基于模糊控制的粗酚生产装置改造

张小宝，孙宝平，付 进

（1.马鞍山钢铁股份有限公司，安徽 马鞍山 243000；2.马钢奥瑟亚化工有限公司，安徽 马鞍山 243000）

1 粗酚生产概述

粗酚生产是煤焦油加工的一个重要环节，主要工艺是把一定量的酚钠盐先装入分解器，再将质量分数98%的浓硫酸加入到分解器，浓硫酸与酚钠盐发生分解反应，并释放大量热量，混合溶液呈中性或微酸性时为反应终点。反应停止后的混合溶液经静置分层，下层为密度较大的硫酸钠溶液，上层为粗酚溶液。

硫酸法分解酚钠盐是中和反应，伴随剧烈的放热过程，且局部会因浓硫酸的剧烈放热产生大量水蒸气，上升的水蒸气夹带混合溶液中硫酸和酚类物质形成酸雾，放散到大气中，既污染环境，又造成硫酸和酚类产品损失。虽然现在硫酸法粗酚生产装置基本都配有尾气处理的环保设备，但是挥发的酸雾仍然会造成烟气管道、设备的腐蚀；同时由于浓硫酸的剧烈放热，造成混合溶液温度过高，会使分解器的内衬、pH值传感器等设备使用寿命缩短或损坏。为此，马钢奥瑟亚化工有限公司在原有分解器的基础上进行了改造，首先采用模糊控制算法，根据反应器内的混合溶液温度值和pH值这两个重要输入参数，自动调整浓硫酸加入的瞬时流量和总量，这样既可以有效控制反应过程温度，还可以控制终点溶液的pH值；其次采用水冷夹套式分解器，夹套内通循环冷却水，同时分解器顶部安装搅拌器，通过搅拌器的不断搅拌，既加速了分解反应过程，也加快热量传导到容器壁，再由夹套内循环冷却水带走热量，以上改造均已经实施，并取得良好效果，在此本文只讨论粗酚生产装置自动控制方法。

模糊控制是众多智能控制中发展成熟、应用相对广泛的一种智能控制，是基于丰富操作经验总结出来的、用自然语言表述的控制方法，无需精确的数学模型，只需总结人为的操作经验[1]。控制终点的粗酚产品质量和过程中浓硫酸的加入流量是整个分解反应自动控制的关键，这既需要精确控制混合溶液终点的pH值，又需要控制生产过程中溶液温度在设定值以内。由于分解反应过程中pH值存在非线性、滞后性等特点，在硫酸法分解酚钠盐的生产工艺中，马钢奥瑟亚化工有限公司采用模糊控制实现粗酚生产的智能控制[2]。

2 模糊控制系统的设计及应用

2.1 控制系统的硬件设备

该控制系统采用德国西门子公司（SIEMENS）的S7-200 SAMRT CPU SR40型控制器，使用PROFINET通讯，上位机HMI/SCADA软件采用iFIX 5.5组态。现场安装的传感器包括：（1）检测分解器内混合溶液的pH值传感器采用耐高温（0℃～120℃）玻璃电极；（2）检测分解器内混合溶液的温度传感器采用高精度的热电阻（Pt100）；（3）分解器内液位传感器采用差压变送器，根据压力值计算液位；（4）浓硫酸供料流量计采用内部衬四氟（PTFE）的电磁流量计；（5）浓硫酸供料调节阀采用内部衬四氟（PTFE）的单座调节阀，阀门定位器带位置反馈值。

2.2 控制过程

在HMI（Human Machine Interface，人机接口）操作画面设定分解反应混合溶液的目标pH值后，启动浓硫酸供料泵，经流量计、调节阀，将浓硫酸从储罐输送到分解器，和预先在分解器内装好的酚钠盐进行分解反应。pH值传感器和温度传感器实时采集当前混合液的测量值，以实时pH值和温度值作为模糊控制算法的输入量，模糊控制算法根据输入值进行模糊规则推理，并将结果转换为清晰值，以浓硫酸设定流量为输出值，通过控制调节阀开度将实际流量值稳定在设定值。模糊控制建立在人工专家经验基础上，在混合溶液中和反应过程中，控制pH值和温度值在设定范围内，并使混合溶液的终点pH值准确达到设定值。

2.3 模糊控制器结构设计

该系统使用双输入-单输出型模糊控制器，以完成浓硫酸加酸流量的计算，模糊控制系统结构示意图见图1，主要由模糊化模块、模糊推理规则模块、清晰化模块等组成，其中模糊推理是通过pH值传感器测量混合溶液的pH值x∈[0,14]，通过温度传感器测量混合溶液的温度y∈[0,100]℃，选择混合溶液pH值x和混合溶液的温度值y作为两个输入变量，选定加酸流量值U∈[0,16]L/min作为输出变量，流量值U调节阀将会根据加酸流量值进行PID控制[2]。

图1 双输入-单输出模糊控制器结构示意图

2.4 pH值、温度值、浓硫酸流量值的隶属度函数分布及加酸控制规则

隶属度函数和模糊子集有很强主观表现，隶属度函数的主观随意性可以用于反映人的智能、技巧、经验、理解等不同智慧。为提高控制系统的精确度，该系统采用三角形隶属度函数，选取pH值x的论域x={0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14}，选取温度值y的 论 域y={0,10,20,30,40,50,60,70,80,90,100}，选取输出流量值U的论域U={0,2,4,6,8,10,12,14,16}，输入和输出变量的模糊集合各包含7个元素。

pH值子集包括：强酸性（NB）、酸性（NM）、弱酸性（NS）、pH值适中（ZO）、弱碱性（PS）、碱性（PM）、强碱性（PB），涵盖pH值的论域x∈[0,14]，其隶属度函数分布如图2所示。

图2 分解过程pH值隶属度函数分布

温度值子集包括：温度很低（NB）、温度低（NM）、温度偏低（NS）、温度适中（ZO）、温度偏高（PS）、温度高（PM）、温度很高（PB），涵盖温度值的论域y∈[0,100]℃，其隶属度函数分布如图3所示。

图3 分解过程混合液温度隶属度函数分布

涵盖浓硫酸流量的论域U∈[0,16]L/min包括：流量很小（NB）、流量小（NM）、流量偏小（NS）、流量适中（ZO）、流量偏大（PS）、流量大（PM）、流量很大（PB），其隶属度函数分布如图4所示。

图4 分解过程加酸流量值隶属度函数分布

模糊控制器的控制规则是基于操作人员长期积累总结得到的，利用模糊控制规则归纳操作人员控制策略是建立模糊控制器的过程，依据生产操作经验，模糊规则设计分析如下：（1）当x、y均为NB时，说明此系统的pH值为强酸性，虽然温度很低，但是也不能继续加酸，所以需要将控制器的输出设置为流量很小（NB），控制系统关闭调节阀。（2）当x为PB并且y为NB时，说明此系统pH值为强碱性，溶液温度很低，所以控制器输出为浓硫酸流量很大（PB），控制系统将调节阀开到最大。（3）当x为PS且y为NS时，说明此系统pH值为弱碱性，溶液温度偏低，这时pH值没有达到设置要求，但已经比较接近，浓硫酸流量被控制在一个较小的值，所以将控制器输出设置为适中（ZO）。

其余各条规则的确定与上述方法相同，粗酚生产加酸控制的控制规则如表1所示。

表1 粗酚生产过程加酸控制规则

由表1可知，总的控制规则有49条，但是每次输入量并不能把它们全部激活。这样根据测得的输入量，只适用被激活的控制规则进行近似推理，对于近似推理得出的模糊子集不能直接使用，必须要经过模糊量清晰化，该项目采用最小值法计算加酸流量值U。

2.5 模糊控制使用效果

马钢奥瑟亚化工有限公司粗酚生产装置于2022年7月初完成改造，基于模糊控制生产的粗酚产品pH值控制精确、稳定，以7月20日白班分解生产情况为例，pH实时变化趋势如图5所示。

图5 粗酚生产pH值的实时变化趋势图

由图5可见，粗酚生产装置改造完成后，粗酚生产过程中pH值控制精确，确保了产品质量稳定合格。由于模糊控制系统能同时控制溶液温度，所以可明显减少酸雾的产生，使粗酚生产更加环保。

3 结 语

基于模糊控制的加酸自动控制方案已在马钢奥瑟亚化工有限公司硫酸法粗酚生产线得到应用，一年多的使用研究发现，该方法可使粗酚生产控制效果显著提升，主要表现在对于操作人员的技术要求大大降低，全过程实现自动化控制，粗酚产品的合格率显著提升，并且酸雾的产生及酸雾夹带酚类产品的损失明显减少，再加上配套的碱液洗涤的烟气处理设施，使得粗酚生产相较以前更加环保。