上海新华DCS系统在间歇聚丙烯智能控制方案的应用
工程概述
本装置（宝塔石化）设计能力为40000T/a聚丙烯，以石油液化气分馏分离出的丙烯为原料。采用的是间歇式液相本体聚合法。主要设备为8台12立方米聚合釜和8台闪蒸釜等辅助设备形成的一套间歇式生产装置，每四小时每釜可投料出料一次，每釜可生产聚丙烯粉料3T左右。
［关键词］间歇聚丙烯过程；模糊控制
1引言
由于间歇聚丙烯生产过程中化学反应间歇过程的特性相当复杂，具有严重的非线性和时变特性。目前在不少间歇工业生产，仍采用手动或半自动操作，尤其是在反应期内，过程控制难度更大，这就要求控制策略适应各个时间段不同的特点。
2工艺特点
本装置的主体是A、B、C、D 、E、F、G、H8个聚合釜，采用间歇式液相本体法聚合工艺，以液相丙烯为原料，采用CS-1型高效催化剂（Ticl4），以三乙基铝为活化剂，以氢气为聚合物分子量调节剂。液相丙烯经计量进入聚合釜，并将活化剂、催化剂和分子量调节剂按一定比例和顺序加入聚合釜。各物料加完后，开始向聚合釜夹套通热水给釜内物料升温升压，这时釜内温度及压力上升。当温度升至55℃以上、压力在2.4 MPa左右时釜内开始反应，放出热量。由于反应放出的热量会加剧反应的进行，所以应及时停止加热，打开循环冷却水使釜内温度或压力按一定速度上升，当釜内温度升至73℃左右、釜压升到3.55左右MPa时进行恒温恒压反应过程。随着反应时间的延长，液相丙烯逐渐减少，聚丙烯颗粒的浓度增加。最后，釜内液相丙烯基本消失，釜内主要是聚丙烯固体颗粒和未反应的气相丙烯，即达到所谓“干锅”状态，釜压下降，此时认为反应结束。其中，升温升压阶段约30 min，恒温恒压阶段为4.5 h左右。
控制思想
结合工艺特点，该控制系统过程可分为3个阶段。升温升压阶段、过渡阶段、恒温恒压阶段。
1．升温升压阶段。目的就是要在适当的时间内，控制热水阀的开度向夹套加水，使温度、压力按照较理想的速率上升，上升太慢影响产量，太快则可能使后期反应过于激烈，难以控制。
所以一般都采用位式控制的方式。根据实际特点，在这个阶段中，本系统分两个阶段来控制，压力小于2 .0Mpa时，热水阀开100%，让釜充分升温升压，压力在2-2.4.时热水阀从100%逐渐关至50%，2.4-2.85时保持全关。这样既缩短了升温时间又使后期反应得到一定的缓解。
2.过渡阶段
过渡阶段是整个控制的难点，控制的目的就是要依据反应的强弱即压力的变化来控制分程冷水阀及内冷控制阀，使压力控制在3.55Mpa左右(因为压力和温度是线性关系)。在这个过程中如果控制不好，有可能超压，引起高压回收，甚至安全阀动作，反之则可能造成“僵釜”。同时还得考虑到由于原料引起反应过弱的情况，所以在设计模糊控制系统的同时，得考虑选用恰当的参数，使压力在3.5Mpa之前时压力能平稳的上升，也就是说，如何克服模糊控制的稳态误差，经过本人的探索，当压力在[3.3,3.5]时，在速率的[-0.1,0.1]区间中引入三角sinX函数，对模糊系统的EC项进行修正，而在3.5-3.6Mpa时快速的控制压力。按照上述要求仿照人工控制的经验，设计出智能的二维模糊控制器，输入变为釜内压力和釜压的变化率，输出变量为冷水阀的开度。模糊控制的任务为：在过渡过程的2.85～3.6 MPa阶段，用双输入单输出的模糊控制，代替人的手动操作，实现快速平稳过渡。
通过工艺规律，可以得到模糊IF-THEN规则
IF 压力太低，速率为零,THEN 阀门不开
IF 压力偏低，速率小, THEN 阀门小开。
IF 压力稍低，速率中,THEN 阀门中开。
IF 压力正常，速率大,THEN 阀门全开。
…….
(1)选择描述输入输出变量的词集
通过分析历史数据，取输入变量釜压PT的
基本论域：［2.8，3.2,3.4.3.6］MPa
4个参量分别表示釜内压力太低，偏低、稍低和正常。取压力变化PEC的
基本论域：［0，0.56,0.11,0.17］MPa/min
4个参量分别表示压力上升速度为零，小，中，大。
取冷水阀开度(控制量)Y的
基本论域：［0,33,66,100］
各参量对应的阀门状态分别为全关，小开，中开，全开。
(2)定义各模糊变量的模糊子集
根据手动策略，隶属函数采用等腰三角形的形式。由隶属函数曲线可以得出各模糊变量在论域上的赋值表。
通过上述论域，采用新华DCS中的模糊控制功能块，便可以构建一个控制方案，事实证明这种方案是非常有效的，它不但解决了压力超调的问题，也解决了反应强弱的问题。并缩短了反应时间。
3．PID控制
利用PID控制稳态精度高的特点，在正常反应阶段，采用PID控制方式。在切入恒温恒压时，这时反应可能还比较强，所以单纯PID控制，在这个阶段并不理想。所以引入速率前馈。这也使得系统在较早切入恒温系统得到保障。从而使得系统能较快的向着设定的目标值靠近。同时又能作出快速的响应。达到更好的控制精度。
4．内冷系统的控制
内冷系统是为了保障系统超压的有力手段，一般压力在3.45Mpa之后，主要是在压力快速上升时，而分程控制阀已全开时开启内冷阀。针对其特点，在设计系统时，当压力大于3.45且分程冷水阀开度大于75度时切自动。及时投入调节。
运行结果
用以上控制的方法，从开始加热到釜内压力上升到3.5±0.1MPa，所用时间为25-30min左右，最大超调量为±0.03 MPa。而手动控制时，从开始加热到釜压平稳上升到3.55±0.1 MPa，一般需要40～60 min，在快速性上显然不如智能复合控制方案。
另外手动控制时，在2.85～3.3 MPa这段范围内，控制往往不及时，易引起超调，特别是对于经验不丰富的运行人员来说更难。影响后续反应的平稳性，对产品的质量影响也比较大，回收的机率也大。
采用本系统，运行人员在自动投料结束后，只要操作启动升温按钮，程序会全程控制热水阀、冷水阀、内冷阀，无需手动干预，直到出料。以前一个人操作一个釜都忙不过来，采用自动后，一个人可以很轻松操作4个釜。
附：工艺流程图：
本装置（宝塔石化）设计能力为40000T/a聚丙烯，以石油液化气分馏分离出的丙烯为原料。采用的是间歇式液相本体聚合法。主要设备为8台12立方米聚合釜和8台闪蒸釜等辅助设备形成的一套间歇式生产装置，每四小时每釜可投料出料一次，每釜可生产聚丙烯粉料3T左右。
［关键词］间歇聚丙烯过程；模糊控制
1引言
由于间歇聚丙烯生产过程中化学反应间歇过程的特性相当复杂，具有严重的非线性和时变特性。目前在不少间歇工业生产，仍采用手动或半自动操作，尤其是在反应期内，过程控制难度更大，这就要求控制策略适应各个时间段不同的特点。
2工艺特点
本装置的主体是A、B、C、D 、E、F、G、H8个聚合釜，采用间歇式液相本体法聚合工艺，以液相丙烯为原料，采用CS-1型高效催化剂（Ticl4），以三乙基铝为活化剂，以氢气为聚合物分子量调节剂。液相丙烯经计量进入聚合釜，并将活化剂、催化剂和分子量调节剂按一定比例和顺序加入聚合釜。各物料加完后，开始向聚合釜夹套通热水给釜内物料升温升压，这时釜内温度及压力上升。当温度升至55℃以上、压力在2.4 MPa左右时釜内开始反应，放出热量。由于反应放出的热量会加剧反应的进行，所以应及时停止加热，打开循环冷却水使釜内温度或压力按一定速度上升，当釜内温度升至73℃左右、釜压升到3.55左右MPa时进行恒温恒压反应过程。随着反应时间的延长，液相丙烯逐渐减少，聚丙烯颗粒的浓度增加。最后，釜内液相丙烯基本消失，釜内主要是聚丙烯固体颗粒和未反应的气相丙烯，即达到所谓“干锅”状态，釜压下降，此时认为反应结束。其中，升温升压阶段约30 min，恒温恒压阶段为4.5 h左右。
控制思想
结合工艺特点，该控制系统过程可分为3个阶段。升温升压阶段、过渡阶段、恒温恒压阶段。
1．升温升压阶段。目的就是要在适当的时间内，控制热水阀的开度向夹套加水，使温度、压力按照较理想的速率上升，上升太慢影响产量，太快则可能使后期反应过于激烈，难以控制。
所以一般都采用位式控制的方式。根据实际特点，在这个阶段中，本系统分两个阶段来控制，压力小于2 .0Mpa时，热水阀开100%，让釜充分升温升压，压力在2-2.4.时热水阀从100%逐渐关至50%，2.4-2.85时保持全关。这样既缩短了升温时间又使后期反应得到一定的缓解。
2.过渡阶段
过渡阶段是整个控制的难点，控制的目的就是要依据反应的强弱即压力的变化来控制分程冷水阀及内冷控制阀，使压力控制在3.55Mpa左右(因为压力和温度是线性关系)。在这个过程中如果控制不好，有可能超压，引起高压回收，甚至安全阀动作，反之则可能造成“僵釜”。同时还得考虑到由于原料引起反应过弱的情况，所以在设计模糊控制系统的同时，得考虑选用恰当的参数，使压力在3.5Mpa之前时压力能平稳的上升，也就是说，如何克服模糊控制的稳态误差，经过本人的探索，当压力在[3.3,3.5]时，在速率的[-0.1,0.1]区间中引入三角sinX函数，对模糊系统的EC项进行修正，而在3.5-3.6Mpa时快速的控制压力。按照上述要求仿照人工控制的经验，设计出智能的二维模糊控制器，输入变为釜内压力和釜压的变化率，输出变量为冷水阀的开度。模糊控制的任务为：在过渡过程的2.85～3.6 MPa阶段，用双输入单输出的模糊控制，代替人的手动操作，实现快速平稳过渡。
通过工艺规律，可以得到模糊IF-THEN规则
IF 压力太低，速率为零,THEN 阀门不开
IF 压力偏低，速率小, THEN 阀门小开。
IF 压力稍低，速率中,THEN 阀门中开。
IF 压力正常，速率大,THEN 阀门全开。
…….
(1)选择描述输入输出变量的词集
通过分析历史数据，取输入变量釜压PT的
基本论域：［2.8，3.2,3.4.3.6］MPa
4个参量分别表示釜内压力太低，偏低、稍低和正常。取压力变化PEC的
基本论域：［0，0.56,0.11,0.17］MPa/min
4个参量分别表示压力上升速度为零，小，中，大。
取冷水阀开度(控制量)Y的
基本论域：［0,33,66,100］
各参量对应的阀门状态分别为全关，小开，中开，全开。
(2)定义各模糊变量的模糊子集
根据手动策略，隶属函数采用等腰三角形的形式。由隶属函数曲线可以得出各模糊变量在论域上的赋值表。
通过上述论域，采用新华DCS中的模糊控制功能块，便可以构建一个控制方案，事实证明这种方案是非常有效的，它不但解决了压力超调的问题，也解决了反应强弱的问题。并缩短了反应时间。
3．PID控制
利用PID控制稳态精度高的特点，在正常反应阶段，采用PID控制方式。在切入恒温恒压时，这时反应可能还比较强，所以单纯PID控制，在这个阶段并不理想。所以引入速率前馈。这也使得系统在较早切入恒温系统得到保障。从而使得系统能较快的向着设定的目标值靠近。同时又能作出快速的响应。达到更好的控制精度。
4．内冷系统的控制
内冷系统是为了保障系统超压的有力手段，一般压力在3.45Mpa之后，主要是在压力快速上升时，而分程控制阀已全开时开启内冷阀。针对其特点，在设计系统时，当压力大于3.45且分程冷水阀开度大于75度时切自动。及时投入调节。
运行结果
用以上控制的方法，从开始加热到釜内压力上升到3.5±0.1MPa，所用时间为25-30min左右，最大超调量为±0.03 MPa。而手动控制时，从开始加热到釜压平稳上升到3.55±0.1 MPa，一般需要40～60 min，在快速性上显然不如智能复合控制方案。
另外手动控制时，在2.85～3.3 MPa这段范围内，控制往往不及时，易引起超调，特别是对于经验不丰富的运行人员来说更难。影响后续反应的平稳性，对产品的质量影响也比较大，回收的机率也大。
采用本系统，运行人员在自动投料结束后，只要操作启动升温按钮，程序会全程控制热水阀、冷水阀、内冷阀，无需手动干预，直到出料。以前一个人操作一个釜都忙不过来，采用自动后，一个人可以很轻松操作4个釜。
附：工艺流程图：
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