基于DeltaV系统的专家PID控制聚丙烯反应升温过程

【摘 要】针对聚合釜温度控制过程是一个复杂的，非线性，时变，大滞后性，建模困难等存在的问题，在DeltaV 控制系统中，设计了专家PID规则对扬州石化厂聚丙烯装置反应过程中反应温度控制并进行了实验仿真和分析。

【关键词】DeltaV 聚丙烯反应 专家PID

一、概述

我国聚丙烯（Polypropylene PP）的工业生产始于20世纪70年代，经过30多年的发展，目前已经基本上形成了溶剂法、间歇式液相本体法、气相法等多种生产工艺并举，大中小型生产规模共存的生产格局。由于间歇式液相本体聚合法聚丙烯工艺流程短，设备投资少，经济效益好等诸多优点而被广泛应用于各炼油厂。

针对中石化扬州石化厂聚丙烯装置为实例，基于DeltaV的聚丙烯过程控制设计目标在于利用先进的控制理论、数字化DCS控制系统设计和改进的聚丙烯反应升温过程的控制方案设计，实现对聚丙烯生产工艺进行优化来提高产品的产量和质量，降低生产成本以及确保安全生产。

二、聚丙烯反应升温过程中专家PID控制回路设计和实验仿真与分析对比

聚合反应过程的升温阶段通过热水阀HV7105A和HC7105D进热水对聚合釜外夹套进行加热。升温升压至温度压力临界点进入恒温恒压阶段。

在聚合釜反应的升温阶段，整个升温过程有着严格的时间要求。如果升温时间太短，会影响聚丙烯的产量。如果升温时间太长，则会使釜内反应过于剧烈而温度可能不受控制。聚合釜反应温度上升阶段控制设计是为了实现以最适合的时间长度将釜内温度平稳地加热到反应临界温度。当釜内温度加热至60℃，压力在3.4 Mpa后进入恒温恒压阶段。所以升温时间一般需要控制在20分钟左右。升温阶段温度控制分为3个阶段进行平稳调节室温至40℃，40～50℃，50～60℃，通过外部控制逻辑程序对温度PID控制主回路TC7117在3个不同的阶段设定不同的上升速率，第一阶段速率大于第二阶段速率，第三阶段速率为最小，以此来减小温度副回路调节至聚合反应温度时的超调量值，最终平稳的进入恒温恒压状态。第一阶段的温度上升速率设定为3℃/分钟，第二阶段的温度上升速率为2℃/分钟，第三阶段的温度上升速率为1℃/分钟。

在本节中，会针对升温过程采用单回路温度控制、串级回路温度控制和专家PID规则串级回路控制进行实验仿真与结果分析对比。本论文中所提到的专家PID规则控制是把专家控制原理和串级PID控制相结合，利用专家系统的知识库输出，在不改变PID参数的情况下，直接输出调节作用以达到最快的控制效果。根据控制对象聚合釜温度的特性和现场操作员的经验设计规则，可以预先将这些规则下的控制输出方法及输出参数存放在专家控制规则库里。专家规则控制会根据当前温度控制器的设定值与测量值的偏差Δε = （SP-PV） 的大小来决定控制输出的方式和是否需要切换控制方式。专家PID规则串级控制回路设计如图1 所示。

通过DeltaV系统仿真聚合釜反应升温过程，对比旧系统的控温过程和系统中设计的控温过程。假设在同样一个温度上升速率的条件下，夹套水温度与冷却水阀门开度设定成一定的计算关系。主回路TC7117温度上升的速率低于副回路TC7118上升的速率，主回路在三个升温阶段，设置了不同的设定值上升速率，在第一阶段是设定值从常温至40℃，上升速率设定为0.05℃/sec； 在第二阶段是设定值从40℃至50℃，上升速率设定为0.033℃/sec；在第三阶段是设定值从50℃至60℃，上升速率设定为0.017℃/sec。在DeltaV系统中，比例，积分和微分三个PID控制参数分别是Gain，Reset和Rate。所以在实验中设置的PID主控制器TC7117的控制参数为：Gain = 5，Reset = 50，Rate = 10；PID副控制器TC7118的控制参数为：Gain = 5，Reset = 30，Rate = 0。专家PID规则中的经验值ε = 5℃，专家PID规则的条件与对应的输出结果采用表中的详细列举。我们看一下，在专家PID规则串级温度控制回路来控制整个聚合釜升温过程的实验仿真。聚合釜温度控制主回路TC7117实验仿真结果如图2所示。

从仿真历史曲线中看到，黄线表示温度控制主回路TC7117的测量值，白线表示设定值，蓝线表示调节输出值。在第一阶段温度从28℃ 设定到40℃，PID调节的超调量=5.6 %。温升12度，温度上升到设定值时间T1=291s，温度超过设定值后PID调节时间T2>124s。第二阶段温度从40℃设定到50℃，PID调节超调量=6 %，温升10度，温度上升到设定值时间T1=266s，温度超过设定值后 PID调节时间T2>166s。第三阶段温度从50℃ 设定到60℃，PID调节的超调量=0.28%，温升10度，温度上升到设定值时间T1=401s，温度超过设定之后PID调节时间T2=171s。总的升温时间T=19，比串级回路温度控制调节时间减少13.6%。到拐点温度的超调量比串级回路温度控制调节超调量减少6.7%。

夹套水温度控制副回路TC7118实验仿真结果如图3所示。

从仿真历史曲线中看到，黄线表示温度控制副回路TC7118的测量值，白线表示设定值，蓝线表示调节输出值。在第一阶段温度控制主回路TC7117从28℃ 设定到40℃，温度控制副回路得到的主回路给定值变化范围由29.1℃到44.9℃，调节刚开始的最大设定值与测量值的偏差Δε= （SP-PV）= 0，在第一阶段结束的过冲量=-0.7，其中Δε是PID调节设定值与测量值的偏差。温升22度，温度上升到设定值时间T1= 239s，温度超过设定值后PID调节时间T2>122s。第二阶段在温度控制主回路从40℃设定到50℃，温度控制副回路得到的主回路给定值变化范围由44.9℃到58.9℃，调节刚开始的最大设定值与测量值的偏差Δε=（SP-PV）=0，在第二阶段结束的过冲量=-0.5，温升10度，温度上升到设定值时间T1= 201s，温度超过设定值后 PID调节时间T2>145s。第三阶段在温度控制主回路从50℃设定到50℃，温度控制副回路TC7118得到的主回路给定值变化范围由58.9℃到72.9℃，调节刚开始的最大设定值与测量值的偏差Δε=（SP-PV）=0，在第二阶段结束的过冲量=-0.3，温升10度，温度上升到设定值时间T1 = 198s，温度超过设定值后 PID调节时间T2>203s。

由实验结果分析：在串级温度控制回路的基础上，为了改善聚合釜系统的抗干扰能力和改善动态特性，引入专家PID规则来调节串级控制回路，在专家PID规则判断条件满足时，将滞后较小的聚合釜夹套水温度控制副回路作为旁路，并直接给定输出至夹套冷水阀门，可以有效缩短PID调节的上升时间，在PID调节阶段并没有出现超调量过大的现象。在专家PID规则不满足时，还是采用一般温度串级回路进行控制。串级回路控制的主对象是聚合釜温度，副对象是夹套水温度。主回路调节采用P，I，D控制规律。副回路是随动回路，允许存在余差，所以副回路调节不需要积分作用，只采用P，I控制规律。主回路随着设定值大于测量值，控制作用为正作用，主回路输出给定到副回路也增大。副回路随着设定值大于测量值，控制作用为负作用，副回路输出控制冷水阀门开度减小。从实验结果和串级回路温度控制聚合釜温度做比较，专家PID规则串级主回路PID调节的温度上升时间明显减小，调节时间有所增长，但是超调量跟串级控制回路参数相似，有效改善了系统的非线性，大滞后性的问提。使得温度上升至拐点温度时，超调量在0.28%和调节时间有171s。总的升温时间比串级回路温度控制调节时间减少13.6%。到拐点温度的超调量比串级回路温度控制调节超调量减少6.7%。这对聚合釜温度上升过程的时间控制非常有利，拐点温度的过度控制与串级回路相似，同样可以实现反应过程中吸热过程和发热过程的平稳转换。

对于温度控制单回路，串级回路，专家PID规则串级回路在聚合釜升温过程中，各实验参数详细对比如表2所示。

三、结束语

新系统设计的聚合釜温度主回路-夹套水温度副回路，并设计了专家PID控制规则温度串级回路的控制，夹套水温度控制副回路实现快速响应调节，这样可以实现快速地升温并且平稳的过度拐点温度，使得聚合釜反应吸热过程和放热过程平稳过度，克服了温度单回路控制时不能解决的滞后大的问题，也得到了很好的动态性和稳定性的实现。专家PID控制比一般串级回路控制上升时间得到明显改善。

参考文献：

[1] 夏建林，肖传慰. 气分-聚丙烯联合装置节能浅析[J].中外能源. 2008，13（1）：106-109

[2] 何冰岩，石红瑞.基于DeltaV的MIMIC工业仿真系统及应用[J]. 控制工程.2007，14（5）：470-472

[3]杨大勇，李鸣.专家PID控制在过程控制装置上的仿真与应用[J].计算机与现代化.2008（2）：116-118