智能制造系统在甲基硅烷生产装置的应用

郑积林 周天明 侯卫锋 徐林强

作者简介：郑积林（1969-），高级工程师，从事化工生产管理工作，zhengjl1732@123.com。

引用本文：郑积林，周天明，侯卫锋，等.智能制造系统在甲基硅烷生产装置的应用[J].化工自动化及仪表，2023，50（6）：000-000.

DOI：10.20030/j.cnki.1000-3932.202306000

摘  要  为提高甲基硅烷生产装置的自动化率，保证产品质量稳定，减少能源和物料消耗，提高生产效率，设计先进控制系统，改进自动化基础设施，投用高质量装备，研发了一套甲基硅烷生产智能制造系统，实现了全过程无人操作和DCS零手动操作控制。实际应用表明：连续3个月内手动操作次数为零，反应过程稳定，温度和压力稳定，转化效率和选择性都有了显著提高。

关键词  甲基硅烷装置  模型预测控制  智能专家控制  DCS零手动  节能降耗

中图分类号  TP273      文献标志码  B      文章编号  1000-3932（2023）06-0000-00

甲基三丁酮基硅烷（MOS）主要用于室温硫化硅橡胶的硫化剂、交联剂，也用于塑料、尼龙、陶瓷、玻璃等与硅橡胶粘接的促进剂，具有无腐蚀、毒性小、活性低等优点，在建筑、电子及汽车等行业有着广泛的应用。

甲基硅烷生产装置包括合成、丁酮肟回收等生产工艺，产品主要有甲基三丁酮肟基硅烷和精丁酮肟。甲基硅烷装置构成了一个涵盖分布参数、非线性、动态、大滞后和多元素强耦合的复杂控制系统。某甲基硅烷生产装置采用JX 300 DCS，实现了部分基础控制回路的自动化，但仍主要依赖人工手动操控。在DCS中，常规的操纵策略在处理控制对象时有很多需优化之处：忽视了装置内部的关联性，只是单独控制相关的技术参数，解耦能力相对较弱，没有有效应对过程大滞后的解决办法，使得系统不是很稳定；只是以简单的方式考虑稳定状态下的自动控制，忽视了状态转换或外部环境变化导致的对象特性的变更。因此，系统大多控制回路无法长期有效投用自动。

为了进一步提升甲基硅烷装置的自动化程度，在保证产品稳定性的基础上节能降耗，提高生产效率，企业决定采用先进控制技术，开发实施甲基硅烷生产装置智能制造系统，实现装置的精细化控制和“卡边”优化。

1  甲基硅烷装置工艺流程简介

如图1所示，甲基硅烷生产工艺流程大致包括合成工段、分离工段、粗品蒸馏工段、丁酮肟回收工段和溶剂回收工段。

在合成工段，将萃取液和丁酮肟与来自外管的甲基三氯硅烷按一定比例混合通入反应器，通过反应器冷却控制温度。原料连续进入，反应液连续从反应器顶部溢流进入深化反应器进一步反应。反应结束后送至分离工段进行粗分离。

在分离工段，深化反应器物料送入反应分离器中进行粗分离。反应分离器下层酮肟盐等送入萃取塔加溶剂萃取，萃取上层回反应系统继续反应，萃取下层送丁酮肟回收工段。上层溶剂与产品送至中和器通氨中和。中和后物料从底部经泵送至液固分离器进行固液分离。清液至粗品槽再经泵送入蒸馏工段进行蒸馏提纯。

粗品蒸馏工段。粗品槽中的物料经泵输送至蒸馏工段进行减压蒸馏，控制各级蒸发器的下料温度和真空压力，经蒸馏除去产品中的溶剂、丁酮肟等轻组分，得到产品。

丁酮肟回收工段。经萃取后的酮肟盐进入酮肟盐中和系统，与来自氨蒸发器的氨进行反应，产生氯化铵、丁酮肟。反应液经泵送至四楼中和分离器进行分离，上层丁酮肟进入粗丁酮肟槽。下层氯化铵溶液进氯化铵中间槽，经后系统提浓、结晶、离心联产氯化铵。粗丁酮肟槽物料经蒸发器减压蒸馏，除溶剂、丁酮等轻组分，再经精馏塔减压精馏提纯后得到丁酮肟外送。

溶剂回收工段。粗丁酮肟蒸出的溶剂、丁酮进入回收丁酮槽，经泵送至混合器与水混合洗涤，送入溶剂水分离器分离。上层溶剂送入罐区溶剂回收槽，下层丁酮水溶液送入酮水收集槽。酮水收集槽内物料送废水塔蒸馏，蒸出丁酮、水，塔釜水经分析COD合格后外排污水池。

2  甲基硅烷装置零手操系统架构和控制方法

某甲基硅烷装置采用浙江中智达科技有限公司提供的智能动态优化控制软件V10.0，实现数据采集、建模、控制器设计及控制器组态等，实现甲基硅烷装置的零手动控制、平稳优化和节能降耗。

2.1  甲基硅烷装置零手动操作系统架构

为满足某甲基硅烷装置运行特性和精准控制的要求，在原DCS的基础上，通过设计可靠的技术方案，建立多变量模型预测控制器[1]和智能专家控制系统，克服系统内变量强耦合、非线性、大滞后、负荷变化、进料波动等扰动因素的影响，实现各工艺参数的稳定控制，以提升装置的自动化水平，保证其安全稳定运行。在此稳定控制的基础上，通过优化工艺指标和实行“卡边”操作，达到节能降耗的目的。甲基硅烷装置零手动操作控制系统的总体架构如图2所示。

2.2  甲基硅烷装置零手动操作系统设计

甲基硅烷零手动操作控制系统主要通过多变量模型预测控制技术[2]、智能专家控制技术和软测量技术实现。技术核心是多变量模型预测控制技术。根据装置的运行特点和技术指标要求，分别建立两个多变量模型预测控制器、14个智能专家控制系统和1个向导系统，对生产装置进行优化控制，详见表1。

2.2.1  多变量模型预测控制器设计

通过建立萃取塔界面控制器和进料系统控制器，采用多变量模型预测控制策略[3]，實现过程判断、解耦[4]、滞后等的控制，使甲基硅烷装置优化、协调控制，实现统一操作方法、降低操作劳动强度、提高装置运行平稳性和安全性的目标。

萃取塔界面控制器。其控制目标如下：

a. 平稳操作，减小关键变量萃取塔液位的波动。

b. 中和系统具备pH值、压力、温度超限切断保护，中和系统停止进料后最大程度发挥萃取塔、分离器的缓冲功能，避免停车。缓冲能力到限则自动降负荷保证安全；中和系统恢复后自动出料，负荷自动缓步提升。

萃取塔界面控制器的操作变量（MV）、被控变量（CV）和扰动变量（DV）设计见表2。

进料系统控制器。其控制目标如下：

a. 实现负荷一键升降，均匀爬坡至目标值；

b. 具备负荷升降加速功能；

c. 具备丁酮肟进料升负荷提前加，降负荷滞后减的特殊进料比控制。

进料系统控制器的操作变量（MV）、被控变量（CV）和扰动变量（DV）设计见表3。

2.2.2  智能专家控制系统设计

2.2.2.1  甲基硅烷智能专家控制系统实现功能

通过均匀调整进料上升/下降幅度，实现负荷一键平稳升降，并具备升降加速应急功能；

通过实时监控负荷，在负荷发生变化时及时将各级蒸发器适宜温度设定给入，实现蒸发器温度挡位控制，E0112B防干蒸自动停用、自动启用、E0112B E160一键切塔；

通过实时监控负荷，在负荷发生变化时及时将各级中和器适宜压力设定给入，在定期反洗前自动将中和器液位拉高，实现中和器压力挡位控制、汽提塔T0101自动控制、精馏塔T0103档位控制，实现氨水塔补加水流量自动控制、中和系统一键冲水；

通过实时监控装置数据结合人工分析样输入，实现不合格品槽根据色度自动进出料，实现不合格品槽进出料自动控制；

通过及时触发自控调整分离器液位设定，在中和系统超压/超pH暂时无法进料时，在允许范围内将液位平衡到分离器、萃取塔中，避免不必要的停车，在中和系统恢复后也能自动将控制恢复原状，实现中和油水分离器V0108A界面控制、中和器液位自动控制、废溶剂一键开车/一键停车、COD联锁；

通过智能语音报警/向导系统，通过人声发声，协助操作人员及时定位报警源，实现操作向导和隐患报警。

2.2.2.2  甲基硅烷智能专家控制系统实现方法

根据生产工艺专家的经验，结合装置生产过程中的工艺控制要求，通过经验总结建立甲基硅烷装置专家知识库，结合装置生产经验和过程数据分析，实现甲基硅烷装置运行优化，提高装置自动化水平和平稳率，提升装置运行安全性，如图3所示。具体如下：

a. 建立装置关键控制点的实时监控，制定专家控制策略，确保装置正常运行；

b. 建立装置异常工况诊断功能，实现生产负荷、产品质量、蒸发器温度等主要工艺参数的实时监控，及时控制，并提供语音报警提醒；

c. 智能专家控制系统与多变量模型预测控制器为相辅相成的关系，为智能专家控制器提供异常工况指令，进行辅助控制。

2.2.3  软仪表模块设计

利用软仪表系统的计算功能，建立甲基硅烷装置的软仪表计算系统，并将计算结果提供给多变量模型预测控制器，以便决策和控制。主要实现以下计算：

a. 蒸发器温度变化率，其中，t1和t2为取值时间，f（t1）和f（t2）分别为对应时间蒸发器温度测量值；

b. 相分离界面滤波值L_filter = filter（L1，L2，L3），其中，L1，L2，L3分别为等间距时间点对应相分离界面液位测量值。

3  甲基硅烷装置零手操应用效果

零手动操作系统在甲基硅烷装置的成功应用，主要体现在关键工艺平稳性和DCS有效自控率提升，降低了DCS操作次数、降低装置能耗物耗，以及保障人员和设备的安全。

3.1  关键工艺指标平稳性比较

零手动控制器对装置运行起到了良好的改善作用，主要体现在克服系统扰动的影响，进行预测控制和滚动优化，实现精准操控，提高分离器界面、萃取操液位、中和通氨流量等关键工艺参数的稳定性，使生产过程更加平稳。

3.1.1  分离器界面控制效果比较

采集零手动操作控制器投用前、后分离器界面连续3天过程数据进行对比，结果如图4所示。

对零手操控制器投用前、后分离器界面数据进行统计对比，结果见表4，可以看出，零手操控制器投用后，大幅提升了分离器界面平稳性，投用后标准差从13.02%降低至2.43%，稳定性提升了81.34%，效果显著。

3.1.2  萃取槽液位控制效果比较

采集零手动操作控制器投用前、后萃取槽液位连续3天过程数据进行对比，结果如图5所示。

对零手操控制器投用前、后萃取槽液位数据进行统计对比，结果见表5，可以看出，零手操控制器投用后，显著稳定了萃取槽液位，投用后标准差从15.91%降低至6.87%，稳定性提升56.82%，效果明显。

3.1.3  中和通氨流量控制效果比较

采集零手动操作控制器投用前、后中和通氨流量连续3天过程数据进行对比，结果如图6所示。

对零手操控制器投用前、后中和通氨流量数据进行统计对比，结果见表6，可以看出，零手操控制器投用后，显著稳定了中和通氨流量，投用后标准差从6.00 L/h降低至3.01 L/h，稳定性提升49.83%，效果明显。

3.2  DCS有效自控率比较

在采用零手动操作系统以前，甲基硅烷各个流程大都依赖于人力来进行手动操控，DCS的自动化投用率较低，员工劳动强度较大。当开始使用零手动操作系统后，实现了对全流程关键设备的智能监控，无人值守和精准控制，装置的DCS有效自动化率从70%提升到100%。

3.3  DCS操作次数比较

采集零手操控制器投用前、后24 h内DCS操作记录进行统计对比，结果如图7所示，可以看出，甲基硅烷装置在正常生产的情况下，通过投用零手动操作控制系统，操作人员手动操作次数从投用前2 325次降低到投用后0次，显著降低人工操作次数，减低劳动强敌，同时也降低了人为误操作的风险，保障了人和设备的安全。

3.4  装置节能降耗情况统计

甲基硅烷装置实施零手动操作系统后，使各个单元的关键工艺参数波动得以下降，对各控制器的关键参数进行卡边操作，将装置的运行条件推向最优运行的边界点上，从而达到节能降耗的目的。选取水、电、蒸汽、氮气单耗进行对比，投用前时间点选取2021年6月、7月和9月，投用后时间点为2022年6月、7月和9月，如图8所示。

投用零手操控制系统后，降低了装置能耗和物耗，装置用水单耗降低23.06%，用电单耗降低12.75%，蒸汽单耗降低22.48%，氮气单耗降低22.43%，直接创效每年达到477.12万元。

4  结束语

零手动控制系统在甲基硅烷装置上成功应用，实现了3个月DCS无人工手动操作，提高了DCS有效自动化率，同时提高了装置运行的平稳性，通过卡边操作达到了节能降耗的目的，直接创效可观。在智能制造、无人工厂的新时代背景下，零手动操作控制技术为企业安全保障、生产力提升及数字化改革深化等提供了优质的实践案例和应用经验。

参  考  文  献

[1] 任玲兵.MPC模型预测控制系统对化工炉温度控制的影响与探讨[J].山西化工，2022（2）：144-146.

[2] 苏耀东.刘鉴徵.先进控制技术在硫磺回收装置中的应用[J].化工自动化及仪表，2019，46（4）：248-255.

[3] 王跃宣.先进控制策略与软件实现及应用研究[D].杭州：浙江大学，2015.

[4] 陸荣秀.稀土萃取过程的广义预测解耦控制[J].控制工程，2021，28（1）：1-7.

（收稿日期：2023-04-12，修回日期：2023-08-11）