基于模糊控制的粗酚生產裝置改造

張小寶，孫寶平，付 進

（1.馬鞍山鋼鐵股份有限公司，安徽 馬鞍山 243000；2.馬鋼奧瑟亞化工有限公司，安徽 馬鞍山 243000）

1 粗酚生產概述

粗酚生產是煤焦油加工的一個重要環節，主要工藝是把一定量的酚鈉鹽先裝入分解器，再將質量分數98%的濃硫酸加入到分解器，濃硫酸與酚鈉鹽發生分解反應，并釋放大量熱量，混合溶液呈中性或微酸性時為反應終點。反應停止后的混合溶液經靜置分層，下層為密度較大的硫酸鈉溶液，上層為粗酚溶液。

硫酸法分解酚鈉鹽是中和反應，伴隨劇烈的放熱過程，且局部會因濃硫酸的劇烈放熱產生大量水蒸氣，上升的水蒸氣夾帶混合溶液中硫酸和酚類物質形成酸霧，放散到大氣中，既污染環境，又造成硫酸和酚類產品損失。雖然現在硫酸法粗酚生產裝置基本都配有尾氣處理的環保設備，但是揮發的酸霧仍然會造成煙氣管道、設備的腐蝕；同時由于濃硫酸的劇烈放熱，造成混合溶液溫度過高，會使分解器的內襯、pH值傳感器等設備使用壽命縮短或損壞。為此，馬鋼奧瑟亞化工有限公司在原有分解器的基礎上進行了改造，首先采用模糊控制算法，根據反應器內的混合溶液溫度值和pH值這兩個重要輸入參數，自動調整濃硫酸加入的瞬時流量和總量，這樣既可以有效控制反應過程溫度，還可以控制終點溶液的pH值；其次采用水冷夾套式分解器，夾套內通循環冷卻水，同時分解器頂部安裝攪拌器，通過攪拌器的不斷攪拌，既加速了分解反應過程，也加快熱量傳導到容器壁，再由夾套內循環冷卻水帶走熱量，以上改造均已經實施，并取得良好效果，在此本文只討論粗酚生產裝置自動控制方法。

模糊控制是眾多智能控制中發展成熟、應用相對廣泛的一種智能控制，是基于豐富操作經驗總結出來的、用自然語言表述的控制方法，無需精確的數學模型，只需總結人為的操作經驗[1]。控制終點的粗酚產品質量和過程中濃硫酸的加入流量是整個分解反應自動控制的關鍵，這既需要精確控制混合溶液終點的pH值，又需要控制生產過程中溶液溫度在設定值以內。由于分解反應過程中pH值存在非線性、滯后性等特點，在硫酸法分解酚鈉鹽的生產工藝中，馬鋼奧瑟亞化工有限公司采用模糊控制實現粗酚生產的智能控制[2]。

2 模糊控制系統的設計及應用

2.1 控制系統的硬件設備

該控制系統采用德國西門子公司（SIEMENS）的S7-200 SAMRT CPU SR40型控制器，使用PROFINET通訊，上位機HMI/SCADA軟件采用iFIX 5.5組態。現場安裝的傳感器包括：（1）檢測分解器內混合溶液的pH值傳感器采用耐高溫（0℃～120℃）玻璃電極；（2）檢測分解器內混合溶液的溫度傳感器采用高精度的熱電阻（Pt100）；（3）分解器內液位傳感器采用差壓變送器，根據壓力值計算液位；（4）濃硫酸供料流量計采用內部襯四氟（PTFE）的電磁流量計；（5）濃硫酸供料調節閥采用內部襯四氟（PTFE）的單座調節閥，閥門定位器帶位置反饋值。

2.2 控制過程

在HMI（Human Machine Interface，人機接口）操作畫面設定分解反應混合溶液的目標pH值后，啟動濃硫酸供料泵，經流量計、調節閥，將濃硫酸從儲罐輸送到分解器，和預先在分解器內裝好的酚鈉鹽進行分解反應。pH值傳感器和溫度傳感器實時采集當前混合液的測量值，以實時pH值和溫度值作為模糊控制算法的輸入量，模糊控制算法根據輸入值進行模糊規則推理，并將結果轉換為清晰值，以濃硫酸設定流量為輸出值，通過控制調節閥開度將實際流量值穩定在設定值。模糊控制建立在人工專家經驗基礎上，在混合溶液中和反應過程中，控制pH值和溫度值在設定范圍內，并使混合溶液的終點pH值準確達到設定值。

2.3 模糊控制器結構設計

該系統使用雙輸入-單輸出型模糊控制器，以完成濃硫酸加酸流量的計算，模糊控制系統結構示意圖見圖1，主要由模糊化模塊、模糊推理規則模塊、清晰化模塊等組成，其中模糊推理是通過pH值傳感器測量混合溶液的pH值x∈[0,14]，通過溫度傳感器測量混合溶液的溫度y∈[0,100]℃，選擇混合溶液pH值x和混合溶液的溫度值y作為兩個輸入變量，選定加酸流量值U∈[0,16]L/min作為輸出變量，流量值U調節閥將會根據加酸流量值進行PID控制[2]。

圖1 雙輸入-單輸出模糊控制器結構示意圖

2.4 pH值、溫度值、濃硫酸流量值的隸屬度函數分布及加酸控制規則

隸屬度函數和模糊子集有很強主觀表現，隸屬度函數的主觀隨意性可以用于反映人的智能、技巧、經驗、理解等不同智慧。為提高控制系統的精確度，該系統采用三角形隸屬度函數，選取pH值x的論域x={0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14}，選取溫度值y的 論 域y={0,10,20,30,40,50,60,70,80,90,100}，選取輸出流量值U的論域U={0,2,4,6,8,10,12,14,16}，輸入和輸出變量的模糊集合各包含7個元素。

pH值子集包括：強酸性（NB）、酸性（NM）、弱酸性（NS）、pH值適中（ZO）、弱堿性（PS）、堿性（PM）、強堿性（PB），涵蓋pH值的論域x∈[0,14]，其隸屬度函數分布如圖2所示。

圖2 分解過程pH值隸屬度函數分布

溫度值子集包括：溫度很低（NB）、溫度低（NM）、溫度偏低（NS）、溫度適中（ZO）、溫度偏高（PS）、溫度高（PM）、溫度很高（PB），涵蓋溫度值的論域y∈[0,100]℃，其隸屬度函數分布如圖3所示。

圖3 分解過程混合液溫度隸屬度函數分布

涵蓋濃硫酸流量的論域U∈[0,16]L/min包括：流量很小（NB）、流量小（NM）、流量偏小（NS）、流量適中（ZO）、流量偏大（PS）、流量大（PM）、流量很大（PB），其隸屬度函數分布如圖4所示。

圖4 分解過程加酸流量值隸屬度函數分布

模糊控制器的控制規則是基于操作人員長期積累總結得到的，利用模糊控制規則歸納操作人員控制策略是建立模糊控制器的過程，依據生產操作經驗，模糊規則設計分析如下：（1）當x、y均為NB時，說明此系統的pH值為強酸性，雖然溫度很低，但是也不能繼續加酸，所以需要將控制器的輸出設置為流量很小（NB），控制系統關閉調節閥。（2）當x為PB并且y為NB時，說明此系統pH值為強堿性，溶液溫度很低，所以控制器輸出為濃硫酸流量很大（PB），控制系統將調節閥開到最大。（3）當x為PS且y為NS時，說明此系統pH值為弱堿性，溶液溫度偏低，這時pH值沒有達到設置要求，但已經比較接近，濃硫酸流量被控制在一個較小的值，所以將控制器輸出設置為適中（ZO）。

其余各條規則的確定與上述方法相同，粗酚生產加酸控制的控制規則如表1所示。

表1 粗酚生產過程加酸控制規則

由表1可知，總的控制規則有49條，但是每次輸入量并不能把它們全部激活。這樣根據測得的輸入量，只適用被激活的控制規則進行近似推理，對于近似推理得出的模糊子集不能直接使用，必須要經過模糊量清晰化，該項目采用最小值法計算加酸流量值U。

2.5 模糊控制使用效果

馬鋼奧瑟亞化工有限公司粗酚生產裝置于2022年7月初完成改造，基于模糊控制生產的粗酚產品pH值控制精確、穩定，以7月20日白班分解生產情況為例，pH實時變化趨勢如圖5所示。

圖5 粗酚生產pH值的實時變化趨勢圖

由圖5可見，粗酚生產裝置改造完成后，粗酚生產過程中pH值控制精確，確保了產品質量穩定合格。由于模糊控制系統能同時控制溶液溫度，所以可明顯減少酸霧的產生，使粗酚生產更加環保。

3 結 語

基于模糊控制的加酸自動控制方案已在馬鋼奧瑟亞化工有限公司硫酸法粗酚生產線得到應用，一年多的使用研究發現，該方法可使粗酚生產控制效果顯著提升，主要表現在對于操作人員的技術要求大大降低，全過程實現自動化控制，粗酚產品的合格率顯著提升，并且酸霧的產生及酸霧夾帶酚類產品的損失明顯減少，再加上配套的堿液洗滌的煙氣處理設施，使得粗酚生產相較以前更加環保。