抗氧劑生產過程自動控制系統的應用

郭全，陳兵

（天津工業自動化儀表研究所有限公司，天津 300060）

0 引言

國內化工行業生產過程自控方面的技術水平參差不齊，以致于絕大多數化工企業擁有相同的生產難題：

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

2）很多生產裝置及機組聯鎖控制系統在缺少冗余控制的情況下，由于使用時間較長，屢次出現生產裝置停車現象，不僅無法保證生產進度，而且給員工生命安全帶來了極大的安全隱患。

3）一線員工長期到車間進行手動操作，在這種高溫、高壓、刺激性氣體比較濃烈的環境下工作，給員工的身體健康帶來了極大的傷害。

4）化工生產是一個比較穩定的過程，因為生產工藝的不同，在某些環節對反應溫度、時間等要求比較苛刻，尤其是抗氧劑生產過程的酯化及縮合階段。

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

1 系統組成

1.1 硬件配置

化工行業RSK-100過程監控控制系統，自動化儀表設備主要采用德國SIEMENS公司產品，包括PLC（S7-300）、壓力變送器、溫度變送器及德國丹佛斯電動蒸汽調節閥等。由系統結構圖可見，本系統由2套PLC、2個計算機操作站及2臺電子白板組成，現場信號經隔離、濾波，由PLC進行實時數據采集、處理，PLC經交換機，利用TCP 協議與操作站進行通訊，實現上位實時數據顯示及控制。如圖1所示。

圖1 系統結構圖

1.2 系統功能

RSK-100過程監控控制系統采用德國西門子公司高性能的S7-300系列，該可編程控制器通訊接口包括：以太網接口、MPI接口、232口485口等，用戶可根據自己需求，接入不同的通訊網絡，本系統采用以太網接口。

儀表設備的檢測與控制主要由PLC系統完成，電氣開關量及模擬量經隔離、濾波全部進入PLC，包括抗氧劑生產的原料準備、結晶、縮合、水洗、酯化、熱熔、造粒、冷凍機組系統等。該系統根據從現場實時采集的模擬量信號及開關量信號（溫度、壓力、液位開關、光電開關信號和儀表的檢測數據等），對系統實行連鎖自動控制。

監控室操作站利用以太網，將可編程控制器（PLC）采集的信息通訊至上位組態集中處理，包括實時數據顯示、歷史數據查詢、實時數據曲線、歷史數據曲線、報警記錄等。主要功能有：

1）操作監控：通過PLC系統采集的數據信息，根據抗氧劑生產過程工藝的要求和現場設備運行狀態，實現準確、快速的現場信息傳遞，給監控室操作人員提供必要的指導，并對現場設備按要求進行工藝控制。

2）歷史報警記錄：故障發生時間查詢、故障的工段名稱、故障原因及關鍵設備的使用情況，自動分析故障原因，為操作人員排除故障提供可靠數據。

3）歷史數據查詢：可根據系統工藝要求，自動記錄數據，并且操作員根據需求，可查閱任一時段的歷史數據及歷史趨勢圖。

2 控制系統的特點

RSK-100過程監控控制系統在抗氧劑生產項目中處理總點數458個，系統響應時間200ms以內，處理器指令處理時間0.1-0.6μs，并具有編程簡單、接口簡單、帶載能力強、擴展性強等特點，其中處理器處理點數可以擴展到1000點，而且擁有軟件冗余包可方便實現CPU冗余。

系統技術先進、控制精度高，其獨有的三冗余設計及遺傳算法的神經元PID控制，在化工企業抗氧劑生產過程中得到了充分的肯定。

2.1 三冗余

1）CPU冗余

西門子PLC S7-300自帶軟件冗余包，能夠實現P L C軟冗余即：系統運行過程中兩個CPU同時啟動和運行，但是在正常運行時只有主CPU發出控制命令，而備用CPU檢測主CPU狀態和記錄主CPU發出的命令，當主CPU發生故障時能夠延續當時的實際狀態接替主CPU發出執行命令。與主CPU通信的模塊處于激活狀態時主CPU能訪問I／0模塊。當系統發生特定故障時，系統可以實現主備切換，備站接替主站繼續運行。

2）總線傳輸模塊冗余，通訊冗余后使上位機的通訊掃描過程是同步化進行的，以保持主、備計算機同步工作，這樣，在主備計算機切換時，對過程的擾動降到最低即實現無擾切換。

3）冗余系統在運行工程中始終保持著設備狀態控制數據、各種內部數據的同步傳輸，確保兩臺計算機同步運行。

RSK-100過程監控控制系統采用的三冗余設計，對化工生產的突發狀況，能夠迅速響應，提高了化工生產的安全性、可靠性，同時保證了產品進度。

2.2 遺傳算法的神經元PID控制

抗氧劑生產分為原料準備、酯化、熱熔、結晶、水洗、造粒系統等工段。抗氧劑1010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行加成反應生成3,5甲酯，3,5甲酯經過結晶提純加入季戊四醇轉入酯交換反應，在規定的溫度、壓力、反應時間和氮氣的保護下加入醋酸中和，加笨溶解，水洗至中性，經蒸餾得到淺黃色物質在經過結晶提純得到白色結晶，其中酯化工段對反應原料配比、反應溫度、反應時間等要求比較苛刻。酯化工段分為4個階段，如表1所示。

表1 階段反應對溫度和時間的要求

由表1可以看出，酯化工段對原料的反應時間及溫度有著嚴格的要求。因為反應時間、溫度對產品收率有較大的影響，如表2、3所示。

表2 反應時間對抗氧劑收率的影響

表3 反應溫度對抗氧劑收率的影響

由表2、3可以看出化學反應的滯后性與控制精度對其收率及產品質量起決定性的作用，目前國內大多數化工企業基本采用常規PID控制，常規PID系統穩定性能比較高，不易受外界干擾，結構簡單。不過常規 PID參數選擇比較繁瑣，而且參數選擇基本不能在線調整，而目前在化工生產過程中，往往要對各反應釜每一反應階段進行逐一控制，反應釜是一種多參數的調節對象，反應過程中時間常數及滯后性較為突出，因此常規PID很難達到最佳狀態。

在同一采樣周期，同一時間加入擾動信號，普通PID算法曲線為擾動非線性，遺傳算法神經元PID為平滑曲線、擾動小。根據現場實際應用情況，遺傳算法神經元PID參數修改后，響應特性和動態特性比一般的單神經元PID更為出色，負載的穩定性更強。

RSK-100過程監控控制系統采用遺傳算法的單神經元PID理論，遺傳算法是一種通過模擬自然進化過程搜索最優解的方法，其主要特點是直接對控制對象進行操作，采用概率化的尋優方式，自動獲取最佳的控制參數。所以遺傳算法擁有更快的響應特性和更好的動態特性。

遺傳算法的種群數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），偏差絕對值積分（IAE），偏差絕對值與時間乘積的積分（ITAE）。

IAE：

遺傳算法通過概率變遷搜尋方式尋求最佳的自整定參數，以達到精準控制的目的。整定過程如下：

1）利用傳統參數整定方法，隨機產生初始種群。

2）利用相應軟件，計算適配度。

3）根據對種群的復制操作，以概率對種群的交叉、變異操作產生新的種群；如圖2所示。

4）t=t+1，確定適配度函數。

5）終止條件：連續幾代新種群適配度變化小于預先設定值，否則退回。

6）確定適配度值，結束搜索。

圖2 操作步驟

3 結束語

RSK-100過程監控控制系統的設計適應了自動化發展的趨勢，突破了傳統觀念，使化工生產可靠性、安全性、穩定性大幅度提高，并且提高了產品質量，節約了能源，對化工行業的自動化程度及環境保護起到了積極的作用?，F廣泛應用于煉油、化工、供熱等系統企業中，得到了各方人事的一致認可。□

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