上海新華DCS系統在間歇聚丙烯智能控制方案的應用
工程概述
本裝置（寶塔石化）設計能力為40000T/a聚丙烯，以石油液化氣分餾分離出的丙烯為原料。采用的是間歇式液相本體聚合法。主要設備為8臺12立方米聚合釜和8臺閃蒸釜等輔助設備形成的一套間歇式生產裝置，每四小時每釜可投料出料一次，每釜可生產聚丙烯粉料3T左右。
［關鍵詞］間歇聚丙烯過程；模糊控制
1引言
由于間歇聚丙烯生產過程中化學反應間歇過程的特性相當復雜，具有嚴重的非線性和時變特性。目前在不少間歇工業生產，仍采用手動或半自動操作，尤其是在反應期內，過程控制難度更大，這就要求控制策略適應各個時間段不同的特點。
2工藝特點
本裝置的主體是A、B、C、D 、E、F、G、H8個聚合釜，采用間歇式液相本體法聚合工藝，以液相丙烯為原料，采用CS-1型高效催化劑（Ticl4），以三乙基鋁為活化劑，以氫氣為聚合物分子量調節劑。液相丙烯經計量進入聚合釜，并將活化劑、催化劑和分子量調節劑按一定比例和順序加入聚合釜。各物料加完后，開始向聚合釜夾套通熱水給釜內物料升溫升壓，這時釜內溫度及壓力上升。當溫度升至55℃以上、壓力在2.4 MPa左右時釜內開始反應，放出熱量。由于反應放出的熱量會加劇反應的進行，所以應及時停止加熱，打開循環冷卻水使釜內溫度或壓力按一定速度上升，當釜內溫度升至73℃左右、釜壓升到3.55左右MPa時進行恒溫恒壓反應過程。隨著反應時間的延長，液相丙烯逐漸減少，聚丙烯顆粒的濃度增加。最后，釜內液相丙烯基本消失，釜內主要是聚丙烯固體顆粒和未反應的氣相丙烯，即達到所謂“干鍋”狀態，釜壓下降，此時認為反應結束。其中，升溫升壓階段約30 min，恒溫恒壓階段為4.5 h左右。
控制思想
結合工藝特點，該控制系統過程可分為3個階段。升溫升壓階段、過渡階段、恒溫恒壓階段。
1．升溫升壓階段。目的就是要在適當的時間內，控制熱水閥的開度向夾套加水，使溫度、壓力按照較理想的速率上升，上升太慢影響產量，太快則可能使后期反應過于激烈，難以控制。
所以一般都采用位式控制的方式。根據實際特點，在這個階段中，本系統分兩個階段來控制，壓力小于2 .0Mpa時，熱水閥開100%，讓釜充分升溫升壓，壓力在2-2.4.時熱水閥從100%逐漸關至50%，2.4-2.85時保持全關。這樣既縮短了升溫時間又使后期反應得到一定的緩解。
2.過渡階段
過渡階段是整個控制的難點，控制的目的就是要依據反應的強弱即壓力的變化來控制分程冷水閥及內冷控制閥，使壓力控制在3.55Mpa左右(因為壓力和溫度是線性關系)。在這個過程中如果控制不好，有可能超壓，引起高壓回收，甚至安全閥動作，反之則可能造成“僵釜”。同時還得考慮到由于原料引起反應過弱的情況，所以在設計模糊控制系統的同時，得考慮選用恰當的參數，使壓力在3.5Mpa之前時壓力能平穩的上升，也就是說，如何克服模糊控制的穩態誤差，經過本人的探索，當壓力在[3.3,3.5]時，在速率的[-0.1,0.1]區間中引入三角sinX函數，對模糊系統的EC項進行修正，而在3.5-3.6Mpa時快速的控制壓力。按照上述要求仿照人工控制的經驗，設計出智能的二維模糊控制器，輸入變為釜內壓力和釜壓的變化率，輸出變量為冷水閥的開度。模糊控制的任務為：在過渡過程的2.85～3.6 MPa階段，用雙輸入單輸出的模糊控制，代替人的手動操作，實現快速平穩過渡。
通過工藝規律，可以得到模糊IF-THEN規則
IF 壓力太低，速率為零,THEN 閥門不開
IF 壓力偏低，速率小, THEN 閥門小開。
IF 壓力稍低，速率中,THEN 閥門中開。
IF 壓力正常，速率大,THEN 閥門全開。
…….
(1)選擇描述輸入輸出變量的詞集
通過分析歷史數據，取輸入變量釜壓PT的
基本論域：［2.8，3.2,3.4.3.6］MPa
4個參量分別表示釜內壓力太低，偏低、稍低和正常。取壓力變化PEC的
基本論域：［0，0.56,0.11,0.17］MPa/min
4個參量分別表示壓力上升速度為零，小，中，大。
取冷水閥開度(控制量)Y的
基本論域：［0,33,66,100］
各參量對應的閥門狀態分別為全關，小開，中開，全開。
(2)定義各模糊變量的模糊子集
根據手動策略，隸屬函數采用等腰三角形的形式。由隸屬函數曲線可以得出各模糊變量在論域上的賦值表。
通過上述論域，采用新華DCS中的模糊控制功能塊，便可以構建一個控制方案，事實證明這種方案是非常有效的，它不但解決了壓力超調的問題，也解決了反應強弱的問題。并縮短了反應時間。
3．PID控制
利用PID控制穩態精度高的特點，在正常反應階段，采用PID控制方式。在切入恒溫恒壓時，這時反應可能還比較強，所以單純PID控制，在這個階段并不理想。所以引入速率前饋。這也使得系統在較早切入恒溫系統得到保障。從而使得系統能較快的向著設定的目標值靠近。同時又能作出快速的響應。達到更好的控制精度。
4．內冷系統的控制
內冷系統是為了保障系統超壓的有力手段，一般壓力在3.45Mpa之后，主要是在壓力快速上升時，而分程控制閥已全開時開啟內冷閥。針對其特點，在設計系統時，當壓力大于3.45且分程冷水閥開度大于75度時切自動。及時投入調節。
運行結果
用以上控制的方法，從開始加熱到釜內壓力上升到3.5±0.1MPa，所用時間為25-30min左右，最大超調量為±0.03 MPa。而手動控制時，從開始加熱到釜壓平穩上升到3.55±0.1 MPa，一般需要40～60 min，在快速性上顯然不如智能復合控制方案。
另外手動控制時，在2.85～3.3 MPa這段范圍內，控制往往不及時，易引起超調，特別是對于經驗不豐富的運行人員來說更難。影響后續反應的平穩性，對產品的質量影響也比較大，回收的機率也大。
采用本系統，運行人員在自動投料結束后，只要操作啟動升溫按鈕，程序會全程控制熱水閥、冷水閥、內冷閥，無需手動干預，直到出料。以前一個人操作一個釜都忙不過來，采用自動后，一個人可以很輕松操作4個釜。
附：工藝流程圖：
本裝置（寶塔石化）設計能力為40000T/a聚丙烯，以石油液化氣分餾分離出的丙烯為原料。采用的是間歇式液相本體聚合法。主要設備為8臺12立方米聚合釜和8臺閃蒸釜等輔助設備形成的一套間歇式生產裝置，每四小時每釜可投料出料一次，每釜可生產聚丙烯粉料3T左右。
［關鍵詞］間歇聚丙烯過程；模糊控制
1引言
由于間歇聚丙烯生產過程中化學反應間歇過程的特性相當復雜，具有嚴重的非線性和時變特性。目前在不少間歇工業生產，仍采用手動或半自動操作，尤其是在反應期內，過程控制難度更大，這就要求控制策略適應各個時間段不同的特點。
2工藝特點
本裝置的主體是A、B、C、D 、E、F、G、H8個聚合釜，采用間歇式液相本體法聚合工藝，以液相丙烯為原料，采用CS-1型高效催化劑（Ticl4），以三乙基鋁為活化劑，以氫氣為聚合物分子量調節劑。液相丙烯經計量進入聚合釜，并將活化劑、催化劑和分子量調節劑按一定比例和順序加入聚合釜。各物料加完后，開始向聚合釜夾套通熱水給釜內物料升溫升壓，這時釜內溫度及壓力上升。當溫度升至55℃以上、壓力在2.4 MPa左右時釜內開始反應，放出熱量。由于反應放出的熱量會加劇反應的進行，所以應及時停止加熱，打開循環冷卻水使釜內溫度或壓力按一定速度上升，當釜內溫度升至73℃左右、釜壓升到3.55左右MPa時進行恒溫恒壓反應過程。隨著反應時間的延長，液相丙烯逐漸減少，聚丙烯顆粒的濃度增加。最后，釜內液相丙烯基本消失，釜內主要是聚丙烯固體顆粒和未反應的氣相丙烯，即達到所謂“干鍋”狀態，釜壓下降，此時認為反應結束。其中，升溫升壓階段約30 min，恒溫恒壓階段為4.5 h左右。
控制思想
結合工藝特點，該控制系統過程可分為3個階段。升溫升壓階段、過渡階段、恒溫恒壓階段。
1．升溫升壓階段。目的就是要在適當的時間內，控制熱水閥的開度向夾套加水，使溫度、壓力按照較理想的速率上升，上升太慢影響產量，太快則可能使后期反應過于激烈，難以控制。
所以一般都采用位式控制的方式。根據實際特點，在這個階段中，本系統分兩個階段來控制，壓力小于2 .0Mpa時，熱水閥開100%，讓釜充分升溫升壓，壓力在2-2.4.時熱水閥從100%逐漸關至50%，2.4-2.85時保持全關。這樣既縮短了升溫時間又使后期反應得到一定的緩解。
2.過渡階段
過渡階段是整個控制的難點，控制的目的就是要依據反應的強弱即壓力的變化來控制分程冷水閥及內冷控制閥，使壓力控制在3.55Mpa左右(因為壓力和溫度是線性關系)。在這個過程中如果控制不好，有可能超壓，引起高壓回收，甚至安全閥動作，反之則可能造成“僵釜”。同時還得考慮到由于原料引起反應過弱的情況，所以在設計模糊控制系統的同時，得考慮選用恰當的參數，使壓力在3.5Mpa之前時壓力能平穩的上升，也就是說，如何克服模糊控制的穩態誤差，經過本人的探索，當壓力在[3.3,3.5]時，在速率的[-0.1,0.1]區間中引入三角sinX函數，對模糊系統的EC項進行修正，而在3.5-3.6Mpa時快速的控制壓力。按照上述要求仿照人工控制的經驗，設計出智能的二維模糊控制器，輸入變為釜內壓力和釜壓的變化率，輸出變量為冷水閥的開度。模糊控制的任務為：在過渡過程的2.85～3.6 MPa階段，用雙輸入單輸出的模糊控制，代替人的手動操作，實現快速平穩過渡。
通過工藝規律，可以得到模糊IF-THEN規則
IF 壓力太低，速率為零,THEN 閥門不開
IF 壓力偏低，速率小, THEN 閥門小開。
IF 壓力稍低，速率中,THEN 閥門中開。
IF 壓力正常，速率大,THEN 閥門全開。
…….
(1)選擇描述輸入輸出變量的詞集
通過分析歷史數據，取輸入變量釜壓PT的
基本論域：［2.8，3.2,3.4.3.6］MPa
4個參量分別表示釜內壓力太低，偏低、稍低和正常。取壓力變化PEC的
基本論域：［0，0.56,0.11,0.17］MPa/min
4個參量分別表示壓力上升速度為零，小，中，大。
取冷水閥開度(控制量)Y的
基本論域：［0,33,66,100］
各參量對應的閥門狀態分別為全關，小開，中開，全開。
(2)定義各模糊變量的模糊子集
根據手動策略，隸屬函數采用等腰三角形的形式。由隸屬函數曲線可以得出各模糊變量在論域上的賦值表。
通過上述論域，采用新華DCS中的模糊控制功能塊，便可以構建一個控制方案，事實證明這種方案是非常有效的，它不但解決了壓力超調的問題，也解決了反應強弱的問題。并縮短了反應時間。
3．PID控制
利用PID控制穩態精度高的特點，在正常反應階段，采用PID控制方式。在切入恒溫恒壓時，這時反應可能還比較強，所以單純PID控制，在這個階段并不理想。所以引入速率前饋。這也使得系統在較早切入恒溫系統得到保障。從而使得系統能較快的向著設定的目標值靠近。同時又能作出快速的響應。達到更好的控制精度。
4．內冷系統的控制
內冷系統是為了保障系統超壓的有力手段，一般壓力在3.45Mpa之后，主要是在壓力快速上升時，而分程控制閥已全開時開啟內冷閥。針對其特點，在設計系統時，當壓力大于3.45且分程冷水閥開度大于75度時切自動。及時投入調節。
運行結果
用以上控制的方法，從開始加熱到釜內壓力上升到3.5±0.1MPa，所用時間為25-30min左右，最大超調量為±0.03 MPa。而手動控制時，從開始加熱到釜壓平穩上升到3.55±0.1 MPa，一般需要40～60 min，在快速性上顯然不如智能復合控制方案。
另外手動控制時，在2.85～3.3 MPa這段范圍內，控制往往不及時，易引起超調，特別是對于經驗不豐富的運行人員來說更難。影響后續反應的平穩性，對產品的質量影響也比較大，回收的機率也大。
采用本系統，運行人員在自動投料結束后，只要操作啟動升溫按鈕，程序會全程控制熱水閥、冷水閥、內冷閥，無需手動干預，直到出料。以前一個人操作一個釜都忙不過來，采用自動后，一個人可以很輕松操作4個釜。
附：工藝流程圖：
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