多晶硅精餾塔的基礎(chǔ)控制優(yōu)化及APC控制器應(yīng)用

摘 要 為提高多晶硅精餾塔生產(chǎn)的自控率和控制精度，確保運(yùn)行穩(wěn)定性并降低能耗，采用先進(jìn)過(guò)程控制（APC）實(shí)施控制性能優(yōu)化。通過(guò)對(duì)基礎(chǔ)控制回路PID參數(shù)自適應(yīng)優(yōu)化，提升生產(chǎn)裝置自動(dòng)化水平，并對(duì)精餾粗分塔進(jìn)行系統(tǒng)性控制性能優(yōu)化，提升主要過(guò)程參數(shù)的控制品質(zhì)，提升再生效率并降低蒸汽消耗量，從而提高現(xiàn)場(chǎng)裝置運(yùn)行平穩(wěn)性，節(jié)約生產(chǎn)運(yùn)行成本。

關(guān)鍵詞 APC 多晶硅精餾塔 控制性能優(yōu)化 PID控制回路

中圖分類(lèi)號(hào) TQ205 " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B " 文章編號(hào) 1000-3932（2024）04-0719-06

近年來(lái)，先進(jìn)過(guò)程控制（Advanced Process Control，APC）已廣泛應(yīng)用于精細(xì)化工、石化行業(yè)精餾塔的控制上。APC不僅可以顯著提高精餾塔運(yùn)行的穩(wěn)定性、自動(dòng)化程度，而且利用其卡邊控制功能，還可以提升產(chǎn)品品質(zhì)，提高裝置產(chǎn)能，降低能耗［1，2］。然而，目前APC還沒(méi)有用于多晶硅行業(yè)精餾塔的控制，其控制方式比較粗放。為此，筆者從自控專(zhuān)業(yè)入手，針對(duì)多晶硅精餾塔控制中存在的問(wèn)題，優(yōu)化基礎(chǔ)回路控制參數(shù)，并通過(guò)引入APC算法，最終實(shí)現(xiàn)多晶硅精餾塔生產(chǎn)的提質(zhì)、提產(chǎn)、節(jié)能、降耗。

1 精餾塔生產(chǎn)中存在的問(wèn)題

以多晶硅精餾粗分塔為研究對(duì)象，其主要功能是將生產(chǎn)的混合氯硅烷中的三氯氫硅與四氯化硅分離。該塔在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中存在以下問(wèn)題：

a. 基礎(chǔ)控制回路參數(shù)整定不合理，部分關(guān)鍵變量依然處于手動(dòng)控制；部分PID回路雖然投用了自動(dòng)模式，但依然存在PV波動(dòng)大、閥門(mén)輸出振蕩等現(xiàn)象。

b. 沒(méi)有設(shè)計(jì)整體控制策略，僅采取單一PID控制，無(wú)法處理多變量場(chǎng)景，導(dǎo)致各控制器之間不協(xié)調(diào)，粗分塔整體波動(dòng)大，產(chǎn)品質(zhì)量不合格，能耗大幅提升。

c. 操作工勞動(dòng)強(qiáng)度大，當(dāng)進(jìn)料組分或塔整體負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，操作工需要進(jìn)行大量的操作來(lái)保證塔的運(yùn)行平穩(wěn)。

1.1 粗分塔基礎(chǔ)控制回路現(xiàn)狀

表1為粗分塔基礎(chǔ)控制回路現(xiàn)狀，可以看出，粗分塔涉及的基礎(chǔ)控制回路并沒(méi)有得到合理的整定，導(dǎo)致操作工很難將這些控制回路投用自動(dòng)模式，各被控變量波動(dòng)較大。

1.2 粗分塔整體控制現(xiàn)狀

目前，粗分塔的控制主要以基礎(chǔ)PID控制器為主，各關(guān)鍵變量均采用獨(dú)立的單回路PID控制，彼此無(wú)關(guān)聯(lián)邏輯。由于粗分塔的基礎(chǔ)回路PID控制器未得到良好的整定，因此其具有較大的優(yōu)化空間。例如，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后塔底蒸汽存在的振蕩能夠被消除，這不僅能減輕閥門(mén)的磨損，提高控制器本身的性能，同時(shí)還能減少對(duì)蒸汽網(wǎng)絡(luò)的干擾以及對(duì)下游單元的擾動(dòng)。

粗分塔屬于較為復(fù)雜的工藝單元，各變量之間均存在不同程度的聯(lián)系。然而，基礎(chǔ)PID控制器屬于單輸入單輸出（SISO）控制器，且只基于SP與PV之間的偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)，對(duì)于存在關(guān)聯(lián)的多變量控制場(chǎng)景，使用單一的PID控制器很難取得良好的控制效果，而多個(gè)單一的PID控制器之間又極易產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致明顯的共同振蕩現(xiàn)象。這種周期振蕩的穩(wěn)態(tài)一旦被打破，例如進(jìn)料組分、負(fù)荷發(fā)生變化，或者塔底、塔頂溫度被修改，那么操作工就需要耗費(fèi)大量的精力去重新使裝置進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，導(dǎo)致期間出現(xiàn)產(chǎn)品不合格或蒸汽浪費(fèi)的現(xiàn)象［3］。

2 控制優(yōu)化方案

基礎(chǔ)回路控制性能優(yōu)化主要致力于優(yōu)化粗分塔本身的基礎(chǔ)控制回路，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期且穩(wěn)定的投自動(dòng)模式，且對(duì)于外部工藝干擾能夠進(jìn)行有效的響應(yīng)?；A(chǔ)回路自動(dòng)控制的投用能夠有效降低操作工的操作負(fù)擔(dān)，減少各關(guān)鍵變量的波動(dòng)，為實(shí)施進(jìn)一步的控制優(yōu)化打下良好的基礎(chǔ)。

由于單元控制性能優(yōu)化是基于單回路控制無(wú)法解決的控制問(wèn)題，所以要引入多變量控制器進(jìn)行處理。例如塔頂溫度不僅受回流影響，也受到塔頂壓力的制約，單變量PID控制無(wú)法處理這一類(lèi)問(wèn)題，因此需要采用多變量控制器進(jìn)行處理和解決。單元控制性能優(yōu)化是在基礎(chǔ)控制回路優(yōu)化的基礎(chǔ)上進(jìn)一步對(duì)被控單元的控制邏輯進(jìn)行優(yōu)化，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)被控單元的智能化自動(dòng)控制。

2.1 基礎(chǔ)控制回路優(yōu)化實(shí)施

2.1.1 技術(shù)實(shí)施方案

基礎(chǔ)控制回路的性能優(yōu)化方案如下：

a. 對(duì)所有基礎(chǔ)控制回路進(jìn)行有效整定，提高其控制性能，使之能夠投自動(dòng)。

b. 使用整定工具對(duì)裝置的基礎(chǔ)控制回路繼續(xù)維護(hù)。

表2是針對(duì)粗分塔各PID控制回路提出的性能優(yōu)化建議。使用回路整定軟件，通過(guò)對(duì)各回路進(jìn)行階躍測(cè)試、建模，從而計(jì)算出合理的PID參數(shù)，使其能夠投用到自動(dòng)控制并具有良好的控制性能。

2.1.2 實(shí)施步驟

粗分塔基礎(chǔ)回路控制性能優(yōu)化具體實(shí)施步驟如下：

a. 自控工程師和裝置工藝團(tuán)隊(duì)對(duì)每個(gè)單元所包含的控制回路的控制性能進(jìn)行評(píng)估，確定需要優(yōu)化的回路列表；

b. 確認(rèn)并記錄列表中回路的原始PID參數(shù)；

c. 在DCS工作站安裝、配置回路整定軟件；

d. 自控工程師和裝置工藝團(tuán)隊(duì)按照已經(jīng)確定的回路列表，在確保生產(chǎn)穩(wěn)定的前提下確定合理的測(cè)試幅度；

e. 基于測(cè)試結(jié)果和工藝需求，計(jì)算并配置合理的PID參數(shù)；

f. 經(jīng)工藝團(tuán)隊(duì)確認(rèn)后，投用優(yōu)化后的PID參數(shù)；

g. 根據(jù)回路控制情況，對(duì)已優(yōu)化回路進(jìn)行微調(diào)。

2.2 復(fù)雜回路優(yōu)化實(shí)施

對(duì)整個(gè)粗分塔回路進(jìn)行分析后，發(fā)現(xiàn)存在部分大滯后干擾變量的控制回路，建議現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)在整定的基礎(chǔ)上，根據(jù)測(cè)試情況添加對(duì)應(yīng)的前饋?zhàn)兞孔鳛檠a(bǔ)償，即將干擾變量添加至當(dāng)前的PID控制器中，使當(dāng)前的PID控制器從單輸入單輸出回路變?yōu)槎噍斎雴屋敵龌芈?，從而提高控制器控制性能，減少由控制問(wèn)題所導(dǎo)致的產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題。

2.3 單元控制性能優(yōu)化

2.3.1 技術(shù)方案

單元控制性能優(yōu)化方案是針對(duì)1.2節(jié)中所提出的粗分塔整體控制現(xiàn)狀進(jìn)行的補(bǔ)足。通過(guò)建立新的多變量控制器，解決因各變量耦合所導(dǎo)致的控制問(wèn)題，提高粗分塔的抗干擾能力和控制性能，降低操作工的勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)減少因?yàn)榭刂茊?wèn)題所導(dǎo)致的產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題。由于單元控制性能優(yōu)化方案涉及到多變量控制，因此需要使用APC軟件模塊。

2.3.2 多變量APC控制器設(shè)計(jì)

表3是粗分塔多變量APC控制器設(shè)計(jì)思路。該控制器由3個(gè)被控變量、4個(gè)操作變量以及部分干擾變量與約束變量組成。

多變量APC控制器是基于粗分塔當(dāng)前的控制情況和工藝人員的優(yōu)化需求進(jìn)行設(shè)計(jì)的，并為以下預(yù)期目標(biāo)服務(wù)：

a. 通過(guò)多變量控制，解決粗分塔存在的各控制場(chǎng)景之間相互干擾的問(wèn)題，使粗分塔的控制更加協(xié)調(diào)，消除粗分塔整體波動(dòng)，提高各被控變量的控制精度，增強(qiáng)粗分塔的抗干擾能力。

b. 降低操作工的勞動(dòng)強(qiáng)度和粗分塔的操作難度，減少粗分塔運(yùn)行的人力成本。

c. 實(shí)現(xiàn)優(yōu)化需求，在工藝存在優(yōu)化空間的前提下，通過(guò)使用“卡邊控制”的優(yōu)化策略，降低粗分塔的能耗，提高粗分塔的處理能力，提高經(jīng)濟(jì)效益。

2.3.3 具體實(shí)施

具體優(yōu)化實(shí)施步驟如下：

a. 審核調(diào)節(jié)回路的性能，回路是否是穩(wěn)定的、非周期的、響應(yīng)和穩(wěn)健的。

b. 組建包含用戶工藝、生產(chǎn)、儀表和自控相關(guān)人員在內(nèi)的項(xiàng)目實(shí)施團(tuán)隊(duì)，各部門(mén)協(xié)作確保項(xiàng)目的成功實(shí)施。

c. 提供現(xiàn)場(chǎng)輸入資料，如PID圖、邏輯控制、工藝參數(shù)等信息。熟悉工藝流程、了解裝置規(guī)模、運(yùn)行情況、生產(chǎn)要求等信息，確定裝置/工段的重要工藝指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，用戶需提供對(duì)優(yōu)化控制的具體要求和目標(biāo)，然后根據(jù)實(shí)際情況對(duì)目標(biāo)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。

d. 確定數(shù)據(jù)采集要求，了解基礎(chǔ)控制回路的投運(yùn)情況，確定基礎(chǔ)回路整改要求，對(duì)不滿足先進(jìn)控制要求的基礎(chǔ)控制回路進(jìn)行整改。

e. 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工藝條件和控制要求，對(duì)模塊進(jìn)行選型和具體配置。例如針對(duì)多變量耦合場(chǎng)合，選擇MPC模型預(yù)估控制模塊，合理選擇操縱變量（MV）、被控變量（CV）、干擾變量（DV）和約束變量（LV）［4］。

f. 給出詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試方案，與用戶的工藝、儀表人員共同論證實(shí)驗(yàn)測(cè)試方案，并確定測(cè)試時(shí)間和相關(guān)事宜。

g. 根據(jù)裝置階躍測(cè)試獲得的數(shù)據(jù)，利用軟件工具進(jìn)行建模，建立相關(guān)單元的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。

h. 基于通過(guò)驗(yàn)證的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行多變量APC控制器的功能和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)仿真選擇能達(dá)到預(yù)期效果的模型與控制器，并用文件形式保存。

i. 根據(jù)DCS特點(diǎn)，設(shè)計(jì)并選擇安全切換邏輯的實(shí)現(xiàn)方案，保證異常情況下系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性以及APC與常規(guī)控制的無(wú)擾動(dòng)切換。

j. 根據(jù)控制器結(jié)構(gòu)，按照工藝操作習(xí)慣，確定在DCS先進(jìn)控制操作界面中操作人員需要觀察的信息和可調(diào)整的參數(shù)，設(shè)計(jì)用戶友好的先進(jìn)控制操作界面。

在實(shí)際溝通和實(shí)施過(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)可能會(huì)出現(xiàn)不滿足實(shí)施APC的基礎(chǔ)條件或者需要更改APC先進(jìn)控制模塊的類(lèi)型和數(shù)量，此時(shí)需要經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研評(píng)估可行性后，最終確定出準(zhǔn)確的模塊授權(quán)、模塊數(shù)量和相應(yīng)的人工工時(shí)。

3 方案實(shí)施效果

控制優(yōu)化方案實(shí)施效果如下：

a. 基于過(guò)程關(guān)鍵工藝和控制參數(shù)以及歷史測(cè)試數(shù)據(jù)，建立過(guò)程預(yù)測(cè)模型和控制器，避免了工藝參數(shù)的相互耦合影響并實(shí)現(xiàn)了工藝操作卡邊自動(dòng)控制；

b. 提高了粗分塔綜合自動(dòng)化水平，裝置中波動(dòng)較大的重要工藝參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差降低25%以上；

c. 提高了粗分塔自動(dòng)投用率和關(guān)鍵參數(shù)運(yùn)行平穩(wěn)率，自動(dòng)投用率達(dá)到95%以上，關(guān)鍵參數(shù)運(yùn)行平穩(wěn)率達(dá)到95%以上；

d. 先進(jìn)控制系統(tǒng)的平均在線運(yùn)行率達(dá)到95%以上，重要回路自動(dòng)投用率100%；

e. 項(xiàng)目投用后產(chǎn)量得到了提升顯著，設(shè)計(jì)負(fù)荷由80%提升到105%；

f. 粗分塔控制優(yōu)化后，生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，顯著降低了人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

4 結(jié)束語(yǔ)

從基本控制回路入手，針對(duì)多晶硅精餾塔生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中存在的問(wèn)題，引入多變量APC控制器，通過(guò)復(fù)雜控制實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制目標(biāo)。該項(xiàng)目在多晶硅精餾粗分塔上實(shí)施后，很好地解決了目前生產(chǎn)過(guò)程中存在的一些控制優(yōu)化方面的問(wèn)題，顯著提高了生產(chǎn)產(chǎn)能，降低了能耗，對(duì)其他過(guò)程控制優(yōu)化具有一定的借鑒意義。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］ 許超，陳治綱，邵惠鶴.預(yù)測(cè)控制技術(shù)及應(yīng)用發(fā)展綜述［J］.化工自動(dòng)化及儀表，2002，29（3）：1-10.

［2］ 黃湘云，朱學(xué)峰.預(yù)測(cè)控制的研究現(xiàn)狀與展望［J］.石油化工自動(dòng)化，2005，41（2）：27-31.

［3］ 劉美.儀表及自動(dòng)控制［M］.北京：中國(guó)石化出版社，2015：222-224.

［4］ 褚健，王朝輝，蘇宏業(yè).先進(jìn)控制技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)化［J］.測(cè)控技術(shù)，2000，19（8）：1-3；9.

（收稿日期：2023-07-11，修回日期：2024-06-07）