二甲苯精餾過程塔頂溫度控制系統應用研究

田 寵,桑勝利,張 浩,曹玉波*

(1.吉林化工學院 信息與控制工程學院,吉林 吉林 132022;2.杭州和利時自動化有限公司 長春辦事處,吉林 長春 130051)

二甲苯具有很高的使用價值,在醫療、農業等眾多行業中用作合成單體或溶劑,是有機化工的重要原料[1]。溫度是精餾過程中最重要的熱工參數之一,對溫度的嚴格控制是設備安全運行和產品質量的重要保障。經典PID控制器的靈魂是“以誤差反饋來消除誤差”[2],但是系統輸出存在一定的慣性不會發生跳變,而目標設定值可以發生跳變,以這種“可跳變目標值與不可跳變測量值之間的誤差來消除誤差”往往會使控制力度太大而產生超調,這也是PID控制在閉環系統中快速性與超調量之間產生矛盾的主要原因[3],通過優化控制方案來提高系統的動態性能對系統控制品質的增強具有重要意義。

為滿足實際工況需求,得到平穩、準確、快速的溫度控制,需要抗干擾能力強、控制精度高、響應速度快的控制方案。本文針對上述溫度控制問題,采用了前饋-串級控制方案,通過現場數據辨識得到動態數學模型,利用Matlab驗證了控制方案的可行性并實現了基于SIEMENS S7-300的二甲苯精餾塔頂溫度控制系統。經運行測試,該方案提高了系統的動態性能和控制品質。

1 二甲苯精餾段工藝流程及控制原理

1.1 二甲苯精餾段工藝流程

二甲苯精餾段工藝流程如圖1所示。

圖1 二甲苯精餾段工藝流程圖

二甲苯混合物從精餾塔中部進入,越靠近塔頂位置溫度越低,部分氣相在上升過程中液化被塔板液相所吸附,其他氣相則通過塔頂導出,經過冷凝器進行降溫液化進入回流罐中,在泵P-401加壓下,一部分回流入精餾塔內,一部分作為塔頂產品流出。由于產品質量對塔內溫度條件要求苛刻,所以系統的控制精度和穩定性必須要高。為避免進料量波動帶來的影響,可設置前饋補償器來克服干擾[4],它具有直接克服無滯后的特點,可以提高系統的響應速率。單一的前饋控制雖然能克服相當一部分干擾,但是對目標溫度控制狀態沒有相應的反饋信號,未知是否達到控制要求,為此必須引入反饋環節。塔內溫度控制對象可近似為一個純滯后環節和一個一階慣性環節[5],除此之外,回流量波動還會影響溫度的高低,所以引入副回路來克服滯后和擾動帶來的消極影響,令其與主回路形成串級對塔內溫度進行控制[6]。前饋、串級兩者協調控制,既能實現較高的控制精度,又能提高系統的響應速率,同時還具有較強的抗干擾能力。

1.2 塔頂溫度前饋-串級控制原理

前饋控制不考慮被控對象是如何變化的,只是希望被控量能免受擾動因素的影響[7],在二甲苯混合物進料量不穩定導致塔頂溫度發生改變之前,前饋補償器就將其干擾無滯后消除,提高了系統的響應速率。當塔頂溫度發生變化時,由主控制器進行調節,它的輸出值作為副控制器的給定值,副控制器的輸出作為真正的控制量作用于被控對象,實現閥門開度的變化。如果溫度值不變,主調節器的輸出不變,調節閥僅會按副回路給定值和測量值進行比較調節,以此來消除回流量波動對溫度控制的影響。在此隨動控制系統中,串級控制能夠有效地檢測并消除對主被控對象的影響[8],提高了系統的響應速度和抗干擾能力,塔頂溫度前饋-串級控制原理如圖2所示。

圖2 塔頂溫度前饋-串級控制方框圖

2 對象數學模型建立與Simulink仿真

2.1 對象數學模型建立

根據工藝要求選取被控變量、被控對象、調節閥的類型和控制器的正反作用。溫度是精餾過程中最重要的控制目標,所以將溫度作為主被控變量。回流量大小是主被控變量的干擾因素,通常把干擾量盡可能地放在副回路中,故回流量作為系統的副被控變量。塔頂溫度主要受回流量影響,回流量增加溫度降低,回流量改變塔頂溫度這一過程作為主被控對象。調節閥開度變化能夠改變回流量大小,此過程作為系統的副被控對象。從系統安全角度考慮,當系統出現故障時需要調節閥為全關狀態,因此調節閥選用氣開型[9];根據工藝要求,控制系統為負反饋系統,當調節閥開度增加時,回流量也增加,因為副被控對象為正作用,則副控制器選擇反作用,當調節閥開度增加時,主被控變量溫度減小,副被控變量回流量增加,主被控對象為反作用,則主控制器選擇正作用。

二甲苯精餾段溫度控制系統主被控對象可以近似為一階慣性環節與延時環節的組合,數學模型如式(1)所示。

(1)

副被控對象可以近似為一階慣性環節,傳遞函數模型如式(2)所示。

(2)

根據二甲苯精餾過程,先使主被控對象達到平穩運行狀態,然后在第800s使閥門開度作30%階躍變化,通過數據采集,塔頂溫度數據如表1所示。

表1 塔頂溫度數據

以上數據可以通過系統辨識得到被控對象的近似數學模型,本文采用階躍響應法來實現這一過程,根據實驗數據繪制出的響應曲線如圖3所示。

時間/s圖3 階躍響應曲線圖

由上述響應曲線可知,主被控對象的比例增益為穩態值與初始值之差再除以閥門開度變化量。作響應曲線拐點M的切線與穩態值相交于點Q,交時間軸于點P,則延遲時間τ=OP,PQ在時間軸上的投影為時間常數T,具體表達如式(3)所示。

(3)

式中:K1為主被控對象的放大系數;τ為主被控對象的延遲時間;T1為主被控對象的時間常數。由式(3)得出一階慣性延時環節的三個主要參數,故主被控對象的數學模型如式(4)所示。

(4)

副被控對象在第800 s閥門開度減小的情況下,回流量數據如表2所示。

表2 回流量數據

以同樣的方式通過系統辨識得到副被控對象的數學模型如式(5)所示。

(5)

前饋控制并不考慮被控量的變化情況,只是在干擾信號來臨之前進行補償控制來抵消其干擾,基本前饋控制方框圖如圖4所示。

D1為擾動;Gff(s)為前饋調節器;Gd(s)為擾動傳函;Y2(s)為輸出傳函;Gp(s)為控制通道傳函圖4 基本前饋控制方框圖

由前饋控制原理方框圖可得:

Y2(s)=D1(s)*Gd(s)+D1(s)*Gff(s)*Gp(s) ,

(6)

在理想狀態下達到完全補償效果時,擾動量的影響與擾動量的補償之和為0,故由(6)式可得:

Gd(s)+Gff(s)*Gp(s)=0 ,

(7)

上式(7)變換可得:

(8)

將混合進料量作為干擾量輸入,塔頂溫度作為輸出量,在其他條件不變的情況下,把進料量在原有基礎上減少30%,記錄塔頂溫度數據如表3所示。

表3 進料量減少30%后塔頂溫度數據

同樣通過系統辨識得到干擾對象的數學模型為

(9)

由于主、副控制對象已經通過系統辨識得到數學模型,所以根據上式(8)可得前饋補償器的數學模型為

(10)

2.2 Simulink仿真

投入混合進料量干擾后的單回路和前饋-串級溫度控制仿真圖如圖5所示,首先根據控制方框圖連接相應模塊,由PID參數整定規則,先對副回路控制器進行參數整定,然后再對主回路控制器按照比例、積分、微分的順序依次調節參數便可完成系統參數的整定。為了驗證前饋-串級控制和單回路控制對外界的抗干擾能力,分別對這兩個控制回路在第1 500 s的時候增加階躍干擾信號,通過對兩種回路的控制效果進行對比,分析前饋-串級控制方案的優勢所在。

圖5 溫度控制仿真圖

2.3 仿真結果分析

單回路、前饋-串級溫度控制仿真結果如圖6所示。

時間/s圖6 投入進料量干擾后的溫度控制仿真曲線圖

兩種方案達到穩態時,前饋-串級控制方案中溫度值基本沒有波動,在1 500 s時加入干擾信號后,超調量由9%降低到0.9%,調節時間由852 s縮短至502 s,超調量降低了90%,調節時間減少了41%。綜上所述,前饋-串級控制系統精度更高、響應速度更快、抗干擾能力更強,對于大滯后和多干擾系統,前饋-串級無疑是一種很好的控制方案。

3 PLC程序實現

3.1 PLC程序編寫

本文采用德國西門子生產的S7-300可編程邏輯控制器進行編程,其模塊化結構、易于實現分布式的配置及其性價比高、電磁兼容性強、抗震動沖擊性能好,使其在工業控制領域中,成為一種既經濟又切合實際的解決方案。塔頂溫度控制程序如圖7所示,將溫度反饋值傳輸到主控制器中,通過設定值與真實值進行比較計算出偏差值,將主控制器運算得到的輸出值作為副控制器的給定值,主控制器的輸出作為副控制回路設定值修正的依據[10],副控制器的輸出值經過模擬量模塊轉化為電信號來控制閥門開度,進而控制回流量的大小,最終達到平穩控制塔內溫度的目的。

圖7 塔頂溫度控制程序

3.2 程序運行結果分析

塔頂溫度前饋-串級控制程序運行結果如圖8所示。設計閉環仿真,通過設定值與測量值進行比較計算出偏差值,在控制器協同作用下使溫度穩定在目標值,讓系統穩定運行一段時間后,將進料量作30%階躍變化,由原來的2.91 kg/s增加到3.78 kg/s,進料量增大導致塔頂溫度降低,此時實際溫度值低于設定溫度值,塔內溫度過低,需要減小閥門開度、減小回流量從而使塔頂溫度升高,所以主調節器的輸出逐漸減小。主控制器輸出作為副控制回路設定值修正的依據,通過與實際回流量對比計算出偏差,經過副控制器調節,輸出值逐漸減小,此輸出值經過FC106模塊將其轉化為電信號作用于調節閥進而控制閥門的開度。通過溫度控制曲線可以直觀地了解到測量值向目標值過渡過程中,有微弱超調且很快進入穩態,進入穩態之后,混合進料量的干擾基本沒有使塔頂溫度產生明顯波動。綜上所述,二甲苯精餾塔頂溫度前饋-串級控制系統穩定性能強、控制精度高、響應速度快。

時間/s圖8 塔頂溫度前饋-串級控制運行曲線圖

4 結 論

本文針對二甲苯精餾過程塔頂溫度控制問題,采用了前饋-串級PID控制方案,通過系統辨識建立動態數學模型,利用Matlab在具體數學模型的條件下進行仿真,在第1 500 s加入干擾信號后出現輕微超調并且很快進入穩態,由此可見,前饋-串級溫度控制方案具有較強的抗干擾能力和較快的響應速度。在驗證方案的可行性后編寫PLC程序,實現了基于西門子S7-300的二甲苯精餾溫度控制系統,經運行測試,該方案具有良好的抗干擾能力,提高了系統的控制精度和響應速度,改善了系統的控制品質。該方案易于工程實現,為大滯后、多干擾系統提供了參考價值。