(中國科學(xué)院自動(dòng)化研究所1，北京 100190；中國科學(xué)院大學(xué)2，北京 100190)

0 引言

氯化聚乙烯(chlorinated polyethylene,CPE)廣泛應(yīng)用于塑料、橡膠、建材、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)等眾多領(lǐng)域。因其自身化學(xué)結(jié)構(gòu)，CPE具有眾多優(yōu)良特性，能很好地提高材料性能。它與其他材料共同使用，可顯著提高其他材料的諸多特性[1]。本文研究的對象所采用的CPE生產(chǎn)方法為水相懸浮法。

氯化反應(yīng)是CPE生產(chǎn)的關(guān)鍵，是一個(gè)復(fù)雜的放熱反應(yīng)。氯化釜作為氯化反應(yīng)的主要設(shè)備，熱容量大、純滯后時(shí)間長，其傳熱系數(shù)會(huì)隨著反應(yīng)的進(jìn)行而發(fā)生變化[2]。加之溫度本身具有滯后性和非線性[3]，采用傳統(tǒng)的PID控制方法不能滿足控制要求。在分析氯化釜溫度特性的基礎(chǔ)上，提出了采用模糊控制器對溫度進(jìn)行控制的方法。在Simatic PCS7[4]系統(tǒng)中,利用CFC、SFC、SCL等編程工具完成了模糊控制器功能塊的編寫及其與其他功能塊的互連，并基于S7- 400H構(gòu)成溫度控制的DCS系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠有效地解決溫度的超調(diào)與振蕩、因現(xiàn)場水壓不穩(wěn)等突發(fā)干擾帶來的問題，顯著提高了CPE的產(chǎn)品質(zhì)量。

1 工藝概述

氯化反應(yīng)的主要設(shè)備為氯化釜，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。夾套內(nèi)部載熱體為冷水與蒸汽的混合流體，通過調(diào)節(jié)冷水閥門和蒸汽閥門開度實(shí)現(xiàn)對釜內(nèi)物料的升溫或冷卻。為避免冷水倒吸入蒸汽管道，調(diào)節(jié)過程中蒸汽閥門和冷水閥門不能同時(shí)打開。反應(yīng)過程中，通過氯化釜底部的液氯閥門將液氯通入氯化釜中，作為反應(yīng)物之一進(jìn)行生產(chǎn)。

圖1 氯化釜結(jié)構(gòu)示意圖

氯化反應(yīng)分為升溫、恒溫、降溫3個(gè)階段。工藝上對降溫階段的溫度變化要求不高(手動(dòng)操作即可)，本文只對升溫和恒溫階段進(jìn)行控制。根據(jù)工藝要求，將這兩個(gè)階段的溫度隨液氯累計(jì)量的變化關(guān)系分為5段，具體如表1所示。

表1 工藝要求

表1中，每個(gè)階段與相鄰階段的溫度節(jié)點(diǎn)對于氯化反應(yīng)質(zhì)量至關(guān)重要，在控制過程中主要針對溫度節(jié)點(diǎn)處的溫度與液氯累積量的匹配程度進(jìn)行測試。

2 控制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，需分別控制溫度和液氯流量。使用傳統(tǒng)的PID算法對液氯流量進(jìn)行控制，便能夠達(dá)到滿意的控制效果，保證液氯流量的恒定。本文只針對溫度控制做詳細(xì)說明。

由于溫度的滯后特性，采用傳統(tǒng)的PID控制方法會(huì)導(dǎo)致溫度產(chǎn)生較大波動(dòng)，本文采用模糊控制器解決溫度的滯后性問題。模糊控制器由模糊化、模糊規(guī)則庫、模糊推理、解模糊這4部分組成。其中，模糊控制規(guī)則需要根據(jù)現(xiàn)場操作人員長期積累的經(jīng)驗(yàn)制定。氯化釜溫度控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。為保證釜溫與液氯累積量按工藝要求變化，更加充分地利用反應(yīng)過程中釋放的熱量，將任意時(shí)刻的溫度設(shè)定值設(shè)置為隨液氯流量呈先快后慢趨勢增長時(shí)刻的值。

圖2 氯化釜溫度控制系統(tǒng)方框圖

本文采用二維模糊控制器對氯化釜溫度進(jìn)行控制，根據(jù)偏差e(單位為K)、偏差變化ec(單位為K)以及模糊規(guī)則輸出相應(yīng)的控制量。e(k)=r(k)-y(k),其中，r(k)為溫度設(shè)定值，y(k)為溫度測量值，ec(k)=e(k)-e(k-1)。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際生產(chǎn)狀況，偏差e的變化范圍選擇為[-30,30]，將其量化等級選擇為14級，模糊子集E的論域?yàn)镋={-6，-5，-4，-3，-2，-1，-0，+0，1，2，3，4，5，6}，對應(yīng)的量化因子為：

(1)

偏差變化ec的范圍選擇為[-3,3]，將其量化等級選擇為13級，模糊子集EC的論域?yàn)镋C={-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}，量化因子為:

(2)

對任意偏差ei進(jìn)行量化時(shí)，按以下3條原則處理。

① 如果m≤keei≤m+1,m

② 如果keei<-nkeei<-n，量化值為-n；

③ 如果keei>nkeei>n，量化值為n。

對偏差變化eci進(jìn)行量化時(shí)，與上述對ei量化的過程相同。

控制量u的變化范圍選擇為[-100,100]。u∈[-100,100]表示冷水閥門的開度；u∈[-100,0]表示蒸汽閥門的開度；最小值-100和最大值100分別表示蒸汽閥門和冷水閥門的全開；u=0則表示蒸汽閥門和冷水閥門均需關(guān)閉。模糊子集U的論域?yàn)閁={-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}，比例因子為：

(3)

模糊控制器選取三角波隸屬度函數(shù)，偏差E選用8個(gè)語言值，即{NL,NM,NS,NO,PO,PS, PM,PL}。E的隸屬度函數(shù)定義如圖3所示。

圖3 偏差E的隸屬度函數(shù)

偏差變化EC和控制量U選用7個(gè)語言值，即{NL,NM,NS,ZO,PS,PM,PL}。EC和U的隸屬度函數(shù)定義如圖4所示。

圖4 偏差變化EC與控制量U的隸屬度函數(shù)

本文采用雙輸入-單輸出的二維模糊控制器，模糊控制規(guī)則如表2所示。表2中，控制量U是根據(jù)偏差E與偏差變化EC共同決定產(chǎn)生的?？紤]到溫度的大滯后特性，整個(gè)控制過程中，尤其是偏差較小時(shí)，不采用大的控制量。這種做法能夠更加充分利用氯化反應(yīng)釋放的熱量，從而達(dá)到節(jié)約能源的效果。

表2 模糊控制規(guī)則

表2中所示的模糊規(guī)則可表示成56個(gè)條件語句，具體條件語句的形式如下：

IF E=NL AND EC=NL, THEN U=PL

IF E=NL AND EC=NM, THEN U=PL

……

IF E=PL AND EC=PL, THEN U=NL

本文采用MIN-MAX-重心法[5]作為模糊推理機(jī)的方法。每一個(gè)模糊規(guī)則都決定一個(gè)論域冪集上的三元模糊關(guān)系Ri：

Ri=(Ei×ECi)T列×Ui

(4)

(5)

最終得到與輸入的偏差E和偏差變化EC相對應(yīng)的控制量U，此時(shí)所得到的U不能直接對控制對象進(jìn)行控制，需要乘上比例因子ku。ku經(jīng)過清晰化后，才能夠作為控制量輸出作用于控制對象。

PCS7中集成了SCL編程語言，本文采用SCL語言實(shí)現(xiàn)模糊控制器功能塊的編程。所形成的模糊控制器功能塊“FUZZY_CTRL”示意圖如圖5所示。輸入信號(hào)TEMP_PV為溫度過程值，TEMP_SP為溫度設(shè)定值，F(xiàn)UZZY_A表示模糊控制器是否投入使用，U_MAX為控制量最大值(可調(diào)節(jié))，U_F_ON標(biāo)志是否需要輸出強(qiáng)制控制量，U_F_ON為1時(shí)，強(qiáng)制控制量U_Force起作用。輸出信號(hào)FUZZY_ O為模糊控制器輸出的控制量，F(xiàn)UZZY_R標(biāo)志模糊控制器是否啟用。

圖5 模糊控制器功能塊示意圖

3 系統(tǒng)配置

Simatic PCS7是Siemens推出的以高性能S7系列控制器為核心的過程控制系統(tǒng)。本文采用S7- 400H作為控制器，通過Profibus總線完成S7- 400H與現(xiàn)場設(shè)備的通信，采用工業(yè)以太網(wǎng)完成PLC與上位機(jī)的通信。軟件采用PCS7實(shí)現(xiàn)控制程序的編寫以及用戶界面的組態(tài)。

控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

S7- 400H具有毫秒級的冗余切換功能[6]。正常運(yùn)行時(shí)，一臺(tái)CPU處于工作狀態(tài)，進(jìn)行信號(hào)檢測、運(yùn)算，以及控制輸出；另一臺(tái)CPU處于熱備狀態(tài)。當(dāng)處于工作狀態(tài)的CPU發(fā)生故障時(shí)，熱備CPU迅速啟動(dòng)。這樣的設(shè)計(jì)能夠保證系統(tǒng)具有很強(qiáng)的容錯(cuò)性能，確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行，為氯化聚乙烯的穩(wěn)定生產(chǎn)創(chuàng)造有力保障。

4 階躍響應(yīng)及控制效果

利用仿真軟件獲取控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線，驗(yàn)證模糊控制器的可靠性與穩(wěn)定性，為實(shí)際工程實(shí)施提供方向性指示?？刂破麟A躍響應(yīng)曲線如圖7所示。

圖7 控制器階躍響應(yīng)曲線

該控制系統(tǒng)自投運(yùn)以來運(yùn)行穩(wěn)定，控制效果滿足現(xiàn)場需求?？刂破魍度肭昂蟮南到y(tǒng)趨勢曲線如圖8和圖9所示。

圖8 控制器投入后系統(tǒng)趨勢曲線

圖9 控制器未投入時(shí)系統(tǒng)趨勢曲線

對比圖8和圖9所示的趨勢曲線可以看出，與控制器投入前相比，投入后所得趨勢曲線中的氯化釜溫度變化更為平緩，無明顯波動(dòng)，這樣更加有利于氯化反應(yīng)產(chǎn)物中氯原子的均勻分布；此外，自動(dòng)控制程序能夠在基本維持蒸汽和冷水總消耗量相對不變的前提下，降低蒸汽閥和冷水閥的開關(guān)頻率，延長閥門壽命。程序運(yùn)行時(shí)能夠保證無操作員手動(dòng)干預(yù)生產(chǎn)，這使得在不增加工人數(shù)量的前提下實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)(多釜同時(shí)生產(chǎn))成為可能，從而大大提高了生產(chǎn)效率。

除能夠?qū)崿F(xiàn)無人工干預(yù)、大規(guī)模生產(chǎn)和延長設(shè)備使用壽命外，控制器投入使用后在實(shí)現(xiàn)溫度控制上更加精確。為更好地說明程序控制的效果，記錄液氯累積量在節(jié)點(diǎn)處(即160 kg、850 kg、1 850 kg、3 270 kg時(shí))所對應(yīng)的氯化釜溫度，將其與工藝要求的85 ℃、110 ℃、130 ℃、137 ℃相比較進(jìn)行誤差計(jì)算，控制器投入前后效果對比如表3所示。除對溫度的直觀控制效果進(jìn)行對比外，表3中還包括了氯化聚乙烯產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)中的氯含量、殘余結(jié)晶度[7]、熱分解溫度[8]等方面的對比。從表3可以看出，控制器投入使用后控制效果更能夠滿足工藝要求，在很大程度上提高了產(chǎn)品質(zhì)量。

表3 控制器投入前后效果對比表

5 結(jié)束語

本文采用模糊算法對氯化釜溫度進(jìn)行控制。通過SCL語言實(shí)現(xiàn)模糊控制器的編程，設(shè)計(jì)控制器的FB功能塊，取得了較好的控制效果。根據(jù)現(xiàn)場所獲取的數(shù)據(jù)繪制相應(yīng)趨勢圖，通過圖表對比控制器投入前后的控制效果。分析數(shù)據(jù)得知，在綜合考慮多個(gè)質(zhì)量指標(biāo)的前提下，控制器的投入獲得了較好的控制效果：生產(chǎn)過程中實(shí)際溫度與設(shè)定溫度的最大偏差大大縮小；標(biāo)定氯化聚乙烯質(zhì)量的主要指標(biāo)，如含氯量、殘余結(jié)晶度、熱分解溫度等在保證溫度控制精度的前提下均有明顯改善。同時(shí)，所設(shè)計(jì)的模糊控制功能塊具有較強(qiáng)的可移植性，能夠適用于多個(gè)控制問題?？傊?，控制器的投入在減少人力需求的同時(shí)，有效地提高了溫度控制的精度，大大降低了生產(chǎn)成本，為生產(chǎn)出更高質(zhì)量的產(chǎn)品提供保障。

[1] 李玉芳.氯化聚乙烯的生產(chǎn)應(yīng)用及市場分析[J].化工科技市場，2006，29(1)：16-20.

[2] 喬杰.間歇式反應(yīng)釜溫度控制系統(tǒng)研究[D].上海：東華大學(xué)，2010.

[3] 朱廷峰.模糊控制在間歇式反應(yīng)釜上的應(yīng)用研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2006.

[4] 米勒.西門子自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)戰(zhàn)S7和PCS7應(yīng)用實(shí)例[M].張懷勇，譯.北京：人民郵電出版社，2007.

[5] 王志新.智能模糊控制的若干問題研究[M].北京：知識(shí)產(chǎn)權(quán)出版社，2009.

[6] 姜建芳.西門子S7-300/400 PLC工程應(yīng)用技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[7] 張軍.低殘留結(jié)晶度氯化聚乙烯的熱穩(wěn)定性和性能的研究[D].南京：南京工業(yè)大學(xué)，2003.

[8] 沈清.氯化聚乙烯行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及產(chǎn)品質(zhì)量[J].安徽化工，2001，17(3)：36-37.