发表于：2005/6/20 14:37:00
#0楼
科大创新股份有限公司自动化分公司
安徽省合肥市长江西路669号9-88信箱
联系人：刘克胜
电 话：0551—5329789-4004
传 真：0551—5329568
邮 编：230088
一、氨合成装置先进控制与在线操作优化
安徽临泉化工股份有限公司与科大创新股份有限公司自动化分公司于2003年6月16日签订了“1#氨合成先进控制与在线操作优化工程”项目合同。至2003年12月，1#氨合成塔一至四段热点温度预测控制指标已经达到合同要求并验收；2004年12月，以提高氨净值为目标的1#氨合成塔优化验收。
合同任务分为三部分：（1）氨合成塔计算机控制系统PID控制器参数的自动整定；（2）氨合成塔一至四段催化剂热点温度先进控制（预测控制）；（3）氨合成塔在线操作优化。
调节回路的PID控制器参数的自动整定，比较容易完成，不单独列项介绍。
(一)、数据通讯
先进控制工作站和浙大中控SUPCON JX-300X DCS接口采用OPC 标准接口。为实施数据通讯，科大方于2003年8月15日提出了一份关于通讯接口的说明文件，由李林提交浙大中控，得到了浙大中控的技术认可。接口部分的原理框图如图1所示：
图1 先进控制工作站和SUPCON JX-300X数据通讯原理框图
在SUPCON JX-300X集散控制系统上连接入一台工控机作为先进控制工作站。先进控制站上安装Microsoft Windows NT操作系统、PID控制器参数自动整定软件包AtLoop、预测控制软件以及由浙大中控提供的OPC Server软件（下阶段将要实现的在线操作优化软件也将安装在先进控制工作站上）。控制软件内嵌OPC Client控件，通过该OPC Client提供的标准DA Automation接口来访问SUPCON OPC Server。SUPCON OPC Server提供了 控制站对JX-300X系统上数据的读写操作功能。与JX-300X通讯的是由SUPCON OPC Server提供的，通过OPC Server提供的标准OPC接口来读取数据。在控制软件中定时通过OPC Client控件来读取数据，读取来的数据放入读写缓冲区，控制算法在适当的时候去缓冲区取数据进行运算，运算结果将存入读写缓冲区再定时由OPC Client写入到OPC Server，或及时由OPC Client写入到OPC Server，从而实现与SUPCON JX-300X的数据通讯。
(二)、热点温度预测控制
1、实验建模
根据对模型的初步估测，设计出两组M序列和逆M序列。9月24日开始做M序列实验，首先进行单路输入M序列试验。保持三路冷激手动，对冷副阀输入M序列。第二步进行双路输入M序列试验。M序列输入至冷副阀，逆M序列输入至冷激一阀。保持另两个冷激阀不动。在对前两步实验数据分析的基础上，第三步进行四路输入M序列试验。同时对四个阀输入互不相关的M序列。通过M序列实验，我们取得了大量有用的实验数据。通过分析实验数据，建立了有关数学模型，并着手开始控制器的设计。
2、控制器设计
根据前面建立的数学模型，采用广义预测控制策略设计了多路前馈预测控制器，控制器结构框图如图2所示。广义预测控制器（GPC）通过在线辨识系统模型，得到新的模型参数后，重新设计控制器参数，再使用新的模型参数和控制器参数对变化了的对象实施控制，是一种较好的控制方案。对于一段温度，预测控制算法主要检测3点温度的变化，通过冷副线冷热气阀来进行自动调节。该回路同时综合了进塔气体温度、进塔气体压力、循环氢量等多种前馈因素量对预测控制量进行修正。一段温的控制是关键，一段温的稳定与否，直接影响到其它几段温度控制。我们设计的控制器，在控制好一段温的基础上，二段则不仅考虑进塔气压力等因素，更考虑一段温度变化对二段的影响。将一段的温度变化作为前馈加到二段温的预测控制回路中，这样冷激阀一的作用只是在一段温度基础上作微调，从而使冷激阀一对二段温度的控制作用增强，提高了控制精度。三段和四段则考虑了二段温度变化的影响。通过预测控制与前馈控制的结合，多回路控制较好的解决系统耦合的问题。
图2 多回路前馈预测控制器结构框图
3、控制器实际投运
设计好控制器，我们在2003年10月20日开始投运。10月20日至10月28日整定出GPC模型参数。模型参数整定结束，开始通过调整前馈系数来调试单个回路。先后投用了冷副回路，冷激一、二、三各单个回路。在单个回路基础上，我们于11月10开始多回路联调，多个回路协调控制。得到较高的控制精度，低于合同要求的1.5℃（标准差）。下面为从12月6日至12月15日的自动控制和手动控制在正常工况和加减量工况下的比较。
图3 2003年12月11日10：00投运自控后氨合成塔热点1-9温度曲线
在投运了自动控制后，在正常工况下，我们通过上面的温度曲线可以看出，热点温度几乎成一条直线，最大偏差在±1.0℃。在手动控制时，在正常工况下，偏差一般为±2.5℃。所以在投运自动后提高了控制精度，减轻工人工作强度。下图为自控的冷副、和冷激一、二、三阀门的开度。
图4 2003年12月11日10：00投运自控后阀门（冷副、冷激）输出曲线
图5 2003年12月11日10：00投运自控后氨合成塔热点1-9 24小时温度曲线
上图为自动控制投运24小时，合成塔热点1-9温度曲线，曲线变化平稳，偏差完全符合合同要求范围。控制器从12月7日开始试运行，12月9日一直运行至今。均能平稳控制。
4、控制效果
多回路前馈预测控制器的投用结束了临泉化工氨合成塔的热点温度一直处于手动控制的现状。以下给出预测控制器投运前后各三个典型时间段的运行曲线及统计分析数据。
(1)、投用预测控制前的热点温度记录曲线及数据分析：
(a)、12月5日11时至14时
(b)、12月8日21时至24时
(c)、12月12日6时至9时
(2)、投用预测控制后的热点温度记录曲线及数据分析：
(a)、12月10日4时至7时
(b)、12月11日12时至15时
(c)、12月14日13时至17时
5、结论
预测控制器投运以后，一至四段的热点温度的标准差从手动控制的较高水平降低到不大于0.7℃（合同要求标准差不大于1.5℃）。实际运行结果表明预测控制器是有效的。根据文献调研，这样的控制效果处于国内小型合成氨装置氨合成塔温度控制的领先水平。
采用带前馈的广义预测控制策略实现的1#氨合成塔一至四段温度先进控制系统可以实现温度的稳定控制并能保证比较好的控制品质，同时这也为下阶段实施氨合成塔的在线操作优化奠定了比较好的工作基础。
试验结果分析：
(1)、投用预测控制前的热点温度标准差
(a)、 0.909885, 1.143909, 0.811907, 0.507047
(b)、 1.522392, 2.394658, 1.661059, 1.441101
(c)、 1.466782, 1.041729, 1.045739, 0.582703
平均 1.33 1.527 1.173 0.844 1.219
(2)、投用预测控制后的热点温度标准差
(a)、 0.439234, 0.410617, 0.503729, 0.279758
(b)、 0.516311, 0.483958, 0.454309, 0.635705
(c)、 0.582783, 0.453168, 0.533614, 0.583399
平均 0.513 0.449 0.497 0.500 0.490
总平均温度波动：用手动控制标准差在1.219℃，用预测控标准差制降到0.490℃。
用绝对值来表示：手动控制温度波动在±2.5℃，而使用预测控制后，波动在±1℃以内。
(三)、以提高氨净值为目标的氨合成优化
优化的分解：影响氨净值的变量众多，而且影响大小、变化快慢、函数关系各不相同，一次对比试验全部解决必然需要时间长。仔细分析后，发现提高氨净值优化由三部分组成：
a、合成塔四点温度的预测控制对氨净值的提高；
b、单调函数关系的甲烷含量和氨冷温度“卡边”操作，即可提高氨净值；
c、四点温度与循环氢含量有最佳组合，提高氨净值需在线寻优；
(一)、四点温度的预测控制对氨净值的提高
为了验证温度预测控制对提高氨净值的效果，我们进行如下对比试验：
我们分别取了10月24日8:00－10月27日8:00和10月31日8:00－11月3日8:00的数据进行对比，如(表1)。
时 段因 素 10月24日－27日预测控制投运 10月31日－11月3日切到手动控制
平均值 标准差 平均值 标准差
甲烷含量(%) 14.52 0.19 14.47 0.25
循环氢含量(%) 62.01 0.65 62.09 0.83
氨冷温度(℃) -2.98 0.67 -2.98 0.46
3点温度(℃) 471.98 0.75 472.73 0.95
5点温度(℃) 457.27 0.88 457.55 2.29
10点温度(℃) 461.96 1.91 463.62 3.94
13点温度(℃) 467.04 2.13 467.53 2.94
合成压力(MPa) 23.47 0.32 23.67 0.33
氨净值(%) 9.54 0.14 9.13 0.18
可以看到，预测控制提高了温度的控制精度（预测控制阶段四点热点温度的标准差均小于手控阶段），作为主要影响因素，相对于手控阶段，温度预测控制提高氨净值0.41%。这就说明了温度预测控制能够有效的提高热点温度控制精度，从而提高氨净值。
(二)、正交优化设计
作为在线优化的基础，我们采用正交优化针对影响氨净值的因素进行考察，以确定其影响力及优化方向。本试验考察影响氨净值的因素包括：循环氢含量、
[此贴子已经被作者于2005-6-21 8:25:52编辑过]
