基于DCS的MTO裝置反-再系統控制的分析與研究

賈國華，崔桂梅

（內蒙古科技大學 信息工程學院，內蒙古包頭 014010）

基于DCS的MTO裝置反-再系統控制的分析與研究

賈國華，崔桂梅

（內蒙古科技大學 信息工程學院，內蒙古包頭 014010）

模糊控制最適用于一些大慣性、大滯后、非線性、數學模型難以獲得的系統。模糊控制系統的魯棒性強，干擾和參數變化對控制效果的影響被大大減弱，MTO系統是一個多變量、強耦合的反應控制系統。嘗試從工程應用的角度對反應系統變量做了相關性分析，并且對該系統提供了一種先進的模糊PID控制策略。

MTO；模糊PID；DCS

1 引言

某煤制烯烴項目甲醇制烯烴技術（MTO），為煤制烯烴生產的核心技術，MTO反再系統的關鍵控制指標有反應溫度、甲醇進料溫度、反應壓力、催化劑循環量、再生溫度等，其中反應溫度的控制是重中之重，而反應溫度受影響因素多，非線性、大滯后，因此，對其控制是難點，本文正是通過對其相關影響因素的統計分析，確定以相關度最高的甲醇進料溫度來間接控制反應溫度，同時引進模糊PID控制進行優化，以期達到安穩長滿優運行的目的。

2 控制反應溫度的重要性

反應溫度是影響MTO甲醇轉化率和低碳烯烴選擇性的重要因素之一，同時也是工業MTO裝置重要的操作參數。溫度的影響表現在以下兩個方面：一是因為各個分反應對溫度的敏感程度不同，所以溫度的變化對各分反應反應速率的影響也不同，最終對產品的分布有所影響；另一方面結焦反應的速率受溫度變化的影響，改變了分子篩的擇形選擇性，最終對產品的分布有所影響。

2.1 甲醇進料溫度控制策略的確定

MTO工業裝置比小型實驗裝置要復雜得多，影響反應溫度的因素包括甲醇進料溫度、進料量、反應壓力、反應內取熱器負荷、再生溫度、催化劑循環量等。

圖1 進料溫度與床層溫度關系

從圖1可以反映出進料溫度與床層溫度的相關性很高，對于床層溫度的控制，因為純滯后比較大，反應復雜不易控制，所以在其他條件一定的情況下，可以利用對進料溫度的精確控制來間接控制反應溫度。

2.2 甲醇進料溫度控制策略的分析與研究

參數分析：甲醇進料溫度是調節反應器溫度的一個重要手段，是實施反應床層溫度調節的關鍵參數。同時MTO工藝還要求甲醇進料溫度控制在100～200℃范圍內，設計進料溫度在110℃左右。進料溫度太低，會影響烯烴的選擇性；進料溫度過高，則會使甲醇產生副反應。控制目標：110℃；控制范圍：（110±5）℃；控制方式；通過進料溫度調節器自動控制調節凝結水的量來調節甲醇進料溫度。

3 模糊控制策略在反應-再生系統上的應用

3.1 甲醇進料溫度模糊自整定 PID控制策略設計

根據不同生產工況要求，反應器進料溫度的控制目標設置為110℃，其控制方式通過檢測反應器進料入口管道溫度，進而調節凝結水的量來調節甲醇進料溫度，進而改變反應器床層溫度，實現反應器床層溫度維持在一定的范圍內，其控制框圖如圖2所示。

圖2 甲醇進料模糊PID溫度控制結構框圖

結合工程實際響應數據，反應器床溫層的傳遞函數可采用公式（1）表示。

在Matlab/Simulink下環境控制對象進行仿真

3.2 甲醇進料溫度 PID 控制仿真研究

根據本文中選擇的甲醇進料溫度控制系統對象，搭建利用 PID 進行溫度控制的仿真結構圖，設定仿真時間 200s，利用 Z-N 確定 PID 的控制器參數為Kp＝3.2，Ti＝0.03，Td＝0.01。仿真結果如圖3藍色曲線所示。

由圖3可知，在利用 PID 控制算法作為系統的控制器時，調節時間約為 Ts＝55s。PID控制的響應曲線超調量很大，超調量為23％。

3.3 甲醇進料溫度模糊自整定 PID 控制仿真研究

在Matlab 工具中設計 dkp、dki、dkd 三個模糊控制器，并在Simulink中構建仿真結構圖。

Simulink 仿真結構圖中的參數為：Ke＝3，Kec＝3，Kp＝0.5，Ki＝0.01，Kd＝0.5，Kp0＝2.5，Ki0＝0.03，Kd0＝10。PID 的三個參數模糊控制器分別為 dkp、dki 和 dkd。仿真結果如圖3紅色曲線所示。

由圖3可知，在利用模糊PID 控制算法作為系統的控制器時，調節時間約為Ts＝35s。模糊PID控制的響應曲線超調量較小，超調量為10％。

圖3 兩種控制方法控制結果比較

將 PID、Fuzzy-PID 兩種控制方式一起仿真比較結果如圖3所示。圖3中，藍色曲線為 PID 控制結果，紅色曲線為Fuzzy-PID 控制結果。由此可以得出利用模糊控制規則對 Kp、Ki、Kd 進行在線調整可以在一定程度上提高模糊 PID 控制器的控制質量。如果控制效果不太理想時是，對 Kp 進行合理的在線調整能夠進一步提高模糊控制器的控制效果。仿真結果表明，采用 Fuzzy-PID 復合控制的算法，系統的響應速度加快、調節精度高、穩態性能更好，而且沒有振蕩。

4 MTO裝置的硬件配置方案

MTO裝置需要檢測和控制的點（I/O）的數量為AI383點、AO105點、DI 100點、DO105點、TC140點、RTD36點。此外，SIS、3500系統、TRICON系統、PLC系統需要和PKS通訊，在DCS進行顯示，共計205個通訊點。

MTO裝置的主控制系統，采用的是霍尼韋爾公司（Honeywell）的PKS系統。根據I/O點數及裝置的監控要求，兼考慮備用余量，配置2對控制防火墻，2對冗余控制器，3個C系列I/O機柜和1個網絡柜。1對冗余的服務器，1臺工程師站，5臺操作站，2臺打印機，2臺CISCO2960交換機和2臺作為Terminal Server的MOXA Serial Nport 5430。操作站均采用Console站，防止服務器無法操作，可以有效降低風險和經濟損失。

5 結論

綜上所述，模糊控制抗干擾能力強，所以模糊系統消除了常規系統經常存在的魯棒性與靈敏性之間的矛盾。上述結果證明此優化系統具有實際應用價值，可將其用于MTO反再系統優化過程。

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Analysis and Research on Control of MTO Unit Reaction and Regeneration System Based on DCS

Jia Guo-hua，Cui Gui-mei

Fuzzy control is the most suitable for the system of large inertia，large lag，nonlinear，mathematical model that is difficult to obtained.The fuzzy control system has strong robustness，interference and influence parameters on the control effect is greatly reduced，the MTO system is a multi variable，strong coupling reaction control system，this paper attempts to do correlation analysis of reaction system variables from the view of engineering application，and the system provides an advanced fuzzy PID control strategy.

MTO；Fuzzy PID；DCS

TQ205；TP273

B

1003-6490（2016）08-0008-02

2016-08-09

賈國華（1983—），男，內蒙古呼和浩特人，碩士在讀，主要從事過程優化控制的研究工作。