山東濱化集團(tuán)東瑞化工有限責(zé)任公司  蔣巨兵 馬浩

1. 前言

        山東濱化集團(tuán)大大小小有四套環(huán)氧丙烷裝置，總量為180000t/a，裝置控制系統(tǒng)均采用Honeywell PKS。裝置中的大滯后控制回路一直是裝置經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的難點(diǎn)，比如環(huán)氧丙烷裝置中皂化二級(jí)外回流冷凝器氣相出口溫度回路，由于前后裝置之間耦合嚴(yán)重，溫度控制過(guò)程反應(yīng)慢，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，滯后嚴(yán)重。使用常規(guī)PID控制效果一直不佳，手動(dòng)操作效果也不理想，直接影響到了產(chǎn)品的質(zhì)量和能源的消耗。為了提高裝置的控制水平，我們逐漸推廣先進(jìn)控制Profit Loop技術(shù)來(lái)解決裝置中大滯后的控制回路，提高裝置的控制水平。

    2．Profit Loop控制技術(shù)介紹

    在化工流程工業(yè)的控制中，PID控制依然是應(yīng)用最為廣泛的控制策略。雖然設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，PID控制器從普通的流量控制回路到高度復(fù)雜的反應(yīng)過(guò)程得到廣泛的應(yīng)用。PID控制有許多優(yōu)點(diǎn)，但還是有它的局限性，控制工程師將它應(yīng)用于帶有大的純滯后過(guò)程時(shí)，結(jié)果通常是失敗的。控制作用強(qiáng)時(shí)，回路控制不穩(wěn)定；調(diào)節(jié)作用弱時(shí)，控制性能下降。在實(shí)際應(yīng)用中，許多過(guò)程控制不一定只在設(shè)定點(diǎn)上，而僅要求控制在一定范圍內(nèi)，就能滿足要求。

    預(yù)測(cè)控制的基本思想是預(yù)測(cè)控制器用過(guò)程模型和控制算法來(lái)預(yù)測(cè)未來(lái)的狀態(tài)，并產(chǎn)生當(dāng)前的控制輸出。模型預(yù)測(cè)控制器將過(guò)程的測(cè)量值和由過(guò)程模型得到的所期望的響應(yīng)相比較，當(dāng)模型和實(shí)際過(guò)程有偏差時(shí)，偏差被反饋到控制器中，校正下一個(gè)周期的計(jì)算；如果模型很好地捕獲了過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性，控制器僅僅校正過(guò)程的干擾。這使得預(yù)測(cè)控制技術(shù)在理論上解決了較大純滯后的控制過(guò)程。 其控制方框圖如圖1所示： 

               
                                  圖1 預(yù)測(cè)控制方框圖  

    Profit Loop是一個(gè)駐留在PKS DCS系統(tǒng)上單入單出的模型預(yù)測(cè)控制器，它可以用一個(gè)簡(jiǎn)單的過(guò)程模型根據(jù)過(guò)去和現(xiàn)在的過(guò)程變量，來(lái)預(yù)測(cè)將來(lái)過(guò)程變量的動(dòng)作。當(dāng)Profit Loop 控制器滿足操作目標(biāo)時(shí)，內(nèi)置的優(yōu)化器用同一個(gè)模型滿足經(jīng)濟(jì)目標(biāo)。經(jīng)濟(jì)目標(biāo)可以是最大化產(chǎn)率，最小成本，操作彈性很大。它是一種具有專(zhuān)利的高效模型預(yù)測(cè)控制算法，允許用戶(hù)在區(qū)間控制和設(shè)定點(diǎn)控制之間進(jìn)行控制選擇，在約束區(qū)間內(nèi)優(yōu)化操作。Profit Loop 具有廣泛的使用性，Profit Loop可以處理困難的動(dòng)態(tài)控制(例如振蕩，反向響應(yīng)，純滯后等)，當(dāng)傳統(tǒng)的PID算法在面對(duì)噪音信號(hào)，非最小相位的動(dòng)態(tài)響應(yīng)或不能確定的動(dòng)態(tài)過(guò)程等，而無(wú)法控制時(shí)，Profit Loop可以顯示它的優(yōu)越性。隨著控制和優(yōu)化雙重目標(biāo)的設(shè)計(jì)和模型預(yù)測(cè)能力，Profit Loop也適合于特殊控制應(yīng)用，包括離散分析儀控制和非線性液位控制。

     3．Profit Loop控制改造的原因和目標(biāo)

    環(huán)氧丙烷工藝中皂化反應(yīng)是氯丙醇和皂化劑氫氧化鈣反應(yīng)，生成環(huán)氧丙烷和氯化鈣以及水。該反應(yīng)的化學(xué)方程式如圖2所示：
       
         
                                       圖2 皂化反應(yīng)方程式

    皂化劑與氯醇溶液充分混合后再進(jìn)入皂化反應(yīng)器。皂化反應(yīng)器頂部氣相進(jìn)入皂化一級(jí)外回流冷凝器，用工藝水冷卻，冷凝液回流，氣相進(jìn)入皂化二級(jí)外回流冷凝器，用循環(huán)水或冷水冷卻，冷凝液回流，氣相進(jìn)入下一級(jí)界區(qū)。皂化反應(yīng)產(chǎn)生的皂化廢水由皂化塔底泵輸送至其他界區(qū)。其化學(xué)方程式和工藝流程圖分別如圖2和如圖3所示。該反應(yīng)生成的環(huán)氧丙烷易水解成丙二醇，溫度是影響反應(yīng)產(chǎn)率的主要因素，溫度過(guò)低造成反應(yīng)速率的降低，也會(huì)造成氯丙醇轉(zhuǎn)化率降低，溫度過(guò)高則會(huì)造成丙二醇的生成。所以環(huán)氧丙烷皂化二級(jí)外回流冷凝器氣相出口溫度的控制對(duì)該裝置非常重要。

             

                                             圖3 皂化反應(yīng)流程圖


    環(huán)氧丙烷皂化二級(jí)外回流冷凝器氣相出口溫度回路在未使用Profit Loop前，該回路原來(lái)使用PID控制，溫度控制效果一直不理想 ，波動(dòng)大，因此該回路大部分時(shí)間不能投自動(dòng)，以致影響整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

      造成該回路控制不穩(wěn)定的原因有很多。皂化反應(yīng)是一個(gè)吸熱反應(yīng)，如果皂化劑Ca（OH）2濃度不穩(wěn)定，會(huì)引起皂化反應(yīng)不穩(wěn)定，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致皂化二級(jí)外回流冷凝器出口氣相溫度不穩(wěn)定。如果進(jìn)入反應(yīng)器的氯醇溫度不穩(wěn)定的話，也會(huì)造成皂化二級(jí)外回流冷凝器出口氣相溫度不穩(wěn)定。同時(shí)又由于蒸汽流量的不穩(wěn)定會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)器壓力不穩(wěn)定，同樣會(huì)影響反應(yīng)器壓力，從而間接導(dǎo)致出口氣相溫度不穩(wěn)定。在四季天氣變化下，外界環(huán)境溫度的變化也影響反應(yīng)器壓力和冷卻水溫度，導(dǎo)致氣相溫度的不穩(wěn)定。該回路的控制方框圖如圖4所示。針對(duì)該回路的情況，我們決定利用Profit Loop技術(shù)對(duì)該回路的控制策略進(jìn)行改造。 


                 
                                         圖4 皂化二級(jí)外回流冷凝器出口氣相溫度方框圖

    4．Profit Loop控制實(shí)施過(guò)程

    在Control Builder中，Profit Loop PKS是通過(guò)PID-PL邏輯功能塊實(shí)現(xiàn)的。實(shí)現(xiàn)它的過(guò)程與實(shí)現(xiàn)其他的控制策略的步驟相同，最基本的步驟就是創(chuàng)建一個(gè)控制模塊，再把PID-PL功能塊添加到控制模塊中。如圖5 所示：
  
                  
                                        圖5 PID-PL邏輯功能塊

    完成Profit Loop組態(tài)主要在Profit Loop Assistant 軟件中。可以通過(guò)兩種方式啟動(dòng)Profit Loop PKS Assistant軟件，第一種可以從Control builder軟件中Project或者monitor窗口啟動(dòng)。第二種是從Station軟件中的點(diǎn)細(xì)目啟動(dòng)。在組態(tài)時(shí)我們一般采用從monitor中啟動(dòng)。啟動(dòng)方法如圖6所示。Profit Loop Assistant 軟件包含有以下工具：PID到PID-PL模型轉(zhuǎn)換，模型定義工具，基于回路類(lèi)型的模型定義工具等。

                      
                           圖6 從Control builder軟件中啟動(dòng)Profit Loop  

    Profit Loop PKS Assistant可以觀測(cè)到實(shí)時(shí)趨勢(shì)和圖表。并可以觀測(cè)到控制器的各種參數(shù)，在控制器狀態(tài)圖表中可以看到過(guò)程值PV，設(shè)定值SP和閥門(mén)開(kāi)度OP。如圖7和圖8所示：

                        
                                              圖7 實(shí)時(shí)趨勢(shì)圖

                     
                                                圖8控制器狀態(tài)圖

    Profit loop assistant是一個(gè)可以簡(jiǎn)化Profit Loop PKS配置的工具，Profit Loop PKS功能塊并不需要運(yùn)用者對(duì)模型預(yù)測(cè)控制數(shù)學(xué)概念有很好的了解，因?yàn)镻rofit Loop PKS Assistant可以方便幫助使用者來(lái)建立模型，在使用軟件的時(shí)候，可以用四種方式來(lái)建立模型，如圖9所示：

     第一種方式是根據(jù)回路類(lèi)型直接定義模型參數(shù)，然后再根據(jù)個(gè)體回路類(lèi)型對(duì)模型進(jìn)行修改。

    第二種方式是通過(guò)現(xiàn)有的PID參數(shù)進(jìn)行計(jì)算得出。

    第三種方法是通過(guò)階躍測(cè)試獲得系統(tǒng)模型。

   第四種方式，如果有現(xiàn)有的系統(tǒng)拉普拉斯變換模型，也可以采用直接輸入的方式。通過(guò)離線辨識(shí)模型的工具軟件，
 
    可以把PKS中的歷史趨勢(shì)導(dǎo)入該軟件中進(jìn)行離線模型辨識(shí)，也可以得到良好的系統(tǒng)模型。這種方法是實(shí)現(xiàn)Profit Loop控制的一種便捷的方案。
         
                         
                                    圖9 4種Profit Loop 建模方案

    第一種方法主要是已知回路的動(dòng)態(tài)特性，但又不想干擾整個(gè)流程的情況下使用。模型可以從事先定義好的回路動(dòng)態(tài)特性中選擇，根據(jù)相同廠區(qū)或者相關(guān)聯(lián)的裝置來(lái)分組，來(lái)區(qū)分具有相同動(dòng)態(tài)特性的控制器。如圖10所示：
                
                      
                                           圖10 根據(jù)回路類(lèi)型建模

    根據(jù)我們回路的特點(diǎn)，為了獲取更準(zhǔn)確的模型參數(shù)，我們決定采用階躍測(cè)試的方法獲得系統(tǒng)模型。

    在進(jìn)行測(cè)試之前，可以通過(guò)Profit Loop PKS Assistant所附帶的診斷工具對(duì)控制回路質(zhì)量進(jìn)行診斷,主要有兩種診斷工具，Valve Doctor 和Loop analysis。如圖11、圖12、圖13所示：

     Valve Doctor 可以分析流量和壓力回路的閥門(mén)粘性概率，這個(gè)分析會(huì)被自動(dòng)執(zhí)行。Valve Doctor使用EPKS的在線歷史數(shù)據(jù)，或者當(dāng)控制器被選定并且Profit Loop Assistant打開(kāi)時(shí)，Valve Doctor直接從控制器獲得的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)被用來(lái)確定閥門(mén)是不是具有粘性。如果要實(shí)現(xiàn)有效的分析，Valve Doctor需要1小時(shí)快速采集（比5秒更快）的PV，OP和SP閉環(huán)操作數(shù)據(jù)。

    Loop analysis可以提供閥門(mén)振蕩檢測(cè)，閥門(mén)合適條件，PV/OP的標(biāo)準(zhǔn)方差等信息。Loop analysis提供了回路健康情況的指示。

    在進(jìn)行建模之前我們對(duì)要改造的回路進(jìn)行了診斷，確定回路是符合建模要求的。
  
                      
                                         圖11 回路診斷工具
 
                       
                                              圖12 Valve Doctor診斷工具

                      
                                                圖13 Loop analysis分析工具

     在沒(méi)有其他模型數(shù)據(jù)的情況下（比如PID參數(shù)或者現(xiàn)有拉普拉斯模型），并且可以對(duì)工藝過(guò)程進(jìn)行一定程度的擾動(dòng)。采用階躍測(cè)試的方法建立模型是一個(gè)好的方案。

     階躍測(cè)試的測(cè)試條件主要有三部分構(gòu)成，第一部分是定義階躍測(cè)試一般性設(shè)定。如圖14所示：

    需要設(shè)定階躍測(cè)試所要進(jìn)行的時(shí)間，當(dāng)模型辨識(shí)工具辨識(shí)出的模型參數(shù)變化明顯的，或者當(dāng)測(cè)試時(shí)間到，模型質(zhì)量還沒(méi)有達(dá)到要求，階躍測(cè)試會(huì)自動(dòng)終結(jié)。

    在Profit loop軟件中對(duì)模型的質(zhì)量設(shè)置了5個(gè)等級(jí)。該等級(jí)可以從模型識(shí)別算法中計(jì)算得到，用戶(hù)可以自己決定要下裝到控制器中使用的最低模型質(zhì)量等級(jí)。在回路類(lèi)型顯示欄中，可以選擇回路的類(lèi)型，比如是否溫度控制回路或者流量控制回路等。根據(jù)回路的特性選擇是否為積分器。如果該回路直接連著閥門(mén)，是否為閥門(mén)選項(xiàng)選擇是。如果該回路屬于串級(jí)回路中的主回路，該選項(xiàng)選擇否。
 
                     
                                          圖14 階躍函數(shù)測(cè)試一般性設(shè)定

     階躍測(cè)試第二項(xiàng)定義屬于特殊設(shè)定。

     如果該回路是積分器回路，進(jìn)行測(cè)試時(shí)，控制器的狀態(tài)必須設(shè)定為自動(dòng)，如果該控制器不是一個(gè)積分器，進(jìn)行階躍測(cè)試時(shí)候，該回路模式必須為手動(dòng)。在這兩種情況下，模式屬性必須都為程序模式。在測(cè)試類(lèi)型下拉框中，選擇是通過(guò)偽隨機(jī)序列進(jìn)行測(cè)試還是手動(dòng)進(jìn)行測(cè)試。如果測(cè)試類(lèi)型是偽隨機(jī)序列，必須輸入階躍測(cè)試測(cè)試范圍變化的上限和下限。在估計(jì)響應(yīng)時(shí)間欄目中填入以分鐘計(jì)的估計(jì)響應(yīng)時(shí)間，該響應(yīng)時(shí)間為SP改變引起PV量的改變于3倍正常噪聲，該回路PV值返回到穩(wěn)態(tài)所用時(shí)間。如圖15所示：
 
                     
                                          圖15 階躍函數(shù)測(cè)試特殊設(shè)定

     在高級(jí)階躍測(cè)試設(shè)定中，可以修改執(zhí)行頻率，濾波等選項(xiàng)，并可以直接返回默認(rèn)值。如圖16所示：
           
                   
                                        圖16 階躍函數(shù)測(cè)試高級(jí)設(shè)定

    在完成階躍測(cè)試設(shè)定以后，可以進(jìn)行階躍測(cè)試了。在階躍測(cè)試進(jìn)行過(guò)程中，可以看到當(dāng)前的PV，OP和SP情況和未來(lái)的SP，OP變化情況。

     當(dāng)模型質(zhì)量符合要求或者一系列指示指明測(cè)試結(jié)果不再會(huì)改變很多的時(shí)候，測(cè)試將會(huì)終止。當(dāng)模型的質(zhì)量不符合要求或者測(cè)試結(jié)果變化很大的時(shí)候，達(dá)到最大測(cè)試時(shí)間，測(cè)試也會(huì)結(jié)束。當(dāng)模型質(zhì)量小于3的時(shí)候并且預(yù)測(cè)性大于0.5。也可以手動(dòng)停止測(cè)試。

     測(cè)試完畢后，需要對(duì)測(cè)試的結(jié)果進(jìn)行評(píng)估，如果測(cè)試結(jié)果的評(píng)級(jí)小于等于3同時(shí)對(duì)未來(lái)預(yù)測(cè)性的的數(shù)值大于等于0.5，這些情況一般被認(rèn)為還是良好的模型。經(jīng)過(guò)測(cè)試環(huán)氧丙烷皂化二級(jí)外回流冷凝器出口氣相溫度系統(tǒng)模型為 ，該模型評(píng)級(jí)結(jié)果為第一等，該模型的預(yù)測(cè)性為0.867，符合了我們對(duì)回路控制的要求。

     當(dāng)完成了測(cè)試結(jié)果評(píng)估之后，我們可以將模型下載到控制器中。當(dāng)然也可以從控制器中把以往的模型上載到Control builder軟件中Project和monitor的ERDB數(shù)據(jù)庫(kù)中。

     Profit Loop PKS Assistant有兩種方法對(duì)控制器的參數(shù)進(jìn)行整定。如圖17、圖18所示。在整定之前先從Obtain valve details看一下Profit Loop PKS Assistant提供的關(guān)于閥門(mén)整定所要注意的問(wèn)題。當(dāng)用戶(hù)更熟悉用PID參數(shù)整定的時(shí)候，用戶(hù)可以通過(guò)PID的方式對(duì)參數(shù)進(jìn)行整定，輸入PID參數(shù)后自動(dòng)轉(zhuǎn)換成PID-PL模型參數(shù)。用戶(hù)當(dāng)然也可以直接輸入PID-PL 回路的參數(shù)來(lái)整定模型，Profit Loop采用“一鍵式”性能比單參數(shù)整定。通過(guò)簡(jiǎn)單地增加性能比值來(lái)減慢調(diào)節(jié)動(dòng)作的速度，同時(shí)增加魯棒性；反之，如果調(diào)節(jié)器動(dòng)作太慢，則可以通過(guò)減少性能比值來(lái)加速閉環(huán)調(diào)節(jié)器的響應(yīng)。經(jīng)過(guò)整定后，模型實(shí)現(xiàn)了更加優(yōu)質(zhì)的運(yùn)行。
 
                     
                                       圖17 Profit Loop 通過(guò)PID方式整定
 
                    
                                        圖18 Profit Loop 回路一鍵整定

     Profit Loop軟件可以把模型的歷史數(shù)據(jù)記錄下來(lái)，在需要的時(shí)候把以前建好的模型重新調(diào)用。這對(duì)Profit Loop工程實(shí)施是十分有用的，因?yàn)榛芈纺Ｐ陀锌赡芤驗(yàn)橥饨绛h(huán)境因素和人為因素而失效，比如冷凝水溫度有可能因?yàn)榇合那锒募咀儞Q而產(chǎn)生很大波動(dòng)導(dǎo)致模型失效或者操作工大幅度改變控制閥前后截止閥的開(kāi)度而導(dǎo)致模型失效。這時(shí)可以建立多個(gè)模型，根據(jù)具體情況調(diào)用不同的模型。如圖19所示：
我們可以把Profit Loop軟件配置過(guò)模型和控制器中運(yùn)行的模型給予評(píng)分，也可以根據(jù)評(píng)分重新獲得相關(guān)模型。如果在工廠里面不同廠區(qū)有很多控制器，這些廠區(qū)的回路具有相似的整定參數(shù)。可以將服務(wù)器中這些模型導(dǎo)出，并把它們導(dǎo)入到其他不同服務(wù)器中。

                     
                                  圖19 Profit Loop 回路模型歷史記錄和評(píng)分系統(tǒng)

      基于DCS軟件配置的角色，可以被Profit Loop assistant軟件用來(lái)限定對(duì)該軟件菜單的接觸。只要不是管理員賬號(hào)，其他賬戶(hù)都可以禁止訪問(wèn)一定的頁(yè)面。如圖20所示：
 
                     
                               圖20 Profit Loop assistant角色設(shè)定

      5．Profit loop控制算法的實(shí)施效果

      5.1控制精度得到提升。

     在使用Profit Loop后，溫度控制效果穩(wěn)定 ，控制回路波動(dòng)范圍減小，標(biāo)準(zhǔn)方差降低，從之前的0.8912降低為0.2265，產(chǎn)品質(zhì)量得到穩(wěn)定和提升。從下面的控制回路趨勢(shì)圖21可以看出閥門(mén)控制效果有了明顯提升。
 
                     
                                        圖21 皂化二級(jí)外回流冷凝器出口氣相溫度回路趨勢(shì)

     5.2減少了能源消耗，提高了生產(chǎn)效益

     由于溫度控制得到優(yōu)化，能源消耗也隨之降低。以皂化二級(jí)外回流冷凝器出口氣相溫度回路為例，環(huán)氧丙烷裝置中有兩套這樣的回路，都進(jìn)行了Profit Loop改造，每月減少冷卻水用量，1套系統(tǒng)每小時(shí)可以節(jié)水2m3，兩套回路每小時(shí)可節(jié)約4m3 ，4×8000h=3.2萬(wàn)m3，水費(fèi)2.7元/m3。年經(jīng)濟(jì)效益

     3.2×2.7=8.64萬(wàn)元。

    5.3工藝操作人員操作強(qiáng)度降低，可將回路投入自動(dòng)運(yùn)行

   5.4便于控制工程師進(jìn)行維護(hù)和實(shí)施

    采用Profit Loop控制器的一鍵整定，整定參數(shù)容易理解，整定簡(jiǎn)單，耗時(shí)少。而PID控制器，則需要綜合考慮比例，積分時(shí)間和微分時(shí)間的作用，不容易整定，耗時(shí)長(zhǎng)。

     6．結(jié)束語(yǔ)

     完成該項(xiàng)目過(guò)程中也遇到了幾處難點(diǎn)。第一點(diǎn)是進(jìn)行階躍測(cè)試必須是在裝置開(kāi)車(chē)狀態(tài)完成，作為控制工程師需要和工藝人員進(jìn)行協(xié)商，在征得工藝人員同意后，方可進(jìn)行測(cè)試，這對(duì)控制工程師的溝通協(xié)調(diào)能力提出了挑戰(zhàn)。當(dāng)然如果有模型離線辨識(shí)工具的話，可以直接從PKS歷史趨勢(shì)中辨識(shí)得到模型參數(shù)，這樣的方案可以在避免做在線階躍測(cè)試的同時(shí)又獲得良好的系統(tǒng)模型。第二點(diǎn)是由于環(huán)境因素或者人為因素會(huì)導(dǎo)致模型失效，這時(shí)候，可以建多個(gè)模型，根據(jù)不同情況調(diào)用不同的模型來(lái)應(yīng)對(duì)外界因素的改變，這樣可以實(shí)現(xiàn)Profit Loop的最優(yōu)使用。

      該控制方案的成功運(yùn)用后，濱化集團(tuán)正在實(shí)施進(jìn)行全集團(tuán)推廣應(yīng)用。該方案可以在全行業(yè)大規(guī)模推廣應(yīng)用，在各種溫度大滯后控制和精餾塔蒸汽控制等任何傳統(tǒng)PID控制不理想的復(fù)雜控制領(lǐng)域會(huì)大有作為，可以節(jié)省大量水和蒸汽的能源消耗，同時(shí)可以提高控制精度，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品卡邊控制，節(jié)約大量成本，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。

[參考文獻(xiàn)]

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作者簡(jiǎn)介：

蔣巨兵（1973-），男，工程師，1997年畢業(yè)于武漢化工學(xué)院，現(xiàn)任濱化集團(tuán)東瑞公司總工程師。
E-mail： jj-b@sohu.com
馬 浩（1980- ），男，工程師，2006年畢業(yè)于浙江大學(xué)，現(xiàn)任濱化集團(tuán)東瑞公司副主任工程師。
E-mail: mahao606@163.com