模糊算法在氯化釜溫度控制中的應用

(中國科學院自動化研究所1，北京 100190；中國科學院大學2，北京 100190)

0 引言

氯化聚乙烯(chlorinated polyethylene,CPE)廣泛應用于塑料、橡膠、建材、醫藥、農業等眾多領域。因其自身化學結構，CPE具有眾多優良特性，能很好地提高材料性能。它與其他材料共同使用，可顯著提高其他材料的諸多特性[1]。本文研究的對象所采用的CPE生產方法為水相懸浮法。

氯化反應是CPE生產的關鍵，是一個復雜的放熱反應。氯化釜作為氯化反應的主要設備，熱容量大、純滯后時間長，其傳熱系數會隨著反應的進行而發生變化[2]。加之溫度本身具有滯后性和非線性[3]，采用傳統的PID控制方法不能滿足控制要求。在分析氯化釜溫度特性的基礎上，提出了采用模糊控制器對溫度進行控制的方法。在Simatic PCS7[4]系統中,利用CFC、SFC、SCL等編程工具完成了模糊控制器功能塊的編寫及其與其他功能塊的互連，并基于S7- 400H構成溫度控制的DCS系統。該系統能夠有效地解決溫度的超調與振蕩、因現場水壓不穩等突發干擾帶來的問題，顯著提高了CPE的產品質量。

1 工藝概述

氯化反應的主要設備為氯化釜，其結構示意圖如圖1所示。夾套內部載熱體為冷水與蒸汽的混合流體，通過調節冷水閥門和蒸汽閥門開度實現對釜內物料的升溫或冷卻。為避免冷水倒吸入蒸汽管道，調節過程中蒸汽閥門和冷水閥門不能同時打開。反應過程中，通過氯化釜底部的液氯閥門將液氯通入氯化釜中，作為反應物之一進行生產。

圖1 氯化釜結構示意圖

氯化反應分為升溫、恒溫、降溫3個階段。工藝上對降溫階段的溫度變化要求不高(手動操作即可)，本文只對升溫和恒溫階段進行控制。根據工藝要求，將這兩個階段的溫度隨液氯累計量的變化關系分為5段，具體如表1所示。

表1 工藝要求

表1中，每個階段與相鄰階段的溫度節點對于氯化反應質量至關重要，在控制過程中主要針對溫度節點處的溫度與液氯累積量的匹配程度進行測試。

2 控制器設計與實現

在系統設計中，需分別控制溫度和液氯流量。使用傳統的PID算法對液氯流量進行控制，便能夠達到滿意的控制效果，保證液氯流量的恒定。本文只針對溫度控制做詳細說明。

由于溫度的滯后特性，采用傳統的PID控制方法會導致溫度產生較大波動，本文采用模糊控制器解決溫度的滯后性問題。模糊控制器由模糊化、模糊規則庫、模糊推理、解模糊這4部分組成。其中，模糊控制規則需要根據現場操作人員長期積累的經驗制定。氯化釜溫度控制系統框圖如圖2所示。為保證釜溫與液氯累積量按工藝要求變化，更加充分地利用反應過程中釋放的熱量，將任意時刻的溫度設定值設置為隨液氯流量呈先快后慢趨勢增長時刻的值。

圖2 氯化釜溫度控制系統方框圖

本文采用二維模糊控制器對氯化釜溫度進行控制，根據偏差e(單位為K)、偏差變化ec(單位為K)以及模糊規則輸出相應的控制量。e(k)=r(k)-y(k),其中，r(k)為溫度設定值，y(k)為溫度測量值，ec(k)=e(k)-e(k-1)。根據現場實際生產狀況，偏差e的變化范圍選擇為[-30,30]，將其量化等級選擇為14級，模糊子集E的論域為E={-6，-5，-4，-3，-2，-1，-0，+0，1，2，3，4，5，6}，對應的量化因子為：

(1)

偏差變化ec的范圍選擇為[-3,3]，將其量化等級選擇為13級，模糊子集EC的論域為EC={-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}，量化因子為:

(2)

對任意偏差ei進行量化時，按以下3條原則處理。

① 如果m≤keei≤m+1,m

② 如果keei<-nkeei<-n，量化值為-n；

③ 如果keei>nkeei>n，量化值為n。

對偏差變化eci進行量化時，與上述對ei量化的過程相同。

控制量u的變化范圍選擇為[-100,100]。u∈[-100,100]表示冷水閥門的開度；u∈[-100,0]表示蒸汽閥門的開度；最小值-100和最大值100分別表示蒸汽閥門和冷水閥門的全開；u=0則表示蒸汽閥門和冷水閥門均需關閉。模糊子集U的論域為U={-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}，比例因子為：

(3)

模糊控制器選取三角波隸屬度函數，偏差E選用8個語言值，即{NL,NM,NS,NO,PO,PS, PM,PL}。E的隸屬度函數定義如圖3所示。

圖3 偏差E的隸屬度函數

偏差變化EC和控制量U選用7個語言值，即{NL,NM,NS,ZO,PS,PM,PL}。EC和U的隸屬度函數定義如圖4所示。

圖4 偏差變化EC與控制量U的隸屬度函數

本文采用雙輸入-單輸出的二維模糊控制器，模糊控制規則如表2所示。表2中，控制量U是根據偏差E與偏差變化EC共同決定產生的。考慮到溫度的大滯后特性，整個控制過程中，尤其是偏差較小時，不采用大的控制量。這種做法能夠更加充分利用氯化反應釋放的熱量，從而達到節約能源的效果。

表2 模糊控制規則

表2中所示的模糊規則可表示成56個條件語句，具體條件語句的形式如下：

IF E=NL AND EC=NL, THEN U=PL

IF E=NL AND EC=NM, THEN U=PL

……

IF E=PL AND EC=PL, THEN U=NL

本文采用MIN-MAX-重心法[5]作為模糊推理機的方法。每一個模糊規則都決定一個論域冪集上的三元模糊關系Ri：

Ri=(Ei×ECi)T列×Ui

(4)

(5)

最終得到與輸入的偏差E和偏差變化EC相對應的控制量U，此時所得到的U不能直接對控制對象進行控制，需要乘上比例因子ku。ku經過清晰化后，才能夠作為控制量輸出作用于控制對象。

PCS7中集成了SCL編程語言，本文采用SCL語言實現模糊控制器功能塊的編程。所形成的模糊控制器功能塊“FUZZY_CTRL”示意圖如圖5所示。輸入信號TEMP_PV為溫度過程值，TEMP_SP為溫度設定值，FUZZY_A表示模糊控制器是否投入使用，U_MAX為控制量最大值(可調節)，U_F_ON標志是否需要輸出強制控制量，U_F_ON為1時，強制控制量U_Force起作用。輸出信號FUZZY_ O為模糊控制器輸出的控制量，FUZZY_R標志模糊控制器是否啟用。

圖5 模糊控制器功能塊示意圖

3 系統配置

Simatic PCS7是Siemens推出的以高性能S7系列控制器為核心的過程控制系統。本文采用S7- 400H作為控制器，通過Profibus總線完成S7- 400H與現場設備的通信，采用工業以太網完成PLC與上位機的通信。軟件采用PCS7實現控制程序的編寫以及用戶界面的組態。

控制系統的結構如圖6所示。

圖6 控制系統結構示意圖

S7- 400H具有毫秒級的冗余切換功能[6]。正常運行時，一臺CPU處于工作狀態，進行信號檢測、運算，以及控制輸出；另一臺CPU處于熱備狀態。當處于工作狀態的CPU發生故障時，熱備CPU迅速啟動。這樣的設計能夠保證系統具有很強的容錯性能，確保系統的正常運行，為氯化聚乙烯的穩定生產創造有力保障。

4 階躍響應及控制效果

利用仿真軟件獲取控制系統的階躍響應曲線，驗證模糊控制器的可靠性與穩定性，為實際工程實施提供方向性指示。控制器階躍響應曲線如圖7所示。

圖7 控制器階躍響應曲線

該控制系統自投運以來運行穩定，控制效果滿足現場需求。控制器投入前后的系統趨勢曲線如圖8和圖9所示。

圖8 控制器投入后系統趨勢曲線

圖9 控制器未投入時系統趨勢曲線

對比圖8和圖9所示的趨勢曲線可以看出，與控制器投入前相比，投入后所得趨勢曲線中的氯化釜溫度變化更為平緩，無明顯波動，這樣更加有利于氯化反應產物中氯原子的均勻分布；此外，自動控制程序能夠在基本維持蒸汽和冷水總消耗量相對不變的前提下，降低蒸汽閥和冷水閥的開關頻率，延長閥門壽命。程序運行時能夠保證無操作員手動干預生產，這使得在不增加工人數量的前提下實現大規模生產(多釜同時生產)成為可能，從而大大提高了生產效率。

除能夠實現無人工干預、大規模生產和延長設備使用壽命外，控制器投入使用后在實現溫度控制上更加精確。為更好地說明程序控制的效果，記錄液氯累積量在節點處(即160 kg、850 kg、1 850 kg、3 270 kg時)所對應的氯化釜溫度，將其與工藝要求的85 ℃、110 ℃、130 ℃、137 ℃相比較進行誤差計算，控制器投入前后效果對比如表3所示。除對溫度的直觀控制效果進行對比外，表3中還包括了氯化聚乙烯產品質量指標中的氯含量、殘余結晶度[7]、熱分解溫度[8]等方面的對比。從表3可以看出，控制器投入使用后控制效果更能夠滿足工藝要求，在很大程度上提高了產品質量。

表3 控制器投入前后效果對比表

5 結束語

本文采用模糊算法對氯化釜溫度進行控制。通過SCL語言實現模糊控制器的編程，設計控制器的FB功能塊，取得了較好的控制效果。根據現場所獲取的數據繪制相應趨勢圖，通過圖表對比控制器投入前后的控制效果。分析數據得知，在綜合考慮多個質量指標的前提下，控制器的投入獲得了較好的控制效果：生產過程中實際溫度與設定溫度的最大偏差大大縮小；標定氯化聚乙烯質量的主要指標，如含氯量、殘余結晶度、熱分解溫度等在保證溫度控制精度的前提下均有明顯改善。同時，所設計的模糊控制功能塊具有較強的可移植性，能夠適用于多個控制問題。總之，控制器的投入在減少人力需求的同時，有效地提高了溫度控制的精度，大大降低了生產成本，為生產出更高質量的產品提供保障。

[1] 李玉芳.氯化聚乙烯的生產應用及市場分析[J].化工科技市場，2006，29(1)：16-20.

[2] 喬杰.間歇式反應釜溫度控制系統研究[D].上海：東華大學，2010.

[3] 朱廷峰.模糊控制在間歇式反應釜上的應用研究[D].大連：大連理工大學，2006.

[4] 米勒.西門子自動化系統實戰S7和PCS7應用實例[M].張懷勇，譯.北京：人民郵電出版社，2007.

[5] 王志新.智能模糊控制的若干問題研究[M].北京：知識產權出版社，2009.

[6] 姜建芳.西門子S7-300/400 PLC工程應用技術[M].北京：機械工業出版社，2012.

[7] 張軍.低殘留結晶度氯化聚乙烯的熱穩定性和性能的研究[D].南京：南京工業大學，2003.

[8] 沈清.氯化聚乙烯行業標準及產品質量[J].安徽化工，2001，17(3)：36-37.