智能制造系統在甲基硅烷生產裝置的應用

鄭積林 周天明 侯衛鋒 徐林強

作者簡介：鄭積林（1969-），高級工程師，從事化工生產管理工作，zhengjl1732@123.com。

引用本文：鄭積林，周天明，侯衛鋒，等.智能制造系統在甲基硅烷生產裝置的應用[J].化工自動化及儀表，2023，50（6）：000-000.

DOI：10.20030/j.cnki.1000-3932.202306000

摘? 要? 為提高甲基硅烷生產裝置的自動化率，保證產品質量穩定，減少能源和物料消耗，提高生產效率，設計先進控制系統，改進自動化基礎設施，投用高質量裝備，研發了一套甲基硅烷生產智能制造系統，實現了全過程無人操作和DCS零手動操作控制。實際應用表明：連續3個月內手動操作次數為零，反應過程穩定，溫度和壓力穩定，轉化效率和選擇性都有了顯著提高。

關鍵詞? 甲基硅烷裝置? 模型預測控制? 智能專家控制? DCS零手動? 節能降耗

中圖分類號? TP273? ? ? 文獻標志碼? B? ? ? 文章編號? 1000-3932（2023）06-0000-00

甲基三丁酮基硅烷（MOS）主要用于室溫硫化硅橡膠的硫化劑、交聯劑，也用于塑料、尼龍、陶瓷、玻璃等與硅橡膠粘接的促進劑，具有無腐蝕、毒性小、活性低等優點，在建筑、電子及汽車等行業有著廣泛的應用。

甲基硅烷生產裝置包括合成、丁酮肟回收等生產工藝，產品主要有甲基三丁酮肟基硅烷和精丁酮肟。甲基硅烷裝置構成了一個涵蓋分布參數、非線性、動態、大滯后和多元素強耦合的復雜控制系統。某甲基硅烷生產裝置采用JX 300 DCS，實現了部分基礎控制回路的自動化，但仍主要依賴人工手動操控。在DCS中，常規的操縱策略在處理控制對象時有很多需優化之處：忽視了裝置內部的關聯性，只是單獨控制相關的技術參數，解耦能力相對較弱，沒有有效應對過程大滯后的解決辦法，使得系統不是很穩定；只是以簡單的方式考慮穩定狀態下的自動控制，忽視了狀態轉換或外部環境變化導致的對象特性的變更。因此，系統大多控制回路無法長期有效投用自動。

為了進一步提升甲基硅烷裝置的自動化程度，在保證產品穩定性的基礎上節能降耗，提高生產效率，企業決定采用先進控制技術，開發實施甲基硅烷生產裝置智能制造系統，實現裝置的精細化控制和“卡邊”優化。

1? 甲基硅烷裝置工藝流程簡介

如圖1所示，甲基硅烷生產工藝流程大致包括合成工段、分離工段、粗品蒸餾工段、丁酮肟回收工段和溶劑回收工段。

在合成工段，將萃取液和丁酮肟與來自外管的甲基三氯硅烷按一定比例混合通入反應器，通過反應器冷卻控制溫度。原料連續進入，反應液連續從反應器頂部溢流進入深化反應器進一步反應。反應結束后送至分離工段進行粗分離。

在分離工段，深化反應器物料送入反應分離器中進行粗分離。反應分離器下層酮肟鹽等送入萃取塔加溶劑萃取，萃取上層回反應系統繼續反應，萃取下層送丁酮肟回收工段。上層溶劑與產品送至中和器通氨中和。中和后物料從底部經泵送至液固分離器進行固液分離。清液至粗品槽再經泵送入蒸餾工段進行蒸餾提純。

粗品蒸餾工段。粗品槽中的物料經泵輸送至蒸餾工段進行減壓蒸餾，控制各級蒸發器的下料溫度和真空壓力，經蒸餾除去產品中的溶劑、丁酮肟等輕組分，得到產品。

丁酮肟回收工段。經萃取后的酮肟鹽進入酮肟鹽中和系統，與來自氨蒸發器的氨進行反應，產生氯化銨、丁酮肟。反應液經泵送至四樓中和分離器進行分離，上層丁酮肟進入粗丁酮肟槽。下層氯化銨溶液進氯化銨中間槽，經后系統提濃、結晶、離心聯產氯化銨。粗丁酮肟槽物料經蒸發器減壓蒸餾，除溶劑、丁酮等輕組分，再經精餾塔減壓精餾提純后得到丁酮肟外送。

溶劑回收工段。粗丁酮肟蒸出的溶劑、丁酮進入回收丁酮槽，經泵送至混合器與水混合洗滌，送入溶劑水分離器分離。上層溶劑送入罐區溶劑回收槽，下層丁酮水溶液送入酮水收集槽。酮水收集槽內物料送廢水塔蒸餾，蒸出丁酮、水，塔釜水經分析COD合格后外排污水池。

2? 甲基硅烷裝置零手操系統架構和控制方法

某甲基硅烷裝置采用浙江中智達科技有限公司提供的智能動態優化控制軟件V10.0，實現數據采集、建模、控制器設計及控制器組態等，實現甲基硅烷裝置的零手動控制、平穩優化和節能降耗。

2.1? 甲基硅烷裝置零手動操作系統架構

為滿足某甲基硅烷裝置運行特性和精準控制的要求，在原DCS的基礎上，通過設計可靠的技術方案，建立多變量模型預測控制器[1]和智能專家控制系統，克服系統內變量強耦合、非線性、大滯后、負荷變化、進料波動等擾動因素的影響，實現各工藝參數的穩定控制，以提升裝置的自動化水平，保證其安全穩定運行。在此穩定控制的基礎上，通過優化工藝指標和實行“卡邊”操作，達到節能降耗的目的。甲基硅烷裝置零手動操作控制系統的總體架構如圖2所示。

2.2? 甲基硅烷裝置零手動操作系統設計

甲基硅烷零手動操作控制系統主要通過多變量模型預測控制技術[2]、智能專家控制技術和軟測量技術實現。技術核心是多變量模型預測控制技術。根據裝置的運行特點和技術指標要求，分別建立兩個多變量模型預測控制器、14個智能專家控制系統和1個向導系統，對生產裝置進行優化控制，詳見表1。

2.2.1? 多變量模型預測控制器設計

通過建立萃取塔界面控制器和進料系統控制器，采用多變量模型預測控制策略[3]，實現過程判斷、解耦[4]、滯后等的控制，使甲基硅烷裝置優化、協調控制，實現統一操作方法、降低操作勞動強度、提高裝置運行平穩性和安全性的目標。

萃取塔界面控制器。其控制目標如下：

a. 平穩操作，減小關鍵變量萃取塔液位的波動。

b. 中和系統具備pH值、壓力、溫度超限切斷保護，中和系統停止進料后最大程度發揮萃取塔、分離器的緩沖功能，避免停車。緩沖能力到限則自動降負荷保證安全；中和系統恢復后自動出料，負荷自動緩步提升。

萃取塔界面控制器的操作變量（MV）、被控變量（CV）和擾動變量（DV）設計見表2。

進料系統控制器。其控制目標如下：

a. 實現負荷一鍵升降，均勻爬坡至目標值；

b. 具備負荷升降加速功能；

c. 具備丁酮肟進料升負荷提前加，降負荷滯后減的特殊進料比控制。

進料系統控制器的操作變量（MV）、被控變量（CV）和擾動變量（DV）設計見表3。

2.2.2? 智能專家控制系統設計

2.2.2.1? 甲基硅烷智能專家控制系統實現功能

通過均勻調整進料上升/下降幅度，實現負荷一鍵平穩升降，并具備升降加速應急功能；

通過實時監控負荷，在負荷發生變化時及時將各級蒸發器適宜溫度設定給入，實現蒸發器溫度擋位控制，E0112B防干蒸自動停用、自動啟用、E0112B E160一鍵切塔；

通過實時監控負荷，在負荷發生變化時及時將各級中和器適宜壓力設定給入，在定期反洗前自動將中和器液位拉高，實現中和器壓力擋位控制、汽提塔T0101自動控制、精餾塔T0103檔位控制，實現氨水塔補加水流量自動控制、中和系統一鍵沖水；

通過實時監控裝置數據結合人工分析樣輸入，實現不合格品槽根據色度自動進出料，實現不合格品槽進出料自動控制；

通過及時觸發自控調整分離器液位設定，在中和系統超壓/超pH暫時無法進料時，在允許范圍內將液位平衡到分離器、萃取塔中，避免不必要的停車，在中和系統恢復后也能自動將控制恢復原狀，實現中和油水分離器V0108A界面控制、中和器液位自動控制、廢溶劑一鍵開車/一鍵停車、COD聯鎖；

通過智能語音報警/向導系統，通過人聲發聲，協助操作人員及時定位報警源，實現操作向導和隱患報警。

2.2.2.2? 甲基硅烷智能專家控制系統實現方法

根據生產工藝專家的經驗，結合裝置生產過程中的工藝控制要求，通過經驗總結建立甲基硅烷裝置專家知識庫，結合裝置生產經驗和過程數據分析，實現甲基硅烷裝置運行優化，提高裝置自動化水平和平穩率，提升裝置運行安全性，如圖3所示。具體如下：

a. 建立裝置關鍵控制點的實時監控，制定專家控制策略，確保裝置正常運行；

b. 建立裝置異常工況診斷功能，實現生產負荷、產品質量、蒸發器溫度等主要工藝參數的實時監控，及時控制，并提供語音報警提醒；

c. 智能專家控制系統與多變量模型預測控制器為相輔相成的關系，為智能專家控制器提供異常工況指令，進行輔助控制。

2.2.3? 軟儀表模塊設計

利用軟儀表系統的計算功能，建立甲基硅烷裝置的軟儀表計算系統，并將計算結果提供給多變量模型預測控制器，以便決策和控制。主要實現以下計算：

a. 蒸發器溫度變化率，其中，t1和t2為取值時間，f（t1）和f（t2）分別為對應時間蒸發器溫度測量值；

b. 相分離界面濾波值L_filter = filter（L1，L2，L3），其中，L1，L2，L3分別為等間距時間點對應相分離界面液位測量值。

3? 甲基硅烷裝置零手操應用效果

零手動操作系統在甲基硅烷裝置的成功應用，主要體現在關鍵工藝平穩性和DCS有效自控率提升，降低了DCS操作次數、降低裝置能耗物耗，以及保障人員和設備的安全。

3.1? 關鍵工藝指標平穩性比較

零手動控制器對裝置運行起到了良好的改善作用，主要體現在克服系統擾動的影響，進行預測控制和滾動優化，實現精準操控，提高分離器界面、萃取操液位、中和通氨流量等關鍵工藝參數的穩定性，使生產過程更加平穩。

3.1.1? 分離器界面控制效果比較

采集零手動操作控制器投用前、后分離器界面連續3天過程數據進行對比，結果如圖4所示。

對零手操控制器投用前、后分離器界面數據進行統計對比，結果見表4，可以看出，零手操控制器投用后，大幅提升了分離器界面平穩性，投用后標準差從13.02%降低至2.43%，穩定性提升了81.34%，效果顯著。

3.1.2? 萃取槽液位控制效果比較

采集零手動操作控制器投用前、后萃取槽液位連續3天過程數據進行對比，結果如圖5所示。

對零手操控制器投用前、后萃取槽液位數據進行統計對比，結果見表5，可以看出，零手操控制器投用后，顯著穩定了萃取槽液位，投用后標準差從15.91%降低至6.87%，穩定性提升56.82%，效果明顯。

3.1.3? 中和通氨流量控制效果比較

采集零手動操作控制器投用前、后中和通氨流量連續3天過程數據進行對比，結果如圖6所示。

對零手操控制器投用前、后中和通氨流量數據進行統計對比，結果見表6，可以看出，零手操控制器投用后，顯著穩定了中和通氨流量，投用后標準差從6.00 L/h降低至3.01 L/h，穩定性提升49.83%，效果明顯。

3.2? DCS有效自控率比較

在采用零手動操作系統以前，甲基硅烷各個流程大都依賴于人力來進行手動操控，DCS的自動化投用率較低，員工勞動強度較大。當開始使用零手動操作系統后，實現了對全流程關鍵設備的智能監控，無人值守和精準控制，裝置的DCS有效自動化率從70%提升到100%。

3.3? DCS操作次數比較

采集零手操控制器投用前、后24 h內DCS操作記錄進行統計對比，結果如圖7所示，可以看出，甲基硅烷裝置在正常生產的情況下，通過投用零手動操作控制系統，操作人員手動操作次數從投用前2 325次降低到投用后0次，顯著降低人工操作次數，減低勞動強敵，同時也降低了人為誤操作的風險，保障了人和設備的安全。

3.4? 裝置節能降耗情況統計

甲基硅烷裝置實施零手動操作系統后，使各個單元的關鍵工藝參數波動得以下降，對各控制器的關鍵參數進行卡邊操作，將裝置的運行條件推向最優運行的邊界點上，從而達到節能降耗的目的。選取水、電、蒸汽、氮氣單耗進行對比，投用前時間點選取2021年6月、7月和9月，投用后時間點為2022年6月、7月和9月，如圖8所示。

投用零手操控制系統后，降低了裝置能耗和物耗，裝置用水單耗降低23.06%，用電單耗降低12.75%，蒸汽單耗降低22.48%，氮氣單耗降低22.43%，直接創效每年達到477.12萬元。

4? 結束語

零手動控制系統在甲基硅烷裝置上成功應用，實現了3個月DCS無人工手動操作，提高了DCS有效自動化率，同時提高了裝置運行的平穩性，通過卡邊操作達到了節能降耗的目的，直接創效可觀。在智能制造、無人工廠的新時代背景下，零手動操作控制技術為企業安全保障、生產力提升及數字化改革深化等提供了優質的實踐案例和應用經驗。

參? 考? 文? 獻

[1] 任玲兵.MPC模型預測控制系統對化工爐溫度控制的影響與探討[J].山西化工，2022（2）：144-146.

[2] 蘇耀東.劉鑒徵.先進控制技術在硫磺回收裝置中的應用[J].化工自動化及儀表，2019，46（4）：248-255.

[3] 王躍宣.先進控制策略與軟件實現及應用研究[D].杭州：浙江大學，2015.

[4] 陸榮秀.稀土萃取過程的廣義預測解耦控制[J].控制工程，2021，28（1）：1-7.

（收稿日期：2023-04-12，修回日期：2023-08-11）