基于DCS的MTO裝置反-再系統(tǒng)控制的分析與研究

賈國華，崔桂梅

（內(nèi)蒙古科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭 014010）

基于DCS的MTO裝置反-再系統(tǒng)控制的分析與研究

賈國華，崔桂梅

（內(nèi)蒙古科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭 014010）

模糊控制最適用于一些大慣性、大滯后、非線性、數(shù)學(xué)模型難以獲得的系統(tǒng)。模糊控制系統(tǒng)的魯棒性強，干擾和參數(shù)變化對控制效果的影響被大大減弱，MTO系統(tǒng)是一個多變量、強耦合的反應(yīng)控制系統(tǒng)。嘗試從工程應(yīng)用的角度對反應(yīng)系統(tǒng)變量做了相關(guān)性分析，并且對該系統(tǒng)提供了一種先進(jìn)的模糊PID控制策略。

MTO；模糊PID；DCS

1 引言

某煤制烯烴項目甲醇制烯烴技術(shù)（MTO），為煤制烯烴生產(chǎn)的核心技術(shù)，MTO反再系統(tǒng)的關(guān)鍵控制指標(biāo)有反應(yīng)溫度、甲醇進(jìn)料溫度、反應(yīng)壓力、催化劑循環(huán)量、再生溫度等，其中反應(yīng)溫度的控制是重中之重，而反應(yīng)溫度受影響因素多，非線性、大滯后，因此，對其控制是難點，本文正是通過對其相關(guān)影響因素的統(tǒng)計分析，確定以相關(guān)度最高的甲醇進(jìn)料溫度來間接控制反應(yīng)溫度，同時引進(jìn)模糊PID控制進(jìn)行優(yōu)化，以期達(dá)到安穩(wěn)長滿優(yōu)運行的目的。

2 控制反應(yīng)溫度的重要性

反應(yīng)溫度是影響MTO甲醇轉(zhuǎn)化率和低碳烯烴選擇性的重要因素之一，同時也是工業(yè)MTO裝置重要的操作參數(shù)。溫度的影響表現(xiàn)在以下兩個方面：一是因為各個分反應(yīng)對溫度的敏感程度不同，所以溫度的變化對各分反應(yīng)反應(yīng)速率的影響也不同，最終對產(chǎn)品的分布有所影響；另一方面結(jié)焦反應(yīng)的速率受溫度變化的影響，改變了分子篩的擇形選擇性，最終對產(chǎn)品的分布有所影響。

2.1 甲醇進(jìn)料溫度控制策略的確定

MTO工業(yè)裝置比小型實驗裝置要復(fù)雜得多，影響反應(yīng)溫度的因素包括甲醇進(jìn)料溫度、進(jìn)料量、反應(yīng)壓力、反應(yīng)內(nèi)取熱器負(fù)荷、再生溫度、催化劑循環(huán)量等。

圖1 進(jìn)料溫度與床層溫度關(guān)系

從圖1可以反映出進(jìn)料溫度與床層溫度的相關(guān)性很高，對于床層溫度的控制，因為純滯后比較大，反應(yīng)復(fù)雜不易控制，所以在其他條件一定的情況下，可以利用對進(jìn)料溫度的精確控制來間接控制反應(yīng)溫度。

2.2 甲醇進(jìn)料溫度控制策略的分析與研究

參數(shù)分析：甲醇進(jìn)料溫度是調(diào)節(jié)反應(yīng)器溫度的一個重要手段，是實施反應(yīng)床層溫度調(diào)節(jié)的關(guān)鍵參數(shù)。同時MTO工藝還要求甲醇進(jìn)料溫度控制在100～200℃范圍內(nèi)，設(shè)計進(jìn)料溫度在110℃左右。進(jìn)料溫度太低，會影響烯烴的選擇性；進(jìn)料溫度過高，則會使甲醇產(chǎn)生副反應(yīng)。控制目標(biāo)：110℃；控制范圍：（110±5）℃；控制方式；通過進(jìn)料溫度調(diào)節(jié)器自動控制調(diào)節(jié)凝結(jié)水的量來調(diào)節(jié)甲醇進(jìn)料溫度。

3 模糊控制策略在反應(yīng)-再生系統(tǒng)上的應(yīng)用

3.1 甲醇進(jìn)料溫度模糊自整定 PID控制策略設(shè)計

根據(jù)不同生產(chǎn)工況要求，反應(yīng)器進(jìn)料溫度的控制目標(biāo)設(shè)置為110℃，其控制方式通過檢測反應(yīng)器進(jìn)料入口管道溫度，進(jìn)而調(diào)節(jié)凝結(jié)水的量來調(diào)節(jié)甲醇進(jìn)料溫度，進(jìn)而改變反應(yīng)器床層溫度，實現(xiàn)反應(yīng)器床層溫度維持在一定的范圍內(nèi)，其控制框圖如圖2所示。

圖2 甲醇進(jìn)料模糊PID溫度控制結(jié)構(gòu)框圖

結(jié)合工程實際響應(yīng)數(shù)據(jù)，反應(yīng)器床溫層的傳遞函數(shù)可采用公式（1）表示。

在Matlab/Simulink下環(huán)境控制對象進(jìn)行仿真

3.2 甲醇進(jìn)料溫度 PID 控制仿真研究

根據(jù)本文中選擇的甲醇進(jìn)料溫度控制系統(tǒng)對象，搭建利用 PID 進(jìn)行溫度控制的仿真結(jié)構(gòu)圖，設(shè)定仿真時間 200s，利用 Z-N 確定 PID 的控制器參數(shù)為Kp＝3.2，Ti＝0.03，Td＝0.01。仿真結(jié)果如圖3藍(lán)色曲線所示。

由圖3可知，在利用 PID 控制算法作為系統(tǒng)的控制器時，調(diào)節(jié)時間約為 Ts＝55s。PID控制的響應(yīng)曲線超調(diào)量很大，超調(diào)量為23％。

3.3 甲醇進(jìn)料溫度模糊自整定 PID 控制仿真研究

在Matlab 工具中設(shè)計 dkp、dki、dkd 三個模糊控制器，并在Simulink中構(gòu)建仿真結(jié)構(gòu)圖。

Simulink 仿真結(jié)構(gòu)圖中的參數(shù)為：Ke＝3，Kec＝3，Kp＝0.5，Ki＝0.01，Kd＝0.5，Kp0＝2.5，Ki0＝0.03，Kd0＝10。PID 的三個參數(shù)模糊控制器分別為 dkp、dki 和 dkd。仿真結(jié)果如圖3紅色曲線所示。

由圖3可知，在利用模糊PID 控制算法作為系統(tǒng)的控制器時，調(diào)節(jié)時間約為Ts＝35s。模糊PID控制的響應(yīng)曲線超調(diào)量較小，超調(diào)量為10％。

圖3 兩種控制方法控制結(jié)果比較

將 PID、Fuzzy-PID 兩種控制方式一起仿真比較結(jié)果如圖3所示。圖3中，藍(lán)色曲線為 PID 控制結(jié)果，紅色曲線為Fuzzy-PID 控制結(jié)果。由此可以得出利用模糊控制規(guī)則對 Kp、Ki、Kd 進(jìn)行在線調(diào)整可以在一定程度上提高模糊 PID 控制器的控制質(zhì)量。如果控制效果不太理想時是，對 Kp 進(jìn)行合理的在線調(diào)整能夠進(jìn)一步提高模糊控制器的控制效果。仿真結(jié)果表明，采用 Fuzzy-PID 復(fù)合控制的算法，系統(tǒng)的響應(yīng)速度加快、調(diào)節(jié)精度高、穩(wěn)態(tài)性能更好，而且沒有振蕩。

4 MTO裝置的硬件配置方案

MTO裝置需要檢測和控制的點（I/O）的數(shù)量為AI383點、AO105點、DI 100點、DO105點、TC140點、RTD36點。此外，SIS、3500系統(tǒng)、TRICON系統(tǒng)、PLC系統(tǒng)需要和PKS通訊，在DCS進(jìn)行顯示，共計205個通訊點。

MTO裝置的主控制系統(tǒng)，采用的是霍尼韋爾公司（Honeywell）的PKS系統(tǒng)。根據(jù)I/O點數(shù)及裝置的監(jiān)控要求，兼考慮備用余量，配置2對控制防火墻，2對冗余控制器，3個C系列I/O機柜和1個網(wǎng)絡(luò)柜。1對冗余的服務(wù)器，1臺工程師站，5臺操作站，2臺打印機，2臺CISCO2960交換機和2臺作為Terminal Server的MOXA Serial Nport 5430。操作站均采用Console站，防止服務(wù)器無法操作，可以有效降低風(fēng)險和經(jīng)濟損失。

5 結(jié)論

綜上所述，模糊控制抗干擾能力強，所以模糊系統(tǒng)消除了常規(guī)系統(tǒng)經(jīng)常存在的魯棒性與靈敏性之間的矛盾。上述結(jié)果證明此優(yōu)化系統(tǒng)具有實際應(yīng)用價值，可將其用于MTO反再系統(tǒng)優(yōu)化過程。

[1]梁啟隊.輕汽油醚化裝置DCS設(shè)計與研究[D].青島科技大學(xué)出版社，2013.

[2]楊耀峰.基于DCS的焦化冷鼓控制系統(tǒng)設(shè)計[D].太原科技大學(xué)，2010.

[3]李全善.催化裂化裝置先進(jìn)控制的研究與應(yīng)用[D].北京化工大學(xué)，2004.

[4]應(yīng)曉蕊.工業(yè)以太網(wǎng)的實時性研究及系統(tǒng)設(shè)計[M].杭州：浙江大學(xué)出版社，2004.

[5]Rathwell Gary.ISA-95-Setting the Stage for Integration of MES and ICD Systems Enterprise Integration of Control Systems[A].2006.113-114.

[6]陳樂.分散控制系統(tǒng)流量補償計算組態(tài)的應(yīng)用[J].華電技術(shù)，2014，（9）.

[7]張少石，陳曉蓉，梅華，等.MTO脫甲烷塔分離過程模擬及優(yōu)化[J].化工進(jìn)展，2014，（5）.

[8]李俊杰.安全儀表系統(tǒng)（SIS）在大型煤化工裝置上的應(yīng)用[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2013，（2）.

[9]田松.SIL3安全儀表系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)用[J].自動化與儀表，2013，（2）.

[10]張振華，羅劍成，等.利用流程模擬軟件優(yōu)化脫乙烷塔運行[J].乙烯工業(yè)，2012，（1）.

[11]Functional Safety-Safety Instrumented Systems for the Process Industry Sector.IEC61511.2003.

[12]Goble W M.Control Systems Safety Evaluation andReliability.ISAThe Instrumentation，Systems，andAutomation，1998.

Analysis and Research on Control of MTO Unit Reaction and Regeneration System Based on DCS

Jia Guo-hua，Cui Gui-mei

Fuzzy control is the most suitable for the system of large inertia，large lag，nonlinear，mathematical model that is difficult to obtained.The fuzzy control system has strong robustness，interference and influence parameters on the control effect is greatly reduced，the MTO system is a multi variable，strong coupling reaction control system，this paper attempts to do correlation analysis of reaction system variables from the view of engineering application，and the system provides an advanced fuzzy PID control strategy.

MTO；Fuzzy PID；DCS

TQ205；TP273

B

1003-6490（2016）08-0008-02

2016-08-09

賈國華（1983—），男，內(nèi)蒙古呼和浩特人，碩士在讀，主要從事過程優(yōu)化控制的研究工作。