顺酐生产过程计算机控制系统

顺酐生产过程计算机控制系统
刘漫丹徐义亨杜维
摘要：介绍了顺酐生产过程计算机控制系统的总体结构和主要控制回路的控制方案，并针对具有大时滞的被控对象进行了自适应模糊控制应用的探讨。

实际运行结果表明系统稳定可靠，控制精度高，满足了生产工艺的要求。

关键词：顺酐；计算机控制系统；自适应模糊控制
中图分类号：TP273.4 文献标识码：B 文章编号：1007-7324（1999）06-0013-03
1 工艺简介
顺酐(顺丁烯二酸酐，C4H2O3)是一种重要的基本有机化工原料，广泛应用于农药、医药、合成树脂等工业。

顺酐生产氧化过程带控制点的工艺流程图如图1所示。

纯苯与经预热的空气按一定比例混合后，进入列管式反应器顶部，在反应器顶部被加热到反应温度，通过催化剂床层进行氧化反应。

该反应为强放热反应，放出的大量反应热由熔盐带走。

反应生成气体经连续冷却后，用水吸收为顺酸，送后工序精制。

带有热量的熔盐进入熔盐换热器被水冷却后，返回反应器。

图1 顺酐生产氧化过程工艺流程图
2 系统结构
2.5kt/a顺酐生产过程计算机控制系统有模拟量输入30点，模拟量输出6点，数字量输入23点，数字量输出15点，此外还有5点液位显示和10点温度显示。

由于点数较少，下位机采用6台山武霍尼韦尔公司的KMM单回路控制器。

该控制器具有30个可以执行各种处理功能的运算单元和45种运算公式，组态十分方便。

为了防止开关量的接点讯号因“污染”而造成控制器的损坏，对进入KMM的DI/DO信号均用继电器进行隔离，以保护控制器。

系统结构如图2所示，共设有两个监控站互为热备用。

在正常情况下，即开关K打开时，监控站1对应氧化工序，监控站2对应洗涤工序。

若监控站1发生故障，则开关K闭合，由监控站2对6台控制器进行通讯，反之亦然。

图2 计算机控制系统结构
监控软件采用Intellution公司的FIX DMACS。

该软件具有强大的绘图、显示、趋势、报警及安全保护等多种监控功能，组态方便，操作灵活。

顺酐生产过程计算机控制系统监控软件包括动态生产流程图，重要工艺参数的历史趋势图，可对KMM控制器读写的控制回路图、报警系统图和报警参数总貌等几个主要部分。

3 主要控制回路
3.1 苯流量控制回路
实验表明，随着温度的升高催化剂表面上的酸性下降，以致表面生成的顺酐不易脱附而进一步氧化为碳氧化物，导致收率降低［1］。

因此要求必须控制反应器热点温度和盐点温度。

稳定热点温度的手段是调整进入反应器的苯和空气的比例，采用比例控制策略将苯流量与经温度和压力校正的空气流量之比控制在
1/24(重量比)。

此外根据工艺要求，当苯/空气＞1/23时就连锁停机。

实际运行表明，该系统具有较好的稳定性，在升负荷时，苯流量能够快速而稳定地跟随空气流量的变化而变化。

3.2 盐点温度控制回路
如图1所示，采用控制熔盐换热器进水流量的方法来维持出口熔盐温度，间接地保证反应器盐点温度稳定，以减少对热点温度的干扰。

本回路由于通道长，中间设备多，使得控制对象严重滞后，又由于反应器是非线性对象且外界干扰多，难以建立精确的数学模型，使得一些现代控制方法的应用受到限制，因此采用无须建模、实行方便且有效的采样控制方法对该回路进行控制。

采样控制之所以能克服滞后的不利影响，是因为采样开关的作用有点象纯滞后的反作用，能部分地补偿纯滞后的不利影响［2］。

用KMM的控制组态可以非常方便地实现采样控制，图3为编制框图。

实际运行表明，用这种方法取得了令人满意的效果，现场运行曲线非常平稳。

图3 采样控制编制框图
4 自适应模糊控制应用的探讨
盐点温度是严重的非线性被控对象，且具有大的滞后。

采样控制虽然能使盐点温度稳定在一定的精度范围内，但当出现大的干扰时，系统恢复时间往往很长，且PID参数和采样开关合断时间均需反复试验才能寻到最优。

文献［3］指出，模糊逻辑系统可以在任意精度上一致逼近任何定义在一个致密集上的非线性函数。

文献［4］指出，模糊控制器具有采样保持的特性，本身对大时滞对象就存在一定的有效性。

因此，笔者考虑用模糊控制对盐点温度进行控制。

由于盐点温度要求控制在一定精度内，而常规的模糊控制器等价于非线性PD控制，没有积分作用，不能消除余差，因此必须在模糊控制器基础上加入积分抑制策略［5］，在系统的动态过程进行时不加积分作用，当系统趋于稳定时再加入积分作用。

这样既保留了积分作用可以消除余差的优点，又抑制了积分作用对动态过程不利的缺点。

由于该被控对象复杂程度高，外界干扰多，控制规则难以总结，因此采用直接在查询表上进行调整的方法，即在标准查询表的基础上，针对大纯滞后的特性，基于偏差较大时将控制作用调得较大；当偏差很小时将控制作用调得很小的思想，将偏差的各量化级分别乘以不同的系数，在系统运行过程中，在线自学习这些系数。

我们用这种基于积分抑制策略的自适应模糊控制算法对盐点温度被控对象
进行了仿真研究。

图4为在一个阶跃作用下，几种方案的输出曲线。

其中，a为PID控制曲线；d为无自学习算法时的带积分抑制策略的模糊控制曲线；c为对偏差各量化级的系数进行在线自学习且带有积分抑制策略的模糊控制曲线；b为对偏差各量化级的系数和比例因子K u进行在线自学习且带有积分抑制策略的模糊控制曲线。

由于顺酐装置对安全指标要求极高，又受到KMM运算功能的限制，该算法还停留在计算机仿真的阶段，进一步的工业应用仍待继续努力。

图4 几种方案的输出曲线
5 结束语
25kt/a顺酐生产过程计算机控制系统1998年4月一次投运成功，已正常安全运行一年多时间，系统实现了顺酐生产过程工艺参数的实时测量及控制，为工艺设计人员提供了丰富的信息，同时为操作人员提供了直观的操作指导，操作人员可通过画面菜单进行操作，十分方便。

作者简介：刘漫丹女，1973年生，1995年获得浙江大学化工系生产过程自动化专业学士学位，现为浙江大学控制系工业自动化专业博士研究生。

研究方向为模糊逻辑控制、生产过程控制。

徐义亨简介见本刊1999年第1期第11页。

作者单位：浙江大学控制科学与工程学系
参考文献：
［1］陈养发，张好讲，李绍芬.在管壁式催化反应器中苯气相氧化为顺酐的研究［J］．化学反应工程与工艺，1991，2：111～119
［2］杜维.具有纯滞后的采样控制系统的分析与工程设计问题探讨［J］．炼油化工自动化，1980，1：53～63
［3］Castro J L.Fuzzy Logic Controllers Are Universal Approximators ［J］．IEEE Transcations on Systems,Man,and Cybernetics,1995,4：629-635 ［4］殷实，蒋慰孙.模糊控制器的本质探讨［J］．自动化仪表，1988，2：10～12
［5］杜维.积分抑制法的模糊控制器研究［J］．仪器仪表学报，1990，1：3～8。