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    1  前言

    2萬噸/年聚甲醛是我公司從波蘭ZAT公司引進(jìn)的精細(xì)化工裝置，產(chǎn)品價(jià)值高，使用霍尼韋爾公司的PKS（過程知識(shí)系統(tǒng)）系統(tǒng)控制。裝置中精餾塔、蒸餾塔共計(jì)17個(gè)，由于精餾塔、蒸餾塔關(guān)聯(lián)變量之間耦合嚴(yán)重，過程反應(yīng)慢、動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、滯后嚴(yán)重，使用常規(guī)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)中去。帶控制點(diǎn)工藝流程圖如圖1所示，進(jìn)料為變頻調(diào)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FRC4641進(jìn)行控制的汽體冷凝液。為防止糖類生成，向塔內(nèi)加入脫鹽水，通過FRC4645進(jìn)行控制。工藝上主要通過塔頂和塔底兩個(gè)溫度控制系統(tǒng)來控制產(chǎn)品質(zhì)量。塔底通過蒸汽調(diào)節(jié)FIC4642、TIC4647，防止三聚超標(biāo)。塔頂由回流控制FRC4643與TIC4644調(diào)節(jié)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題

    2.2.1 變量之間耦合嚴(yán)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(jí)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(jí)控制。當(dāng)頂層塔板溫度升高時(shí)，塔頂回流量增加，同時(shí)也導(dǎo)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(xù)升高。

                       

                                  圖2. 控制系統(tǒng)框圖

    從圖2所示的控制系統(tǒng)框圖可知，有兩個(gè)被控量和兩個(gè)操作量，過程的動(dòng)態(tài)特性傳遞函數(shù)為：
 
                             

    當(dāng)回路1的控制器Gc1調(diào)節(jié)U1，使Y1回到設(shè)定值Ysp1，U1也通過傳遞函數(shù)Gp21波及Y2；由于Y2發(fā)生變化，回路2控制器Gc2調(diào)節(jié)U2，使Y2回到它的設(shè)定值Ysp2，而改變U2又會(huì)通過傳遞函數(shù)Gp12影響到Y(jié)1。變量之間的這種強(qiáng)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(yùn)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(duì)精餾塔的穩(wěn)定運(yùn)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)無法預(yù)知。

    3  精餾塔C462控制系統(tǒng)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(shù)與第二回路是開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(shù)： （Y2—U2的回路打開）   

    (3.1)如果兩個(gè)回路都閉合，兩個(gè)回路對(duì)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(jù)方框圖：  
    (3.3)從第二個(gè)回路傳給第一回路的信號(hào)是：  
    (3.4)將式3.3和3.4代入式3.2，得到Y(jié)1與U1之間總的傳遞函數(shù)： 
    （3.5）（Y2與U2的回路閉合）由此可知，Y1與U1之間的傳遞函數(shù)通過關(guān)聯(lián)項(xiàng)與第二回路的調(diào)節(jié)器Gc2相關(guān)，涵蓋了第二個(gè)回路對(duì)它的影響。使用結(jié)果表明，常規(guī)PID控制算法在這種情況下，系統(tǒng)不穩(wěn)定，控制器參數(shù)的整定也變得更為困難，無法滿足強(qiáng)耦合、多干擾、大滯后對(duì)象的控制要求，而這正是Profit Loop的強(qiáng)項(xiàng)。

    3.2  Profit Loop的控制原理Profit Loop是完全集成進(jìn)PKS系統(tǒng)的一種單輸入/輸出（SISO）、基于模型的控制和優(yōu)化技術(shù)，來源于霍尼韋爾公司專利技術(shù) Profit Suite control，其控制器用一個(gè)簡(jiǎn)單的過程模型來預(yù)測(cè)過去、現(xiàn)在和將來的過程變量的動(dòng)作。模型預(yù)測(cè)控制方框圖如圖3。

                    

                            圖3. 模型預(yù)測(cè)方框圖

    基于對(duì)當(dāng)前和未來的預(yù)測(cè)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(shè)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(shù)學(xué)模型的單變量預(yù)測(cè)控制器Profit Loop將模型預(yù)測(cè)值引入控制回路，但數(shù)學(xué)模型不是單一變量的，引入控制的模型預(yù)測(cè)值包括了關(guān)聯(lián)回路的影響，利用預(yù)測(cè)值的超前調(diào)節(jié)，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)。 為滿足C462的控制目標(biāo)，綜合考慮，確定對(duì)塔頂溫度回路TIC4644用Profit Loop控制器來取代，而塔底溫度回路TIC4647、 FRC4643和FRC4642依然用常規(guī)PID實(shí)現(xiàn)。

    4  Profit Loop控制器的實(shí)施

    4.1   通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立模型PKS系統(tǒng)中，提供了模型生成工具，實(shí)現(xiàn)Profit Loop，生成的方式有： PID轉(zhuǎn)換方式PID生成方式回路信息方式拉普拉斯輸入方式在線階躍輸入測(cè)試我們使用階躍輸入測(cè)試建模的方法。 為獲取對(duì)象數(shù)學(xué)模型，作階躍測(cè)試，根據(jù)輸出響應(yīng)曲線獲得模型參數(shù)。塔頂溫度對(duì)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(duì)象施加偽矩形脈沖響應(yīng)（PRBS）激勵(lì)信號(hào)，如圖5所示，τ為對(duì)象的時(shí)間常數(shù)，輸入信號(hào)按正負(fù)交替的形式在一定幅度范圍內(nèi)按一定的速率變化，反復(fù)多次，使溫度輸出響應(yīng)曲線有較好的重現(xiàn)性，以滿足模型精度的要求。

                          

                                         圖5. 輸入脈沖

    4.2  模型預(yù)測(cè)為了進(jìn)行預(yù)測(cè)，需要 將Profit Loop辨識(shí)得到的動(dòng)態(tài)模型內(nèi)置到控制器中，使控制器過去的輸出OP值和將來預(yù)測(cè)的PV值聯(lián)系起來，如圖6所示，傳遞函數(shù)為：


    其中G是對(duì)象的增益系數(shù)，T 是對(duì)象的滯后時(shí)間，n和d是模型系數(shù)，s 是拉普拉斯常數(shù)，單位是。

                          

                            圖6. 預(yù)測(cè)PV軌跡

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

    4.3 模型偏差校正，增強(qiáng)控制系統(tǒng)的魯棒性 系統(tǒng)建模是優(yōu)化控制的難點(diǎn)，不論是多變量的大系統(tǒng)還是單回路的模型。不僅要使所建立的模型與實(shí)際相符，還要在滿足模型精度的前提下，降低模型階次。但所建立的數(shù)學(xué)模型，模型預(yù)測(cè)值和實(shí)際過程測(cè)量值之間，總是存在偏差。為解決模型的失配，Profit Loop 把當(dāng)前PV的預(yù)測(cè)值和實(shí)際的測(cè)量值做比較，比較后的差值加到PV將來的運(yùn)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(duì)模型的不準(zhǔn)確不會(huì)過度靈敏，具有較好的魯棒性。在Profit Loop中，MODELPV是沒有經(jīng)過偏差校正的模型預(yù)測(cè)值，正常情況下，未校正的模型預(yù)測(cè)值，不管在時(shí)間和幅度上都應(yīng)跟蹤實(shí)際的PV，如果響應(yīng)出現(xiàn)了偏離，就應(yīng)該進(jìn)行調(diào)整。

    4.4  建立控制器，實(shí)現(xiàn)控制當(dāng)模型預(yù)測(cè)值滿足要求后，在PKS系統(tǒng)中安裝運(yùn)行，一旦計(jì)算出PV將來的運(yùn)行軌跡，控制器就會(huì)采取相應(yīng)的控制動(dòng)作，促使過程的運(yùn)行軌跡朝向控制目標(biāo)，在這段時(shí)間，滾動(dòng)計(jì)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(zhǎng)內(nèi)的偏差

    Profit Loop主要關(guān)注閉環(huán)回路響應(yīng)時(shí)間之前的那部分運(yùn)行軌跡，在用戶設(shè)定的閉環(huán)響應(yīng)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)作來滿足控制的目標(biāo)，因此相比其它的預(yù)測(cè)控制來說，魯棒性更好，對(duì)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(hù)在控制器不穩(wěn)定或出現(xiàn)震蕩時(shí)，Profit Loop的“一鍵式”性能比單參數(shù)整定，通過簡(jiǎn)單地增加性能比值來減慢調(diào)節(jié)動(dòng)作的速度，同時(shí)增加魯棒性。反之，如果調(diào)節(jié)器動(dòng)作太慢，則可以通過減少性能比值來加速閉環(huán)調(diào)節(jié)器的響應(yīng)。采用Profit Loop控制器，參數(shù)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(zhǎng)。

    5.2  質(zhì)量指標(biāo)得到提升Profit Loop投用后，控制器很好地克服了模型誤差、強(qiáng)耦合、多干擾、未知干擾等不良因素的影響，精餾塔達(dá)到了穩(wěn)定運(yùn)行、提高產(chǎn)品質(zhì)量的效果。原來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(xiàn)在成為一個(gè)生產(chǎn)指標(biāo)，給進(jìn)一步的優(yōu)化打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。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(duì)照表

                    

                      

                          圖10. TIC4644投用前后對(duì)照

    5.3  節(jié)能降耗，提高了經(jīng)濟(jì)效益采用Profit Loop控制器，不僅降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，使裝置運(yùn)行平穩(wěn)，提高了產(chǎn)品質(zhì)量控制的一致性，還節(jié)約了蒸汽，提高了生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)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，裝置處于半開車狀態(tài)），從10月份開始TIC4644模型的建立、控制器的安裝調(diào)試，10、11 月份TIC4644控制器處于調(diào)試期間，12月份正式投用。

    表1-2  2007年精餾塔C462蒸汽消耗表

                   

    由表1-2可以看出10月份蒸汽消耗已有明顯的降低，12月份正式投用后蒸汽消耗進(jìn)一步下降，Profit Loop 控制器投用后C462可節(jié)約蒸汽消耗量為：(329＋329＋340＋366＋362）÷5－227＝118.2 （噸/月）根據(jù)以上數(shù)據(jù)計(jì)算，該控制器投用后C462蒸汽用量減少34.24％，按目前蒸汽價(jià)格61.4元/噸，每年降低生產(chǎn)成本：118.2×12×61.4＝87089.76元6.結(jié)束語Profit Loop作為一種最新的先進(jìn)控制技術(shù)，具有傳統(tǒng)PID控制器所不具有的特性和功能，不僅能夠取代PID控制，還能夠?qū)崿F(xiàn)PID控制器無法應(yīng)用和應(yīng)用不理想的特殊場(chǎng)合，適應(yīng)性很廣。

    Profit Loop作為PKS系統(tǒng)中的一個(gè)控制回路，并不需要占用額外的CPU資源，而是如同系統(tǒng)常規(guī)PID回路那樣被處理，因此，系統(tǒng)中可以同時(shí)運(yùn)行的Profit Loop數(shù)量沒有更多的限制。自2006年以來，在聚甲醛裝置中，除了C462精餾塔，我們還對(duì)其它幾個(gè)控制效果不理想的精餾塔和10個(gè)電加熱離散控制實(shí)施了PID轉(zhuǎn)到Profit Loop 的控制，均取得了理想的效果。下一步考慮進(jìn)一步與多變量模型預(yù)測(cè)控制器組合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)整個(gè)裝置的整體優(yōu)化控制，經(jīng)濟(jì)效益會(huì)更加明顯，應(yīng)用前景良好。