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周新輝（1966-）
男，工程師，1988年畢業于南京師范大學自動化專業。1988-2002就職于湖南天潤化工發展股份有限公司，先后在儀表車間、企業發展部等部門工作；2002年至今在就職于北京和利時系統工程有限公司，先后擔任化工工程部煤化工行業組組長、工程部化工技術總監、工程技術部部長、工程規劃管理部總經理等職務。主要從事DCS控制系統領域和煤化工行業先進控制領域的工作。
摘要：以大型煤化工的關鍵設備氨合成塔的一段觸媒溫度控制為研究對象，針對氨合成塔滯后大的特性，在常規的前饋－反饋控制基礎上，對前饋干擾引入時間可調整概念，目的是使得干擾項起作用的時刻同被控對象產生影響的時刻同步。同時采用史密斯預估控制方法原理，對氨合成塔的一段觸媒溫度控制過程中反向特性進行補償。從而達到優化控制的目的。本文的控制策略分兩部分，第一部分是將干擾項測量，將測得的干擾量作為前饋，在計算出前饋增益及方向后，保存在DCS控制系統中。再測試出干擾項對被控對象作用的滯后時間，待擾動發生時，再引入存儲的前饋量，達到同步補償目的。第二部分在反饋控制回路增加預估算法，先根據測量的干擾預先估算出反向特性補償量，也存儲在DCS控制系統中，待反向特性開始時，將估算出的補償量，疊加填平到反向特性的凹部區。補償后帶反向特性控制回路變成常規滯后控制回路。這樣前饋－反饋同時優化，大幅度改進氨合成塔一段觸媒溫度控制品質。為保證控制效果，方案中還采用了軟測量和測點品質判斷算法。
關鍵詞：前饋－反饋控制；可變時間前饋；史密斯預估補償；反向特性；數組儲存
Abstract: Taking the stage 1 of catalyst temperature control in ammonia synthesizer which is the key equipment in large scale coal chemical industry as the object of study, and according to the large lag of ammonia synthesizer, the concept of adjustable time for feedforward interference on the basis of conventional feedforward-feedback control is proposed to synchronize the time when the synthesizer affects and the controlled object is affected. At the same time Smith predictive control method is adopted to compensate the reverse characteristic during the stage 1 of catalyst temperature control in ammonia synthesizer, and the purpose of optimization control is therefore achieved. In this paper, the control strategy is divided into two parts: First, take the measured value of the synthesizer variable as the feedforward and calculate the feedforward gain and direction, and then transfer them into DCS. The controlled object lag time generated by interference variable is then tested, and when interference happens the stored feedforward is invoked for the purpose of the synchronous compensation. Second, predictive algorithm is added in feedback circuit. According to the measured interference the reverse characteristic compensation is estimated in advance and then saved in DCS. When reverse characteristic starts, the estimated compensation is overlaid to the reverse characteristic and its concave can therefore be filled. The control circuit with reverse characteristic therefore turns out to be conventional lag control circuit. Through the feedforward-feedback synchronous optimization, the control quality of stage 1 of catalyst temperature in ammonia converter is improved greatly. To ensure the control effect, the algorithm to measure the quality of soft sensor and measuring points is adopted.
Key words: Feedforward-feedback control; Adjustable time feedforward; Smith predictive compensation; Reverse characteristic; Array storage
合成氨生產工藝中氨合成塔觸媒溫度控制是非常關鍵但卻又是非常難控制的對象，原因是氨合成塔是串聯在合成氨生產工藝中最重要的設備，工藝合成氨生產工藝是典型的長流程多工段裝置，各工段間的作用關系密切相關，作為一個長流程中處于中間的設備，生產負荷取決于前工段，生產結果影響后工段，又因原料氣體不可存儲性，沒有緩沖區間，因此不允許做過多的調整。同時合成塔干擾項多，反應滯后大，相關調節手段少，造成合成塔的控制自動化程度低，尤其是關鍵的氨合成塔溫度控制，常規控制無法適應這種多變量，滯后大的控制對象，先進控制算法也沒有成熟的模型，因此絕大多數還是人工操作。工人勞動強度大且溫度控制效果不好。因此氨合成系統先進控制技術的研究與應用已成為合成氨工業的迫切要求，在我國合成氨生產企業在現有條件下， 利用先進DCS控制系統的強大運算能力，使用簡單易行的控制方法挖潛增效，提高經濟效益和競爭力具有重要意義[1]。
1 氨合成塔觸媒溫度控制簡介
合成氨生產過程中的各種不穩定因素最終都直接或間接地反映到氨合成塔，首先在敏感的觸媒溫度上表現。調節手段主要由冷副熱氣閥來控制觸媒溫度。影響氨合成塔觸媒溫度穩定的因素很多，歸納起來，有以下3個主要干擾因素[2]。
（1）生產負荷變化：生產負荷變化，改變了反應的速度和平衡，而且放出的反應熱也變化，引起觸媒溫度波動，生產負荷的變化主要體現在入塔壓力的發生變化。
（2）氫氮比H2/N2：氫氮比H2/N2偏高或偏低，都會降低氨的平衡率而使氣體溫度下降，一般H2偏高比偏低時對觸媒溫度影響要大。一般讓N2稍微過量，實際生產中氫氮比以循環氫含量的形式體現。
（3）入塔氣氨含量：入塔氣中的氨含量，主要決定于進行氨分離的冷凝溫度和分離效率，它對觸媒溫度和系統壓力的影響都是比較顯著的。含氨量過高，會影響反映速度和平衡，使觸媒溫度下降，相反，則觸媒溫度升高。因氨含量測量困難，一般實際采用氨冷溫度間接測量得來。一般來說，氨冷溫度越低，氨分離效果越好，入塔氣中的氨含量越低。
氨合成塔觸媒溫度控制控制采用前饋－反饋的控制方式。以一段觸媒溫度為反饋，以冷副熱氣閥為主要調節手段，入塔壓力、循環氫和氨冷溫度這3個干擾作為前饋，分別乘各自的計算式F1、F2、F3，疊加后送入PID的前饋端。常規的控制框圖如圖所示。
圖1 常規的控制框圖
2 主要優化策略
2.1 前饋控制中補償時刻可調優化策略
圖1中F1、F2、F3，計算式能計算出前饋的幅度、方向等。但實際上3個干擾對被控對象起作用的時刻是不一致的，實際是這三個干擾都是發生早，但干擾造成的影響卻滯后很長時間。如果能將用于前饋補償的干擾信號存儲起來，待干擾開始起作用的時刻再引入控制系統實施補償，控制效果將會有重大改善。下面分析常用的前饋控制示意圖圖2來說明實現方法原理[3]。
圖2 前饋控制示意圖
對于大多數實際工業過程，前饋控制可用時滯加一階滯后的結構形式[4]：圖2的前饋補償傳遞函數為：
是增益項，
是超前－滯后環節，TO>Tf 具有超前特性，TO＝Tf 具有比例特性，TO＝Tf 具有滯后特性。最佳的控制是使得
且TO＝Tf 實現 
很容易，但實現TO＝Tf 就很難，因為實際控制中干擾Tf是被控對象固定的，同時是不可控的，如果能控制TO的大小，就可以調整前饋引入控制回路的時刻，使得前饋控制同干擾量同時到達被控對象，調整
可以做到大小相等，方向相反，這樣就可以剛好抵消干擾項。
在氨合成塔中，入塔壓力干擾起作用最快。氫氮比干擾起作用時間次之，氨冷溫度干擾因氨冷器、氨分、冷交內部列管路程長，未反應氣體通過循環機再反送到氨合成塔。因此起作用最慢。因此三個干擾量需要調整前饋補償的引入的時間是不同的。需要將三個干擾量分別存入計算機控制系統，調整補償量延遲時間，當干擾量正好開始擾動時，前饋補償量也剛好起作用，使得前饋補償量剛好抵消干擾量對觸媒溫度的影響。
在氨合成塔中：因生產負荷變大造成入搭壓力變高，按照放熱反應原理，觸媒溫度應該上升，但實際上因為新增加的入塔氣體溫度低，原料氣的反應熱要等一段時間才放出，同時氣體流速增大會先帶走一部分熱量，實際一段觸媒溫度反而是先下降，然后再上升。這就是反向特性。針對有反向特性的被控制對象，傳統的前饋－反饋控制反饋控制效果不好，因為反向特性會先造成一個錯誤方向的偏差，如果PID調節器按此偏差進行調節，效果反而更差，當然最終待反向特性過去后會調整回來，但對生產已造成較大的波動。反向特性的示意圖如圖3所示。
圖3 反向特性的示意圖
反向特性可采用史密斯預估控制方法原理進行補償。史密斯預估控制方法原理是在常規PID的反饋控制的基礎上，引入一個預估的補償環節，補償后對象，相當于控制過程僅在時間上推遲了時間τ[4]。補償后原理示意圖如圖4所示。
圖4 補償后原理示意圖
史密斯預估補償控制系統的原理如圖5所示。
圖5 史密斯預估補償控制系統的原理圖
圖5中Gk(s)是預估補償算法，沒有Gk(s)時的閉環傳遞函數為[4]：
式（5）中
表示沒有純滯后環節時的隨動控制的閉環傳遞函數。經過補償后，閉環特征方程式中已經消除了
項，也就消除了純滯后對控制品質的不利影響。由式（5）式可知，控制過程僅在時間上推遲了時間τ。2.3 優化思路總結
總結上面兩種優化方案的策略，其實都是基于如下前提：
（1）氨合成塔一段觸媒溫度的波動主要是由于干擾產生的；
（2）因氨合成塔是滯后大設備，干擾都是先出現，然后才影響被控對象；
（3）不同的干擾對一段觸媒溫度影響的大小方向不同，時間也不同；
（4）氨合成塔的三個主要干擾都是可測量的但不可控的，對觸媒溫度影響的大小、方向是可以通過分析干擾和觸媒溫度在DCS系統記錄的趨勢變化曲線測算出來的；時間差也是可以通過DCS趨勢變化曲線的時間差測算的。
（5）反向特性可以用預估補償消除。補償的大小、方向、時間也可以用趨勢變化曲線測算出來。
對DCS系統記錄的趨勢曲線進行仔細分析，可以不用建立復雜的數學理論模型，就可以高效率整定出實際可用控制參數。該方法可以避免數學模型考慮問題不全面、計算誤差等因素。
3 優化控制方法的實施
3.1 實施概述
圖6是優化后前饋－反饋控制原理框圖，優化主要手段是前饋引入時間可調T1、T2、T3功能塊。反饋增加預估補償計算F4和T4。
圖6中計算式F1、F2、F3常規的前饋計算式，T1、T2、T3是前饋引入推遲時間調整量。F4和T4用于反向特性補償計算式，其中F4用于預估計算反向特性的幅度和方向，T4用于預估計算反向特性的推遲時間，該預估后可以將觸媒溫度的反向特性補償為正常特性。T1、T2、T3和T4都用數組存儲功能實施。
3.2 數組存儲的編程實施
實施優化的關鍵技術之一是需要DCS控制系統具備存儲一段時間的實時數據能力。如氨冷溫度是用來間接測量氨含量的，但氨冷溫度變化到引起一段觸媒溫度變化還要經過一段時間，因此需要將氨冷溫度的實時變化存儲起來，待真正干擾到達一段溫度時再引入干擾的前饋，以存儲3分鐘時間計算，按照DCS系統控制算法周期0.5秒計算，3分鐘需要存儲2X60X3=360個數據，而且這360個數據是滾動更新的，當前最新測量值進來后，存入第1個變量V1中，而且V1將0.5秒前數據移交V2；V2移交V3；V3移交V4；…..V359移交V360，V360將老數據拋棄。依次類推，這樣V1是最新測量氨冷溫度數據，V2是0.5秒前氨冷溫度數據，V3是1秒前氨冷溫度數據….V360是3分鐘前氨冷溫度數據。從圖7可以看出，滾動更新存儲可以保證存儲的數據還是連續變化的，且變化趨勢同現場真實數據一致。只是時間平移推后了。存儲前氨冷溫度變化同觸媒溫度變化時間差為△t1， 存儲后時間差為△t2，可以看出△t2明顯小于△t1，此時引入前饋補償效果就好得多。
圖6 優化后前饋－反饋控制原理框圖
圖7 數組存儲示意圖
以上龐大的數據計算需要DCS系統的控制器具有強大的運算能力。本方案選用和利時HOLLIYAS-MACS系列DCS控制系統，該系統具有400MHz主頻、128M內存的強大運算能力的控制器，能將現場數據用一組數組存儲起來，等到干擾開始起作用時再引入系統中，該數組功能塊具備強大的數組滾動儲存功能，能將0～10分鐘的前饋干擾量動態存儲在控制器中，隨意取出0～10分鐘以前的任意時刻的干擾量， 實現將前饋引入的時刻可調的思路。
數組功能塊存儲的編程舉例如下；（以存儲360個數值，存儲時間3分鐘為例）
ARR1: ARRAY[1..360] OF REAL;….定義數組ARR1，有360個REAL型的數組
SN:INT; . 定義數組內數值序號 INT型
AM_IN:REAL; 定義前饋測量值輸入，REAL型
AM_OUT: REAL; 定義前饋測量值輸出，REAL型
FOR SN:=1 TO 359 BY 1 設定循環次數SN
DO ARR1[SN＋1]:=ARR1[SN]; 依次滾動存儲，數組前面值移交后面序號
ARR1[1]:=AM_IN; 當前最新測量值輸入存入數組第1序號
END_FOR 結束循環
SN:=0 數組內數值序號請零
AM_OUT:=ARR1[360]; 從數組第360號取出3分鐘前值。
上面程序中AM_OUT:=ARR1[360]；表示是取出取出3分鐘前值，實際上可以根據需要取0～3分鐘的任意時刻的值。如AM_OUT：=ARR1[240]；表示取2分鐘的值。
3.3 反向特性預估的實施
氨合成塔入塔氣體壓力對一段觸媒溫度干擾是呈反向特性的，對反向特性的進行史密斯預估是非常復雜的數學模型，若模型與對象特性不一致，則（5）式還會存在純滯后項，兩者嚴重不一致時甚至會引起系統穩定性的變差[4]。為減少風險和便于實施，實際控制方案測量入塔壓力變化量來作為預估算法的基礎數據，采用簡單易行的比例微分算法來算取補償量，將算出補償量進行時間推遲平移，疊加填平反向特性區。補償原理如圖8所示。
圖8 反向特性補償原理圖
圖8中，我們的目標就是用P曲線區△(t2-t1)預估出T曲線區△(t5-t4)。原理如下：P曲線是入塔壓力變化曲線，變化量為P曲線區，變化時間為：△t2-t1；采用比例微分算法后得出補償量為d1的曲線區，再采用數組存儲的方法將△d1曲線區推遲到△d2，使得△d2對齊反向特性區△T曲線區，然后將△d2同T1曲線疊加，得到消除了反對象特性的T2曲線，這樣，△T2就是消除了反向特性的純滯后曲線了。
在實際調試過程中，式（3-2-3）整定參數時可以先采用簡單估算法：
△d2相對△d1時間上的推遲時間τ，即數組存儲時間：
為方便簡單推算出微分增益Kd 、微分時間Kd和數組存儲時間τ。可以采用分析趨勢曲線的分析方法：將入塔壓力P、一段觸媒溫度T、補償量△d1和存儲后推遲補償量△d2共4條趨勢曲線組合在一個畫面上，補償量△d2經過一個控制開關決定是否和一段觸媒溫度T疊加。先將開關斷開不進行疊加補償，這樣直接可以從趨勢圖顯示出P、△d1、△d2、△T。就可以大概測算出Kd 、Kd和τ。然后調整Kd、Kd和τ三個參數，使得△d2、△T大小形狀接近、方向相反、時間同步。再將補償控制開關打開，如果得到圖8中△2形狀曲線，說明補償就成功了。
用趨勢曲線分析方法充分利用了現代DCS系統能同時記錄幅值和時間的優勢，參數整定簡單易行，調整效果直觀明了，避免建立復雜的數學模型，也可避免數學模型考慮不周全的缺點。
3.4 用氨冷溫度軟測量氨含量的實施
實際生產中采用軟測量的形式間接測量氨冷溫度的方式來測量氨含量。循環氣中氨含量的高低可按拉爾遜?布列克經驗公式進行計算[8]：
lgNH3%=4.1856+5.9879/P1/2-1099.5/(273+t) （12）
公式（12）中P為循環氣體壓力，t為氨冷溫度。氨含量的高低與壓力和氨冷溫度有關。顯然壓力越高、氨冷溫度越低，即循環氣中的氨含量低，氨的分離效果好。
在實際生產中循環氣壓力測量容易，但氨冷溫度的測量需要進行技術處理，氨冷溫度長期工作在-10℃以下，采用熱電阻進行測量，結冰和進水經常造成電阻值偏小，指示溫度偏低。作為一個控制信號，必須有信號品質判斷功能。品質判斷包含3個判斷過程：
（1）傳感器判斷：斷線短路等都不能引入控制,并報警。
（2）幅值判斷：溫度在-30～0℃是正常值，超過該范圍為非正常值，不能用于控制，超過報警。
（3）速率判斷：溫度變化率不超過1℃/5s，超過該值意味著是故障變化。超過報警。
只有通過上面3個判斷過程后的氨冷溫度才可以用于后面的軟測量運算，否則采用上一周期的正常值用于后面的軟測量運算。數組存儲實現氨冷溫度推遲調整，使得氨冷溫度變化與觸媒溫度變化同步。
氨含量的軟測量實施原理框圖如圖9所示。
圖9 軟測量實施原理框圖
品質判斷功能塊采用HOLLIYAS-MACS系列DCS控制系統具備的自定義功能塊功能進行編程，編程好的功能塊成為一個標準的功能塊，供用于其他參數使用。品質判斷功能塊編程方法如下：
IF T_ammonia_short＝FALSE AND T_ammonia_ open= FALSE
THEN 斷線短路判斷
IF T_ammonia_H<0 AND T_ammonia_ L> -30 幅值判斷
THEN
IF T_ammonia_rate<1/5 速率判斷
THEN
T_M(k):= T_ammonia 正常時取當前值
T_M(k-1):= T_ammonia 正常時存當前值為歷史值
ELSE
T_M(k):= T_M(k-1) 不正常時取歷史值
3.5 觸媒溫度熱點溫度自動選擇實施
在一段觸媒區實際上6個測溫點，實際上只有溫度最高的點用來做控制的測量輸入，這點稱為熱點溫度。熱點溫度是該觸媒段反應最靈敏的溫度，外界干擾對熱點溫度影響也最大，它是反饋控制回路溫度測量點。實際上熱點溫度不是固定的，第3、4、5、6點都可以成為熱點溫度，因此需要程序有自動判斷當前的熱點溫度功能，采用最高值選擇能很容易找出熱點溫度。但熱電偶發生斷偶故障時溫度也最高，如果簡單選用最大值，壞熱電偶總會被選上。因此也要進行品質判斷，只有品質判斷合格的溫度，才有資格進入最大值選擇器，成為被選擇熱點，熱點溫度實施原理圖如圖10所示。
圖10 熱點溫度實施原理圖
3.6 循環氫前饋值處理實施
循環氫分析儀器共同特點是穩定性差，而且經常需要校驗，控制方案必須能分清楚正常信號和非正常信號。否則該控制方案是無法正常工作的。循環氫品質判斷原理是：儀表正常時采用氫分析儀器測量值進行控制，儀表校驗時，送一個信號給控制回路，這時循環氫信號切換到最近的保持值上，待校驗完成后，再回到儀表測量值。從儀表測量值到保持值的切換都必須經過無擾功能塊。該功能塊切換過渡時間長短可調。這樣就不會有太大波動。同其他信號不同的是，循環氫需要設置控制死區，在一定的范圍內不用變化補償值，超出范圍才需要補償，因此需要加控制死區功能塊。循環氫判斷處理過程原理如圖11所示。
圖11 循環氫判斷處理過程原理圖
4 結論
該優化后前饋－反饋控制方法先后在河南駿馬化工￠1600mm合成塔、山西晉豐高平一期18萬噸/年氨合成塔使用，取得良好效果，自動控制投運后，熱點溫度均值更接近于設定值，標準差、最大絕對偏差均大幅減小。自動控制整體效果比手動控制有明顯改善。主要表現在負荷在60%~100%范圍內時控制精度小于1℃(標準差) ，自動控制投運率超過90%。自動控制的投運提高了氨合成塔溫度的控制精度，避免了手動控制時由于操作人員經驗和水平差異造成的控制波動，延長了氨合成塔溫度的穩定時間，同時，由于溫度控制精度提高，催化劑的使用年限也得以延長。
[1] 張慶武，吳剛，薛美盛，沈之宇，孫德敏. 氨合成塔溫度先進控制[J]信息與控制，2007，36(1): 1-2.
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