上海新華DCS系統(tǒng)在間歇聚丙烯智能控制方案的應(yīng)用
工程概述
本裝置（寶塔石化）設(shè)計(jì)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(shè)備為8臺(tái)12立方米聚合釜和8臺(tái)閃蒸釜等輔助設(shè)備形成的一套間歇式生產(chǎn)裝置，每四小時(shí)每釜可投料出料一次，每釜可生產(chǎn)聚丙烯粉料3T左右。
［關(guān)鍵詞］間歇聚丙烯過(guò)程；模糊控制
1引言
由于間歇聚丙烯生產(chǎn)過(guò)程中化學(xué)反應(yīng)間歇過(guò)程的特性相當(dāng)復(fù)雜，具有嚴(yán)重的非線性和時(shí)變特性。目前在不少間歇工業(yè)生產(chǎn)，仍采用手動(dòng)或半自動(dòng)操作，尤其是在反應(yīng)期內(nèi)，過(guò)程控制難度更大，這就要求控制策略適應(yīng)各個(gè)時(shí)間段不同的特點(diǎn)。
2工藝特點(diǎn)
本裝置的主體是A、B、C、D 、E、F、G、H8個(gè)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(diào)節(jié)劑。液相丙烯經(jīng)計(jì)量進(jìn)入聚合釜，并將活化劑、催化劑和分子量調(diào)節(jié)劑按一定比例和順序加入聚合釜。各物料加完后，開(kāi)始向聚合釜夾套通熱水給釜內(nèi)物料升溫升壓，這時(shí)釜內(nèi)溫度及壓力上升。當(dāng)溫度升至55℃以上、壓力在2.4 MPa左右時(shí)釜內(nèi)開(kāi)始反應(yīng)，放出熱量。由于反應(yīng)放出的熱量會(huì)加劇反應(yīng)的進(jìn)行，所以應(yīng)及時(shí)停止加熱，打開(kāi)循環(huán)冷卻水使釜內(nèi)溫度或壓力按一定速度上升，當(dāng)釜內(nèi)溫度升至73℃左右、釜壓升到3.55左右MPa時(shí)進(jìn)行恒溫恒壓反應(yīng)過(guò)程。隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，液相丙烯逐漸減少，聚丙烯顆粒的濃度增加。最后，釜內(nèi)液相丙烯基本消失，釜內(nèi)主要是聚丙烯固體顆粒和未反應(yīng)的氣相丙烯，即達(dá)到所謂“干鍋”狀態(tài)，釜壓下降，此時(shí)認(rèn)為反應(yīng)結(jié)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(jié)合工藝特點(diǎn)，該控制系統(tǒng)過(guò)程可分為3個(gè)階段。升溫升壓階段、過(guò)渡階段、恒溫恒壓階段。
1．升溫升壓階段。目的就是要在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間內(nèi)，控制熱水閥的開(kāi)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(chǎn)量，太快則可能使后期反應(yīng)過(guò)于激烈，難以控制。
所以一般都采用位式控制的方式。根據(jù)實(shí)際特點(diǎn)，在這個(gè)階段中，本系統(tǒng)分兩個(gè)階段來(lái)控制，壓力小于2 .0Mpa時(shí)，熱水閥開(kāi)100%，讓釜充分升溫升壓，壓力在2-2.4.時(shí)熱水閥從100%逐漸關(guān)至50%，2.4-2.85時(shí)保持全關(guān)。這樣既縮短了升溫時(shí)間又使后期反應(yīng)得到一定的緩解。
2.過(guò)渡階段
過(guò)渡階段是整個(gè)控制的難點(diǎn)，控制的目的就是要依據(jù)反應(yīng)的強(qiáng)弱即壓力的變化來(lái)控制分程冷水閥及內(nèi)冷控制閥，使壓力控制在3.55Mpa左右(因?yàn)閴毫蜏囟仁蔷€性關(guān)系)。在這個(gè)過(guò)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(dòng)作，反之則可能造成“僵釜”。同時(shí)還得考慮到由于原料引起反應(yīng)過(guò)弱的情況，所以在設(shè)計(jì)模糊控制系統(tǒng)的同時(shí)，得考慮選用恰當(dāng)?shù)膮?shù)，使壓力在3.5Mpa之前時(shí)壓力能平穩(wěn)的上升，也就是說(shuō)，如何克服模糊控制的穩(wěn)態(tài)誤差，經(jīng)過(guò)本人的探索，當(dāng)壓力在[3.3,3.5]時(shí)，在速率的[-0.1,0.1]區(qū)間中引入三角sinX函數(shù)，對(duì)模糊系統(tǒng)的EC項(xiàng)進(jìn)行修正，而在3.5-3.6Mpa時(shí)快速的控制壓力。按照上述要求仿照人工控制的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)出智能的二維模糊控制器，輸入變?yōu)楦獌?nèi)壓力和釜壓的變化率，輸出變量為冷水閥的開(kāi)度。模糊控制的任務(wù)為：在過(guò)渡過(guò)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(dòng)操作，實(shí)現(xiàn)快速平穩(wěn)過(guò)渡。
通過(guò)工藝規(guī)律，可以得到模糊IF-THEN規(guī)則
IF 壓力太低，速率為零,THEN 閥門(mén)不開(kāi)
IF 壓力偏低，速率小, THEN 閥門(mén)小開(kāi)。
IF 壓力稍低，速率中,THEN 閥門(mén)中開(kāi)。
IF 壓力正常，速率大,THEN 閥門(mén)全開(kāi)。
…….
(1)選擇描述輸入輸出變量的詞集
通過(guò)分析歷史數(shù)據(jù)，取輸入變量釜壓PT的
基本論域：［2.8，3.2,3.4.3.6］MPa
4個(gè)參量分別表示釜內(nèi)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(gè)參量分別表示壓力上升速度為零，小，中，大。
取冷水閥開(kāi)度(控制量)Y的
基本論域：［0,33,66,100］
各參量對(duì)應(yīng)的閥門(mén)狀態(tài)分別為全關(guān)，小開(kāi)，中開(kāi)，全開(kāi)。
(2)定義各模糊變量的模糊子集
根據(jù)手動(dòng)策略，隸屬函數(shù)采用等腰三角形的形式。由隸屬函數(shù)曲線可以得出各模糊變量在論域上的賦值表。
通過(guò)上述論域，采用新華DCS中的模糊控制功能塊，便可以構(gòu)建一個(gè)控制方案，事實(shí)證明這種方案是非常有效的，它不但解決了壓力超調(diào)的問(wèn)題，也解決了反應(yīng)強(qiáng)弱的問(wèn)題。并縮短了反應(yīng)時(shí)間。
3．PID控制
利用PID控制穩(wěn)態(tài)精度高的特點(diǎn)，在正常反應(yīng)階段，采用PID控制方式。在切入恒溫恒壓時(shí)，這時(shí)反應(yīng)可能還比較強(qiáng)，所以單純PID控制，在這個(gè)階段并不理想。所以引入速率前饋。這也使得系統(tǒng)在較早切入恒溫系統(tǒng)得到保障。從而使得系統(tǒng)能較快的向著設(shè)定的目標(biāo)值靠近。同時(shí)又能作出快速的響應(yīng)。達(dá)到更好的控制精度。
4．內(nèi)冷系統(tǒng)的控制
內(nèi)冷系統(tǒng)是為了保障系統(tǒng)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(shí)，而分程控制閥已全開(kāi)時(shí)開(kāi)啟內(nèi)冷閥。針對(duì)其特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，當(dāng)壓力大于3.45且分程冷水閥開(kāi)度大于75度時(shí)切自動(dòng)。及時(shí)投入調(diào)節(jié)。
運(yùn)行結(jié)果
用以上控制的方法，從開(kāi)始加熱到釜內(nèi)壓力上升到3.5±0.1MPa，所用時(shí)間為25-30min左右，最大超調(diào)量為±0.03 MPa。而手動(dòng)控制時(shí)，從開(kāi)始加熱到釜壓平穩(wěn)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(fù)合控制方案。
另外手動(dòng)控制時(shí)，在2.85～3.3 MPa這段范圍內(nèi)，控制往往不及時(shí)，易引起超調(diào)，特別是對(duì)于經(jīng)驗(yàn)不豐富的運(yùn)行人員來(lái)說(shuō)更難。影響后續(xù)反應(yīng)的平穩(wěn)性，對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量影響也比較大，回收的機(jī)率也大。
采用本系統(tǒng)，運(yùn)行人員在自動(dòng)投料結(jié)束后，只要操作啟動(dòng)升溫按鈕，程序會(huì)全程控制熱水閥、冷水閥、內(nèi)冷閥，無(wú)需手動(dòng)干預(yù)，直到出料。以前一個(gè)人操作一個(gè)釜都忙不過(guò)來(lái)，采用自動(dòng)后，一個(gè)人可以很輕松操作4個(gè)釜。
附：工藝流程圖：
本裝置（寶塔石化）設(shè)計(jì)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(shè)備為8臺(tái)12立方米聚合釜和8臺(tái)閃蒸釜等輔助設(shè)備形成的一套間歇式生產(chǎn)裝置，每四小時(shí)每釜可投料出料一次，每釜可生產(chǎn)聚丙烯粉料3T左右。
［關(guān)鍵詞］間歇聚丙烯過(guò)程；模糊控制
1引言
由于間歇聚丙烯生產(chǎn)過(guò)程中化學(xué)反應(yīng)間歇過(guò)程的特性相當(dāng)復(fù)雜，具有嚴(yán)重的非線性和時(shí)變特性。目前在不少間歇工業(yè)生產(chǎn)，仍采用手動(dòng)或半自動(dòng)操作，尤其是在反應(yīng)期內(nèi)，過(guò)程控制難度更大，這就要求控制策略適應(yīng)各個(gè)時(shí)間段不同的特點(diǎn)。
2工藝特點(diǎn)
本裝置的主體是A、B、C、D 、E、F、G、H8個(gè)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(diào)節(jié)劑。液相丙烯經(jīng)計(jì)量進(jìn)入聚合釜，并將活化劑、催化劑和分子量調(diào)節(jié)劑按一定比例和順序加入聚合釜。各物料加完后，開(kāi)始向聚合釜夾套通熱水給釜內(nèi)物料升溫升壓，這時(shí)釜內(nèi)溫度及壓力上升。當(dāng)溫度升至55℃以上、壓力在2.4 MPa左右時(shí)釜內(nèi)開(kāi)始反應(yīng)，放出熱量。由于反應(yīng)放出的熱量會(huì)加劇反應(yīng)的進(jìn)行，所以應(yīng)及時(shí)停止加熱，打開(kāi)循環(huán)冷卻水使釜內(nèi)溫度或壓力按一定速度上升，當(dāng)釜內(nèi)溫度升至73℃左右、釜壓升到3.55左右MPa時(shí)進(jìn)行恒溫恒壓反應(yīng)過(guò)程。隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，液相丙烯逐漸減少，聚丙烯顆粒的濃度增加。最后，釜內(nèi)液相丙烯基本消失，釜內(nèi)主要是聚丙烯固體顆粒和未反應(yīng)的氣相丙烯，即達(dá)到所謂“干鍋”狀態(tài)，釜壓下降，此時(shí)認(rèn)為反應(yīng)結(jié)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(jié)合工藝特點(diǎn)，該控制系統(tǒng)過(guò)程可分為3個(gè)階段。升溫升壓階段、過(guò)渡階段、恒溫恒壓階段。
1．升溫升壓階段。目的就是要在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間內(nèi)，控制熱水閥的開(kāi)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(chǎn)量，太快則可能使后期反應(yīng)過(guò)于激烈，難以控制。
所以一般都采用位式控制的方式。根據(jù)實(shí)際特點(diǎn)，在這個(gè)階段中，本系統(tǒng)分兩個(gè)階段來(lái)控制，壓力小于2 .0Mpa時(shí)，熱水閥開(kāi)100%，讓釜充分升溫升壓，壓力在2-2.4.時(shí)熱水閥從100%逐漸關(guān)至50%，2.4-2.85時(shí)保持全關(guān)。這樣既縮短了升溫時(shí)間又使后期反應(yīng)得到一定的緩解。
2.過(guò)渡階段
過(guò)渡階段是整個(gè)控制的難點(diǎn)，控制的目的就是要依據(jù)反應(yīng)的強(qiáng)弱即壓力的變化來(lái)控制分程冷水閥及內(nèi)冷控制閥，使壓力控制在3.55Mpa左右(因?yàn)閴毫蜏囟仁蔷€性關(guān)系)。在這個(gè)過(guò)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(dòng)作，反之則可能造成“僵釜”。同時(shí)還得考慮到由于原料引起反應(yīng)過(guò)弱的情況，所以在設(shè)計(jì)模糊控制系統(tǒng)的同時(shí)，得考慮選用恰當(dāng)?shù)膮?shù)，使壓力在3.5Mpa之前時(shí)壓力能平穩(wěn)的上升，也就是說(shuō)，如何克服模糊控制的穩(wěn)態(tài)誤差，經(jīng)過(guò)本人的探索，當(dāng)壓力在[3.3,3.5]時(shí)，在速率的[-0.1,0.1]區(qū)間中引入三角sinX函數(shù)，對(duì)模糊系統(tǒng)的EC項(xiàng)進(jìn)行修正，而在3.5-3.6Mpa時(shí)快速的控制壓力。按照上述要求仿照人工控制的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)出智能的二維模糊控制器，輸入變?yōu)楦獌?nèi)壓力和釜壓的變化率，輸出變量為冷水閥的開(kāi)度。模糊控制的任務(wù)為：在過(guò)渡過(guò)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(dòng)操作，實(shí)現(xiàn)快速平穩(wěn)過(guò)渡。
通過(guò)工藝規(guī)律，可以得到模糊IF-THEN規(guī)則
IF 壓力太低，速率為零,THEN 閥門(mén)不開(kāi)
IF 壓力偏低，速率小, THEN 閥門(mén)小開(kāi)。
IF 壓力稍低，速率中,THEN 閥門(mén)中開(kāi)。
IF 壓力正常，速率大,THEN 閥門(mén)全開(kāi)。
…….
(1)選擇描述輸入輸出變量的詞集
通過(guò)分析歷史數(shù)據(jù)，取輸入變量釜壓PT的
基本論域：［2.8，3.2,3.4.3.6］MPa
4個(gè)參量分別表示釜內(nèi)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(gè)參量分別表示壓力上升速度為零，小，中，大。
取冷水閥開(kāi)度(控制量)Y的
基本論域：［0,33,66,100］
各參量對(duì)應(yīng)的閥門(mén)狀態(tài)分別為全關(guān)，小開(kāi)，中開(kāi)，全開(kāi)。
(2)定義各模糊變量的模糊子集
根據(jù)手動(dòng)策略，隸屬函數(shù)采用等腰三角形的形式。由隸屬函數(shù)曲線可以得出各模糊變量在論域上的賦值表。
通過(guò)上述論域，采用新華DCS中的模糊控制功能塊，便可以構(gòu)建一個(gè)控制方案，事實(shí)證明這種方案是非常有效的，它不但解決了壓力超調(diào)的問(wèn)題，也解決了反應(yīng)強(qiáng)弱的問(wèn)題。并縮短了反應(yīng)時(shí)間。
3．PID控制
利用PID控制穩(wěn)態(tài)精度高的特點(diǎn)，在正常反應(yīng)階段，采用PID控制方式。在切入恒溫恒壓時(shí)，這時(shí)反應(yīng)可能還比較強(qiáng)，所以單純PID控制，在這個(gè)階段并不理想。所以引入速率前饋。這也使得系統(tǒng)在較早切入恒溫系統(tǒng)得到保障。從而使得系統(tǒng)能較快的向著設(shè)定的目標(biāo)值靠近。同時(shí)又能作出快速的響應(yīng)。達(dá)到更好的控制精度。
4．內(nèi)冷系統(tǒng)的控制
內(nèi)冷系統(tǒng)是為了保障系統(tǒng)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(shí)，而分程控制閥已全開(kāi)時(shí)開(kāi)啟內(nèi)冷閥。針對(duì)其特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，當(dāng)壓力大于3.45且分程冷水閥開(kāi)度大于75度時(shí)切自動(dòng)。及時(shí)投入調(diào)節(jié)。
運(yùn)行結(jié)果
用以上控制的方法，從開(kāi)始加熱到釜內(nèi)壓力上升到3.5±0.1MPa，所用時(shí)間為25-30min左右，最大超調(diào)量為±0.03 MPa。而手動(dòng)控制時(shí)，從開(kāi)始加熱到釜壓平穩(wěn)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(fù)合控制方案。
另外手動(dòng)控制時(shí)，在2.85～3.3 MPa這段范圍內(nèi)，控制往往不及時(shí)，易引起超調(diào)，特別是對(duì)于經(jīng)驗(yàn)不豐富的運(yùn)行人員來(lái)說(shuō)更難。影響后續(xù)反應(yīng)的平穩(wěn)性，對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量影響也比較大，回收的機(jī)率也大。
采用本系統(tǒng)，運(yùn)行人員在自動(dòng)投料結(jié)束后，只要操作啟動(dòng)升溫按鈕，程序會(huì)全程控制熱水閥、冷水閥、內(nèi)冷閥，無(wú)需手動(dòng)干預(yù)，直到出料。以前一個(gè)人操作一個(gè)釜都忙不過(guò)來(lái)，采用自動(dòng)后，一個(gè)人可以很輕松操作4個(gè)釜。
附：工藝流程圖：
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