山东滨化集团东瑞化工有限责任公司  蒋巨兵 马浩

1. 前言

        山东滨化集团大大小小有四套环氧丙烷装置，总量为180000t/a，装置控制系统均采用Honeywell PKS。装置中的大滞后控制回路一直是装置经济运行的难点，比如环氧丙烷装置中皂化二级外回流冷凝器气相出口温度回路，由于前后装置之间耦合严重，温度控制过程反应慢，动态响应时间长，滞后严重。使用常规PID控制效果一直不佳，手动操作效果也不理想，直接影响到了产品的质量和能源的消耗。为了提高装置的控制水平，我们逐渐推广先进控制Profit Loop技术来解决装置中大滞后的控制回路，提高装置的控制水平。

    2．Profit Loop控制技术介绍

    在化工流程工业的控制中，PID控制依然是应用最为广泛的控制策略。虽然设计简单，PID控制器从普通的流量控制回路到高度复杂的反应过程得到广泛的应用。PID控制有许多优点，但还是有它的局限性，控制工程师将它应用于带有大的纯滞后过程时，结果通常是失败的。控制作用强时，回路控制不稳定；调节作用弱时，控制性能下降。在实际应用中，许多过程控制不一定只在设定点上，而仅要求控制在一定范围内，就能满足要求。

    预测控制的基本思想是预测控制器用过程模型和控制算法来预测未来的状态，并产生当前的控制输出。模型预测控制器将过程的测量值和由过程模型得到的所期望的响应相比较，当模型和实际过程有偏差时，偏差被反馈到控制器中，校正下一个周期的计算；如果模型很好地捕获了过程的动态特性，控制器仅仅校正过程的干扰。这使得预测控制技术在理论上解决了较大纯滞后的控制过程。 其控制方框图如图1所示： 

               
                                  图1 预测控制方框图  

    Profit Loop是一个驻留在PKS DCS系统上单入单出的模型预测控制器，它可以用一个简单的过程模型根据过去和现在的过程变量，来预测将来过程变量的动作。当Profit Loop 控制器满足操作目标时，内置的优化器用同一个模型满足经济目标。经济目标可以是最大化产率，最小成本，操作弹性很大。它是一种具有专利的高效模型预测控制算法，允许用户在区间控制和设定点控制之间进行控制选择，在约束区间内优化操作。Profit Loop 具有广泛的使用性，Profit Loop可以处理困难的动态控制(例如振荡，反向响应，纯滞后等)，当传统的PID算法在面对噪音信号，非最小相位的动态响应或不能确定的动态过程等，而无法控制时，Profit Loop可以显示它的优越性。随着控制和优化双重目标的设计和模型预测能力，Profit Loop也适合于特殊控制应用，包括离散分析仪控制和非线性液位控制。

     3．Profit Loop控制改造的原因和目标

    环氧丙烷工艺中皂化反应是氯丙醇和皂化剂氢氧化钙反应，生成环氧丙烷和氯化钙以及水。该反应的化学方程式如图2所示：
       
         
                                       图2 皂化反应方程式

    皂化剂与氯醇溶液充分混合后再进入皂化反应器。皂化反应器顶部气相进入皂化一级外回流冷凝器，用工艺水冷却，冷凝液回流，气相进入皂化二级外回流冷凝器，用循环水或冷水冷却，冷凝液回流，气相进入下一级界区。皂化反应产生的皂化废水由皂化塔底泵输送至其他界区。其化学方程式和工艺流程图分别如图2和如图3所示。该反应生成的环氧丙烷易水解成丙二醇，温度是影响反应产率的主要因素，温度过低造成反应速率的降低，也会造成氯丙醇转化率降低，温度过高则会造成丙二醇的生成。所以环氧丙烷皂化二级外回流冷凝器气相出口温度的控制对该装置非常重要。

             

                                             图3 皂化反应流程图


    环氧丙烷皂化二级外回流冷凝器气相出口温度回路在未使用Profit Loop前，该回路原来使用PID控制，温度控制效果一直不理想 ，波动大，因此该回路大部分时间不能投自动，以致影响整个系统的稳定性。

      造成该回路控制不稳定的原因有很多。皂化反应是一个吸热反应，如果皂化剂Ca（OH）2浓度不稳定，会引起皂化反应不稳定，同时会导致皂化二级外回流冷凝器出口气相温度不稳定。如果进入反应器的氯醇温度不稳定的话，也会造成皂化二级外回流冷凝器出口气相温度不稳定。同时又由于蒸汽流量的不稳定会导致反应器压力不稳定，同样会影响反应器压力，从而间接导致出口气相温度不稳定。在四季天气变化下，外界环境温度的变化也影响反应器压力和冷却水温度，导致气相温度的不稳定。该回路的控制方框图如图4所示。针对该回路的情况，我们决定利用Profit Loop技术对该回路的控制策略进行改造。 


                 
                                         图4 皂化二级外回流冷凝器出口气相温度方框图

    4．Profit Loop控制实施过程

    在Control Builder中，Profit Loop PKS是通过PID-PL逻辑功能块实现的。实现它的过程与实现其他的控制策略的步骤相同，最基本的步骤就是创建一个控制模块，再把PID-PL功能块添加到控制模块中。如图5 所示：
  
                  
                                        图5 PID-PL逻辑功能块

    完成Profit Loop组态主要在Profit Loop Assistant 软件中。可以通过两种方式启动Profit Loop PKS Assistant软件，第一种可以从Control builder软件中Project或者monitor窗口启动。第二种是从Station软件中的点细目启动。在组态时我们一般采用从monitor中启动。启动方法如图6所示。Profit Loop Assistant 软件包含有以下工具：PID到PID-PL模型转换，模型定义工具，基于回路类型的模型定义工具等。

                      
                           图6 从Control builder软件中启动Profit Loop  

    Profit Loop PKS Assistant可以观测到实时趋势和图表。并可以观测到控制器的各种参数，在控制器状态图表中可以看到过程值PV，设定值SP和阀门开度OP。如图7和图8所示：

                        
                                              图7 实时趋势图

                     
                                                图8控制器状态图

    Profit loop assistant是一个可以简化Profit Loop PKS配置的工具，Profit Loop PKS功能块并不需要运用者对模型预测控制数学概念有很好的了解，因为Profit Loop PKS Assistant可以方便帮助使用者来建立模型，在使用软件的时候，可以用四种方式来建立模型，如图9所示：

     第一种方式是根据回路类型直接定义模型参数，然后再根据个体回路类型对模型进行修改。

    第二种方式是通过现有的PID参数进行计算得出。

    第三种方法是通过阶跃测试获得系统模型。

   第四种方式，如果有现有的系统拉普拉斯变换模型，也可以采用直接输入的方式。通过离线辨识模型的工具软件，
 
    可以把PKS中的历史趋势导入该软件中进行离线模型辨识，也可以得到良好的系统模型。这种方法是实现Profit Loop控制的一种便捷的方案。
         
                         
                                    图9 4种Profit Loop 建模方案

    第一种方法主要是已知回路的动态特性，但又不想干扰整个流程的情况下使用。模型可以从事先定义好的回路动态特性中选择，根据相同厂区或者相关联的装置来分组，来区分具有相同动态特性的控制器。如图10所示：
                
                      
                                           图10 根据回路类型建模

    根据我们回路的特点，为了获取更准确的模型参数，我们决定采用阶跃测试的方法获得系统模型。

    在进行测试之前，可以通过Profit Loop PKS Assistant所附带的诊断工具对控制回路质量进行诊断,主要有两种诊断工具，Valve Doctor 和Loop analysis。如图11、图12、图13所示：

     Valve Doctor 可以分析流量和压力回路的阀门粘性概率，这个分析会被自动执行。Valve Doctor使用EPKS的在线历史数据，或者当控制器被选定并且Profit Loop Assistant打开时，Valve Doctor直接从控制器获得的数据，这些数据被用来确定阀门是不是具有粘性。如果要实现有效的分析，Valve Doctor需要1小时快速采集（比5秒更快）的PV，OP和SP闭环操作数据。

    Loop analysis可以提供阀门振荡检测，阀门合适条件，PV/OP的标准方差等信息。Loop analysis提供了回路健康情况的指示。

    在进行建模之前我们对要改造的回路进行了诊断，确定回路是符合建模要求的。
  
                      
                                         图11 回路诊断工具
 
                       
                                              图12 Valve Doctor诊断工具

                      
                                                图13 Loop analysis分析工具

     在没有其他模型数据的情况下（比如PID参数或者现有拉普拉斯模型），并且可以对工艺过程进行一定程度的扰动。采用阶跃测试的方法建立模型是一个好的方案。

     阶跃测试的测试条件主要有三部分构成，第一部分是定义阶跃测试一般性设定。如图14所示：

    需要设定阶跃测试所要进行的时间，当模型辨识工具辨识出的模型参数变化明显的，或者当测试时间到，模型质量还没有达到要求，阶跃测试会自动终结。

    在Profit loop软件中对模型的质量设置了5个等级。该等级可以从模型识别算法中计算得到，用户可以自己决定要下装到控制器中使用的最低模型质量等级。在回路类型显示栏中，可以选择回路的类型，比如是否温度控制回路或者流量控制回路等。根据回路的特性选择是否为积分器。如果该回路直接连着阀门，是否为阀门选项选择是。如果该回路属于串级回路中的主回路，该选项选择否。
 
                     
                                          图14 阶跃函数测试一般性设定

     阶跃测试第二项定义属于特殊设定。

     如果该回路是积分器回路，进行测试时，控制器的状态必须设定为自动，如果该控制器不是一个积分器，进行阶跃测试时候，该回路模式必须为手动。在这两种情况下，模式属性必须都为程序模式。在测试类型下拉框中，选择是通过伪随机序列进行测试还是手动进行测试。如果测试类型是伪随机序列，必须输入阶跃测试测试范围变化的上限和下限。在估计响应时间栏目中填入以分钟计的估计响应时间，该响应时间为SP改变引起PV量的改变于3倍正常噪声，该回路PV值返回到稳态所用时间。如图15所示：
 
                     
                                          图15 阶跃函数测试特殊设定

     在高级阶跃测试设定中，可以修改执行频率，滤波等选项，并可以直接返回默认值。如图16所示：
           
                   
                                        图16 阶跃函数测试高级设定

    在完成阶跃测试设定以后，可以进行阶跃测试了。在阶跃测试进行过程中，可以看到当前的PV，OP和SP情况和未来的SP，OP变化情况。

     当模型质量符合要求或者一系列指示指明测试结果不再会改变很多的时候，测试将会终止。当模型的质量不符合要求或者测试结果变化很大的时候，达到最大测试时间，测试也会结束。当模型质量小于3的时候并且预测性大于0.5。也可以手动停止测试。

     测试完毕后，需要对测试的结果进行评估，如果测试结果的评级小于等于3同时对未来预测性的的数值大于等于0.5，这些情况一般被认为还是良好的模型。经过测试环氧丙烷皂化二级外回流冷凝器出口气相温度系统模型为 ，该模型评级结果为第一等，该模型的预测性为0.867，符合了我们对回路控制的要求。

     当完成了测试结果评估之后，我们可以将模型下载到控制器中。当然也可以从控制器中把以往的模型上载到Control builder软件中Project和monitor的ERDB数据库中。

     Profit Loop PKS Assistant有两种方法对控制器的参数进行整定。如图17、图18所示。在整定之前先从Obtain valve details看一下Profit Loop PKS Assistant提供的关于阀门整定所要注意的问题。当用户更熟悉用PID参数整定的时候，用户可以通过PID的方式对参数进行整定，输入PID参数后自动转换成PID-PL模型参数。用户当然也可以直接输入PID-PL 回路的参数来整定模型，Profit Loop采用“一键式”性能比单参数整定。通过简单地增加性能比值来减慢调节动作的速度，同时增加鲁棒性；反之，如果调节器动作太慢，则可以通过减少性能比值来加速闭环调节器的响应。经过整定后，模型实现了更加优质的运行。
 
                     
                                       图17 Profit Loop 通过PID方式整定
 
                    
                                        图18 Profit Loop 回路一键整定

     Profit Loop软件可以把模型的历史数据记录下来，在需要的时候把以前建好的模型重新调用。这对Profit Loop工程实施是十分有用的，因为回路模型有可能因为外界环境因素和人为因素而失效，比如冷凝水温度有可能因为春夏秋冬四季变换而产生很大波动导致模型失效或者操作工大幅度改变控制阀前后截止阀的开度而导致模型失效。这时可以建立多个模型，根据具体情况调用不同的模型。如图19所示：
我们可以把Profit Loop软件配置过模型和控制器中运行的模型给予评分，也可以根据评分重新获得相关模型。如果在工厂里面不同厂区有很多控制器，这些厂区的回路具有相似的整定参数。可以将服务器中这些模型导出，并把它们导入到其他不同服务器中。

                     
                                  图19 Profit Loop 回路模型历史记录和评分系统

      基于DCS软件配置的角色，可以被Profit Loop assistant软件用来限定对该软件菜单的接触。只要不是管理员账号，其他账户都可以禁止访问一定的页面。如图20所示：
 
                     
                               图20 Profit Loop assistant角色设定

      5．Profit loop控制算法的实施效果

      5.1控制精度得到提升。

     在使用Profit Loop后，温度控制效果稳定 ，控制回路波动范围减小，标准方差降低，从之前的0.8912降低为0.2265，产品质量得到稳定和提升。从下面的控制回路趋势图21可以看出阀门控制效果有了明显提升。
 
                     
                                        图21 皂化二级外回流冷凝器出口气相温度回路趋势

     5.2减少了能源消耗，提高了生产效益

     由于温度控制得到优化，能源消耗也随之降低。以皂化二级外回流冷凝器出口气相温度回路为例，环氧丙烷装置中有两套这样的回路，都进行了Profit Loop改造，每月减少冷却水用量，1套系统每小时可以节水2m3，两套回路每小时可节约4m3 ，4×8000h=3.2万m3，水费2.7元/m3。年经济效益

     3.2×2.7=8.64万元。

    5.3工艺操作人员操作强度降低，可将回路投入自动运行

   5.4便于控制工程师进行维护和实施

    采用Profit Loop控制器的一键整定，整定参数容易理解，整定简单，耗时少。而PID控制器，则需要综合考虑比例，积分时间和微分时间的作用，不容易整定，耗时长。

     6．结束语

     完成该项目过程中也遇到了几处难点。第一点是进行阶跃测试必须是在装置开车状态完成，作为控制工程师需要和工艺人员进行协商，在征得工艺人员同意后，方可进行测试，这对控制工程师的沟通协调能力提出了挑战。当然如果有模型离线辨识工具的话，可以直接从PKS历史趋势中辨识得到模型参数，这样的方案可以在避免做在线阶跃测试的同时又获得良好的系统模型。第二点是由于环境因素或者人为因素会导致模型失效，这时候，可以建多个模型，根据不同情况调用不同的模型来应对外界因素的改变，这样可以实现Profit Loop的最优使用。

      该控制方案的成功运用后，滨化集团正在实施进行全集团推广应用。该方案可以在全行业大规模推广应用，在各种温度大滞后控制和精馏塔蒸汽控制等任何传统PID控制不理想的复杂控制领域会大有作为，可以节省大量水和蒸汽的能源消耗，同时可以提高控制精度，实现产品卡边控制，节约大量成本，降低劳动强度。

[参考文献]

[1] 温劲松.《鲁棒+ 1 0在聚丙烯装置上的应用》——《石油化工自动化》，2003.5.31.
[2]Honeywell公司.《Profit Loop 手册》.
[3] 赵宁, 钱光灿.《 一种新型控制器——Honeywell Profit Loop在精馏塔控制系统中的应用》——《自动化信息》，2008.10.
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作者简介：

蒋巨兵（1973-），男，工程师，1997年毕业于武汉化工学院，现任滨化集团东瑞公司总工程师。
E-mail： jj-b@sohu.com
马 浩（1980- ），男，工程师，2006年毕业于浙江大学，现任滨化集团东瑞公司副主任工程师。
E-mail: mahao606@163.com