杭州優(yōu)穩(wěn)自動(dòng)化系統(tǒng)有限公司 袁超

UW500集散控制系統(tǒng)在精細(xì)化工行業(yè)全自動(dòng)解決方案

杭州優(yōu)穩(wěn)自動(dòng)化系統(tǒng)有限公司 袁超

針對(duì)目前某精細(xì)化工企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀，通過(guò)改進(jìn)常規(guī)控制策略，運(yùn)用幾種成熟的先進(jìn)控制策略，大大提高了該企業(yè)的生產(chǎn)自動(dòng)化水平，降低了生產(chǎn)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。本文基于一種模糊與經(jīng)典PID相結(jié)合的雙?？刂?，有效解決了超大型反應(yīng)釜的溫升、壓力等曲線控制中的滯后、超調(diào)等問(wèn)題。同時(shí)，通過(guò)其它多種改進(jìn)型策略的運(yùn)用，成功實(shí)現(xiàn)了某高分子材料生產(chǎn)過(guò)程中大容積聚合釜的一鍵自動(dòng)化。

集散控制系統(tǒng)；專(zhuān)家控制；PID；精細(xì)化工

1　概況

目前，UW500集散控制系統(tǒng)（DCS）在精細(xì)化工行業(yè)已得到了廣泛應(yīng)用，DCS對(duì)提高企業(yè)全廠自動(dòng)控制、提高生產(chǎn)安全性及作業(yè)效率都有重要作用。眾所周知，精細(xì)化工是生產(chǎn)精細(xì)化學(xué)品工業(yè)的通稱(chēng)。精細(xì)化工是國(guó)民經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)之一，現(xiàn)已經(jīng)形成相對(duì)完整的精細(xì)化工工業(yè)體系，主要包括表面活性劑、化妝品、感光材料、涂料、染料、熒光增白劑、有機(jī)顏料、香料和農(nóng)藥等。具有品種多，更新?lián)Q代快；產(chǎn)量小，大多以間歇方式生產(chǎn)；具有功能性或最終使用性；許多為復(fù)配性產(chǎn)品，配方等技術(shù)決定產(chǎn)品性能；產(chǎn)品質(zhì)量要求高；商品性強(qiáng)，多數(shù)以商品名銷(xiāo)售；技術(shù)密集高，要求不斷進(jìn)行新產(chǎn)品的技術(shù)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用技術(shù)的研究，重視技術(shù)服務(wù)；設(shè)備投資較??；附加價(jià)值率高等特點(diǎn)。所以大多以間歇方式小批量生產(chǎn)。雖然生產(chǎn)流程較長(zhǎng)，但規(guī)模小，單元設(shè)備投資費(fèi)用低，需要精密的工程技術(shù)。精細(xì)化工行業(yè)由于生產(chǎn)工藝的特殊性，限制了其自動(dòng)化水平的快速發(fā)展。近十年來(lái)，精細(xì)化工企業(yè)已經(jīng)逐漸認(rèn)識(shí)到提高自動(dòng)化水平的必要性，這不僅可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)、提質(zhì)降耗、還可以提高企業(yè)管理水平、增強(qiáng)產(chǎn)品和企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

2　精細(xì)化工全自動(dòng)的必要性

精細(xì)化工行業(yè)加工工藝采用專(zhuān)用設(shè)備或裝置，流程和能力都相對(duì)固定，工序間連續(xù)且能力匹配性強(qiáng)，在最高和最低日產(chǎn)量間波動(dòng)，產(chǎn)出品可能隨原料產(chǎn)地和工藝參數(shù)變化，需要按濃度、質(zhì)量等級(jí)分類(lèi)。進(jìn)出料都是連續(xù)的，提前期很短，除流程首尾外，無(wú)排隊(duì)、等待時(shí)間，通常不考慮在制品問(wèn)題。多數(shù)精細(xì)化工生產(chǎn)流程一般較長(zhǎng)，工序較多，但產(chǎn)品的需求量不大，故往往采用間歇式裝置生產(chǎn)?，F(xiàn)在生產(chǎn)工廠廣泛采用多種綜合生產(chǎn)流程，設(shè)計(jì)和制作用途廣、功能多的生產(chǎn)裝置以適應(yīng)精細(xì)化工產(chǎn)品品種繁多、批量小的特點(diǎn)。同時(shí)對(duì)生產(chǎn)管理和操作人員的素質(zhì)提出更高的要求。化工企業(yè)的設(shè)備一般是整套的生產(chǎn)線設(shè)備，設(shè)備投資比較大，工藝流程固定，生產(chǎn)能力有一定的限制。生產(chǎn)線上的設(shè)備維護(hù)特別重要，不能發(fā)生故障，只要一發(fā)生故障，就會(huì)造成全線停產(chǎn)，損失嚴(yán)重。故而，在控制層面上，必須擺脫傳統(tǒng)人為手工操作的生產(chǎn)方式，使用穩(wěn)定可靠的控制產(chǎn)品，建立精密安全的控制方案，通過(guò)全自動(dòng)的控制方式最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品穩(wěn)定安全高效的生產(chǎn)。UW500集散控制系統(tǒng)（DCS）目前在精細(xì)化工行業(yè)已取得了廣泛應(yīng)用，完全滿足精細(xì)化工全面自動(dòng)的控制需求，在UW500集散控制系統(tǒng)（DCS）卓越穩(wěn)定的性能基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)杭州優(yōu)穩(wěn)工程團(tuán)隊(duì)的刻苦攻關(guān)下，實(shí)現(xiàn)了精細(xì)化工項(xiàng)目全自動(dòng)的一鍵自動(dòng)的控制要求。

3　精細(xì)化工全自動(dòng)案例分析

聚合釜是精細(xì)化工中的典型設(shè)備，案例反應(yīng)工段為聚合工段，產(chǎn)品為某樹(shù)脂，聚合釜有夾套，聚合釜外循環(huán)降溫設(shè)備及管線（以下稱(chēng)為循環(huán)）（精細(xì)調(diào)節(jié)使用小循環(huán)，一般調(diào)節(jié)使用大循環(huán)），夾套溫度稱(chēng)外溫，聚合釜檢測(cè)物料的溫度為內(nèi)溫。

3.1聚合釜自動(dòng)生產(chǎn)過(guò)程（如圖1所示）

按照預(yù)先設(shè)定的配方從儲(chǔ)罐自動(dòng)按相應(yīng)順序分別打料進(jìn)A混合罐進(jìn)行混合，在不同的混合罐加入不同的小料，最后形成副料，進(jìn)入聚合釜上的計(jì)量罐。按照預(yù)先配方計(jì)算比例，按一定順序向聚合釜內(nèi)打進(jìn)相應(yīng)的的主料，隨后根據(jù)溫度，一般來(lái)說(shuō)需要蒸汽或是熱水升溫，使物料到達(dá)預(yù)定的溫度后延時(shí)加入A副料。此時(shí)反應(yīng)會(huì)有一定升溫，運(yùn)行溫度精調(diào)系統(tǒng)，通過(guò)UW500DCS控制系統(tǒng)精確計(jì)算，自動(dòng)打開(kāi)小循環(huán)，通過(guò)特殊控制（如FUZZYPID復(fù)合控制）調(diào)節(jié)蒸汽、冷水及循環(huán)泵，調(diào)節(jié)小循環(huán)溫度進(jìn)而達(dá)到控制外溫，將內(nèi)溫控制在設(shè)定值范圍內(nèi)，此時(shí)通氮?dú)馀叛?。一定時(shí)間后在合適壓力下自動(dòng)加入引發(fā)劑，反應(yīng)會(huì)較為劇烈，啟動(dòng)控溫系統(tǒng)，控制釜溫在設(shè)定值附近。隨后進(jìn)入循環(huán)加料階段，滴加B副料，UW500DCS控制系統(tǒng)根據(jù)B副料流量，自動(dòng)計(jì)算放熱量對(duì)應(yīng)的外溫目標(biāo)值，通過(guò)小循環(huán)達(dá)到目標(biāo)值。循環(huán)加料完成后自動(dòng)關(guān)閉小循環(huán)，打開(kāi)大循環(huán)降溫，延時(shí)一段時(shí)間后進(jìn)行成品液的輸送，聚合工段完成。

圖1 生產(chǎn)流程圖

3.2聚合釜自動(dòng)控制核心及難點(diǎn)

升溫反應(yīng)階段的溫度控制是聚合釜控制的重點(diǎn)和難點(diǎn)。如果采用傳統(tǒng)的人工手動(dòng)操作，必須時(shí)刻盯著數(shù)據(jù)，時(shí)刻進(jìn)行調(diào)節(jié)。聚合釜溫控精度靈敏度要求很高，溫度過(guò)低會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)無(wú)法發(fā)生，造成“僵釜”現(xiàn)象，影響生產(chǎn)效率；溫度過(guò)高反應(yīng)生成物中會(huì)含有較多雜質(zhì)，并且漲勢(shì)太快壓不住溫又會(huì)導(dǎo)致“飛溫”，容易發(fā)生事故。特別是加入引發(fā)劑后，該階段反應(yīng)極為敏感，控制的關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)升溫吸熱和反應(yīng)放熱的平穩(wěn)過(guò)渡。可反應(yīng)放熱、物料的比熱、加熱功率、保溫層保溫效果、釜體本身的散熱、環(huán)境溫度和不同物質(zhì)的吸、放熱的特性等不同因素都會(huì)對(duì)反應(yīng)釜溫度產(chǎn)生不同的影響。各種因素之間相互耦合、影響，控制特性比較復(fù)雜，且溫度變化滯后。反應(yīng)釜溫度又隨著反應(yīng)的發(fā)生呈現(xiàn)時(shí)變性，所以很難確定精確的數(shù)學(xué)模型。

因此，聚合釜控溫一直是控制的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

3.3UW500解決聚合釜溫控方案

經(jīng)過(guò)工程團(tuán)隊(duì)的多次試驗(yàn)，聚合釜溫度采用模糊控制加PID控制，即采用FUZZY-PID雙?？刂品桨福?dāng)溫度誤差在某個(gè)標(biāo)定值以外時(shí)，采用模糊控制，以獲得良好的瞬態(tài)性能；當(dāng)溫度誤差在標(biāo)定值以?xún)?nèi)的范圍時(shí)，則采用PID控制，以獲得良好的穩(wěn)態(tài)性能。

這種FUZZY-PID復(fù)合控制方式比單純的模糊控制具有更高的穩(wěn)態(tài)精度，更大程度上保證了反應(yīng)的溫度條件，獲得了明顯優(yōu)于PID控制的良好效果。案例中的項(xiàng)目老設(shè)備在升溫和反應(yīng)階段使用單純PID控制，控制有明顯滯后，且需要人為干預(yù)控制，以保證不會(huì)出現(xiàn)“飛溫”或是“僵釜”現(xiàn)象。改造后的項(xiàng)目及新投運(yùn)項(xiàng)目使用了UW500集散控制系統(tǒng)及針對(duì)其生產(chǎn)和工藝特點(diǎn)的FUZZY-PID復(fù)合控制的控制方案。在核心的反應(yīng)階段，控溫效果良好，其反應(yīng)的主要參數(shù)溫度曲線和設(shè)計(jì)曲線幾乎一致。

3.4總結(jié)

該工程自從用UW500集散控制系統(tǒng)投運(yùn)以來(lái)運(yùn)行平穩(wěn)，效果顯著，操作平穩(wěn)率、產(chǎn)品質(zhì)量等都大大提高。特別是工人勞動(dòng)強(qiáng)度與原料消耗等都有大幅度降低，同時(shí)也確保了裝置的平穩(wěn)安全運(yùn)行。這直接提高了企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力，為企業(yè)帶來(lái)了十分明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

3.5DCS控制的應(yīng)用效果

UW500集散控制系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定正常，系統(tǒng)各項(xiàng)功能按照設(shè)計(jì)方案全部投入一鍵自動(dòng)化，其控制精度和穩(wěn)定性完全滿足精細(xì)化工生產(chǎn)過(guò)程要求。

某高分子材料在反應(yīng)釜中生產(chǎn)時(shí)，完全按照預(yù)設(shè)定曲線控制溫度與壓力，并能根據(jù)工藝要求自動(dòng)補(bǔ)水補(bǔ)料。

[1] 厲玉名. 化工儀表及自動(dòng)化[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 1999: 217 - 232.

[2] 杭州優(yōu)穩(wěn)自動(dòng)化系統(tǒng)有限公司. UW500集散控制系統(tǒng)系統(tǒng)手冊(cè)[Z]. 2014.

[3] 王樹(shù)青. 工業(yè)過(guò)程控制工程[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2003.

[4] 康玨, 劉美. 基于MATLAB的神經(jīng)模糊聚合釜控制[J]. 自動(dòng)化儀表, 2008, 29 ( 6 ): 59 - 61.

袁超（1988- ）男，河南信陽(yáng)人，本科，現(xiàn)任杭州優(yōu)穩(wěn)自動(dòng)化系統(tǒng)有限公司工程師，主要從事DCS在各行業(yè)應(yīng)用方面的研究。