您现在的位置:机电论文网>> 智能控制>> 正文内容

间歇聚丙烯生产的智能控制方案

作者: 来源: 发布时间:2018-2-11 16:12:47  点击数:395
李永彪1,孙正贵2,赵清杰3
(1北京华盛德佳科技公司,北京100084;2胜利石油管理局科技处,
山东257000;3清华大学计算机系,北京100084)
1引言
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。尤其是在不同的反应期内,过程的特性迥然不同,这就要求控制策略适应反应期并随之变化,因此常规的控制方法遇到了挑战。目前在不少间歇工业生产过程中,仍采用手动或半自动操作,整体自动化水平较低。本文将模糊控制与常规控制方法如位式控制、pid控制等结合起来,充分利用人工控制长期积累的经验知识,提出一种智能复合控制方案。这对提高产品的质量和产量,对降低工人的劳动强度具有实际意义。
2工艺特点
以某化工厂的一万吨/年聚丙烯装置为例,装置的主体是a、b、c、d 4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,采用络合ⅱ型三氯化钛为催化剂,以一氯二乙基铝为活化剂,以氢气为聚合物分子量调节剂。具体工艺过程描述如下(见图2—1):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60℃、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75±2℃、釜压升到3.5±0.1 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40 min,恒温恒压阶段为4~6 h。可以看出,过程具有明显分阶段的特点。
从控制的角度看,该聚合反应过程可分为3个阶段。

(1)升温升压阶段。投料完毕后,向聚合釜的夹套中通入热水进行升温升压。该阶段需在较短的时间内把釜内温度或压力升至开始反应的状态,并且必须保持连续升温升压。该阶段控制得当,有利于缩短单釜操作周期,提高现有装置的生产能力。
(2)过渡阶段。丙烯聚合反应最关键的阶段是升温升压过程中的60℃~75℃,对应釜压为24~3.5 mpa之间。60℃、2.4 mpa左右开始放热反应,如果不及时移去反应热,将使反应剧烈超出正常范围,造成反应阶段不易控制,易引起“爆聚”或产生安全阀跳;如果加入过量的冷水又将使反应激落,甚至造成“僵釜”现象。因此,这一阶段是控制的难点,直接影响能否获得高质量的产品。该阶段控制时,不仅要求釜内温度或压力连续上升,同时又要求不能产生超调。
(3)恒温恒压阶段。这是正常反应阶段,该阶段反应时间长,对控制精度要求较高。因此,这一阶段是整个聚合反应过程控制的重点。
3控制方案
根据经验,选取釜内压力为被控变量,因为丙烯聚合釜在反应阶段釜内丙烯总是处于饱和状态,釜压十分接近丙烯的饱和蒸气压,压力的高低与温度基本上一一对应[1],并且压力的测量也较温度的测量超前。选取水流量作为操纵变量,通过调节水流量来控制釜压。
设计如下智能复合控制方案:在加热阶段,偏差大,压力变化大,希望控制系统能快速调整,而对控制精度要求相对较低,采用时间最优控制方案,即位式控制,这样做有利于缩短单釜操作周期,提高设备的生产能力;在过渡阶段,偏差不太大,希望控制系统能无超调地兼顾快速性和精度,参考操作工的手操经验,采用模糊控制方案;在正常反应期,状况相对平稳,希望有较高的控制精度,因此仍采用pid控制方案。智能复合控制框图如图3—1所示。

3.1位式控制
聚合釜在加热前压力为0.5 mpa左右,根据手操经验,当釜压达到2.8 mpa时,一定要关闭热水阀,然后再观察釜内压力的上升趋势,决定是否开启冷水调节阀或开度为多大。所以,在釜压为0.5~2.8 mpa这段范围内,采用位式控制,以降低单釜的操作周期。
3.2模糊控制
仿照人工控制的经验,设计出二维模糊控制器[2],输入变量为釜内压力和釜压的变化,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2.8~3.5 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。
(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p的
基本论域:[28,35]mpa
量化论域:x={-3,-2,-1,-0}
词集:{nb,nm,ns,no}
4个词汇分别表示釜内压力太低,偏低、稍低和正常。取压力变化pc的
基本论域:[0,02]mpa/min
量化论域:y={0,1,2,3}
词集:{po,ps,pm,pb}
4个词汇分别表示压力上升速度为零,正小,正中,正大。
取冷水阀开度(控制量)u的
基本论域:[0,100]
量化论域:z={0,1,2,3}
词集:{po,ps,pm,pb}
各词汇对应的阀门状态分别为全关,小开,大开,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量化论域上的赋值表。

(3)建立模糊控制规则
通过总结间歇聚丙烯生产过程熟练操作工控制和操作的经验,描述出冷却阀状态和反应釜压力及其变化的关系,从而归纳出被控制过程的控制规则如表3—1所示。
(4)计算模糊关系矩阵r及控制表
模糊算法最常用的一种推理语言规则是
if p and pc then u
这种控制规则是一个模糊条件推理语句,它对应的模糊关系为
r=p×pc×u
从表3—1我们可以得出16条控制语句,对每条控制语句都可以得到一个模糊关系,那么,由16条语句可得到16个模糊关系,从而总的模糊关系为

对于给定的输入p和输入变化率pc,把它们模糊化后由模糊推理合成规则求出推理结果u。用最大隶属度法进行决策(去模糊化),可得到量化论域上的控制量。
对于所有可能的输入,都进行类似的离线计算,便可得到一张输入输出的对照表。通过离线计算,得出过渡阶段的模糊控制表3—2。

将表中的数据存放到过程控制计算机的内存,实际控制时,只要直接查这张控制表即可,在线的运算量是很少的。这种离线计算,在线查表的模糊控制方法比较容易满足实时控制的要求。
3.3pid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。
3.4规则集
根据釜内压力的高低,组成简单的规则集来实现智能复合控制。主要规则有:

4实验结果
一组实验结果见图4—1。主要生产因素有:投料量8.4 m3,催化剂用量270 g,活化济用量1.5 l,氢气0.2 mpa,热水槽水深70%,热水温度90℃,循环水温度25℃。
从实验结果可以看出,用智能复合控制的方法,从开始加热到釜内压力上升到3.5±0.1mpa,所用时间为30 min左右,最大超调量为0.03 mpa。
图4—1中虚线表示的是从人工控制的结果中挑出的一种比较好的情况。
通过分析手动控制的记录,可以发现,从开始加热到釜压平稳上升到3.5±0.1 mpa,多数情况下需要40~60 min,在快速性上显然不如智能复合控制方案。
手动控制经常出现的另一种情况是,在2.8~3.3 mpa这段范围内,人工控制往往不及时,易引起超调,影响后续反应的平稳性,对产品的质量影响也比较大。
5结论
本文中的智能控制方案充分利用了人工控制的实践经验,可以避免盲目试探性的操作。在如何利用经验数据并和常规的控制理论相结合方面,笔者作了有益的尝试。虽然本文的研究工作是针对间歇式聚丙烯装置,但对其它类似过程也有一定的参考价值。
[参考文献]
[1]李玉贵,等.液相本体法聚丙烯生产及应用[m].中国石化出版社,1990.
[2]孙增圻,等.智能控制理论与技术[m].清华大学出版社,1997.
[3]van der rhee,f.et al..knowledge based fuzzy control of systems[j].[wtbx]ieee trans.on automatic control,[wtbz]1990,35(2),148-155.
[4]wang lixin,fuzzy systems are universal approximators[j].ieee fuzzy'92,1992,1163-1170.

更多
字体:【】-【】-【】【关闭此页

上一篇:电动自行车充电器自动检测系统设计'   下一篇:工业控制网络结构的发展趋势'


特别声明:机电之家(http://www.jdzj.com )所共享的机电类资料,机电论文、机电类文章、机电企业类管理制度、机电类软件都来自网上收集,其版权归作者本人所有,如果有任何侵犯您权益的地方,请联系我们,我们将马上进行处理。购买的论文都出自原创,保证作者的原创的版权的转让,任何纠纷由法律解决。