抗氧劑生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用

郭全，陳兵

（天津工業(yè)自動(dòng)化儀表研究所有限公司，天津 300060）

0 引言

國(guó)內(nèi)化工行業(yè)生產(chǎn)過(guò)程自控方面的技術(shù)水平參差不齊，以致于絕大多數(shù)化工企業(yè)擁有相同的生產(chǎn)難題：

1）化工生產(chǎn)過(guò)程中所使用的原料為易燃、易爆及具有腐蝕性的介質(zhì)，人為操作容易引發(fā)事故。

2）很多生產(chǎn)裝置及機(jī)組聯(lián)鎖控制系統(tǒng)在缺少冗余控制的情況下，由于使用時(shí)間較長(zhǎng)，屢次出現(xiàn)生產(chǎn)裝置停車(chē)現(xiàn)象，不僅無(wú)法保證生產(chǎn)進(jìn)度，而且給員工生命安全帶來(lái)了極大的安全隱患。

3）一線員工長(zhǎng)期到車(chē)間進(jìn)行手動(dòng)操作，在這種高溫、高壓、刺激性氣體比較濃烈的環(huán)境下工作，給員工的身體健康帶來(lái)了極大的傷害。

4）化工生產(chǎn)是一個(gè)比較穩(wěn)定的過(guò)程，因?yàn)樯a(chǎn)工藝的不同，在某些環(huán)節(jié)對(duì)反應(yīng)溫度、時(shí)間等要求比較苛刻，尤其是抗氧劑生產(chǎn)過(guò)程的酯化及縮合階段。

因此，為了解決抗氧劑生產(chǎn)過(guò)程的諸多難題、改變生產(chǎn)被動(dòng)狀況，必須提高抗氧劑生產(chǎn)過(guò)程自控水平，使其能滿足化工生產(chǎn)的要求?；谶@種特殊性，RSK-100過(guò)程控制系統(tǒng)所具有的冗余特性及神經(jīng)元PID算法在抗氧劑生產(chǎn)過(guò)程中表現(xiàn)極為突出，尤其在酯化及縮合階段，使產(chǎn)品質(zhì)量及收率得到大幅度提升。

1 系統(tǒng)組成

1.1 硬件配置

化工行業(yè)RSK-100過(guò)程監(jiān)控控制系統(tǒng)，自動(dòng)化儀表設(shè)備主要采用德國(guó)SIEMENS公司產(chǎn)品，包括PLC（S7-300）、壓力變送器、溫度變送器及德國(guó)丹佛斯電動(dòng)蒸汽調(diào)節(jié)閥等。由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖可見(jiàn)，本系統(tǒng)由2套PLC、2個(gè)計(jì)算機(jī)操作站及2臺(tái)電子白板組成，現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)經(jīng)隔離、濾波，由PLC進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、處理，PLC經(jīng)交換機(jī)，利用TCP 協(xié)議與操作站進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)上位實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示及控制。如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 系統(tǒng)功能

RSK-100過(guò)程監(jiān)控控制系統(tǒng)采用德國(guó)西門(mén)子公司高性能的S7-300系列，該可編程控制器通訊接口包括：以太網(wǎng)接口、MPI接口、232口485口等，用戶可根據(jù)自己需求，接入不同的通訊網(wǎng)絡(luò)，本系統(tǒng)采用以太網(wǎng)接口。

儀表設(shè)備的檢測(cè)與控制主要由PLC系統(tǒng)完成，電氣開(kāi)關(guān)量及模擬量經(jīng)隔離、濾波全部進(jìn)入PLC，包括抗氧劑生產(chǎn)的原料準(zhǔn)備、結(jié)晶、縮合、水洗、酯化、熱熔、造粒、冷凍機(jī)組系統(tǒng)等。該系統(tǒng)根據(jù)從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)采集的模擬量信號(hào)及開(kāi)關(guān)量信號(hào)（溫度、壓力、液位開(kāi)關(guān)、光電開(kāi)關(guān)信號(hào)和儀表的檢測(cè)數(shù)據(jù)等），對(duì)系統(tǒng)實(shí)行連鎖自動(dòng)控制。

監(jiān)控室操作站利用以太網(wǎng)，將可編程控制器（PLC）采集的信息通訊至上位組態(tài)集中處理，包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線、歷史數(shù)據(jù)曲線、報(bào)警記錄等。主要功能有：

1）操作監(jiān)控：通過(guò)PLC系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)信息，根據(jù)抗氧劑生產(chǎn)過(guò)程工藝的要求和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、快速的現(xiàn)場(chǎng)信息傳遞，給監(jiān)控室操作人員提供必要的指導(dǎo)，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備按要求進(jìn)行工藝控制。

2）歷史報(bào)警記錄：故障發(fā)生時(shí)間查詢(xún)、故障的工段名稱(chēng)、故障原因及關(guān)鍵設(shè)備的使用情況，自動(dòng)分析故障原因，為操作人員排除故障提供可靠數(shù)據(jù)。

3）歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)：可根據(jù)系統(tǒng)工藝要求，自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)，并且操作員根據(jù)需求，可查閱任一時(shí)段的歷史數(shù)據(jù)及歷史趨勢(shì)圖。

2 控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

RSK-100過(guò)程監(jiān)控控制系統(tǒng)在抗氧劑生產(chǎn)項(xiàng)目中處理總點(diǎn)數(shù)458個(gè)，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間200ms以?xún)?nèi)，處理器指令處理時(shí)間0.1-0.6μs，并具有編程簡(jiǎn)單、接口簡(jiǎn)單、帶載能力強(qiáng)、擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)，其中處理器處理點(diǎn)數(shù)可以擴(kuò)展到1000點(diǎn)，而且擁有軟件冗余包可方便實(shí)現(xiàn)CPU冗余。

系統(tǒng)技術(shù)先進(jìn)、控制精度高，其獨(dú)有的三冗余設(shè)計(jì)及遺傳算法的神經(jīng)元PID控制，在化工企業(yè)抗氧劑生產(chǎn)過(guò)程中得到了充分的肯定。

2.1 三冗余

1）CPU冗余

西門(mén)子PLC S7-300自帶軟件冗余包，能夠?qū)崿F(xiàn)P L C軟冗余即：系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中兩個(gè)CPU同時(shí)啟動(dòng)和運(yùn)行，但是在正常運(yùn)行時(shí)只有主CPU發(fā)出控制命令，而備用CPU檢測(cè)主CPU狀態(tài)和記錄主CPU發(fā)出的命令，當(dāng)主CPU發(fā)生故障時(shí)能夠延續(xù)當(dāng)時(shí)的實(shí)際狀態(tài)接替主CPU發(fā)出執(zhí)行命令。與主CPU通信的模塊處于激活狀態(tài)時(shí)主CPU能訪問(wèn)I／0模塊。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生特定故障時(shí)，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)主備切換，備站接替主站繼續(xù)運(yùn)行。

2）總線傳輸模塊冗余，通訊冗余后使上位機(jī)的通訊掃描過(guò)程是同步化進(jìn)行的，以保持主、備計(jì)算機(jī)同步工作，這樣，在主備計(jì)算機(jī)切換時(shí)，對(duì)過(guò)程的擾動(dòng)降到最低即實(shí)現(xiàn)無(wú)擾切換。

3）冗余系統(tǒng)在運(yùn)行工程中始終保持著設(shè)備狀態(tài)控制數(shù)據(jù)、各種內(nèi)部數(shù)據(jù)的同步傳輸，確保兩臺(tái)計(jì)算機(jī)同步運(yùn)行。

RSK-100過(guò)程監(jiān)控控制系統(tǒng)采用的三冗余設(shè)計(jì)，對(duì)化工生產(chǎn)的突發(fā)狀況，能夠迅速響應(yīng)，提高了化工生產(chǎn)的安全性、可靠性，同時(shí)保證了產(chǎn)品進(jìn)度。

2.2 遺傳算法的神經(jīng)元PID控制

抗氧劑生產(chǎn)分為原料準(zhǔn)備、酯化、熱熔、結(jié)晶、水洗、造粒系統(tǒng)等工段?？寡鮿?010制作工藝流程：2,6酚和丙烯酸甲酯在催化劑甲醇鈉的作用下進(jìn)行加成反應(yīng)生成3,5甲酯，3,5甲酯經(jīng)過(guò)結(jié)晶提純加入季戊四醇轉(zhuǎn)入酯交換反應(yīng)，在規(guī)定的溫度、壓力、反應(yīng)時(shí)間和氮?dú)獾谋Ｗo(hù)下加入醋酸中和，加笨溶解，水洗至中性，經(jīng)蒸餾得到淺黃色物質(zhì)在經(jīng)過(guò)結(jié)晶提純得到白色結(jié)晶，其中酯化工段對(duì)反應(yīng)原料配比、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間等要求比較苛刻。酯化工段分為4個(gè)階段，如表1所示。

表1 階段反應(yīng)對(duì)溫度和時(shí)間的要求

由表1可以看出，酯化工段對(duì)原料的反應(yīng)時(shí)間及溫度有著嚴(yán)格的要求。因?yàn)榉磻?yīng)時(shí)間、溫度對(duì)產(chǎn)品收率有較大的影響，如表2、3所示。

表2 反應(yīng)時(shí)間對(duì)抗氧劑收率的影響

表3 反應(yīng)溫度對(duì)抗氧劑收率的影響

由表2、3可以看出化學(xué)反應(yīng)的滯后性與控制精度對(duì)其收率及產(chǎn)品質(zhì)量起決定性的作用，目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)化工企業(yè)基本采用常規(guī)PID控制，常規(guī)PID系統(tǒng)穩(wěn)定性能比較高，不易受外界干擾，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。不過(guò)常規(guī) PID參數(shù)選擇比較繁瑣，而且參數(shù)選擇基本不能在線調(diào)整，而目前在化工生產(chǎn)過(guò)程中，往往要對(duì)各反應(yīng)釜每一反應(yīng)階段進(jìn)行逐一控制，反應(yīng)釜是一種多參數(shù)的調(diào)節(jié)對(duì)象，反應(yīng)過(guò)程中時(shí)間常數(shù)及滯后性較為突出，因此常規(guī)PID很難達(dá)到最佳狀態(tài)。

在同一采樣周期，同一時(shí)間加入擾動(dòng)信號(hào)，普通PID算法曲線為擾動(dòng)非線性，遺傳算法神經(jīng)元PID為平滑曲線、擾動(dòng)小。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用情況，遺傳算法神經(jīng)元PID參數(shù)修改后，響應(yīng)特性和動(dòng)態(tài)特性比一般的單神經(jīng)元PID更為出色，負(fù)載的穩(wěn)定性更強(qiáng)。

RSK-100過(guò)程監(jiān)控控制系統(tǒng)采用遺傳算法的單神經(jīng)元PID理論，遺傳算法是一種通過(guò)模擬自然進(jìn)化過(guò)程搜索最優(yōu)解的方法，其主要特點(diǎn)是直接對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行操作，采用概率化的尋優(yōu)方式，自動(dòng)獲取最佳的控制參數(shù)。所以遺傳算法擁有更快的響應(yīng)特性和更好的動(dòng)態(tài)特性。

遺傳算法的種群數(shù)N和交換概率P采用逐漸遞減的方法。公式如下：偏差平方積分（ISE），偏差絕對(duì)值積分（IAE），偏差絕對(duì)值與時(shí)間乘積的積分（ITAE）。

IAE：

遺傳算法通過(guò)概率變遷搜尋方式尋求最佳的自整定參數(shù)，以達(dá)到精準(zhǔn)控制的目的。整定過(guò)程如下：

1）利用傳統(tǒng)參數(shù)整定方法，隨機(jī)產(chǎn)生初始種群。

2）利用相應(yīng)軟件，計(jì)算適配度。

3）根據(jù)對(duì)種群的復(fù)制操作，以概率對(duì)種群的交叉、變異操作產(chǎn)生新的種群；如圖2所示。

4）t=t+1，確定適配度函數(shù)。

5）終止條件：連續(xù)幾代新種群適配度變化小于預(yù)先設(shè)定值，否則退回。

6）確定適配度值，結(jié)束搜索。

圖2 操作步驟

3 結(jié)束語(yǔ)

RSK-100過(guò)程監(jiān)控控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)適應(yīng)了自動(dòng)化發(fā)展的趨勢(shì)，突破了傳統(tǒng)觀念，使化工生產(chǎn)可靠性、安全性、穩(wěn)定性大幅度提高，并且提高了產(chǎn)品質(zhì)量，節(jié)約了能源，對(duì)化工行業(yè)的自動(dòng)化程度及環(huán)境保護(hù)起到了積極的作用?，F(xiàn)廣泛應(yīng)用于煉油、化工、供熱等系統(tǒng)企業(yè)中，得到了各方人事的一致認(rèn)可?！?/p>

[1] 胡壽松.自動(dòng)控制理論[M].5版.北京:科學(xué)出版社,2007.

[2] 薛定宇.控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助技術(shù):MATLAB語(yǔ)言與應(yīng)用[M].2版.北京:清華大學(xué)出版社,2006.

[3] 王順晃,舒迪前編著.智能控制系統(tǒng)及其應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1998.

[4] 張文修.遺傳算法的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)[M].西安:西安交通大學(xué)出版社,2003.

[5] 焦斌.遺傳算法改進(jìn)的單神經(jīng)元PID控制器及應(yīng)用[J].上海電機(jī)學(xué)報(bào),2005.

[6] 胡彧.張亦軍,楊冬梅.粗糙集結(jié)合遺傳算法在數(shù)據(jù)挖掘中的應(yīng)用[J];計(jì)算機(jī)應(yīng)用;2006年S1期.

[7] 李康順,李元香,滕沖,王玲玲;遺傳算法在數(shù)據(jù)挖掘中的應(yīng)用[J];計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用;2005年09期.