系統結構框圖
采用以模型為基礎的軟測量技術將生產過程不能直接測量的與操作控制有關的質量指標和組分實現全流程在線實時檢測和顯示。涉及本項目各設備的指標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) 生產管理軟件系統
充分發揮動態數據庫和在線統計計算的功能，完成在線原料能耗統計、成本核算等，通過人機界面完成日、班和任何時段的報表均值及歷史數據統計分析等，是工程技術和操作人員進行工藝分析、調整和調度決策的有用工具。
(4) 故障診斷和報警系統
除對軟測量值和中間計算值超限故障進行預測預報外，應車間要求重點開發聚合釜入口八股流量的故障診斷和預測預報系統。
(5) 人機友好界面開發
根據上述系統對界面和結合工藝人員對軟件操作要求，開發本項目的人機友好界面。除主界面外，還分有聚合、脫單、水洗、故障診斷和統計管理等界面。每個界面都設有相應的操作功能，如參數設定、曲線顯示等。
4 模型開發
過程模型化是控制論研究基礎，也是數字信息處理技術和工藝分析的基礎, 它涉及多領域的知識，是本系統開發的創新點和難點所在。過程模型和開發是一個跨領域的復雜過程，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行離不開設備工藝和操作控制的正常工作基礎，要適應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、改進和在線運行的維護。
聚丙烯腈生產過程是一個機理復雜、集多種操作為一體的多變量非線性時變對象，結合設備的結構、傳質和流動狀況，采用機理分析模型為主，與實測數據辨識模型參數相結合方法，建立本項目有關的模型。所開發模型經仿真研究和參數檢驗及在線運行，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，建立了滿足不同要求的多種形式數學模型。本項目涉及主要的數學模型有：
(1) 聚合釜模型
利用改進的宏觀動力學模型并結合神經網絡、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，通過實驗研究方法，給出了pH值和亞硫酸濃度與操作條件的實時定量關系[4]。圖3所示是多模型混合混聯結構圖[5]。從DCS中采集到的輸入數據，經過處理，由pH值和亞硫酸濃度回歸模型（子模型1）、反應熱量模型和神經網絡模型（子模型2～4），求出模型過程參數k1、k2和k3及聚合物總數P，最后利用丙烯腈聚合宏觀動力學模型，得到聚合物的在線轉化率和平均分子量等質量指標[6]。
圖3 多模型混合混聯結構圖
(2) 脫單塔模型
脫單塔是一復雜精餾塔。通過嚴格機理模型方法，結合裝置的工程結構，分別建立了脫單塔的精餾塔模型，經實時數據仿真研究，確定了實時在線的簡化機理模型[1]。
(3) 水洗機模型
水洗機實質上就是回轉真空過濾機。鑒于過濾過程十分復雜，采用機理和回歸相結合的方法，建立了真空旋轉洗滌機的半機理回歸模型。
(4) 高剪切溶解機和脫泡塔模型
采用機理分析方法，分別建立了高剪切溶解機和脫泡塔的機理模型[6]。
5 質量指標在線檢測軟件系統
采用現代控制理論的估計技術，實現全流程各環節的質量指標在線檢測并開發了在線運行計算機工程軟件系統，成功地實現了“在線分析”。涉及裝置輸出（主導）變量和選擇的輔助變量表1所示，生產過程中工藝操作人員所關心的質量指標都已在內。
表1 軟測量系統輸入輸出表
軟測量系統使用過程中融合了大量現場數據，原始數據的采集、分析和數據的預處理是輸入數據處理的第一步，過程檢測數據的濾波、誤差處理和數據變換就顯得非常重要。在軟儀表程序編制和實施過程中嵌入了誤差處理、標度變換、瞬時輸入變量按時間分布進行加權處理和軟測量結果進行動態滑動平均等環節[7]。
系統在使用過程中為適應對象特性時變、工況或負荷的變化，要求模型有一定的泛化性，為保證檢測精度，對模型進行校正是必要的。參數估計模塊將根據需要進行模型參數的估計、存貯和在線修改，采用了自適應、增量法等優化校正方法。
6 故障診斷系統
基于解析模型的故障診斷方法仍然是當前及今后的主流之一。PAN生產過程的聚合釜為流程龍頭、關鍵設備和產品的源頭，聚合反應機理復雜，影響因素多，操作難度大，故障診斷尤為重要。
應工廠要求，開發了聚合釜進料流量故障診斷報警系統，采用基于解析模型的故障診斷方法，建立反應原料供配料槽液位與實際流量的關系模型[3]。由于原料的供料情況各不相同，系統實現的難點是根據各自的供料情況，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，采用了數據處理技術，對輸入的液位數據和輸出的偏差數據進行相應的滑動平均和剔除毛刺處理等方法。
7 生產管理軟件
PAN生產管理軟件系統是借助于數據庫和網絡等技術來完成實時生產數據采集、統計計算和數據存儲，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：數據采集及存儲模塊、統計計算模塊和報表生成模塊[3]。
該系統的成功開發，充分發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據、人工計算，并及時反映生產信息及相關重要數據，為工程技術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行情況，為生產操作決策給出了有力支撐，實現了以軟件技術提高企業效益。
8 系統軟件程序結構
根據不同的語言平臺和功能從總體結構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（動態數據顯示、報警顯示、歷史數據存儲顯示和參數設定等）模塊和中間數據庫模塊。軟件系統流程圖如圖4所示[3]。根據系統軟測量和控制及現場工藝人員的要求，整個系統的人機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) 故障診斷系統界面；(5) 參數設置界面；(6) 管理窗口。每個子界面同時具備實時曲線顯示、歷史數據查詢及顯示等功能。
9 總結
綜上所述，聚丙烯腈生產是三單體水相懸浮共聚反應、工藝機理復雜，生產裝置設備種類繁多、多種單元操作為一體，并且工藝質量指標要求高（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。對這樣一個復雜的工業對象，在裝置已有的DCS系統上，通過企業內部局域網傳遞數據，將企業經營、過程控制和運行管理作為整體，以數據和模型為核心，形成裝置信息集成系統，對現場檢測數據進行深層加工處理，在上位機上應用軟測量、優化和故障診斷技術開發工程應用軟件，對工藝質量指標實時檢測和顯示，在線進行工藝分析和完成物流、能源等的成本核算和生產統計管理，對生產工藝實現監控、管理、單元整合和優化，進一步實現裝置的平穩、安全、高效運行。
圖4 程序流程圖
軟件服務于工程，本系統經工程投運、調試和考核，已和工藝裝置連續同步運行。本項目在不增加設備投資的條件下，通過工廠信息集成處理和先進監控及管理軟件的開發，提高了生產裝置的工藝操作水平和管理水平，為穩定生產、提高產品質量和數量、降耗節能提供了有效依據，達到了以軟件來增益的目的，提高了企業的競爭能力[8]。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號