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    （蘭州石化公司自動化院，甘肅 蘭州 730060）王長明

    （蘭州石化公司合成橡膠廠，甘肅 蘭州 730060）竇華中
                        
    王長明（1964-）男，江蘇海安人，工學(xué)碩士，高級工程師，主要研究方向為先進控制與優(yōu)化技術(shù)研究及應(yīng)用、軟測量技術(shù)研究與應(yīng)用、流程工業(yè)企業(yè)信息化總體架構(gòu)。

    摘要：本文根據(jù)丙烯腈反應(yīng)器的工藝特點，提出了反應(yīng)器在DCS系統(tǒng)基礎(chǔ)之上的專家控制、GPC控制技術(shù)，以及相應(yīng)的控制策略；論述了裝置主要質(zhì)量參數(shù)反應(yīng)氣中的尾氧、丙烯醛含量軟測量預(yù)測技術(shù)；闡述了專家控制、GPC控制、軟測量原理。專家控制、GPC、軟測量技術(shù)在丙烯腈反應(yīng)器結(jié)合應(yīng)用，取得良好效果，解決了丙烯腈裝置生產(chǎn)瓶頸，提高了裝置運行平穩(wěn)率，降低了操作人員的勞動強度，提高了丙烯腈產(chǎn)品收率，收到了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

    關(guān)鍵詞：反應(yīng)器；GPC；軟儀表；專家控制；模型

    Abstract: According to the characteristics of the Acrylonitrile Unit Reactor,the expert Control technique and GPC technique are applied on DCS, and the corresponding control strategy is adopted. The soft sensor technique about oxygenic content and acroleinin content in the tail gas of reactor is discussed,the expert control theory, the GPC theory and the soft sensor theory are introduced. These techniques are successfully used in the Unit. Thereafter, the production bottleneck in the Unit is solved, the process stability is improved, the operation intensity is reduced, the acrylonitrile product yield is increased, and the economic benefit and the social benefit are obtained.

    Key words: Reactor; GPC; Soft Sensor; ExpertControl; Model

    1 概述

    某煉化企業(yè)丙烯腈裝置采用丙烯、氨、空氣為原料，在硫化床反應(yīng)器中通過催化劑制得丙烯腈，裝置分合成、分離、后處理和乙腈四個單元。采用丙烯氨氧化法制丙烯腈反應(yīng)流程，丙烯、氨、空氣按1: 1.05～1.25: 9.5～10.5的比例通過催化劑的作用，在溫度420℃～435℃，壓力0.055～0.08MPa條件下進行反應(yīng)，主產(chǎn)物為丙烯腈，副產(chǎn)物為乙腈、氫氰酸等。

    流化床反應(yīng)器是該裝置的心臟，其流程簡圖見圖1。反應(yīng)器丙烯腈的收率高低直接影響整個裝置的經(jīng)濟效益。丙烯氨氧化法制丙烯腈的反應(yīng)流程為液態(tài)丙烯和液態(tài)氨經(jīng)氣化、過熱、混合，由丙烯-氨分布器進入流化床反應(yīng)器，壓縮空氣通過位于丙烯-氨分布器下面的空氣分布板進入流化床反應(yīng)器，在一定的溫度和壓力下，混合氣體以一定的速度通過處于沸騰狀的微球形催化劑床層，在催化劑的作用下，反應(yīng)生成丙烯腈、乙腈及氫氰酸等產(chǎn)物，這些產(chǎn)物進入分離單元進行精制，生產(chǎn)出合格的丙烯腈產(chǎn)品。
                         

    在常規(guī)控制下，反應(yīng)溫度主要由反應(yīng)器撤熱水流量控制，由于受到進反應(yīng)器換熱的高壓蒸汽壓力、溫度、流量，反應(yīng)器壓力，以及環(huán)境溫度等因素的影響，反應(yīng)溫度波動大于1.5℃，工藝希望反應(yīng)溫度控制在0.5℃之內(nèi)。針對這個生產(chǎn)瓶頸提出了專家控制與預(yù)測控制相結(jié)合的控制方案，并通過與反應(yīng)器主要質(zhì)量參數(shù)軟測量數(shù)據(jù)相結(jié)合，實現(xiàn)反應(yīng)器“卡邊”控制。

    2 專家控制原理技術(shù)

    近年來，智能控制已成為控制界的一大熱點，利用人工智能的智能控制領(lǐng)域主要包括專家控制、模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。專家控制是人工智能的一個重要分支，已在石化生產(chǎn)過程管理控制中獲得許多應(yīng)用[1]。

    專家控制是一類智能控制算法，將專家控制技術(shù)與傳統(tǒng)控制理論相結(jié)合，實現(xiàn)對復(fù)雜、不確定性或病態(tài)過程的控制。專家控制器對被控過程或?qū)ο筮M行實時控制，對運算（推理）速度的要求是很高，必須在每個采樣周期內(nèi)都給出控制信號。

      專家控制模型為：U = f  (E, K,I)

    其中，U為控制器的輸出作用集，E為控制器的輸入集，K為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)項集，I為具體推理機構(gòu)的輸出集。

    依照產(chǎn)生式規(guī)則表達形式，是一種智能算子，其基本形式為：

      if E and K then <if then U>

    根據(jù)輸入信息和系統(tǒng)中的知識進行推理。

    專家控制系統(tǒng)解決控制問題的過程用下圖2流程描述，事實上是一種控制信息處理過程，是周期性地進行認識判斷行動的過程。專家控制系統(tǒng)首先根據(jù)收集的數(shù)據(jù)認識控制對象所處的狀況，根據(jù)認識的結(jié)果判斷應(yīng)該采取的行動，由此對控制對象實施控制作用。
                    

    本文采用的專家控制的任務(wù)是自適應(yīng)地管理一個受控對象的全部行為，使之滿足預(yù)定要求，將應(yīng)用于丙烯腈反應(yīng)溫度控制器。

    3 GPC控制技術(shù)

    GPC為一種預(yù)測控制，模型預(yù)測控制是工業(yè)應(yīng)用最為廣泛的一種控制技術(shù)。通過模型預(yù)測、滾動優(yōu)化、反饋校正實現(xiàn)高質(zhì)量的控制，因而在工業(yè)上獲得了廣泛的應(yīng)用^[2]。

    GPC采用下列具有隨機階躍擾動非平穩(wěn)噪聲的離散插分方程，也即CARIMA模型：

         （1）

    其中：

    y_t 為t時刻的系統(tǒng)輸出；

    u_t 為t時刻的控制量；

    , a₀=1 ;（2）

      ; （3）

    是零均值方差有界不相關(guān)的隨機噪聲序列；

    d是系統(tǒng)最小純時延步數(shù)；

      Δ 為差分算子，Δ =1-q^-1；

    q^-1為向后一步平移因子。

    再經(jīng)過優(yōu)化計算得t時刻的控制量為：

     （4）

    （1）至（4）式中， ，G₂、H為計算過程中間變量，NU為預(yù)測長度， λ 控制量權(quán)重因子。

    在GPC控制應(yīng)用過程中，利用（4）式建立數(shù)學(xué)模型，通過收集裝置運行數(shù)據(jù)，利用最小二乘法，確定GPC控制數(shù)學(xué)模型中的未知系數(shù)。

    4 丙烯腈裝置反應(yīng)溫度先進控制

    4.1 控制策略

    針對反應(yīng)器控制情況和用戶需求，對反應(yīng)溫度采用專家控制與GPC控制相結(jié)合的控制策略，實現(xiàn)丙烯腈反應(yīng)器平穩(wěn)運行。

    4.2 控制方案

    根據(jù)控制策略，在先進控制模型中選取反應(yīng)溫度作為被控變量，以 CV表示；選取丙烯進料量設(shè)定值、氨進料量設(shè)定值、空氣的進料量為操作變量，分別以MV₁、MV₂、MV₃表示；選擇反應(yīng)器壓力為干擾變量，以 DV表示。

    反應(yīng)溫度采用設(shè)定點控制，利用GPC控制模型預(yù)測輸出MV1控制輸出值，輸出值與下面的專家控制相結(jié)合，得到最后的控制輸出。

    根據(jù)操作人員和工藝人員的經(jīng)驗，對操作變量丙烯進料量設(shè)定值輸出提出以下控制策略：

    IF  ≤t₁ THEN MV1 的變化量 ≤ A₁ ；

    IFt_i<  t_i+i MV₁ 的變化量≤ A_i+1 i=1，…，h_-1；

    |反應(yīng)溫度實時數(shù)據(jù)-先控目標值|；

    其中t_i、A_i分別是根據(jù)專家經(jīng)驗將反應(yīng)溫度與先控目標值之差劃分不同的h個范圍值，并確定相對應(yīng)MV₁ 的限幅值。

    MV₂、MV₃的輸出值根據(jù)工藝確定的氨丙比、空丙比、MV₁的值獲得。

    4.3 應(yīng)用效果

    反應(yīng)溫度先進控制器投運后運行良好，如圖3所示。通過先進控制投運，確保反應(yīng)溫度及時的響應(yīng)目標值的變化，同時也沒有產(chǎn)生超調(diào)，很好的將溫度控制在目標值較小的波動范圍內(nèi)，控制效果十分明顯，提高了裝置運行的平穩(wěn)率。 

                

    5 軟測量技術(shù)

    5.1 軟測量實施思想

    軟測量的基本思想是把自動控制理論與生產(chǎn)工藝過程知識有機結(jié)合起來，應(yīng)用計算機技術(shù)，對于一些難于測量或暫時不能測量的重要變量，選擇另外一些容易測量的變量，通過構(gòu)成某種數(shù)學(xué)關(guān)系來推斷和估計，以軟件來代替硬件（傳感器）功能。這類方法具有響應(yīng)迅速，連續(xù)給出主導(dǎo)變量信息，且具有投資低、維護保養(yǎng)簡單等優(yōu)點。

    根據(jù)丙烯腈反應(yīng)器的特點，以及操作控制需求，選取反應(yīng)氣中的尾氧和丙烯醛含量進行實時預(yù)測，丙烯腈反應(yīng)氣中的尾氧和丙烯醛含量與反應(yīng)器反應(yīng)溫度、壓力、氨烯比、空烯比等反應(yīng)條件相關(guān)聯(lián)。反應(yīng)氣中的尾氧和丙烯醛含量進行實時預(yù)測，為裝置正常運行提供幫助。

    5.2 軟測量模型

    （1）反應(yīng)氣尾氧含量軟測量模型

    尾氧含量是丙烯腈反應(yīng)氣中一個重要的質(zhì)量控制指標，采用PLS(Partial Least Squares) 建立尾氧含量軟測量數(shù)學(xué)型，實施過程如圖4所示。 

                             

    確的輔助變量選擇使軟儀表建立在準確的輸入、輸出采集數(shù)據(jù)基礎(chǔ)之上，實現(xiàn)質(zhì)量數(shù)據(jù)的準確預(yù)測。在計算尾氧含量模型中，開始選擇了10個輔助變量，通過對該塔工藝機理及主元分析，確定PLS模型中的輔助變量為反應(yīng)溫度、丙烯進料、氨丙比、空丙比、反應(yīng)器壓力5個輔助變量，分別記為x1、x2、x3、x4及x5，尾氧含量y計算公式為：
           
               
 
    式中的x₁、x₂、x₃、x₄及x₅分別根據(jù)相應(yīng)參數(shù)的量程范圍進行了歸一化處理。

      尾氧含量軟測量模型預(yù)測精度高，如圖5所示。尾氧含量軟測量預(yù)測值與化驗值變化趨勢一致。尾氧含量反映空烯比的控制情況，尾氧含量高，反應(yīng)器中的催化劑容易被還原而失去活性。尾氧含量軟測量預(yù)測值實時指導(dǎo)裝置操作，與反應(yīng)溫度先進控制相結(jié)合，實際應(yīng)用中發(fā)揮了較好的作用。 

    （2）反應(yīng)氣丙烯醛含量軟測量模型

    丙烯醛含量是丙烯腈反應(yīng)氣中一個十分重要的質(zhì)量控制指標，采用PLS建立丙烯醛含量軟測量模型。

    在丙烯醛含量計算模型中的輔助變量為反應(yīng)溫度、反應(yīng)器壓力、氨丙比、空丙比4個輔助變量，分別記為x₁、x₂、x₃、x₄ 尾丙烯醛含量 y 計算公式。
  
              

      丙烯醛含量軟測量模型預(yù)測精度高，如圖6所示，圖6為2010年5月1日-5日丙烯醛含量的化驗值和模型計算值對比圖。丙烯醛含量軟測量預(yù)測值與化驗值變化趨勢一致。丙烯醛含量反映氨烯比的控制情況，氨烯比過低，丙烯腈收率降低，丙烯醛生成量增加，造成精制工段的困難；氨烯比過高，會增加氨耗，同時增加中和過量氨所用硫酸的用量。尾氧含量軟測量預(yù)測值實時指導(dǎo)裝置操作，與反應(yīng)溫度先進控制相結(jié)合，實際應(yīng)用中發(fā)揮了較好的作用。 

    6 結(jié)論

    專家控制、預(yù)測控制、軟測量技術(shù)在丙烯腈反應(yīng)器上取得成功應(yīng)用。通過這三種技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用，實現(xiàn)了“卡邊控制”，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，增加了主要產(chǎn)品的產(chǎn)量，節(jié)能降耗，延長催化劑使用壽命。

    參考文獻：

    [1] 韓志剛.先進控制技術(shù)在石化行業(yè)中的應(yīng)用問題分析[J]. 中外能源, 2007.12.98～101.

    [2] 孫德敏等. 工業(yè)過程先進控制及優(yōu)化軟件產(chǎn)業(yè)[J], 自動化博覽, 2003,9,5～13.

    摘自《自動化博覽》2010年第十二期