UW500集散控制系统在精细化工行业全自动解决方案

杭州优稳自动化系统有限公司 袁超

UW500集散控制系统在精细化工行业全自动解决方案

杭州优稳自动化系统有限公司 袁超

针对目前某精细化工企业生产现状，通过改进常规控制策略，运用几种成熟的先进控制策略，大大提高了该企业的生产自动化水平，降低了生产人员的劳动强度。本文基于一种模糊与经典PID相结合的双模控制，有效解决了超大型反应釜的温升、压力等曲线控制中的滞后、超调等问题。同时，通过其它多种改进型策略的运用，成功实现了某高分子材料生产过程中大容积聚合釜的一键自动化。

集散控制系统；专家控制；PID；精细化工

1　概况

目前，UW500集散控制系统（DCS）在精细化工行业已得到了广泛应用，DCS对提高企业全厂自动控制、提高生产安全性及作业效率都有重要作用。众所周知，精细化工是生产精细化学品工业的通称。精细化工是国民经济基础产业之一，现已经形成相对完整的精细化工工业体系，主要包括表面活性剂、化妆品、感光材料、涂料、染料、荧光增白剂、有机颜料、香料和农药等。具有品种多，更新换代快；产量小，大多以间歇方式生产；具有功能性或最终使用性；许多为复配性产品，配方等技术决定产品性能；产品质量要求高；商品性强，多数以商品名销售；技术密集高，要求不断进行新产品的技术开发和应用技术的研究，重视技术服务；设备投资较小；附加价值率高等特点。所以大多以间歇方式小批量生产。虽然生产流程较长，但规模小，单元设备投资费用低，需要精密的工程技术。精细化工行业由于生产工艺的特殊性，限制了其自动化水平的快速发展。近十年来，精细化工企业已经逐渐认识到提高自动化水平的必要性，这不仅可实现稳产高产、提质降耗、还可以提高企业管理水平、增强产品和企业的市场竞争力。

2　精细化工全自动的必要性

精细化工行业加工工艺采用专用设备或装置，流程和能力都相对固定，工序间连续且能力匹配性强，在最高和最低日产量间波动，产出品可能随原料产地和工艺参数变化，需要按浓度、质量等级分类。进出料都是连续的，提前期很短，除流程首尾外，无排队、等待时间，通常不考虑在制品问题。多数精细化工生产流程一般较长，工序较多，但产品的需求量不大，故往往采用间歇式装置生产。现在生产工厂广泛采用多种综合生产流程，设计和制作用途广、功能多的生产装置以适应精细化工产品品种繁多、批量小的特点。同时对生产管理和操作人员的素质提出更高的要求。化工企业的设备一般是整套的生产线设备，设备投资比较大，工艺流程固定，生产能力有一定的限制。生产线上的设备维护特别重要，不能发生故障，只要一发生故障，就会造成全线停产，损失严重。故而，在控制层面上，必须摆脱传统人为手工操作的生产方式，使用稳定可靠的控制产品，建立精密安全的控制方案，通过全自动的控制方式最终实现产品稳定安全高效的生产。UW500集散控制系统（DCS）目前在精细化工行业已取得了广泛应用，完全满足精细化工全面自动的控制需求，在UW500集散控制系统（DCS）卓越稳定的性能基础上，经过杭州优稳工程团队的刻苦攻关下，实现了精细化工项目全自动的一键自动的控制要求。

3　精细化工全自动案例分析

聚合釜是精细化工中的典型设备，案例反应工段为聚合工段，产品为某树脂，聚合釜有夹套，聚合釜外循环降温设备及管线（以下称为循环）（精细调节使用小循环，一般调节使用大循环），夹套温度称外温，聚合釜检测物料的温度为内温。

3.1聚合釜自动生产过程（如图1所示）

按照预先设定的配方从储罐自动按相应顺序分别打料进A混合罐进行混合，在不同的混合罐加入不同的小料，最后形成副料，进入聚合釜上的计量罐。按照预先配方计算比例，按一定顺序向聚合釜内打进相应的的主料，随后根据温度，一般来说需要蒸汽或是热水升温，使物料到达预定的温度后延时加入A副料。此时反应会有一定升温，运行温度精调系统，通过UW500DCS控制系统精确计算，自动打开小循环，通过特殊控制（如FUZZYPID复合控制）调节蒸汽、冷水及循环泵，调节小循环温度进而达到控制外温，将内温控制在设定值范围内，此时通氮气排氧。一定时间后在合适压力下自动加入引发剂，反应会较为剧烈，启动控温系统，控制釜温在设定值附近。随后进入循环加料阶段，滴加B副料，UW500DCS控制系统根据B副料流量，自动计算放热量对应的外温目标值，通过小循环达到目标值。循环加料完成后自动关闭小循环，打开大循环降温，延时一段时间后进行成品液的输送，聚合工段完成。

图1 生产流程图

3.2聚合釜自动控制核心及难点

升温反应阶段的温度控制是聚合釜控制的重点和难点。如果采用传统的人工手动操作，必须时刻盯着数据，时刻进行调节。聚合釜温控精度灵敏度要求很高，温度过低会导致反应无法发生，造成“僵釜”现象，影响生产效率；温度过高反应生成物中会含有较多杂质，并且涨势太快压不住温又会导致“飞温”，容易发生事故。特别是加入引发剂后，该阶段反应极为敏感，控制的关键在于实现升温吸热和反应放热的平稳过渡。可反应放热、物料的比热、加热功率、保温层保温效果、釜体本身的散热、环境温度和不同物质的吸、放热的特性等不同因素都会对反应釜温度产生不同的影响。各种因素之间相互耦合、影响，控制特性比较复杂，且温度变化滞后。反应釜温度又随着反应的发生呈现时变性，所以很难确定精确的数学模型。

因此，聚合釜控温一直是控制的重点和难点。

3.3UW500解决聚合釜温控方案

经过工程团队的多次试验，聚合釜温度采用模糊控制加PID控制，即采用FUZZY-PID双模控制方案，当温度误差在某个标定值以外时，采用模糊控制，以获得良好的瞬态性能；当温度误差在标定值以内的范围时，则采用PID控制，以获得良好的稳态性能。

这种FUZZY-PID复合控制方式比单纯的模糊控制具有更高的稳态精度，更大程度上保证了反应的温度条件，获得了明显优于PID控制的良好效果。案例中的项目老设备在升温和反应阶段使用单纯PID控制，控制有明显滞后，且需要人为干预控制，以保证不会出现“飞温”或是“僵釜”现象。改造后的项目及新投运项目使用了UW500集散控制系统及针对其生产和工艺特点的FUZZY-PID复合控制的控制方案。在核心的反应阶段，控温效果良好，其反应的主要参数温度曲线和设计曲线几乎一致。

3.4总结

该工程自从用UW500集散控制系统投运以来运行平稳，效果显著，操作平稳率、产品质量等都大大提高。特别是工人劳动强度与原料消耗等都有大幅度降低，同时也确保了装置的平稳安全运行。这直接提高了企业的市场竞争能力，为企业带来了十分明显的经济效益。

3.5DCS控制的应用效果

UW500集散控制系统运转稳定正常，系统各项功能按照设计方案全部投入一键自动化，其控制精度和稳定性完全满足精细化工生产过程要求。

某高分子材料在反应釜中生产时，完全按照预设定曲线控制温度与压力，并能根据工艺要求自动补水补料。

[1] 厉玉名. 化工仪表及自动化[M]. 北京: 化学工业出版社, 1999: 217 - 232.

[2] 杭州优稳自动化系统有限公司. UW500集散控制系统系统手册[Z]. 2014.

[3] 王树青. 工业过程控制工程[M]. 北京: 化学工业出版社, 2003.

[4] 康珏, 刘美. 基于MATLAB的神经模糊聚合釜控制[J]. 自动化仪表, 2008, 29 ( 6 ): 59 - 61.

袁超（1988- ）男，河南信阳人，本科，现任杭州优稳自动化系统有限公司工程师，主要从事DCS在各行业应用方面的研究。