先進控制在三氯氫硅精餾過程中的應用

陳 峰 張偉國 李志剛 張毅楠 云蘇和

(內蒙古神舟硅業有限責任公司技術發展部，呼和浩特 010070)

先進控制在三氯氫硅精餾過程中的應用

陳 峰 張偉國 李志剛 張毅楠 云蘇和

(內蒙古神舟硅業有限責任公司技術發展部，呼和浩特 010070)

以三氯氫硅精餾工序為應用試點，設計實現了先進控制和優化技術，開發了三氯氫硅精餾過程先進控制系統。應用結果表明：先進控制系統投運后，從過程控制與優化的角度進一步提高了三氯氫硅精餾過程的自動化水平，產品質量和收率得到提高，生產過程安全平穩，實現了三氯氫硅精餾過程的精細化控制。

三氯氫硅精餾過程 先進控制 DCS系統 以太網

目前，多晶硅裝置普遍采用Honeywell EPKS集散控制系統和ABB AC800F集散控制系統，能夠實現主要工藝參數(溫度、壓力、流量及液位等)的顯示、記錄、累計和報警功能與設備運行聯鎖功能，并對整個生產過程進行操作和控制。但是，從目前的控制結果來看，裝置的生產操作總體上仍以人工經驗為主，存在操作不及時、調節幅度不匹配等問題。而且不同班組的操作習慣和操作方法仍有顯著差異，因此，容易產生工藝指標波動大、產品純度不穩定、產品收率低的情況。

內蒙古神舟硅業有限責任公司(以下簡稱神舟硅業)多晶硅生產過程采用的是改良的西門子法工藝，該工藝主要包括三氯氫硅的合成、三氯氫硅的精餾提純、三氯氫硅的氫還原、合成尾氣的回

收和四氯化硅的氫化5個環節。為進一步提高多晶硅裝置的自動化水平，改善產品質量，降低消耗，實現挖潛增效，神舟硅業以三氯氫硅精餾工序為應用試點，開發實施先進控制技術，從過程控制與優化的角度進一步提高精餾過程的自動化水平，提高產品收率。

1 三氯氫硅精餾工序工藝簡介①

多晶硅生產過程中三氯氫硅精餾工序的工藝流程簡圖如圖1所示。精餾塔系中，粗餾二級塔、精品1塔、精品2塔為組分粗餾系統，精品3塔、精品4塔和末級脫重塔為提純精餾系統。各塔的功能分別為：粗餾二級塔除硅粉和重沸物，精品1塔、精品3塔和末級脫重塔除重，精品2塔和精品4塔除輕。

圖1 三氯氫硅精餾工序的工藝流程簡圖

2 三氯氫硅精餾工序的先進控制

2.1先進控制技術

模型預測控制是一種基于模型的閉環開放式先進控制策略，具有3個基本特征：模型預測、滾動優化和反饋校正。模型預測控制算法在處理復雜的多變量控制問題時具有較大優勢，適用于含有時滯、約束的多變量過程。

智能控制以控制理論為基礎，主要包含模糊邏輯控制、神經網絡控制和專家控制。對于一些存在嚴重不確定性和高度復雜性的過程，智能控制理論和方法表現出靈活的決策方式和應變能力。

軟測量技術依據某種最優化準則，選擇與被估變量相關的一組可測變量，構造某種以可測變量為輸入、被估變量為輸出的數學模型，并用計算機軟件實現重要過程變量的估計[1～3]。

2.2先進控制系統總體結構

筆者設計的三氯氫硅精餾工序先進控制系統的總體結構如圖2所示。

圖2 三氯氫硅精餾工序先進控制系統的總體結構框圖

2.3先進控制策略

2.3.1裝置運行的安全性和穩定性

先進控制應充分考慮精餾塔裝置冷卻設備的性能和塔釜加熱性能，避免冷卻、加熱負荷不合適，導致塔壓偏高或加熱負荷過大進而引起設備運行不正常。同時，應克服內外部干擾因素和內部物料交叉換熱耦合，實現冷、熱物流的物料平衡和能量平衡，并通過動態優化控制，確保裝置安全穩定運行。

2.3.2平穩控制和“卡邊”優化

根據三氯氫硅精餾工序工藝特點和過程控制現狀，總結工藝專家和優秀操作員的經驗，采用先進控制技術，建立各塔先進控制器，將過程模型和專家控制相結合，實現對過程關鍵工藝參數變化敏感區域的溫度、液位、壓力及冷后溫度等的平穩控制和分級優化，保持系統內的物料平衡和能量平衡，穩定生產工況。同時，適應上下游生產負荷變化的需求，實現工況漸變調整，防止工況大幅波動，保證產品純度。為此，采用流程模擬技術，結合精餾原理和實際生產現狀，對精餾塔的分離性能、節能潛力等進行評估分析，找到系統的最優工藝參數，并對相關工藝參數、回流比等進行“卡邊”優化，使各項工藝指標趨向低能耗、高收率的穩態工作點。

2.3.3產品質量控制

針對粗餾系統中的粗餾二級塔、精品1塔和精品2塔，根據精餾原理和精餾塔組分、溫度分布特點，特別關注組分變化敏感區域，結合實際生產過程數據和餾分化驗數據，考慮精餾系統內外部干擾因素，回歸建立塔頂或塔釜采出餾分組分含量與精餾塔運行數據的軟測量模型，實時預測實際生產過程中組分含量隨工況的變化趨勢。先進控制器自動調整回流量、加熱蒸汽量、塔頂采出量及塔底采出量等，實現對塔釜、塔頂餾分組分含量的精細化控制，保證輕、重組分的分離效果，并盡可能減少三氯氫硅組分的切出，為最終的產品質量和產品收率提供保障。

針對精餾系統中的精品3塔、精品4塔和末級脫重塔，首先，設計并搭建各精餾塔先進控制器，克服內外部干擾因素，實現各精餾塔的總體物料平衡和能量平衡，提高綜合自動化水平。其次，統計分析下游最終產品質量化驗分析數據與精餾過程響應滯后時間、精餾塔工況的對應關系，并通過回歸分析建立具有普遍規律的關系模型，將之納入先進控制器，根據產品質量的波動情況實時優化調節精品3塔、精品4塔和末級脫重塔的回流比，確保精餾產品質量，提高三氯氫硅收率。同時，在一定程度上改善回流比嚴重過剩的現狀，適當減小操作彈性，充分挖掘裝置潛力，實現節能降耗。

2.3.4智能診斷與監控

利用精餾生產運行過程的實時信息和歷史信息，運用多維數據統計分析和數據挖掘技術，建立工況、設備的智能診斷與監控策略，實現對生產中可能出現的儀表故障、工藝指標超限等異常狀況進行報警和處理，保證生產運行安全。

2.4先進控制器的設計

筆者以三氯氫硅精餾工序中的粗餾二級塔為例，介紹先進控制器的設計思路。

2.4.1控制器變量選擇

粗餾二級塔主要進行硅粉、部分重沸物雜質與四氯化硅、三氯氫硅、二氯二氫硅、低沸物雜質的分離。根據其生產工藝特點，粗餾二級塔相關控制變量的耦合關系如圖3所示。

圖3 粗餾二級塔控制變量的耦合關系

2.4.2控制器模型

通過對粗餾二級塔的階躍測試和生產數據的深入分析，筆者采用APC-Adcon先進控制軟件對其控制器進行模型辨識，并采用歷史數據對模型進行擬合驗證，以得到符合粗餾二級塔工藝特性和過程控制要求的控制模型。粗餾二級塔控制器模型矩陣見表1。

表1 粗餾二級塔控制器模型矩陣

2.4.3控制器參數設計

筆者采用APC-Adcon先進控制軟件中的多變量預測控制算法建立粗餾二級塔多變量約束控制器模型，并將辨識得到的模型作為控制器的內部模型，同時設置合適的參考軌跡、操作變量約束、被控變量約束、優化方法、控制結構和一系列相關控制參數，實現對粗餾二級塔各工藝指標的分級優化控制。

操作變量控制參數包括控制等效偏差、平滑系數、控制時域、優化目標方法、優化成本、操作上下限、工程上下限、有效上下限、優化最大/最小增量及控制最大/最小增量等。

被控變量控制參數包括控制權重、時滯、最大/最小優化增量、最大/最小控制增量、操作約束上下限、操作約束等級、操作約束上下限等級、操作約束控制等效偏差、設定值優化等級、設定值區域上下限及設定值優化等效偏差等。

被控變量的優化等級與控制模式見表2。

表2 被控變量的優化等級與控制模式

粗餾二級塔先進控制器通過實時動態優化調節進料流量、再沸器蒸汽流量、回流量、塔頂采出流量、塔釜采出流量及冷卻水調節閥開度等操作變量，以克服蒸汽壓力波動和進料組分波動，實現粗餾二級塔整體物料平衡和能量平衡；通過平穩控制塔釜液位和回流罐液位，實現塔內溫度的合理分布，保證塔釜溫度和塔頂溫度平穩，提高分離精度。在此基礎上優化回流比，使再沸器蒸汽流量與回流量合理匹配，保證分離效果，維持經濟運行。

3 先進控制的實現

3.1DCS系統要求

三氯氫硅精餾工序先進控制系統建立在DCS常規控制的基礎上，要求裝置各控制回路必須配置性能良好的執行機構(調節閥)和測量儀表。

DCS系統必須具備標準OPC接口，先進控制上位機能夠通過OPC接口采集DCS系統上裝置的全部測量數據。同時要求OPC接口具有數據讀寫功能，且性能穩定，滿足先進控制系統所需的通信點數和通信速率要求[4～6]。本項目要求OPC接口軟件支持1 000點數值的讀寫功能，并至少滿足每秒500點數據讀取和每秒50點數據寫入的要求。

DCS系統必須具備自定義建點、編程和畫面組態功能，并要求DCS控制站具有一定的運算余量，確保上述內容加載后整個系統的安全平穩運行。

3.2軟硬件平臺結構

先進控制系統的硬件結構如圖4所示。先進控制系統上位機通過HUB或交換機與安裝有標準OPC接口軟件的服務器連接在以太網上，使上位機與DCS現場控制站之間建立物理鏈接完成數據傳送。

圖4 先進控制系統的硬件結構

先進控制系統上位機安裝的軟件有Windows Server 2008操作系統、中控APC-iSYS先進控制平臺軟件和APC-Suite先進控制系列軟件。DCS系統工程師站或操作站上安裝相應的OPC接口軟件。上位機通過OPC接口軟件與DCS系統工程師站連接，并通過內部協議建立數據傳送的物理鏈接(圖5)[7]。

圖5 上位機與DCS系統工程師站的連接示意圖

3.3安全策略與操作界面

為實現先進控制與常規控制之間的切換，需要在DCS系統上建立實施先進控制所需的中間變量，包括DCS通信保護程序相關位號、控制器開關位號、報警位號和先進控制系統位號。

通過在DCS上建立通信監控程序，使DCS系統具備自定義編程功能。當發生上位機和DCS之間通信中斷或上位機死機等異常狀況時，可及時切除先進控制系統，并給出報警提示，以便操作人員進行處理，保障系統安全。

安全切換程序的主要目的是實現先進控制系統與常規控制系統的切換工作。為了使先進控制系統具有良好的靈活性，先進控制系統每一回路均可自由切換。

先進控制系統操作界面主要實現系統總開關、各控制變量回路上下限和各分系統開關的輸入與顯示功能，還包括各子控制器開關的輸入與顯示、控制器運行狀態監控和其他相關報警功能。整個操作界面的設計思路應盡可能與操作人員的操作方式相符。

4 項目實施效果

4.1工藝參數運行平穩性分析

還原精餾一級塔T0621A和T0621B在兩種控制系統下的工藝參數對比分別如圖6、7所示。可以看出，先進控制系統投運后，還原精餾一級塔T0621A和T0621B各關鍵工藝參數的平穩性均有明顯改善，標準差減少百分率均在50%以上。

a. 常規控制

b. 先進控制圖6 還原精餾一級塔T0621A的工藝參數對比

a. 常規控制

b. 先進控制圖7 還原精餾一級塔T0621B的工藝參數對比

4.2投運率分析

先進控制系統投運率為D天內先進控制系統連續投運時間占先進控制系統運行總時間的百分比；控制回路投運率為D天內所有先進控制回路投運時間平均值占先進控制系統運行總時間的百分比。

圖8中，4天內先進控制系統運行時間96h，通過數據統計，49個先進控制回路投運時間平均值為90.07h，則控制回路的操作變量投運率x=90.07÷96×100%=93.82%。因此本先進控制系統運行效果較好，提高了裝置的自動化水平，降低了人員勞動強度。

圖8 先控控制回路的數量

4.3節能率分析

分別選取先進控制系統投運前(2015年6、7月)與先進控制系統投運后(2015年9、10月)的生產統計數據，對它們進行分析和比較，結果見表3。可以看出，投運前與投運后相比，產品蒸汽單耗減少了3.839%。因此，通過實施先進控制系統，在大幅提高裝置運行平穩性的基礎上，減少了蒸汽消耗，節約了能源[4]。

表3 先進控制系統投運前后的生產數據對比 t

5 結束語

三氯氫硅精餾過程先進控制系統的實施，提高了精餾塔的綜合自動化水平。與常規控制相比，在保證產品質量的情況下，關鍵工藝參數的標準偏差(波動幅度)降低了30%以上。基于裝置的平穩操作，對精餾塔工藝指標、回流比等進行了“卡邊”優化，挖掘了裝置潛力，在保證產品質量和收率的前提下，年降低產品蒸汽消耗量在2.5%以上，先進控制系統的投運率達到了90%以上，減少了人為干擾，降低了勞動強度。先進控制系統投運后，工藝參數控制更平穩，更有利于產品質量的控制。并且能夠獨立完成與DCS間的通信，保證DCS系統的正常運行，實現先進控制系統與DCS系統的無擾動切換。

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ApplicationofAdvancedControlTechnologyinTrichlorosilaneDistillation

CHEN Feng, ZHANG Wei-guo, LI Zhi-gang, ZHANG Yi-nan, YUN Su-he

(TechnicalDevelopmentDepartment,InnerMongoliaORISICo.,Ltd.,Huhhot010070,China)

Through taking trichlorosilane distillation for trial, both advanced control technology and its optimization was designed to develop the advanced control system for trichlorosilane distillation.Application results show that, this system can promote the stability of production, further improve the automation level of the trichlorosilane distillation, including the product quality and yield.

trichlorosilane distillation control, advanced control, DCS, Ethernet

TH862

B

1000-3932(2016)10-1021-08

2016-08-31(修改稿)