摘 要 為提高多晶硅精餾塔生產(chǎn)的自控率和控制精度，確保運行穩(wěn)定性并降低能耗，采用先進過程控制（APC）實施控制性能優(yōu)化。通過對基礎控制回路PID參數(shù)自適應優(yōu)化，提升生產(chǎn)裝置自動化水平，并對精餾粗分塔進行系統(tǒng)性控制性能優(yōu)化，提升主要過程參數(shù)的控制品質(zhì)，提升再生效率并降低蒸汽消耗量，從而提高現(xiàn)場裝置運行平穩(wěn)性，節(jié)約生產(chǎn)運行成本。

關(guān)鍵詞 APC 多晶硅精餾塔 控制性能優(yōu)化 PID控制回路

中圖分類號 TQ205 " 文獻標志碼 B " 文章編號 1000-3932（2024）04-0719-06

近年來，先進過程控制（Advanced Process Control，APC）已廣泛應用于精細化工、石化行業(yè)精餾塔的控制上。APC不僅可以顯著提高精餾塔運行的穩(wěn)定性、自動化程度，而且利用其卡邊控制功能，還可以提升產(chǎn)品品質(zhì)，提高裝置產(chǎn)能，降低能耗［1，2］。然而，目前APC還沒有用于多晶硅行業(yè)精餾塔的控制，其控制方式比較粗放。為此，筆者從自控專業(yè)入手，針對多晶硅精餾塔控制中存在的問題，優(yōu)化基礎回路控制參數(shù)，并通過引入APC算法，最終實現(xiàn)多晶硅精餾塔生產(chǎn)的提質(zhì)、提產(chǎn)、節(jié)能、降耗。

1 精餾塔生產(chǎn)中存在的問題

以多晶硅精餾粗分塔為研究對象，其主要功能是將生產(chǎn)的混合氯硅烷中的三氯氫硅與四氯化硅分離。該塔在實際運行過程中存在以下問題：

a. 基礎控制回路參數(shù)整定不合理，部分關(guān)鍵變量依然處于手動控制；部分PID回路雖然投用了自動模式，但依然存在PV波動大、閥門輸出振蕩等現(xiàn)象。

b. 沒有設計整體控制策略，僅采取單一PID控制，無法處理多變量場景，導致各控制器之間不協(xié)調(diào)，粗分塔整體波動大，產(chǎn)品質(zhì)量不合格，能耗大幅提升。

c. 操作工勞動強度大，當進料組分或塔整體負荷發(fā)生變化時，操作工需要進行大量的操作來保證塔的運行平穩(wěn)。

1.1 粗分塔基礎控制回路現(xiàn)狀

表1為粗分塔基礎控制回路現(xiàn)狀，可以看出，粗分塔涉及的基礎控制回路并沒有得到合理的整定，導致操作工很難將這些控制回路投用自動模式，各被控變量波動較大。

1.2 粗分塔整體控制現(xiàn)狀

目前，粗分塔的控制主要以基礎PID控制器為主，各關(guān)鍵變量均采用獨立的單回路PID控制，彼此無關(guān)聯(lián)邏輯。由于粗分塔的基礎回路PID控制器未得到良好的整定，因此其具有較大的優(yōu)化空間。例如，經(jīng)過優(yōu)化后塔底蒸汽存在的振蕩能夠被消除，這不僅能減輕閥門的磨損，提高控制器本身的性能，同時還能減少對蒸汽網(wǎng)絡的干擾以及對下游單元的擾動。

粗分塔屬于較為復雜的工藝單元，各變量之間均存在不同程度的聯(lián)系。然而，基礎PID控制器屬于單輸入單輸出（SISO）控制器，且只基于SP與PV之間的偏差進行調(diào)節(jié)，對于存在關(guān)聯(lián)的多變量控制場景，使用單一的PID控制器很難取得良好的控制效果，而多個單一的PID控制器之間又極易產(chǎn)生干擾，導致明顯的共同振蕩現(xiàn)象。這種周期振蕩的穩(wěn)態(tài)一旦被打破，例如進料組分、負荷發(fā)生變化，或者塔底、塔頂溫度被修改，那么操作工就需要耗費大量的精力去重新使裝置進入穩(wěn)態(tài)，導致期間出現(xiàn)產(chǎn)品不合格或蒸汽浪費的現(xiàn)象［3］。

2 控制優(yōu)化方案

基礎回路控制性能優(yōu)化主要致力于優(yōu)化粗分塔本身的基礎控制回路，實現(xiàn)長期且穩(wěn)定的投自動模式，且對于外部工藝干擾能夠進行有效的響應。基礎回路自動控制的投用能夠有效降低操作工的操作負擔，減少各關(guān)鍵變量的波動，為實施進一步的控制優(yōu)化打下良好的基礎。

由于單元控制性能優(yōu)化是基于單回路控制無法解決的控制問題，所以要引入多變量控制器進行處理。例如塔頂溫度不僅受回流影響，也受到塔頂壓力的制約，單變量PID控制無法處理這一類問題，因此需要采用多變量控制器進行處理和解決。單元控制性能優(yōu)化是在基礎控制回路優(yōu)化的基礎上進一步對被控單元的控制邏輯進行優(yōu)化，目標是實現(xiàn)被控單元的智能化自動控制。

2.1 基礎控制回路優(yōu)化實施

2.1.1 技術(shù)實施方案

基礎控制回路的性能優(yōu)化方案如下：

a. 對所有基礎控制回路進行有效整定，提高其控制性能，使之能夠投自動。

b. 使用整定工具對裝置的基礎控制回路繼續(xù)維護。

表2是針對粗分塔各PID控制回路提出的性能優(yōu)化建議。使用回路整定軟件，通過對各回路進行階躍測試、建模，從而計算出合理的PID參數(shù)，使其能夠投用到自動控制并具有良好的控制性能。

2.1.2 實施步驟

粗分塔基礎回路控制性能優(yōu)化具體實施步驟如下：

a. 自控工程師和裝置工藝團隊對每個單元所包含的控制回路的控制性能進行評估，確定需要優(yōu)化的回路列表；

b. 確認并記錄列表中回路的原始PID參數(shù)；

c. 在DCS工作站安裝、配置回路整定軟件；

d. 自控工程師和裝置工藝團隊按照已經(jīng)確定的回路列表，在確保生產(chǎn)穩(wěn)定的前提下確定合理的測試幅度；

e. 基于測試結(jié)果和工藝需求，計算并配置合理的PID參數(shù)；

f. 經(jīng)工藝團隊確認后，投用優(yōu)化后的PID參數(shù)；

g. 根據(jù)回路控制情況，對已優(yōu)化回路進行微調(diào)。

2.2 復雜回路優(yōu)化實施

對整個粗分塔回路進行分析后，發(fā)現(xiàn)存在部分大滯后干擾變量的控制回路，建議現(xiàn)場測試時在整定的基礎上，根據(jù)測試情況添加對應的前饋變量作為補償，即將干擾變量添加至當前的PID控制器中，使當前的PID控制器從單輸入單輸出回路變?yōu)槎噍斎雴屋敵龌芈?，從而提高控制器控制性能，減少由控制問題所導致的產(chǎn)品質(zhì)量問題。

2.3 單元控制性能優(yōu)化

2.3.1 技術(shù)方案

單元控制性能優(yōu)化方案是針對1.2節(jié)中所提出的粗分塔整體控制現(xiàn)狀進行的補足。通過建立新的多變量控制器，解決因各變量耦合所導致的控制問題，提高粗分塔的抗干擾能力和控制性能，降低操作工的勞動強度，同時減少因為控制問題所導致的產(chǎn)品質(zhì)量問題。由于單元控制性能優(yōu)化方案涉及到多變量控制，因此需要使用APC軟件模塊。

2.3.2 多變量APC控制器設計

表3是粗分塔多變量APC控制器設計思路。該控制器由3個被控變量、4個操作變量以及部分干擾變量與約束變量組成。

多變量APC控制器是基于粗分塔當前的控制情況和工藝人員的優(yōu)化需求進行設計的，并為以下預期目標服務：

a. 通過多變量控制，解決粗分塔存在的各控制場景之間相互干擾的問題，使粗分塔的控制更加協(xié)調(diào)，消除粗分塔整體波動，提高各被控變量的控制精度，增強粗分塔的抗干擾能力。

b. 降低操作工的勞動強度和粗分塔的操作難度，減少粗分塔運行的人力成本。

c. 實現(xiàn)優(yōu)化需求，在工藝存在優(yōu)化空間的前提下，通過使用“卡邊控制”的優(yōu)化策略，降低粗分塔的能耗，提高粗分塔的處理能力，提高經(jīng)濟效益。

2.3.3 具體實施

具體優(yōu)化實施步驟如下：

a. 審核調(diào)節(jié)回路的性能，回路是否是穩(wěn)定的、非周期的、響應和穩(wěn)健的。

b. 組建包含用戶工藝、生產(chǎn)、儀表和自控相關(guān)人員在內(nèi)的項目實施團隊，各部門協(xié)作確保項目的成功實施。

c. 提供現(xiàn)場輸入資料，如PID圖、邏輯控制、工藝參數(shù)等信息。熟悉工藝流程、了解裝置規(guī)模、運行情況、生產(chǎn)要求等信息，確定裝置/工段的重要工藝指標、經(jīng)濟指標，用戶需提供對優(yōu)化控制的具體要求和目標，然后根據(jù)實際情況對目標進行調(diào)整和優(yōu)化。

d. 確定數(shù)據(jù)采集要求，了解基礎控制回路的投運情況，確定基礎回路整改要求，對不滿足先進控制要求的基礎控制回路進行整改。

e. 根據(jù)現(xiàn)場工藝條件和控制要求，對模塊進行選型和具體配置。例如針對多變量耦合場合，選擇MPC模型預估控制模塊，合理選擇操縱變量（MV）、被控變量（CV）、干擾變量（DV）和約束變量（LV）［4］。

f. 給出詳細的實驗測試方案，與用戶的工藝、儀表人員共同論證實驗測試方案，并確定測試時間和相關(guān)事宜。

g. 根據(jù)裝置階躍測試獲得的數(shù)據(jù)，利用軟件工具進行建模，建立相關(guān)單元的動態(tài)數(shù)學模型。

h. 基于通過驗證的動態(tài)數(shù)學模型，進行多變量APC控制器的功能和結(jié)構(gòu)設計，通過仿真選擇能達到預期效果的模型與控制器，并用文件形式保存。

i. 根據(jù)DCS特點，設計并選擇安全切換邏輯的實現(xiàn)方案，保證異常情況下系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性以及APC與常規(guī)控制的無擾動切換。

j. 根據(jù)控制器結(jié)構(gòu)，按照工藝操作習慣，確定在DCS先進控制操作界面中操作人員需要觀察的信息和可調(diào)整的參數(shù)，設計用戶友好的先進控制操作界面。

在實際溝通和實施過程中，現(xiàn)場可能會出現(xiàn)不滿足實施APC的基礎條件或者需要更改APC先進控制模塊的類型和數(shù)量，此時需要經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)研評估可行性后，最終確定出準確的模塊授權(quán)、模塊數(shù)量和相應的人工工時。

3 方案實施效果

控制優(yōu)化方案實施效果如下：

a. 基于過程關(guān)鍵工藝和控制參數(shù)以及歷史測試數(shù)據(jù)，建立過程預測模型和控制器，避免了工藝參數(shù)的相互耦合影響并實現(xiàn)了工藝操作卡邊自動控制；

b. 提高了粗分塔綜合自動化水平，裝置中波動較大的重要工藝參數(shù)的標準偏差降低25%以上；

c. 提高了粗分塔自動投用率和關(guān)鍵參數(shù)運行平穩(wěn)率，自動投用率達到95%以上，關(guān)鍵參數(shù)運行平穩(wěn)率達到95%以上；

d. 先進控制系統(tǒng)的平均在線運行率達到95%以上，重要回路自動投用率100%；

e. 項目投用后產(chǎn)量得到了提升顯著，設計負荷由80%提升到105%；

f. 粗分塔控制優(yōu)化后，生產(chǎn)系統(tǒng)運行平穩(wěn)，顯著降低了人員的勞動強度。

4 結(jié)束語

從基本控制回路入手，針對多晶硅精餾塔生產(chǎn)運行過程中存在的問題，引入多變量APC控制器，通過復雜控制實現(xiàn)最優(yōu)控制目標。該項目在多晶硅精餾粗分塔上實施后，很好地解決了目前生產(chǎn)過程中存在的一些控制優(yōu)化方面的問題，顯著提高了生產(chǎn)產(chǎn)能，降低了能耗，對其他過程控制優(yōu)化具有一定的借鑒意義。

參 考 文 獻

［1］ 許超，陳治綱，邵惠鶴.預測控制技術(shù)及應用發(fā)展綜述［J］.化工自動化及儀表，2002，29（3）：1-10.

［2］ 黃湘云，朱學峰.預測控制的研究現(xiàn)狀與展望［J］.石油化工自動化，2005，41（2）：27-31.

［3］ 劉美.儀表及自動控制［M］.北京：中國石化出版社，2015：222-224.

［4］ 褚健，王朝輝，蘇宏業(yè).先進控制技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)化［J］.測控技術(shù)，2000，19（8）：1-3；9.

（收稿日期：2023-07-11，修回日期：2024-06-07）