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  山東濱化集團東瑞化工有限責任公司  蔣巨兵 馬浩

1. 前言

        山東濱化集團大大小小有四套環氧丙烷裝置，總量為180000t/a，裝置控制系統均采用Honeywell PKS。裝置中的大滯后控制回路一直是裝置經濟運行的難點，比如環氧丙烷裝置中皂化二級外回流冷凝器氣相出口溫度回路，由于前后裝置之間耦合嚴重，溫度控制過程反應慢，動態響應時間長，滯后嚴重。使用常規PID控制效果一直不佳，手動操作效果也不理想，直接影響到了產品的質量和能源的消耗。為了提高裝置的控制水平，我們逐漸推廣先進控制Profit Loop技術來解決裝置中大滯后的控制回路，提高裝置的控制水平。

    2．Profit Loop控制技術介紹

    在化工流程工業的控制中，PID控制依然是應用最為廣泛的控制策略。雖然設計簡單，PID控制器從普通的流量控制回路到高度復雜的反應過程得到廣泛的應用。PID控制有許多優點，但還是有它的局限性，控制工程師將它應用于帶有大的純滯后過程時，結果通常是失敗的。控制作用強時，回路控制不穩定；調節作用弱時，控制性能下降。在實際應用中，許多過程控制不一定只在設定點上，而僅要求控制在一定范圍內，就能滿足要求。

    預測控制的基本思想是預測控制器用過程模型和控制算法來預測未來的狀態，并產生當前的控制輸出。模型預測控制器將過程的測量值和由過程模型得到的所期望的響應相比較，當模型和實際過程有偏差時，偏差被反饋到控制器中，校正下一個周期的計算；如果模型很好地捕獲了過程的動態特性，控制器僅僅校正過程的干擾。這使得預測控制技術在理論上解決了較大純滯后的控制過程。 其控制方框圖如圖1所示： 

               
                                  圖1 預測控制方框圖  

    Profit Loop是一個駐留在PKS DCS系統上單入單出的模型預測控制器，它可以用一個簡單的過程模型根據過去和現在的過程變量，來預測將來過程變量的動作。當Profit Loop 控制器滿足操作目標時，內置的優化器用同一個模型滿足經濟目標。經濟目標可以是最大化產率，最小成本，操作彈性很大。它是一種具有專利的高效模型預測控制算法，允許用戶在區間控制和設定點控制之間進行控制選擇，在約束區間內優化操作。Profit Loop 具有廣泛的使用性，Profit Loop可以處理困難的動態控制(例如振蕩，反向響應，純滯后等)，當傳統的PID算法在面對噪音信號，非最小相位的動態響應或不能確定的動態過程等，而無法控制時，Profit Loop可以顯示它的優越性。隨著控制和優化雙重目標的設計和模型預測能力，Profit Loop也適合于特殊控制應用，包括離散分析儀控制和非線性液位控制。

     3．Profit Loop控制改造的原因和目標

    環氧丙烷工藝中皂化反應是氯丙醇和皂化劑氫氧化鈣反應，生成環氧丙烷和氯化鈣以及水。該反應的化學方程式如圖2所示：
       
         
                                       圖2 皂化反應方程式

    皂化劑與氯醇溶液充分混合后再進入皂化反應器。皂化反應器頂部氣相進入皂化一級外回流冷凝器，用工藝水冷卻，冷凝液回流，氣相進入皂化二級外回流冷凝器，用循環水或冷水冷卻，冷凝液回流，氣相進入下一級界區。皂化反應產生的皂化廢水由皂化塔底泵輸送至其他界區。其化學方程式和工藝流程圖分別如圖2和如圖3所示。該反應生成的環氧丙烷易水解成丙二醇，溫度是影響反應產率的主要因素，溫度過低造成反應速率的降低，也會造成氯丙醇轉化率降低，溫度過高則會造成丙二醇的生成。所以環氧丙烷皂化二級外回流冷凝器氣相出口溫度的控制對該裝置非常重要。

             

                                             圖3 皂化反應流程圖


    環氧丙烷皂化二級外回流冷凝器氣相出口溫度回路在未使用Profit Loop前，該回路原來使用PID控制，溫度控制效果一直不理想 ，波動大，因此該回路大部分時間不能投自動，以致影響整個系統的穩定性。

      造成該回路控制不穩定的原因有很多。皂化反應是一個吸熱反應，如果皂化劑Ca（OH）2濃度不穩定，會引起皂化反應不穩定，同時會導致皂化二級外回流冷凝器出口氣相溫度不穩定。如果進入反應器的氯醇溫度不穩定的話，也會造成皂化二級外回流冷凝器出口氣相溫度不穩定。同時又由于蒸汽流量的不穩定會導致反應器壓力不穩定，同樣會影響反應器壓力，從而間接導致出口氣相溫度不穩定。在四季天氣變化下，外界環境溫度的變化也影響反應器壓力和冷卻水溫度，導致氣相溫度的不穩定。該回路的控制方框圖如圖4所示。針對該回路的情況，我們決定利用Profit Loop技術對該回路的控制策略進行改造。 


                 
                                         圖4 皂化二級外回流冷凝器出口氣相溫度方框圖

    4．Profit Loop控制實施過程

    在Control Builder中，Profit Loop PKS是通過PID-PL邏輯功能塊實現的。實現它的過程與實現其他的控制策略的步驟相同，最基本的步驟就是創建一個控制模塊，再把PID-PL功能塊添加到控制模塊中。如圖5 所示：
  
                  
                                        圖5 PID-PL邏輯功能塊

    完成Profit Loop組態主要在Profit Loop Assistant 軟件中。可以通過兩種方式啟動Profit Loop PKS Assistant軟件，第一種可以從Control builder軟件中Project或者monitor窗口啟動。第二種是從Station軟件中的點細目啟動。在組態時我們一般采用從monitor中啟動。啟動方法如圖6所示。Profit Loop Assistant 軟件包含有以下工具：PID到PID-PL模型轉換，模型定義工具，基于回路類型的模型定義工具等。

                      
                           圖6 從Control builder軟件中啟動Profit Loop  

    Profit Loop PKS Assistant可以觀測到實時趨勢和圖表。并可以觀測到控制器的各種參數，在控制器狀態圖表中可以看到過程值PV，設定值SP和閥門開度OP。如圖7和圖8所示：

                        
                                              圖7 實時趨勢圖

                     
                                                圖8控制器狀態圖

    Profit loop assistant是一個可以簡化Profit Loop PKS配置的工具，Profit Loop PKS功能塊并不需要運用者對模型預測控制數學概念有很好的了解，因為Profit Loop PKS Assistant可以方便幫助使用者來建立模型，在使用軟件的時候，可以用四種方式來建立模型，如圖9所示：

     第一種方式是根據回路類型直接定義模型參數，然后再根據個體回路類型對模型進行修改。

    第二種方式是通過現有的PID參數進行計算得出。

    第三種方法是通過階躍測試獲得系統模型。

   第四種方式，如果有現有的系統拉普拉斯變換模型，也可以采用直接輸入的方式。通過離線辨識模型的工具軟件，
 
    可以把PKS中的歷史趨勢導入該軟件中進行離線模型辨識，也可以得到良好的系統模型。這種方法是實現Profit Loop控制的一種便捷的方案。
         
                         
                                    圖9 4種Profit Loop 建模方案

    第一種方法主要是已知回路的動態特性，但又不想干擾整個流程的情況下使用。模型可以從事先定義好的回路動態特性中選擇，根據相同廠區或者相關聯的裝置來分組，來區分具有相同動態特性的控制器。如圖10所示：
                
                      
                                           圖10 根據回路類型建模

    根據我們回路的特點，為了獲取更準確的模型參數，我們決定采用階躍測試的方法獲得系統模型。

    在進行測試之前，可以通過Profit Loop PKS Assistant所附帶的診斷工具對控制回路質量進行診斷,主要有兩種診斷工具，Valve Doctor 和Loop analysis。如圖11、圖12、圖13所示：

     Valve Doctor 可以分析流量和壓力回路的閥門粘性概率，這個分析會被自動執行。Valve Doctor使用EPKS的在線歷史數據，或者當控制器被選定并且Profit Loop Assistant打開時，Valve Doctor直接從控制器獲得的數據，這些數據被用來確定閥門是不是具有粘性。如果要實現有效的分析，Valve Doctor需要1小時快速采集（比5秒更快）的PV，OP和SP閉環操作數據。

    Loop analysis可以提供閥門振蕩檢測，閥門合適條件，PV/OP的標準方差等信息。Loop analysis提供了回路健康情況的指示。

    在進行建模之前我們對要改造的回路進行了診斷，確定回路是符合建模要求的。
  
                      
                                         圖11 回路診斷工具
 
                       
                                              圖12 Valve Doctor診斷工具

                      
                                                圖13 Loop analysis分析工具

     在沒有其他模型數據的情況下（比如PID參數或者現有拉普拉斯模型），并且可以對工藝過程進行一定程度的擾動。采用階躍測試的方法建立模型是一個好的方案。

     階躍測試的測試條件主要有三部分構成，第一部分是定義階躍測試一般性設定。如圖14所示：

    需要設定階躍測試所要進行的時間，當模型辨識工具辨識出的模型參數變化明顯的，或者當測試時間到，模型質量還沒有達到要求，階躍測試會自動終結。

    在Profit loop軟件中對模型的質量設置了5個等級。該等級可以從模型識別算法中計算得到，用戶可以自己決定要下裝到控制器中使用的最低模型質量等級。在回路類型顯示欄中，可以選擇回路的類型，比如是否溫度控制回路或者流量控制回路等。根據回路的特性選擇是否為積分器。如果該回路直接連著閥門，是否為閥門選項選擇是。如果該回路屬于串級回路中的主回路，該選項選擇否。
 
                     
                                          圖14 階躍函數測試一般性設定

     階躍測試第二項定義屬于特殊設定。

     如果該回路是積分器回路，進行測試時，控制器的狀態必須設定為自動，如果該控制器不是一個積分器，進行階躍測試時候，該回路模式必須為手動。在這兩種情況下，模式屬性必須都為程序模式。在測試類型下拉框中，選擇是通過偽隨機序列進行測試還是手動進行測試。如果測試類型是偽隨機序列，必須輸入階躍測試測試范圍變化的上限和下限。在估計響應時間欄目中填入以分鐘計的估計響應時間，該響應時間為SP改變引起PV量的改變于3倍正常噪聲，該回路PV值返回到穩態所用時間。如圖15所示：
 
                     
                                          圖15 階躍函數測試特殊設定

     在高級階躍測試設定中，可以修改執行頻率，濾波等選項，并可以直接返回默認值。如圖16所示：
           
                   
                                        圖16 階躍函數測試高級設定

    在完成階躍測試設定以后，可以進行階躍測試了。在階躍測試進行過程中，可以看到當前的PV，OP和SP情況和未來的SP，OP變化情況。

     當模型質量符合要求或者一系列指示指明測試結果不再會改變很多的時候，測試將會終止。當模型的質量不符合要求或者測試結果變化很大的時候，達到最大測試時間，測試也會結束。當模型質量小于3的時候并且預測性大于0.5。也可以手動停止測試。

     測試完畢后，需要對測試的結果進行評估，如果測試結果的評級小于等于3同時對未來預測性的的數值大于等于0.5，這些情況一般被認為還是良好的模型。經過測試環氧丙烷皂化二級外回流冷凝器出口氣相溫度系統模型為 ，該模型評級結果為第一等，該模型的預測性為0.867，符合了我們對回路控制的要求。

     當完成了測試結果評估之后，我們可以將模型下載到控制器中。當然也可以從控制器中把以往的模型上載到Control builder軟件中Project和monitor的ERDB數據庫中。

     Profit Loop PKS Assistant有兩種方法對控制器的參數進行整定。如圖17、圖18所示。在整定之前先從Obtain valve details看一下Profit Loop PKS Assistant提供的關于閥門整定所要注意的問題。當用戶更熟悉用PID參數整定的時候，用戶可以通過PID的方式對參數進行整定，輸入PID參數后自動轉換成PID-PL模型參數。用戶當然也可以直接輸入PID-PL 回路的參數來整定模型，Profit Loop采用“一鍵式”性能比單參數整定。通過簡單地增加性能比值來減慢調節動作的速度，同時增加魯棒性；反之，如果調節器動作太慢，則可以通過減少性能比值來加速閉環調節器的響應。經過整定后，模型實現了更加優質的運行。
 
                     
                                       圖17 Profit Loop 通過PID方式整定
 
                    
                                        圖18 Profit Loop 回路一鍵整定

     Profit Loop軟件可以把模型的歷史數據記錄下來，在需要的時候把以前建好的模型重新調用。這對Profit Loop工程實施是十分有用的，因為回路模型有可能因為外界環境因素和人為因素而失效，比如冷凝水溫度有可能因為春夏秋冬四季變換而產生很大波動導致模型失效或者操作工大幅度改變控制閥前后截止閥的開度而導致模型失效。這時可以建立多個模型，根據具體情況調用不同的模型。如圖19所示：
我們可以把Profit Loop軟件配置過模型和控制器中運行的模型給予評分，也可以根據評分重新獲得相關模型。如果在工廠里面不同廠區有很多控制器，這些廠區的回路具有相似的整定參數。可以將服務器中這些模型導出，并把它們導入到其他不同服務器中。

                     
                                  圖19 Profit Loop 回路模型歷史記錄和評分系統

      基于DCS軟件配置的角色，可以被Profit Loop assistant軟件用來限定對該軟件菜單的接觸。只要不是管理員賬號，其他賬戶都可以禁止訪問一定的頁面。如圖20所示：
 
                     
                               圖20 Profit Loop assistant角色設定

      5．Profit loop控制算法的實施效果

      5.1控制精度得到提升。

     在使用Profit Loop后，溫度控制效果穩定 ，控制回路波動范圍減小，標準方差降低，從之前的0.8912降低為0.2265，產品質量得到穩定和提升。從下面的控制回路趨勢圖21可以看出閥門控制效果有了明顯提升。
 
                     
                                        圖21 皂化二級外回流冷凝器出口氣相溫度回路趨勢

     5.2減少了能源消耗，提高了生產效益

     由于溫度控制得到優化，能源消耗也隨之降低。以皂化二級外回流冷凝器出口氣相溫度回路為例，環氧丙烷裝置中有兩套這樣的回路，都進行了Profit Loop改造，每月減少冷卻水用量，1套系統每小時可以節水2m3，兩套回路每小時可節約4m3 ，4×8000h=3.2萬m3，水費2.7元/m3。年經濟效益

     3.2×2.7=8.64萬元。

    5.3工藝操作人員操作強度降低，可將回路投入自動運行

   5.4便于控制工程師進行維護和實施

    采用Profit Loop控制器的一鍵整定，整定參數容易理解，整定簡單，耗時少。而PID控制器，則需要綜合考慮比例，積分時間和微分時間的作用，不容易整定，耗時長。

     6．結束語

     完成該項目過程中也遇到了幾處難點。第一點是進行階躍測試必須是在裝置開車狀態完成，作為控制工程師需要和工藝人員進行協商，在征得工藝人員同意后，方可進行測試，這對控制工程師的溝通協調能力提出了挑戰。當然如果有模型離線辨識工具的話，可以直接從PKS歷史趨勢中辨識得到模型參數，這樣的方案可以在避免做在線階躍測試的同時又獲得良好的系統模型。第二點是由于環境因素或者人為因素會導致模型失效，這時候，可以建多個模型，根據不同情況調用不同的模型來應對外界因素的改變，這樣可以實現Profit Loop的最優使用。

      該控制方案的成功運用后，濱化集團正在實施進行全集團推廣應用。該方案可以在全行業大規模推廣應用，在各種溫度大滯后控制和精餾塔蒸汽控制等任何傳統PID控制不理想的復雜控制領域會大有作為，可以節省大量水和蒸汽的能源消耗，同時可以提高控制精度，實現產品卡邊控制，節約大量成本，降低勞動強度。

[參考文獻]

[1] 溫勁松.《魯棒+ 1 0在聚丙烯裝置上的應用》——《石油化工自動化》，2003.5.31.
[2]Honeywell公司.《Profit Loop 手冊》.
[3] 趙寧, 錢光燦.《 一種新型控制器——Honeywell Profit Loop在精餾塔控制系統中的應用》——《自動化信息》，2008.10.
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作者簡介：

蔣巨兵（1973-），男，工程師，1997年畢業于武漢化工學院，現任濱化集團東瑞公司總工程師。
E-mail： jj-b@sohu.com
馬 浩（1980- ），男，工程師，2006年畢業于浙江大學，現任濱化集團東瑞公司副主任工程師。
E-mail: mahao606@163.com