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周新輝（1966-）
男，工程師，1988年畢業(yè)于南京師范大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)。1988-2002就職于湖南天潤(rùn)化工發(fā)展股份有限公司，先后在儀表車間、企業(yè)發(fā)展部等部門工作；2002年至今在就職于北京和利時(shí)系統(tǒng)工程有限公司，先后擔(dān)任化工工程部煤化工行業(yè)組組長(zhǎng)、工程部化工技術(shù)總監(jiān)、工程技術(shù)部部長(zhǎng)、工程規(guī)劃管理部總經(jīng)理等職務(wù)。主要從事DCS控制系統(tǒng)領(lǐng)域和煤化工行業(yè)先進(jìn)控制領(lǐng)域的工作。
摘要：以大型煤化工的關(guān)鍵設(shè)備氨合成塔的一段觸媒溫度控制為研究對(duì)象，針對(duì)氨合成塔滯后大的特性，在常規(guī)的前饋－反饋控制基礎(chǔ)上，對(duì)前饋干擾引入時(shí)間可調(diào)整概念，目的是使得干擾項(xiàng)起作用的時(shí)刻同被控對(duì)象產(chǎn)生影響的時(shí)刻同步。同時(shí)采用史密斯預(yù)估控制方法原理，對(duì)氨合成塔的一段觸媒溫度控制過(guò)程中反向特性進(jìn)行補(bǔ)償。從而達(dá)到優(yōu)化控制的目的。本文的控制策略分兩部分，第一部分是將干擾項(xiàng)測(cè)量，將測(cè)得的干擾量作為前饋，在計(jì)算出前饋增益及方向后，保存在DCS控制系統(tǒng)中。再測(cè)試出干擾項(xiàng)對(duì)被控對(duì)象作用的滯后時(shí)間，待擾動(dòng)發(fā)生時(shí)，再引入存儲(chǔ)的前饋量，達(dá)到同步補(bǔ)償目的。第二部分在反饋控制回路增加預(yù)估算法，先根據(jù)測(cè)量的干擾預(yù)先估算出反向特性補(bǔ)償量，也存儲(chǔ)在DCS控制系統(tǒng)中，待反向特性開(kāi)始時(shí)，將估算出的補(bǔ)償量，疊加填平到反向特性的凹部區(qū)。補(bǔ)償后帶反向特性控制回路變成常規(guī)滯后控制回路。這樣前饋－反饋同時(shí)優(yōu)化，大幅度改進(jìn)氨合成塔一段觸媒溫度控制品質(zhì)。為保證控制效果，方案中還采用了軟測(cè)量和測(cè)點(diǎn)品質(zhì)判斷算法。
關(guān)鍵詞：前饋－反饋控制；可變時(shí)間前饋；史密斯預(yù)估補(bǔ)償；反向特性；數(shù)組儲(chǔ)存
Abstract: Taking the stage 1 of catalyst temperature control in ammonia synthesizer which is the key equipment in large scale coal chemical industry as the object of study, and according to the large lag of ammonia synthesizer, the concept of adjustable time for feedforward interference on the basis of conventional feedforward-feedback control is proposed to synchronize the time when the synthesizer affects and the controlled object is affected. At the same time Smith predictive control method is adopted to compensate the reverse characteristic during the stage 1 of catalyst temperature control in ammonia synthesizer, and the purpose of optimization control is therefore achieved. In this paper, the control strategy is divided into two parts: First, take the measured value of the synthesizer variable as the feedforward and calculate the feedforward gain and direction, and then transfer them into DCS. The controlled object lag time generated by interference variable is then tested, and when interference happens the stored feedforward is invoked for the purpose of the synchronous compensation. Second, predictive algorithm is added in feedback circuit. According to the measured interference the reverse characteristic compensation is estimated in advance and then saved in DCS. When reverse characteristic starts, the estimated compensation is overlaid to the reverse characteristic and its concave can therefore be filled. The control circuit with reverse characteristic therefore turns out to be conventional lag control circuit. Through the feedforward-feedback synchronous optimization, the control quality of stage 1 of catalyst temperature in ammonia converter is improved greatly. To ensure the control effect, the algorithm to measure the quality of soft sensor and measuring points is adopted.
Key words: Feedforward-feedback control; Adjustable time feedforward; Smith predictive compensation; Reverse characteristic; Array storage
合成氨生產(chǎn)工藝中氨合成塔觸媒溫度控制是非常關(guān)鍵但卻又是非常難控制的對(duì)象，原因是氨合成塔是串聯(lián)在合成氨生產(chǎn)工藝中最重要的設(shè)備，工藝合成氨生產(chǎn)工藝是典型的長(zhǎng)流程多工段裝置，各工段間的作用關(guān)系密切相關(guān)，作為一個(gè)長(zhǎng)流程中處于中間的設(shè)備，生產(chǎn)負(fù)荷取決于前工段，生產(chǎn)結(jié)果影響后工段，又因原料氣體不可存儲(chǔ)性，沒(méi)有緩沖區(qū)間，因此不允許做過(guò)多的調(diào)整。同時(shí)合成塔干擾項(xiàng)多，反應(yīng)滯后大，相關(guān)調(diào)節(jié)手段少，造成合成塔的控制自動(dòng)化程度低，尤其是關(guān)鍵的氨合成塔溫度控制，常規(guī)控制無(wú)法適應(yīng)這種多變量，滯后大的控制對(duì)象，先進(jìn)控制算法也沒(méi)有成熟的模型，因此絕大多數(shù)還是人工操作。工人勞動(dòng)強(qiáng)度大且溫度控制效果不好。因此氨合成系統(tǒng)先進(jìn)控制技術(shù)的研究與應(yīng)用已成為合成氨工業(yè)的迫切要求，在我國(guó)合成氨生產(chǎn)企業(yè)在現(xiàn)有條件下， 利用先進(jìn)DCS控制系統(tǒng)的強(qiáng)大運(yùn)算能力，使用簡(jiǎn)單易行的控制方法挖潛增效，提高經(jīng)濟(jì)效益和競(jìng)爭(zhēng)力具有重要意義[1]。
1 氨合成塔觸媒溫度控制簡(jiǎn)介
合成氨生產(chǎn)過(guò)程中的各種不穩(wěn)定因素最終都直接或間接地反映到氨合成塔，首先在敏感的觸媒溫度上表現(xiàn)。調(diào)節(jié)手段主要由冷副熱氣閥來(lái)控制觸媒溫度。影響氨合成塔觸媒溫度穩(wěn)定的因素很多，歸納起來(lái)，有以下3個(gè)主要干擾因素[2]。
（1）生產(chǎn)負(fù)荷變化：生產(chǎn)負(fù)荷變化，改變了反應(yīng)的速度和平衡，而且放出的反應(yīng)熱也變化，引起觸媒溫度波動(dòng)，生產(chǎn)負(fù)荷的變化主要體現(xiàn)在入塔壓力的發(fā)生變化。
（2）氫氮比H2/N2：氫氮比H2/N2偏高或偏低，都會(huì)降低氨的平衡率而使氣體溫度下降，一般H2偏高比偏低時(shí)對(duì)觸媒溫度影響要大。一般讓N2稍微過(guò)量，實(shí)際生產(chǎn)中氫氮比以循環(huán)氫含量的形式體現(xiàn)。
（3）入塔氣氨含量：入塔氣中的氨含量，主要決定于進(jìn)行氨分離的冷凝溫度和分離效率，它對(duì)觸媒溫度和系統(tǒng)壓力的影響都是比較顯著的。含氨量過(guò)高，會(huì)影響反映速度和平衡，使觸媒溫度下降，相反，則觸媒溫度升高。因氨含量測(cè)量困難，一般實(shí)際采用氨冷溫度間接測(cè)量得來(lái)。一般來(lái)說(shuō)，氨冷溫度越低，氨分離效果越好，入塔氣中的氨含量越低。
氨合成塔觸媒溫度控制控制采用前饋－反饋的控制方式。以一段觸媒溫度為反饋，以冷副熱氣閥為主要調(diào)節(jié)手段，入塔壓力、循環(huán)氫和氨冷溫度這3個(gè)干擾作為前饋，分別乘各自的計(jì)算式F1、F2、F3，疊加后送入PID的前饋端。常規(guī)的控制框圖如圖所示。
圖1 常規(guī)的控制框圖
2 主要優(yōu)化策略
2.1 前饋控制中補(bǔ)償時(shí)刻可調(diào)優(yōu)化策略
圖1中F1、F2、F3，計(jì)算式能計(jì)算出前饋的幅度、方向等。但實(shí)際上3個(gè)干擾對(duì)被控對(duì)象起作用的時(shí)刻是不一致的，實(shí)際是這三個(gè)干擾都是發(fā)生早，但干擾造成的影響卻滯后很長(zhǎng)時(shí)間。如果能將用于前饋補(bǔ)償?shù)母蓴_信號(hào)存儲(chǔ)起來(lái)，待干擾開(kāi)始起作用的時(shí)刻再引入控制系統(tǒng)實(shí)施補(bǔ)償，控制效果將會(huì)有重大改善。下面分析常用的前饋控制示意圖圖2來(lái)說(shuō)明實(shí)現(xiàn)方法原理[3]。
圖2 前饋控制示意圖
對(duì)于大多數(shù)實(shí)際工業(yè)過(guò)程，前饋控制可用時(shí)滯加一階滯后的結(jié)構(gòu)形式[4]：圖2的前饋補(bǔ)償傳遞函數(shù)為：
是增益項(xiàng)，
是超前－滯后環(huán)節(jié)，TO>Tf 具有超前特性，TO＝Tf 具有比例特性，TO＝Tf 具有滯后特性。最佳的控制是使得
且TO＝Tf 實(shí)現(xiàn) 
很容易，但實(shí)現(xiàn)TO＝Tf 就很難，因?yàn)閷?shí)際控制中干擾Tf是被控對(duì)象固定的，同時(shí)是不可控的，如果能控制TO的大小，就可以調(diào)整前饋引入控制回路的時(shí)刻，使得前饋控制同干擾量同時(shí)到達(dá)被控對(duì)象，調(diào)整
可以做到大小相等，方向相反，這樣就可以剛好抵消干擾項(xiàng)。
在氨合成塔中，入塔壓力干擾起作用最快。氫氮比干擾起作用時(shí)間次之，氨冷溫度干擾因氨冷器、氨分、冷交內(nèi)部列管路程長(zhǎng)，未反應(yīng)氣體通過(guò)循環(huán)機(jī)再反送到氨合成塔。因此起作用最慢。因此三個(gè)干擾量需要調(diào)整前饋補(bǔ)償?shù)囊氲臅r(shí)間是不同的。需要將三個(gè)干擾量分別存入計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，調(diào)整補(bǔ)償量延遲時(shí)間，當(dāng)干擾量正好開(kāi)始擾動(dòng)時(shí)，前饋補(bǔ)償量也剛好起作用，使得前饋補(bǔ)償量剛好抵消干擾量對(duì)觸媒溫度的影響。
在氨合成塔中：因生產(chǎn)負(fù)荷變大造成入搭壓力變高，按照放熱反應(yīng)原理，觸媒溫度應(yīng)該上升，但實(shí)際上因?yàn)樾略黾拥娜胨怏w溫度低，原料氣的反應(yīng)熱要等一段時(shí)間才放出，同時(shí)氣體流速增大會(huì)先帶走一部分熱量，實(shí)際一段觸媒溫度反而是先下降，然后再上升。這就是反向特性。針對(duì)有反向特性的被控制對(duì)象，傳統(tǒng)的前饋－反饋控制反饋控制效果不好，因?yàn)榉聪蛱匦詴?huì)先造成一個(gè)錯(cuò)誤方向的偏差，如果PID調(diào)節(jié)器按此偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)，效果反而更差，當(dāng)然最終待反向特性過(guò)去后會(huì)調(diào)整回來(lái)，但對(duì)生產(chǎn)已造成較大的波動(dòng)。反向特性的示意圖如圖3所示。
圖3 反向特性的示意圖
反向特性可采用史密斯預(yù)估控制方法原理進(jìn)行補(bǔ)償。史密斯預(yù)估控制方法原理是在常規(guī)PID的反饋控制的基礎(chǔ)上，引入一個(gè)預(yù)估的補(bǔ)償環(huán)節(jié)，補(bǔ)償后對(duì)象，相當(dāng)于控制過(guò)程僅在時(shí)間上推遲了時(shí)間τ[4]。補(bǔ)償后原理示意圖如圖4所示。
圖4 補(bǔ)償后原理示意圖
史密斯預(yù)估補(bǔ)償控制系統(tǒng)的原理如圖5所示。
圖5 史密斯預(yù)估補(bǔ)償控制系統(tǒng)的原理圖
圖5中Gk(s)是預(yù)估補(bǔ)償算法，沒(méi)有Gk(s)時(shí)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為[4]：
式（5）中
表示沒(méi)有純滯后環(huán)節(jié)時(shí)的隨動(dòng)控制的閉環(huán)傳遞函數(shù)。經(jīng)過(guò)補(bǔ)償后，閉環(huán)特征方程式中已經(jīng)消除了
項(xiàng)，也就消除了純滯后對(duì)控制品質(zhì)的不利影響。由式（5）式可知，控制過(guò)程僅在時(shí)間上推遲了時(shí)間τ。2.3 優(yōu)化思路總結(jié)
總結(jié)上面兩種優(yōu)化方案的策略，其實(shí)都是基于如下前提：
（1）氨合成塔一段觸媒溫度的波動(dòng)主要是由于干擾產(chǎn)生的；
（2）因氨合成塔是滯后大設(shè)備，干擾都是先出現(xiàn)，然后才影響被控對(duì)象；
（3）不同的干擾對(duì)一段觸媒溫度影響的大小方向不同，時(shí)間也不同；
（4）氨合成塔的三個(gè)主要干擾都是可測(cè)量的但不可控的，對(duì)觸媒溫度影響的大小、方向是可以通過(guò)分析干擾和觸媒溫度在DCS系統(tǒng)記錄的趨勢(shì)變化曲線測(cè)算出來(lái)的；時(shí)間差也是可以通過(guò)DCS趨勢(shì)變化曲線的時(shí)間差測(cè)算的。
（5）反向特性可以用預(yù)估補(bǔ)償消除。補(bǔ)償?shù)拇笮 ⒎较颉r(shí)間也可以用趨勢(shì)變化曲線測(cè)算出來(lái)。
對(duì)DCS系統(tǒng)記錄的趨勢(shì)曲線進(jìn)行仔細(xì)分析，可以不用建立復(fù)雜的數(shù)學(xué)理論模型，就可以高效率整定出實(shí)際可用控制參數(shù)。該方法可以避免數(shù)學(xué)模型考慮問(wèn)題不全面、計(jì)算誤差等因素。
3 優(yōu)化控制方法的實(shí)施
3.1 實(shí)施概述
圖6是優(yōu)化后前饋－反饋控制原理框圖，優(yōu)化主要手段是前饋引入時(shí)間可調(diào)T1、T2、T3功能塊。反饋增加預(yù)估補(bǔ)償計(jì)算F4和T4。
圖6中計(jì)算式F1、F2、F3常規(guī)的前饋計(jì)算式，T1、T2、T3是前饋引入推遲時(shí)間調(diào)整量。F4和T4用于反向特性補(bǔ)償計(jì)算式，其中F4用于預(yù)估計(jì)算反向特性的幅度和方向，T4用于預(yù)估計(jì)算反向特性的推遲時(shí)間，該預(yù)估后可以將觸媒溫度的反向特性補(bǔ)償為正常特性。T1、T2、T3和T4都用數(shù)組存儲(chǔ)功能實(shí)施。
3.2 數(shù)組存儲(chǔ)的編程實(shí)施
實(shí)施優(yōu)化的關(guān)鍵技術(shù)之一是需要DCS控制系統(tǒng)具備存儲(chǔ)一段時(shí)間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)能力。如氨冷溫度是用來(lái)間接測(cè)量氨含量的，但氨冷溫度變化到引起一段觸媒溫度變化還要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，因此需要將氨冷溫度的實(shí)時(shí)變化存儲(chǔ)起來(lái)，待真正干擾到達(dá)一段溫度時(shí)再引入干擾的前饋，以存儲(chǔ)3分鐘時(shí)間計(jì)算，按照DCS系統(tǒng)控制算法周期0.5秒計(jì)算，3分鐘需要存儲(chǔ)2X60X3=360個(gè)數(shù)據(jù)，而且這360個(gè)數(shù)據(jù)是滾動(dòng)更新的，當(dāng)前最新測(cè)量值進(jìn)來(lái)后，存入第1個(gè)變量V1中，而且V1將0.5秒前數(shù)據(jù)移交V2；V2移交V3；V3移交V4；…..V359移交V360，V360將老數(shù)據(jù)拋棄。依次類推，這樣V1是最新測(cè)量氨冷溫度數(shù)據(jù)，V2是0.5秒前氨冷溫度數(shù)據(jù)，V3是1秒前氨冷溫度數(shù)據(jù)….V360是3分鐘前氨冷溫度數(shù)據(jù)。從圖7可以看出，滾動(dòng)更新存儲(chǔ)可以保證存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)還是連續(xù)變化的，且變化趨勢(shì)同現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)數(shù)據(jù)一致。只是時(shí)間平移推后了。存儲(chǔ)前氨冷溫度變化同觸媒溫度變化時(shí)間差為△t1， 存儲(chǔ)后時(shí)間差為△t2，可以看出△t2明顯小于△t1，此時(shí)引入前饋補(bǔ)償效果就好得多。
圖6 優(yōu)化后前饋－反饋控制原理框圖
圖7 數(shù)組存儲(chǔ)示意圖
以上龐大的數(shù)據(jù)計(jì)算需要DCS系統(tǒng)的控制器具有強(qiáng)大的運(yùn)算能力。本方案選用和利時(shí)HOLLIYAS-MACS系列DCS控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有400MHz主頻、128M內(nèi)存的強(qiáng)大運(yùn)算能力的控制器，能將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)用一組數(shù)組存儲(chǔ)起來(lái)，等到干擾開(kāi)始起作用時(shí)再引入系統(tǒng)中，該數(shù)組功能塊具備強(qiáng)大的數(shù)組滾動(dòng)儲(chǔ)存功能，能將0～10分鐘的前饋干擾量動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)在控制器中，隨意取出0～10分鐘以前的任意時(shí)刻的干擾量， 實(shí)現(xiàn)將前饋引入的時(shí)刻可調(diào)的思路。
數(shù)組功能塊存儲(chǔ)的編程舉例如下；（以存儲(chǔ)360個(gè)數(shù)值，存儲(chǔ)時(shí)間3分鐘為例）
ARR1: ARRAY[1..360] OF REAL;….定義數(shù)組ARR1，有360個(gè)REAL型的數(shù)組
SN:INT; . 定義數(shù)組內(nèi)數(shù)值序號(hào) INT型
AM_IN:REAL; 定義前饋測(cè)量值輸入，REAL型
AM_OUT: REAL; 定義前饋測(cè)量值輸出，REAL型
FOR SN:=1 TO 359 BY 1 設(shè)定循環(huán)次數(shù)SN
DO ARR1[SN＋1]:=ARR1[SN]; 依次滾動(dòng)存儲(chǔ)，數(shù)組前面值移交后面序號(hào)
ARR1[1]:=AM_IN; 當(dāng)前最新測(cè)量值輸入存入數(shù)組第1序號(hào)
END_FOR 結(jié)束循環(huán)
SN:=0 數(shù)組內(nèi)數(shù)值序號(hào)請(qǐng)零
AM_OUT:=ARR1[360]; 從數(shù)組第360號(hào)取出3分鐘前值。
上面程序中AM_OUT:=ARR1[360]；表示是取出取出3分鐘前值，實(shí)際上可以根據(jù)需要取0～3分鐘的任意時(shí)刻的值。如AM_OUT：=ARR1[240]；表示取2分鐘的值。
3.3 反向特性預(yù)估的實(shí)施
氨合成塔入塔氣體壓力對(duì)一段觸媒溫度干擾是呈反向特性的，對(duì)反向特性的進(jìn)行史密斯預(yù)估是非常復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型，若模型與對(duì)象特性不一致，則（5）式還會(huì)存在純滯后項(xiàng)，兩者嚴(yán)重不一致時(shí)甚至?xí)鹣到y(tǒng)穩(wěn)定性的變差[4]。為減少風(fēng)險(xiǎn)和便于實(shí)施，實(shí)際控制方案測(cè)量入塔壓力變化量來(lái)作為預(yù)估算法的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，采用簡(jiǎn)單易行的比例微分算法來(lái)算取補(bǔ)償量，將算出補(bǔ)償量進(jìn)行時(shí)間推遲平移，疊加填平反向特性區(qū)。補(bǔ)償原理如圖8所示。
圖8 反向特性補(bǔ)償原理圖
圖8中，我們的目標(biāo)就是用P曲線區(qū)△(t2-t1)預(yù)估出T曲線區(qū)△(t5-t4)。原理如下：P曲線是入塔壓力變化曲線，變化量為P曲線區(qū)，變化時(shí)間為：△t2-t1；采用比例微分算法后得出補(bǔ)償量為d1的曲線區(qū)，再采用數(shù)組存儲(chǔ)的方法將△d1曲線區(qū)推遲到△d2，使得△d2對(duì)齊反向特性區(qū)△T曲線區(qū)，然后將△d2同T1曲線疊加，得到消除了反對(duì)象特性的T2曲線，這樣，△T2就是消除了反向特性的純滯后曲線了。
在實(shí)際調(diào)試過(guò)程中，式（3-2-3）整定參數(shù)時(shí)可以先采用簡(jiǎn)單估算法：
△d2相對(duì)△d1時(shí)間上的推遲時(shí)間τ，即數(shù)組存儲(chǔ)時(shí)間：
為方便簡(jiǎn)單推算出微分增益Kd 、微分時(shí)間Kd和數(shù)組存儲(chǔ)時(shí)間τ。可以采用分析趨勢(shì)曲線的分析方法：將入塔壓力P、一段觸媒溫度T、補(bǔ)償量△d1和存儲(chǔ)后推遲補(bǔ)償量△d2共4條趨勢(shì)曲線組合在一個(gè)畫面上，補(bǔ)償量△d2經(jīng)過(guò)一個(gè)控制開(kāi)關(guān)決定是否和一段觸媒溫度T疊加。先將開(kāi)關(guān)斷開(kāi)不進(jìn)行疊加補(bǔ)償，這樣直接可以從趨勢(shì)圖顯示出P、△d1、△d2、△T。就可以大概測(cè)算出Kd 、Kd和τ。然后調(diào)整Kd、Kd和τ三個(gè)參數(shù)，使得△d2、△T大小形狀接近、方向相反、時(shí)間同步。再將補(bǔ)償控制開(kāi)關(guān)打開(kāi)，如果得到圖8中△2形狀曲線，說(shuō)明補(bǔ)償就成功了。
用趨勢(shì)曲線分析方法充分利用了現(xiàn)代DCS系統(tǒng)能同時(shí)記錄幅值和時(shí)間的優(yōu)勢(shì)，參數(shù)整定簡(jiǎn)單易行，調(diào)整效果直觀明了，避免建立復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型，也可避免數(shù)學(xué)模型考慮不周全的缺點(diǎn)。
3.4 用氨冷溫度軟測(cè)量氨含量的實(shí)施
實(shí)際生產(chǎn)中采用軟測(cè)量的形式間接測(cè)量氨冷溫度的方式來(lái)測(cè)量氨含量。循環(huán)氣中氨含量的高低可按拉爾遜?布列克經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算[8]：
lgNH3%=4.1856+5.9879/P1/2-1099.5/(273+t) （12）
公式（12）中P為循環(huán)氣體壓力，t為氨冷溫度。氨含量的高低與壓力和氨冷溫度有關(guān)。顯然壓力越高、氨冷溫度越低，即循環(huán)氣中的氨含量低，氨的分離效果好。
在實(shí)際生產(chǎn)中循環(huán)氣壓力測(cè)量容易，但氨冷溫度的測(cè)量需要進(jìn)行技術(shù)處理，氨冷溫度長(zhǎng)期工作在-10℃以下，采用熱電阻進(jìn)行測(cè)量，結(jié)冰和進(jìn)水經(jīng)常造成電阻值偏小，指示溫度偏低。作為一個(gè)控制信號(hào)，必須有信號(hào)品質(zhì)判斷功能。品質(zhì)判斷包含3個(gè)判斷過(guò)程：
（1）傳感器判斷：斷線短路等都不能引入控制,并報(bào)警。
（2）幅值判斷：溫度在-30～0℃是正常值，超過(guò)該范圍為非正常值，不能用于控制，超過(guò)報(bào)警。
（3）速率判斷：溫度變化率不超過(guò)1℃/5s，超過(guò)該值意味著是故障變化。超過(guò)報(bào)警。
只有通過(guò)上面3個(gè)判斷過(guò)程后的氨冷溫度才可以用于后面的軟測(cè)量運(yùn)算，否則采用上一周期的正常值用于后面的軟測(cè)量運(yùn)算。數(shù)組存儲(chǔ)實(shí)現(xiàn)氨冷溫度推遲調(diào)整，使得氨冷溫度變化與觸媒溫度變化同步。
氨含量的軟測(cè)量實(shí)施原理框圖如圖9所示。
圖9 軟測(cè)量實(shí)施原理框圖
品質(zhì)判斷功能塊采用HOLLIYAS-MACS系列DCS控制系統(tǒng)具備的自定義功能塊功能進(jìn)行編程，編程好的功能塊成為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的功能塊，供用于其他參數(shù)使用。品質(zhì)判斷功能塊編程方法如下：
IF T_ammonia_short＝FALSE AND T_ammonia_ open= FALSE
THEN 斷線短路判斷
IF T_ammonia_H<0 AND T_ammonia_ L> -30 幅值判斷
THEN
IF T_ammonia_rate<1/5 速率判斷
THEN
T_M(k):= T_ammonia 正常時(shí)取當(dāng)前值
T_M(k-1):= T_ammonia 正常時(shí)存當(dāng)前值為歷史值
ELSE
T_M(k):= T_M(k-1) 不正常時(shí)取歷史值
3.5 觸媒溫度熱點(diǎn)溫度自動(dòng)選擇實(shí)施
在一段觸媒區(qū)實(shí)際上6個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，實(shí)際上只有溫度最高的點(diǎn)用來(lái)做控制的測(cè)量輸入，這點(diǎn)稱為熱點(diǎn)溫度。熱點(diǎn)溫度是該觸媒段反應(yīng)最靈敏的溫度，外界干擾對(duì)熱點(diǎn)溫度影響也最大，它是反饋控制回路溫度測(cè)量點(diǎn)。實(shí)際上熱點(diǎn)溫度不是固定的，第3、4、5、6點(diǎn)都可以成為熱點(diǎn)溫度，因此需要程序有自動(dòng)判斷當(dāng)前的熱點(diǎn)溫度功能，采用最高值選擇能很容易找出熱點(diǎn)溫度。但熱電偶發(fā)生斷偶故障時(shí)溫度也最高，如果簡(jiǎn)單選用最大值，壞熱電偶總會(huì)被選上。因此也要進(jìn)行品質(zhì)判斷，只有品質(zhì)判斷合格的溫度，才有資格進(jìn)入最大值選擇器，成為被選擇熱點(diǎn)，熱點(diǎn)溫度實(shí)施原理圖如圖10所示。
圖10 熱點(diǎn)溫度實(shí)施原理圖
3.6 循環(huán)氫前饋值處理實(shí)施
循環(huán)氫分析儀器共同特點(diǎn)是穩(wěn)定性差，而且經(jīng)常需要校驗(yàn)，控制方案必須能分清楚正常信號(hào)和非正常信號(hào)。否則該控制方案是無(wú)法正常工作的。循環(huán)氫品質(zhì)判斷原理是：儀表正常時(shí)采用氫分析儀器測(cè)量值進(jìn)行控制，儀表校驗(yàn)時(shí)，送一個(gè)信號(hào)給控制回路，這時(shí)循環(huán)氫信號(hào)切換到最近的保持值上，待校驗(yàn)完成后，再回到儀表測(cè)量值。從儀表測(cè)量值到保持值的切換都必須經(jīng)過(guò)無(wú)擾功能塊。該功能塊切換過(guò)渡時(shí)間長(zhǎng)短可調(diào)。這樣就不會(huì)有太大波動(dòng)。同其他信號(hào)不同的是，循環(huán)氫需要設(shè)置控制死區(qū)，在一定的范圍內(nèi)不用變化補(bǔ)償值，超出范圍才需要補(bǔ)償，因此需要加控制死區(qū)功能塊。循環(huán)氫判斷處理過(guò)程原理如圖11所示。
圖11 循環(huán)氫判斷處理過(guò)程原理圖
4 結(jié)論
該優(yōu)化后前饋－反饋控制方法先后在河南駿馬化工￠1600mm合成塔、山西晉豐高平一期18萬(wàn)噸/年氨合成塔使用，取得良好效果，自動(dòng)控制投運(yùn)后，熱點(diǎn)溫度均值更接近于設(shè)定值，標(biāo)準(zhǔn)差、最大絕對(duì)偏差均大幅減小。自動(dòng)控制整體效果比手動(dòng)控制有明顯改善。主要表現(xiàn)在負(fù)荷在60%~100%范圍內(nèi)時(shí)控制精度小于1℃(標(biāo)準(zhǔn)差) ，自動(dòng)控制投運(yùn)率超過(guò)90%。自動(dòng)控制的投運(yùn)提高了氨合成塔溫度的控制精度，避免了手動(dòng)控制時(shí)由于操作人員經(jīng)驗(yàn)和水平差異造成的控制波動(dòng)，延長(zhǎng)了氨合成塔溫度的穩(wěn)定時(shí)間，同時(shí)，由于溫度控制精度提高，催化劑的使用年限也得以延長(zhǎng)。
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