米海軍，李愛軍，龐 江

（陜西北元化工集團股份有限公司，陜西 榆林 719319）

陜西北元化工集團股份有限公司燒堿蒸發(fā)生產(chǎn)系統(tǒng)利用蒸汽作為熱源，將來自離子膜電解槽32%燒堿，依次通過三效降膜蒸發(fā)器、二效降膜蒸發(fā)器、一效降膜蒸發(fā)器， 被蒸發(fā)器殼程流通的蒸汽逐級濃縮，最終得到濃度為50%燒堿，其中一效降膜蒸發(fā)器所需熱源來自電廠蒸汽， 一效蒸發(fā)器產(chǎn)生蒸汽作為二效降膜蒸發(fā)器熱源， 二效降膜蒸發(fā)器產(chǎn)生蒸汽作為三效降膜蒸發(fā)器熱源， 三效降膜蒸發(fā)器產(chǎn)生蒸汽送冷凝器及真空機組， 三效降膜蒸發(fā)器系統(tǒng)真空度由真空泵機組維持[1]。

1 項目背景

陜西北元化工集團股份有限公司燒堿蒸發(fā)生產(chǎn)系統(tǒng)采用集散控制系統(tǒng)（DCS），實現(xiàn)主要工藝參數(shù)溫度、壓力、流量及液位等的監(jiān)控和記錄，以及報警、聯(lián)鎖等自動控制功能的落實； 在此過程中造成參數(shù)分布、非線性、時變、大滯后和多變量耦合的復雜控制系統(tǒng)，以PID 單回路控制為主的常規(guī)控制系統(tǒng)難以達到理想控制效果， 造成燒堿蒸發(fā)生產(chǎn)系統(tǒng)在實際生產(chǎn)操作過程中仍以操作人員經(jīng)驗操作為主，由于操作人員習慣及方法的差異，導致操作不當、調(diào)節(jié)幅度不夠或操作過量等問題突顯， 運行過程中關(guān)鍵工藝指標波動大，難以避免系統(tǒng)波動與外界干擾，致系統(tǒng)平穩(wěn)性差，能耗偏高[2]。

2 實施過程

2.1 過程控制分析

（1）燒堿蒸發(fā)生產(chǎn)系統(tǒng)是包含多臺蒸發(fā)器串聯(lián)和物料交叉換熱的復雜工藝過程， 其主要控制指標不僅受蒸汽溫度、蒸汽壓力、負荷變化的影響，同時還受作為原料的32%燒堿溫度、濃度以及循環(huán)水溫度、真空度等因素的影響。

（2）燒堿蒸發(fā)生產(chǎn)系統(tǒng)測量儀器和控制閥門配置到位，流量、液位、壓力控制回路實現(xiàn)PID 控制。但工藝特性復雜，導致控制效果不理想，一旦受到外界干擾， 常規(guī)單回路控制無法滿足工藝系統(tǒng)控制要求，需要人為輔助干預(yù)。

（3）常規(guī)控制器以PID 反饋控制的方式，但需要將燒堿蒸發(fā)生產(chǎn)的系統(tǒng)控制簡化成若干單變量進行控制， 無法適應(yīng)在實際生產(chǎn)中滿足更多項目工藝的需要[3]。 燒堿蒸發(fā)生產(chǎn)系統(tǒng)在控制過程中需要同時兼顧蒸發(fā)器液位、蒸發(fā)器壓力、蒸發(fā)器出料溫度等指標，而且這些指標間關(guān)聯(lián)性極強，屬于典型多變量控制裝置，傳統(tǒng)單變量控制無法實現(xiàn)精細化調(diào)節(jié)。

（4）燒堿蒸發(fā)生產(chǎn)系統(tǒng)屬于多變量耦合系統(tǒng)，能量集成度高、關(guān)鍵變量耦合嚴重；熱源波動對整個裝置的干擾作用大大增強，極大增加了解耦難度，也對常規(guī)PID 控制的穩(wěn)定性提出更高要求。

2.2 控制需求目標

（1）通過對燒堿蒸發(fā)生產(chǎn)系統(tǒng)現(xiàn)有自動化儀表的調(diào)研和診斷，實現(xiàn)現(xiàn)場安裝檢測儀表測量準確性、執(zhí)行儀表能夠滿足工藝控制需要， 避免出現(xiàn)調(diào)節(jié)死區(qū)等問題；并根據(jù)診斷出的問題，對現(xiàn)場儀表進行一次有目標的系統(tǒng)性修復和維護。

（2）通過加裝先進控制系統(tǒng)，提高生產(chǎn)系統(tǒng)綜合自動控制水平； 克服生產(chǎn)系統(tǒng)變量間關(guān)聯(lián)耦合和干擾因素，穩(wěn)定燒堿蒸發(fā)生產(chǎn)系統(tǒng)工況，降低各類工藝指標參數(shù)偏差30%以上。

（3）通過加裝先進控制系統(tǒng)，實現(xiàn)各類工藝過程控制指標、能源消耗、產(chǎn)品質(zhì)量指標等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下， 進一步挖掘生產(chǎn)裝置潛力和優(yōu)化生產(chǎn)數(shù)據(jù)“卡邊”運行能力，完成降低單位產(chǎn)品蒸汽消耗2.5%以上的目標。

（4）通過加裝先進控制系統(tǒng)，確保在生產(chǎn)系統(tǒng)正常運行狀況下， 先進控制系統(tǒng)投運率達到95%以上， 進一步保障生產(chǎn)系統(tǒng)操作的一致性和減少操作人員的人為干擾因素，降低崗位操作人員勞動強度。

（5）先進控制系統(tǒng)獨立完成與集散控制系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通訊，保證集散控制系統(tǒng)的正常運行，實現(xiàn)先進控制系統(tǒng)與集散控制系統(tǒng)的無擾動切換功能。

2.3 先進控制系統(tǒng)策略

根據(jù)燒堿蒸發(fā)生產(chǎn)系統(tǒng)運行現(xiàn)狀和實際需求，制定切實可行的控制策略尤為重要， 通過對過程控制分析、控制需求目標的確定，建立燒堿蒸發(fā)生產(chǎn)系統(tǒng)先進控制系統(tǒng)，主要包括一期堿蒸發(fā)控制器、二期堿蒸發(fā)控制器以及循環(huán)水池液位控制器， 具體各控制器功能如下。

（1）一期燒堿蒸發(fā)控制器。通過克服一期蒸汽進料量的頻繁波動， 實現(xiàn)一期燒堿蒸發(fā)生產(chǎn)系統(tǒng)三效降膜蒸發(fā)器溫度平穩(wěn)運行；通過調(diào)整32%燒堿旁路流量波動和三效降膜蒸發(fā)器產(chǎn)出流量的變化波動，使二效降膜蒸發(fā)器進三效降膜蒸發(fā)器燒堿流量保持穩(wěn)定，實現(xiàn)降低燒堿純度指標波動幅度。

（2）二期燒堿蒸發(fā)控制器。通過克服二期蒸汽進料量的頻繁波動， 實現(xiàn)二期燒堿蒸發(fā)生產(chǎn)系統(tǒng)三效降膜蒸發(fā)器溫度平穩(wěn)運行；通過調(diào)整32%燒堿旁路流量和三效降膜蒸發(fā)器產(chǎn)出流量的變化波動， 使二效降膜蒸發(fā)器進三效降膜蒸發(fā)器燒堿流量保持穩(wěn)定，實現(xiàn)降低燒堿純度指標波動幅度。

（3）循環(huán)水池液位控制器。通過對蒸發(fā)循環(huán)水水池補水調(diào)節(jié)閥PID 參數(shù)的整定，提高該調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)性；同時以循環(huán)水池液位設(shè)定值作為操作變量，進一步克服補水池出水量和進料流量波動等干擾因素，實現(xiàn)該補水池液位自動控制。

2.4 控制器變量分析

以一期蒸發(fā)系統(tǒng)為調(diào)控對象， 列出主要操縱變量、被控變量和干擾變量，具體變量見表1；分析并列出各變量的狀態(tài)，給出預(yù)期的優(yōu)化指標，通過先進控制軟件實現(xiàn)先進控制器的設(shè)計。

2.5 先進控制系統(tǒng)配置

（1）為了確保生產(chǎn)裝置安全運行，選擇以先進控制系統(tǒng)與DCS 控制系統(tǒng)相結(jié)合的控制方式；先進控制系統(tǒng)在DCS 控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上搭建，由于先進控制器支持上位機控制模式，可利用OPC 通訊模式實現(xiàn)上位機與DCS 控制器間的信息交換；另外，常規(guī)的PID 控制器設(shè)計也在先進DCS 控制器中實施，多因素的預(yù)估控制器、 工藝設(shè)計也在上位機等先進控制器中實施；先進控制器上位機采用服務(wù)器，而先進控制器硬件設(shè)備通過HUB 或交換機，與已安裝標準的OPC 接口軟件服務(wù)器采用以太網(wǎng)相連，形成了先進控制器上位機與DCS 控制站數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈锢磉B接。

（2）物理通信系統(tǒng)實現(xiàn)后，即可利用新安裝的OPC Server 軟件實現(xiàn)在先進控制器與DCS 控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)之間通信；OPC Server 軟件是先進控制器上位機與DCS 控制器之間數(shù)據(jù)相互交換的重要橋梁， 由OPC 接口軟件服務(wù)器利用DCS 通訊端口收集DCS 控制器數(shù)據(jù)， 然后通過標準的OPC 協(xié)議向先控制器上位機發(fā)送， 然后先進控制系統(tǒng)監(jiān)控平臺再向OPC 接口軟件服務(wù)器收集并發(fā)送有關(guān)數(shù)據(jù)，多變量預(yù)測控制軟件、 智能軟測量軟件對先進控制系統(tǒng)監(jiān)控平臺數(shù)據(jù)進行讀寫， 實現(xiàn)對生產(chǎn)系統(tǒng)的平穩(wěn)控制。

2.6 先進控制系統(tǒng)設(shè)計

（1）由于燒堿蒸發(fā)生產(chǎn)系統(tǒng)存在較多變量關(guān)聯(lián)和耦合特性，需要針對其特性建立控制方案，實現(xiàn)對其整體優(yōu)化控制。 燒堿蒸發(fā)生產(chǎn)系統(tǒng)多變量預(yù)測控制器以操縱變量、 干擾變量與被控變量之間動態(tài)響應(yīng)模型作為模型， 在此模型基礎(chǔ)上將被控變量設(shè)定值、上限、下限進行優(yōu)化，最終達到控制最優(yōu)目標。

（2）燒堿蒸發(fā)生產(chǎn)系統(tǒng)影響燒堿濃度的主要是蒸發(fā)器溫度， 通過對蒸發(fā)器液位和溫度間的平衡控制來達到穩(wěn)定產(chǎn)品濃度的目標， 同時由于三效降膜蒸發(fā)器與二效降膜蒸發(fā)器、 二效降膜蒸發(fā)器與一效蒸發(fā)器之間存在熱源及物料的關(guān)聯(lián)性， 需要協(xié)調(diào)優(yōu)化物料平衡和能量平衡，從而優(yōu)化蒸汽消耗。

（3）確定以“提高關(guān)鍵變量控制平穩(wěn)率與降低勞動強度，優(yōu)化操作與指標卡邊控制”為控制目標，從而實現(xiàn)裝置節(jié)能降耗，挖潛增效的目的。

（4）結(jié)合日常操作過程中人員對工藝系統(tǒng)物料平衡和能量平衡的操作經(jīng)驗， 將經(jīng)驗轉(zhuǎn)化成程序控制，提高裝置自動化水平，降低勞動強度。

（5）通過建模分析，確定先進控制系統(tǒng)需要5 個模型預(yù)測控制器，其中3 個需要滿足大滯后、強耦合的復雜回路控制功能，2 個單回路PID 參數(shù)整定功能。

2.7 DCS 程序安全設(shè)計

為提高先進控制系統(tǒng)安全性， 特設(shè)置工藝指標報警數(shù)據(jù)，先進控制器投切狀態(tài)標志；當先進控制系統(tǒng)出現(xiàn)異常告警時，在一定約束范圍內(nèi)進行控制，系統(tǒng)投入初期， 可以把控制器限定在一個較小的約束范圍，當超出該約束范圍，先進控制系統(tǒng)會被切出，并發(fā)生報警，提示操作員進行干預(yù)。先進控制系統(tǒng)穩(wěn)定運行后，操作員可以逐漸放開約束，在指定的范圍內(nèi)進行控制。

2.8 先進控制系統(tǒng)測試

當先進控制系統(tǒng)軟件與現(xiàn)有控制系統(tǒng)連接后，先進控制系統(tǒng)軟件平臺控制器應(yīng)是開環(huán)激活。 為能得到被控過程的準確模型， 輸入信號必須激勵所有模態(tài)。測試一般采用階躍測試，其功能是建立過程動態(tài)模型最簡單和最常用的方法， 也就是在生產(chǎn)負荷下，穩(wěn)定運行一段時間后，使操縱變量MV 產(chǎn)生階躍變化，從而獲得被控變量CV 的響應(yīng)。為了獲得較為滿意的模型，測試過程中，CV 的期望變化幅度至少應(yīng)是噪聲的兩三倍。具體測試變化幅度、測試序列和持續(xù)時間應(yīng)根據(jù)過程條件和過程動態(tài)而修改， 如果檢測到過程擾動，將需要延長階躍持續(xù)時間；如果初始階躍變化幅度太小，將需要增加測試變化幅度。

2.9 先進控制系統(tǒng)無擾動切換

（1）常規(guī)控制切換到先進控制。先進控制系統(tǒng)未投運時， 先進控制系統(tǒng)設(shè)定值自動跟蹤AUT 回路SP 或MAN 回路MV；投運過程中，控制模式從常規(guī)模式切換到先進控制模式，實現(xiàn)無擾動切換。

（2）先進控制切換到常規(guī)控制?？刂颇Ｊ綇南冗M控制模式切除到常規(guī)控制模式； 各種對應(yīng)標志狀態(tài)需要從先進控制狀態(tài)切換到常規(guī)控制狀態(tài)， 操作人員進行干預(yù)操作。

（3）先進控制模式與常規(guī)控制模式切換過程，操作員可以在DCS 實現(xiàn)“投入”和“切出”；當先進控制系統(tǒng)出現(xiàn)報警等異常情況下， 先進控制模式自動切至常規(guī)控制模式，人員可直接進行干預(yù)性操作；同時先進控制器每個控制回路有單獨的“投入”和“切出”開關(guān)，可以單獨“投入”或者“切出”某個變量。

3 應(yīng)用效果評價

（1）通過先進控制系統(tǒng)的實施，PID 控制回路及產(chǎn)品質(zhì)量指標改善效果顯著； 以PID 控制回路、燒堿濃度、三效控制溫度為例，都有不同程度提高（見表2）；其中：二期一效、二效液位PID 控制回路標準差分別降低71%和49%；一期、二期燒堿濃度標準差分別降低32%和70%；一期、二期三效溫度標準差分別降低55%和42%；進一步保障了生產(chǎn)系統(tǒng)及產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。

（2）循環(huán)水補水由人工手動操作改為自動控制；該控制回路投運后，既滿足了液位自動控制需求，也達到了日均減少30 次以上的補排水操作；同時避免了補水過量造成的環(huán)保事故等風險。

（3）通過選取一、二期燒堿蒸發(fā)生產(chǎn)系統(tǒng)先進控制技術(shù)投運前后連續(xù)10 天噸堿蒸汽單耗作為對比，見圖1，圖2。先進控制系統(tǒng)投運后一、二期蒸發(fā)系統(tǒng)噸堿耗蒸汽整體低于投運前； 其中一期噸堿蒸汽單耗平均降低0.504-0.488=0.016 （t）， 降低幅度約為0.016/0.504×100%=3.17%； 二期噸堿蒸汽單耗平均降低0.528-0.509=0.019（t），降低幅度約為0.0156/0.528×100%=3.60%。

圖1 一期蒸發(fā)先控系統(tǒng)投運前后噸燒堿耗蒸汽對比圖

圖2 二期蒸發(fā)先控系統(tǒng)投運前后噸燒堿耗蒸汽對比圖

4 結(jié)語

燒堿蒸發(fā)生產(chǎn)系統(tǒng)先進控制技術(shù)投運后，（1）在保證各項工藝指標運行平穩(wěn)的基礎(chǔ)上， 燒堿濃度穩(wěn)定性大幅提升， 其中一期燒堿濃度波動幅度降低32%，二期燒堿濃度波動幅度降低70%；（2）燒堿蒸發(fā)生產(chǎn)系統(tǒng)所消耗蒸汽大幅降低， 其中一期消耗蒸汽降低約為3%，二期消耗蒸汽降低約為3.56%；（3）通過對蒸汽流量、 進三效流量配比等關(guān)鍵指標優(yōu)化及卡邊控制，大幅度提高產(chǎn)品收率；（4）進一步提升了蒸發(fā)裝置自動化水平， 有效降低的操作人員的勞動強度；（5）實現(xiàn)了在正常生產(chǎn)條件下，先進控制系統(tǒng)總投運率達到了100%， 為公司實現(xiàn)生產(chǎn)效益最大化。