（机械工程专业论文）聚丙烯聚合工段控制系统设计.pdf

摘要 摘要 聚丙烯是由丙烯单体聚合而成的热塑性聚合物。液相本体聚合法聚丙烯工 艺由于其工艺流程短、操作简单、生产成本低、装置投资小、经济效益好等特 点，而被国内许多炼油厂广泛采用。但实际生产中却发现聚丙烯的产品质量却 难以稳定，其主要原因有：聚丙烯生产中的聚合反应对温度精确控制困难；聚 丙烯生产是间歇性操作；生产原料具有不稳定性；需要手动的方式加入三剂等。 与此同时该生产过程缺乏在线质量分析仪表，致使产品质量精度不高，且质量 分析滞后。 本论文针对以上问题，开发研制了聚丙烯聚合工段控制系统，并将模糊理 论与控制算法结合起来应用于聚丙烯生产中的聚合反应对温度精确控制。主要 研究内容如下： ( 1 ) 本论文首先针对聚丙烯生产中质量不稳定的缺点采用模糊理论与控制 算法相结合的方法，提高产品质量。在控制算法方面，通过对聚合反应釜传热 特性的分析，总结出被控对象的特性，提出了一种按温度分档的智能复合控制 方案。即分级模糊p i d 控制。 ( 2 ) 其次，论文研究了该控制方案在聚合反应釜过程控制系统中的具体运 用方法，给出了软硬件实现过程。控制系统下位机采用西门子s 7 3 0 0p l c ，它 和现场仪表共同完成对现场的控制和数据采集。 ( 3 ) 最后，论文中系统选用国产的“组态王 软件进行上位机监控软件组 态，具有良好的人机界面，易于操作和使用，能够形象、直观地反映现场的实 际工况。 本系统在江西赣北化工厂投入使用后，系统运行稳定，可靠性高，取得了 良好的温度控制效果。这对提高产品的质量和产量，对降低工人的劳动强度具 有实际意义。 关键词：聚丙烯；质量分析；模糊理论；控制算法；控制系统。 a b s t r a c t t h ep o l y p r o p y l e n ei st h et h e r m o s p l a s t i cp o l y m e rw h i c hb e c o m e sb yt h e p r o p y l e n em o n o m e rp o l y m e r i z a t i o n i th a ds p r e a dw i d e l yb e c a u s eo f i t ss h o r tp r o c e s s ， s i m p l eo p e r a t i o n ，l o wc o s tb u th i g hr e w a r d sa n do t h e rs t r o n g p o i n t s b u ti t i sh a r dt o k e e ps t e a d yp r o d u c tq u a l i t ya n dh i g hp r e c i s i o ni np r o d u c t i o n ，i tp r i m a r yd u et ot h a ti n p o l y p r o p y l e n ep r o d u c t i o np o l y m e r i z a t i o nr e a c t i o np a i rt e m p e r a t u r ea c c u r a c yc a n n o t b ec o n t r o l l e de a s i l y ；t h ep o l y p r o p y l e n ep r o d u c t i o ni st h ei n t e r m i t t e n to p e r a t i o n ； p r o d u c t i o nr a wm a t e r i a lh a st h ei n s t a b i l i t y ；i tn e e d st oj o i n t h r e em e d i c i n a l p r e p a r a t i o n sb ym a n u a lw a y a tt h e s a m et i m et h i sp r o d u c t i o np r o c e s sl a c k st h e o n l i n eq u a l i t ya n a l y s i sm e a s u r i n ga p p l i a n c e ，t h ec a u s ep r o d u c tq u a l i t yp r e c i s i o ni sn o t h i g h a l s oq u a l i t ya n a l y s i sl a g t h i sp a p e rm a i n l yd i s c u s s e sa b o v eq u e s t i o n ，t h ed e v e l o p m e n th a sd e v e l o p e dt h e p o l y p r o p y l e n ep o l y m e r i z a t i o nc o n s t r u c t i o ns e c t i o nc o n t r o ls y s t e m ，a n dw i l lb l u rt h e t h e o r ya n dt h ec o n t r o la l g o r i t h mu n i f i e sa p p l i e si nt h ep o l y p r o p y l e n ep r o d u c t i o nt h e p o l y m e r i z a t i o n r e a c t i o n p a i rt e m p e r a t u r ea c c u r a c y c o n t r 0 1 t h em a i nc o n t e n ta s f o l l o w s ： ( 1 ) t h i sw r i t e ru s e sb o t hf u z z yt h e o r ya n dt h ec o n t r o la l g o r i t h mt od e a lw i t ht h e u n s t a b l eq u a l i t ys h o r t c o m i n ga n dt oi m p r o v e st h ep r o d u c tq u a l i t y i nt h ea l g o r i t h m ， a d o p t i n gt h ep o l y r e a c t i o nc a u l d r o nh e a t t r a n s f e rp r o p e r t ya n a l y s i s ，s u m m a r i z e st h e a c c u s a t i o no b j e c tc h a r a c t e r i s t i c ，p r o p o s e do n ek i n da c c o r d i n gt o t h et e m p e r a t u r e c l a s s i f y i n gi n t e l l i g e n tc o m p o u n dc o n t r o lp l a n c a l l e dg r a d u a t i o nf u z z y p i d c o n t r o l ( 2 ) s e c o n d l y , t h i sp a p e rh a ss t u d i e dt h i sc o n t r o lp l a ni nt h ep o l y r e a c t i o nc a u l d r o n p r o c e s sc o n t r o ls y s t e mc o n c r e t eu t i l i z a t i o nm e t h o d ，a n dp r o v i d e dt h es o f t w a r ea n d h a r d w a r er e a l i z a t i o n t h ec o n t r o ls y s t e ml o w e rp o s i t i o nm a c h i n eu s e ss i m e n ss 7 3 0 0 p l c ，i ta n dt h es c e n em e a s u r i n ga p p l i a n c ec o m p l e t et o g e t h e rt ot h es c e n et h ec o n t r o l a n dt h ed a t aa c q u i s i t i o n ( 3 ) f i n a l l y , i nt h ep a p e rt h es y s t e m s e l e c t st h ed o m e s t i cp r o d u c t k i n g v i e w t o c a r r yo nt h ep o s i t i o nm a c h i n em o n i t o r i n gs o f t w a r ec o n f i g u r a t i o n , j l a s to f i th a st h e g o o dm a n m a c h i n ec o n t a c ts u r f a c e ，i ti se a s yt oo p e r a t ea n d t ou s ev i v i d ，r e f l e c tt h e i i a b s t r a c t s c e n ei n t u i t i v e l yt h ea c t u a lo p e r a t i n gm o d e t h i ss y s t e mh a sb e e n u s e di nt h ej i a n g x in o r t ho fj i a n g x ic h e m i c a lp l a n t o p e r a t i o n a l ，t h es y s t e mo p e r a t e ss t a b l ya n dh i 曲r e l i a b i l i t y k e yw o r d ：p o l y p r o p y l e n e ；q u a l i t ya n a l y s i s ；f u z z yt h e o r y ；c o n t r o la l g o r i t h m ； c o n t r o ls y s t e m i i i 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得直昌太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) 壤芬曼签字日期：抑2 年石月6 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌太堂有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权南昌太堂可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究 所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 聚丙烯生产 1 1 1 聚丙烯生产国内外现状 自1 9 5 7 年实现工业化以来，聚丙烯( p o l y p r o p y l e n e ，p p ) 已成为通用热塑 性树脂中历史最短、发展和增长最快的品种。从8 0 年代以后，世界聚丙烯生产 技术有了很大发展。本体法m o n t e l l 的s p h e r i p o l 工艺和a _ r i l o c o l c c 的气相法工 艺占有优势，生产工艺趋于简化，建设投资及生产成本逐渐降低。由于p p 的价 格很低，在许多应用领域已经取代了其他聚合物，包括高密度聚乙烯( h d p e ) ， 工程塑料和聚苯乙烯( p s ) 等。p p 按用途分类：注塑占3 7 ；薄膜占2 1 ；纤 维1 6 ；管材及型材3 ；吹塑1 ；其他2 2 。根据美国化学品市场协会( c m a i ) 统计，2 0 0 3 年全球聚丙烯需求量已达3 5 4 0 万吨。到2 0 0 7 年产能将有适度增长， 可能导致开工率增加。而到2 0 1 0 年p p 需求年均将增长约8 。生产能力将达到 约5 4 0 0 万吨。亚洲( 不包括日本) 将是增长速度最快的地区，其年均增长将达 到约9 5 ， 其次是美洲，年均增长率将达约8 4 ，再次分别是中东7 9 ，东欧6 9 ， 非洲6 5 ，北美5 8 ，西欧5 4 ，日本2 4 。中国将是需求增长最快的国家， 年均增长率将达到约1 0 【i l 。 近年来我国聚丙烯行业也得到了长足的发展，而且潜在的市场空间仍然十 分广阔。自1 9 8 3 年南京扬子石化公司从日本三井油化引进的年产1 4 万吨本体 法高效催化剂p p 装置开始，中国陆续引进了十几套采用第三代活性、高等规度 催化剂的h i m o n t 公司s p h e f i p o l 聚丙烯和三井油化h y p o l 聚丙烯生产工艺 2 1 。与 此同时，我国采用自己开发的技术和催化剂建设了一批规模较小的间歇式液相 本体法聚丙烯装置。采用络合i i 型三氯化钛( t i c l 3 ) 为催化剂，二乙基氯化铝 ( t e a l ) 为助催化剂，间歇式单釜操作工艺。在7 0 年代实现了工业化生产，由 于其具有工艺流程简单，原料适应性强，动力消耗和生产成本低，装置投资省、 见效快，经济效益好，三废少，环境污染小等优点，在国内得到了迅速的发展。 但是，由于装置的自动化水平低，以及间歇生产，使操作人员劳动强度大、产 量低、质量波动大、能耗高，不利于大规模生产。9 0 年代聚丙烯技术发展更快， 第1 章绪论 利用蒸汽裂解和炼厂丙烯，建设了近6 0 套小本体聚丙烯装置，分建在5 0 多个 生产厂家，遍布全国，但开工率及生产负荷都较低。1 9 9 6 年燕山石化公司又引 进了l 套年产2 0 万吨的a m o c o 气相法聚丙烯装置，该装置于1 9 9 9 年投产，是 国内生产能力最大的1 套聚丙烯装置。另外2 套分别是扬子石化公司引进的年 产2 0 万吨a m o c o 工艺的聚丙烯装置，上海金山石化公司( 由国内自行设计) 年 产2 0 万吨h i m o n t 工艺聚丙烯装置。截止目前，已建成的生产装置总产能达4 7 0 万吨年，其中大中型连续式生产装置共3 1 套，生产能力约3 5 4 万吨年，采用 国产间歇式液相本体法生产装置约5 0 套，产能约1 5 0 万吨年。从市场需求分析， 尽管我国的聚丙烯生产工业取得了迅猛发展，生产能力和产量大幅度增长，但 在数量、质量以及品种方面仍不能满足国民经济的高速发展，中国将是需求增 长最快的国家，年均增长率将达到约1 0 。预计中国需求增长将从2 0 0 4 年的7 1 0 万吨增长到2 0 1 0 年的约1 0 8 0 万吨。而同时国内产量将从约4 7 0 万吨增长到约 7 5 0 万吨，从而必然成为较大的进口国家，也是世界上最重要的消费国家。 目前，国内聚丙烯生产自动化控制水平大部分使用d c s 控制系统，某些间 歇式聚丙烯生产过程采用了p l c 可编程控制器进行控制系统开发。随着石化行 业的发展，我国的聚丙烯技术必将迅速达到世界领先水平。由于生产领域的不 断发展和工艺要求越来越高，对控制系统的功能、效率和可靠性提出了更高的 要求。化工自动化程度己成为衡量化工企业现代化的重要标志，成为确保生产 稳定、安全、低耗的有效手段。通过建立生产过程的模型，计算出一些常规测 量和简单计算无法测知的质量指标，为生产操作提供指导，从而提高生产过程 的可操作性；采用多变量控制技术或其它先进控制手段，对生产关心的物化参 数或质量指标直接或间接地监控，提高整个生产的操作和管理水平，得到更大 效益。 随着计算机及信息技术的迅速发展和广泛应用，生产实际问题，控制理论 研究和控制系统产品的开发三者相互促进，化工生产正逐步向自动化和集成化 方向发展。 聚丙烯是由丙烯单体聚合而成的热塑性聚合物，聚丙烯生产工艺中的液相 本体聚合法聚丙烯工艺具有工艺流程短、操作简单、生产成本低、装置投资小、 经济效益好等特点，被广泛用于国内许多炼油厂中的聚丙烯生产。但实际生产 中，聚丙烯的产品质量难以稳定，其主要原因有：聚丙烯生产中的聚合反应对 温度精确控制困难；聚丙烯生产是间歇性操作；生产原料具有不稳定性：需要 2 第1 章绪论 手动的方式加入三剂等。与此同时该生产过程缺乏在线质量分析仪表，致使产 品质量精度不高，且质量分析滞后。 江西赣北化工厂的聚丙烯装置采用间歇式液相本体法生产，自1 9 9 4 年投产 以来运行基本正常。由于聚合反应机理复杂，而该厂的生产控制方式仍采用继 电接触控制方式为主，大部分工作由人工通过常规的模拟检测仪器进行测控， 常规p i d 控制。这样造成大多数装置自动化水平低，人工手动控制，工人的劳 动强度大，控制水平质量比较低，产品转化率和质量难以保证。同时也不便于 集中控制和管理，使生产管理成本高、效率低，不利于工厂长远的发展。该厂 方案框图如图1 1 所示。 1 拌2 拌 一埘篡羹各h 。鳔，k 操 1 群2 群聚合 釜及聚合 釜的 作 循环 闪蒸 孓i 变送器广- 1 ( 显示) 广7工 水及 釜的 被测 压力闪蒸 温度 、嚣h 。臻r 人 釜的 等物置换 硼署 图卜1 传统方案框图 聚丙烯生产的现状需要人们研制出一套控制系统，针对聚丙烯生产中质量 不稳定的缺点采用先进的控制理论，实现对温度的精确控制；以工业控制计算 机作为上位机，实现与现场仪表共同完成对生产线的逻辑控制、顺序控制及实 时控制和数据采集；以组态软件进行上位机监控软件组态，具有良好的人机界 面，易于操作和使用，能够形象、直观地反映现场的实际工况。 1 1 2 聚丙烯生产工艺介绍 在聚丙烯生产过程中的关键是聚合反应。聚合反应是低分子量的单体转化 为高分子量的聚合物的过程。根据聚合方法的不同可以分为本体聚合、溶液聚 合、悬浮聚合、乳液聚合等。间歇式液相本体法聚丙烯工艺是我国自行开发的 聚丙烯生产技术。采用络合型三氯化钛( t i c l 3 ) 为催化剂，二乙基氯化铝( t e a l ) 为助催化剂，间歇式单釜操作工艺。聚合反应过程与一般化学反应过程相比， 因为反应机理不明确，反应过程比较复杂，从而难以用精确的数学语言描述。 聚合物的分子特性，如平均分子量、聚合物浓度等难以在线测量。 聚合反应釜主要由釜体和搅拌装置两大部分组成。其釜体是一个钢制罐形 容器，可以往釜内投入物料，使物料在其内部进行化学反应。釜体上安装了很 3 第1 章绪论 多附件，包括换热装置、搅拌装置以及各种传感器等。搅拌装置由传动装置、 搅拌器、搅拌轴及其密封装置等组成，通过外部的电机驱动搅拌轴带动搅拌器 的叶轮旋转，为物料的循环流动提供动力，使物料和传热更加均匀。对于聚丙 烯的生产，需要新鲜的丙烯和氢气在反应器内共聚，反应热通过循环气体流股 与外部冷却器带走。在聚合反应釜生成几乎所有的聚合物，它们以固体颗粒悬 浮在液相单体中，反应热通过夹套内冷却水带走。反应不足或过度都将破坏反 应器中的物料和热量平衡，影响产品质量。 整个过程可分为加料；聚合反应；反应终点判别、丙烯回收及闪蒸。 ( 1 ) 聚合釜加料。装置运行后，打开进料控制阀进料，流量计累计进料量， 其中丙烯进料采用质量流量计计量，在进料量符合要求后关闭相应进料控制阀 门。加料时间控制在2 0 - - 3 0 m i n ，加料分四步，顺序是： 加丙烯原料的1 0 ； 加活化剂和丙烯原料的8 0 ： 加入催化剂和丙烯原料量的1 0 ； 加入氢气。 ( 2 ) 聚合釜聚合反应。每个聚合釜上有3 个测温点，布置在釜顶，釜中， 釜底；一个测压点，置于釜顶。聚合反应可分为4 个阶段： 升温阶段。由于整个反应是间歇式的，在加热前必须重新向聚合釜中投 放物料和催化剂，投放完毕打开热水阀，将循环热水打入反应釜央套中进行加 热升温，以便诱导聚合反应，当聚合釜内温度升至6 0 时进入过渡阶段。 过渡阶段。当釜内温度升至6 0 时，聚合反应开始，进入放热过程，该 阶段的反应极为敏感。许多干扰极有可能造成超温或过度冷却而转型的工况如： ( a ) 活化剂质量不稳定，使反应初期的放热量极不稳定； ( b ) 冷却水量过多，会导致冷却过度，激落已经开始的反应，发生工程上 俗称的“感冒”现象； ( c ) 冷却水量过少，升温速率过快，釜温急剧上升。这一阶段在整个反应 过程中极为重要，它是整个聚合反应能否获得高质量产品的关键，假如升温过 慢，产品质量会降低；升温过快，釜内温度会难以控制。 经过约4 0m i n 聚合釜内温度平稳上升至7 4 进入恒温阶段。 恒温阶段。当温度升至7 4 2 。釜压为3 4 0 1 m p a 点后，便开始恒温 控制，约经过4 - 5 小时反应过程结束。 结束阶段。釜内反应结束后，釜压开始明显下降，反应终止。全流量切 入冷水，进行产品回收。 ( 3 ) 丙烯回收与闪蒸出料 4 第1 章绪论 高压丙烯回收。聚合反应结束后，打开回收丙烯管线上的控制阀，釜内 未反应的气相丙烯经高压旋风分离器分离出夹带的聚丙烯粉尘后，进入高压丙 烯冷凝器中，被冷凝下来的丙烯进入精丙烯缓冲罐或精丙烯计量罐中，重新做 为原料使用。高压丙烯回收至系统压力与聚合釜压力平衡为止，一般为1 7 2 m p a 。 闪蒸出料。高压丙烯回收结束后，打开釜底控制阀将聚合釜内粉状聚丙 烯分2 3 次喷入闪蒸釜中，每次喷料闪蒸釜内压力控制在0 4 m p a 以内。当充 氮气和抽真空置换可燃气含量合格后，启动包装系统，出料包装。 聚合反应工艺流程见图1 2 。 图1 - 2 聚合反应工艺流程图 5 第1 章绪论 聚合反应中主要工艺设备： ( 1 ) 聚合釜 1 2 m 3 聚合釜是间歇式液相本体法工艺中最关键的设备。间歇式液相本体法 聚丙烯装置的聚合釜是在3 5 m p a 的高压条件下操作的。随着反应的进行，釜内 物料的相态也发生变化。开始反应时釜内全是液相丙烯，随着反应时间的延长， 液相丙烯中悬浮的聚丙烯固体颗粒逐渐增多，反应后期几乎全是聚丙烯颗粒。 因此，聚合釜采用单螺带式搅拌器。为防止釜底下料管的堵寨，釜底设计了小 搅拌。聚合釜的搅拌轴封普遍采用填料密封。聚合热以夹套撤热，辅以釜内冷 却管撤热的方式。 聚合釜搅拌转速一般为5 5 r m i n ，电机功率为7 5 k w 。 ( 2 ) 闪蒸去活釜 间歇式液相本体法聚丙烯生产中，为每两台聚合釜配套一台闪蒸去活釜。 这是由于采用络合型三氯化钦催化剂、聚合釜操作周期为6 8 h ，闪蒸去活操作 周期只有l 2 h ，因此，只要把聚合釜投料时间错开，一台闪蒸去活釜就可以适 应两台聚合釜的生产。当选用高效催化剂后，聚合反应时间为3 4 h ，最好增加 闪蒸去活釜一台。这样，一台聚合釜配套一台闪蒸去活釜，能发挥和提高设备 台时产量。1 2 m 3 聚合釜配套用的闪蒸去活釜的设计压力为0 8 m p a 。 由于闪蒸去活时聚丙烯粉料会放出少量氯化氢气体，因此闪蒸去活釜采用 不锈钢或碳钢内涂能导电的防腐层。闪蒸去活罐采用耙式搅拌器，耙式搅拌叶 多层分布。 闪蒸去活釜搅拌转速一般为5 r m i n ，电机功率为1 0 l l k w 。 1 2 论文课题的研究目标 1 2 1 研究目标 聚丙烯生产的现状需要人们研制出一套控制系统，实现提高产品质量和劳 动生产率，降低成本；而且可以使人们从繁重的体力劳动、高温高压、有害的 工作条件中彻底解放出来。 1 2 2 研究的意义 聚合化工在国民经济、国防建设和人民生活等各个方面具有十分重要的作 6 第1 章绪论 用，而聚合反应釜是聚合生产中实现化学反应的主要设备，其操作状况直接影 响着生产的效率和质量指标。由于聚合反应机理较为复杂，外界条件、原料纯 度、催化剂的类型、原料添加数量的变化、循环水、热水或加热蒸汽温度、流 量的变化等都会对整个聚合反应产生影响，而温度对系统的影响最大，给控制 产品的质量和参数指标带来很大的困难。研究反应釜内化工生产过程的自动检 测和控制技术，是适应当今化工生产自动化和信息化的需要，也是提高产品质 量、保证安全生产、改善劳动条件的必然措施。在反应釜内完成聚合反应的相 关参数如反应温度、釜内压力以及搅拌速度等，是聚合过程本身属性的体现。 这些参数不仅关系到产品质量，也与生产过程的安全性密切相关。因此，通过 测量并精确控制这些参数，以保证聚合生产的质量和安全是十分重要的。聚合 反应的放热速率与反应温度之间存在正反馈自激的关系。如果反应温度受到外 扰等因素的影响而降低，则反应速率变慢，从而造成反应提前结束或者终止反 应；如果反应温度受影响而升高，则反应釜内的反应加剧，放热速率变快，从 而使反应温度进一步上升，甚至引起“聚爆”现象，导致釜内的产品变成废品， 并且影响生产的安全。因此控制反应温度可以作为控制产品质量和生产安全的 一种有效方法。针对聚丙烯生产中质量不稳定的缺点采用先进的控制理论，实 现对温度的精确控制：以工业控制计算机作为上位机，实现与现场仪表共同完 成对生产线的逻辑控制、顺序控制及实时控制和数据采集；以组态软件进行上 位机监控软件组态，具有良好的人机界面，易于操作和使用，能够形象、直观 地反映现场的实际工况。本论文针对实际生产过程问题，开发研制了聚丙烯聚 合工段控制系统，利用了可编程控制器与工控机的优点，使其控制系统成为一 个高效、完整的自动化整体，使该生产装置的自动化水平上了一个新的台阶， 大大提高了控制精度和劳动生产率，具有非常重要的现实意义。 1 3 论文课题相关技术的研究现状 1 3 1 工业过程控制 过程控制通常是指石油、化工、冶金、轻工、建材等工业生产过程中的自 动控制，在国民经济中占有极其重要的地位。常规的过程控制系统是在了解掌 握生产工艺流程及过程动、静态特性的基础上，根据生产对控制提出的要求， 应用控制理论，针对不同的生产过程进行检测、变换、显示等，配合执行器与 7 第l 章绪论 控制阀构成的开环或闭环控制系统。由于工业对象本身所固有的惯性、时间滞 后特性及其动力学特性的内部不确定性和外部环境扰动的不确定性，使很多过 程控制问题复杂化，且随着工业和现代科学技术的发展，生产工艺变得日益复 杂，人们对工业过程总体性能，如控制精度、响应速度、系统稳定性及适应能 力的要求也不断提高。这表明，人们从系统对象所能获得的知识信息量正相对 减少，而对控制性能的要求却日益高度化【3 1 。 通常，工业过程的复杂性及控制的困难性表现在以下几个方面： ( 1 ) 过程的不确定性。由于人类的认识能力有限，且工业现场普遍存在着 各种各样的干扰，许多过程复杂的物理和化学变化使得人们难以完全从机理上 揭示其内在规律；另一方面，过程中还存在着不可预知输入，即对输出产生影 响的，在重复试验中无法重复的激励。这两种不确定性普遍存在于工业过程中， 使得很多对象难以建模。 ( 2 ) 过程的非线性。严格地说，所有的工业过程都存在非线性，只是非线 性的程度不同而已。当系统的非线性不是很严重时，可用线性系统来近似，这 在工程上是可以接受的，但是对于存在严重非线性环节的系统，采用线性化的 处理方法常会产生很大的偏差，甚至会得出完全相反的结论。 ( 3 ) 过程的时滞特性。在大多数过程控制系统中，不同程度地存在着时间 滞后的工艺过程，包括纯滞后与容量滞后。时滞的存在给系统的稳定性带来了 不利的影响，调节作用的不及时会导致调节系统的动态品质变差，甚至出现发 散振荡。因而时滞对象被认为是最难控制的对象之一。 1 3 2 计算机控制系统 工业生产规模的不断扩大和生产工艺的日益复杂，对生产过程的自动控制 提出了越来越高的要求，不但要求自动控制系统有优越的控制性能、良好的性 价比、良好的可维护性等，还要求高可靠性，灵活的构成方式和简易的操作方 法。在对以上目标的追求中，生产过程自动控制技术得到了不断的发展。 近年来，随着计算机技术、超大规模集成电路技术、网络通信技术的进步， 工业控制己逐步从单机监控、直接数字控制发展到以新型工业控制网络、智能 化仪表和控制器为主要支撑技术的，过程自动化与信息管理自动化相结合的计 算机综合型控制系统，其本质是利用计算机技术对生产过程进行监视，操作和 管理。 4 , 5 1 8 第1 章绪论 7 0 年代以来，微型机和微处理器的迅猛发展，为计算机控制系统的发展创 造了有利的条件。从控制系统的角度来讲，计算机控制系统也经历了如下几个 阶段【6 】： ( 1 ) 直接数字控制( d d c d i r e c td i g i t a lc o n t r 0 1 ) 系统。 ( 2 ) 分散控制系统( d c 卜d i s t r j b u t e d c o n t r o ls y s t e m ) 。 ( 3 ) 现场总线控制系统( f c s f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 。 目前在过程控制系统的设计中应该采用分散控制的思想已是不争的事实。 依据被控制过程的特点，可将其控制策略分为顺序控制和连续控制两类。 顺序控制系统可以以电梯的控制系统为代表，而化工过程则一般具有连续控制 的特点。但实际上大多数工业过程控制系统兼具顺序性控制和连续性控制两种 特点。 在计算机控制系统的发展过程中，控制装置和系统的研究者围绕顺序控制 和连续控制分别开发了两类具有明显特色的工控产品。可编程控制器 ( p l c p r o g r a m m a b l e l el o g i cc o n t r o l l e r ) 在一开始就是为了解决顺序控制问 题而开发的，而基于工业控制计算机( i p c _ i n d u s t r i a l mp e r s o n a lc o m p u t e r ) 的集散控制系统( d c s - - - - - d i s t r i b u b t e dc o n t r o ls y s t e m ) 则是为解决连续控制问 题而开发的典型过程控制产品。 d c s 是计算机技术、控制技术和网络技术高度结合的产物。d c s 通常采用 若干个控制器对一个生产过程中的众多控制点进行控制，各控制器间通过网络 连接并可进行数据交换。操作采用计算机操作站，通过网络与控制器连接，收 集生产数据，传达操作指令，典型d c s 系统应用简图如图1 3 。 过程界面 操作人员、管理人员 j 集中操作和管理装置 通讯网络系统 分散过程控制装置 j 工业生产过程 图卜3d s c 系统应用流程图 9 瓶 厂 。 村 c 人 瞻 第1 章绪论 1 3 3p l c 概述 p l c 是可编程序逻辑控制器( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) 的简称。是以 微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术而发展起来的 一种新型、通用的自动控制装置。p l c 初期主要是代替继电器控制系统，侧重 于开关量顺序控制方面。在6 0 年代，汽车生产流水线的自动控制系统基本上都 是由继电器控制装置构成的。当时汽车的每一次改型都直接导致继电器控制装 置的重新设计和安装。 随着生产的发展，汽车型号更新的周期愈来愈短，这样，继电器控制装置 就需要经常地重新设计和安装，十分费时、费工、费料，甚至阻碍了更新周期 的缩短。为了改变这一现状，美国通用汽车公司在1 9 6 9 年公开招标，要求用新 的控制装置取代继电器控制装置，美国数字设备公司( d e c ) 研制出第一台p l c ， 在美国通用汽车自动装配线上试用，获得了成功。这种新型的工业控制装置以 其简单易懂，操作方便，可靠性高，通用灵活，体积小，使用寿命长等一系列 优点，很快地在美国其他工业领域推广应用。到1 9 7 1 年，已经成功地应用于食 品、饮料、冶金、造纸等工业。我国从1 9 7 4 年开始研制，于1 9 7 7 年开始工业 应用。 1 3 1 1p l c 的优点 p l c 的主要优点如下【7 】： ( 1 ) 可靠性特别高，抗干扰能力强，能适应各种恶劣的工业环境。p l c 采 用了光电耦合隔离及各种滤波方法，有效地防止了干扰信号的进入。内部采用 电磁屏蔽，防止辐射干扰。电源使用开关电源，防止引入电源干扰。具有良好 的自诊断功能。 ( 2 ) 采用模块化结构，系统组成灵活方便。p l c 一般由主模块( 包括c p u 模块) 、电源、各种输入输出模块构成，并可以根据需要配备通信模块或远程i 0 模块。 ( 3 ) 主要采用梯形逻辑图的编程语言，编程简单。 ( 4 ) 安装简便、调试方便、维护工作量小。 1 3 3 2 可编程序控制器的构成 可编程序控制器是基于微处理器技术的通用工业自动化控制设备。它采用 了计算机的设计思想，实际就是一种特殊的工业控制专用计算机。它的最主要 1 0 第1 章绪论 的功能是数字逻辑控制。因此，p l c 具有与通用微型计算机相类似的硬件结构。 p l c 由中央处理器( c p u ) 、存储器、输入输出接口、智能接口模块和编程器构 成【8 】。其结构如图1 4 所示。 图卜4p l c 结构不意图 1 3 3 3 可编程控制器的应用及发展 随着p l c 的软硬件功能进一步得到加强，p l c 己发展成为一种可提供诸多 功能的成熟的控制系统，能与其他设备通信，生成报表，调度产出，可诊断自 身故障及机器故障。在发达的工业国家，p l c 已经广泛应用于所有的工业部门， 随着其性能价格比的不断提高，应用范围也不断扩大【9 】。p l c 主要用于以下方面。 ( 1 ) 开关量逻辑控制p l c ，用“与”、“或”、“非 等逻辑指令来实现触点 和电路的串、并联，代替继电器进行组合逻辑控制、定时控制与顺序逻辑控制。 ( 2 ) 运动控制p l c ，使用专用的指令或运动控制模块，对直线运动或圆周 运动的位置、速度和加速度进行控制，使运动控制与顺序控制有机结合在一起。 ( 3 ) 闭环过程控制p l c ，通过模拟量i o 模块，实现模拟量和数字量之间 的a d 转换和d a 转换，并对模拟量实行p i d 控制。 ( 4 ) 数据处理现代的p l c ，具有数学运算和数据传送、转换、排序和查表、 位操作等功能，可以完成数据的采集、分析和处理。 ( 5 ) 通信联网p l c ，通信包括主机与远程i o 之间的通信，多台p l c 之间 的通信，p l c 与其他智能控制设备之间的通信。 p l c 未来的发展不仅依赖于对新产品的开发，还在于p l c 与其他工业控制 设备和工厂管理技术的综合。 第1 章绪论 目前p l c 朝以下几个方向发展【l o 】： ( 1 ) 大型网络化，主要朝d c s 方向发展，网络化和强通信能力是p l c 发 展的一个主要的方面，向下与多个智能装置相连，向上与工业计算机、以太网 等相连构成特殊的控制任务。 ( 2 ) 多功能，为了适应特殊功能的需要，连续推出多种智能模块，如模拟 量输入输出、回路控制、通信控制、机械运动控制、高速技术、中断输入等。 这些智能模块以处理器为基础，其c p u 与p l c 并行工作，占用主机c p u 时间 很少，有利于提高p l c 扫描速度和完成特殊的控制任务。 ( 3 ) 高可靠性、兼容性，由于现代控制系统的可靠性和兼容性日渐受到人 们的重视，一些公司强自诊断技术、冗余技术、容错技术广泛应用到现有产品 中。 ( 4 ) 编程语言向高级语言发展，p l c 的编程语言在原有梯形图语言、顺序 功能块和指令表语言基础上，推出了可运行与计算机w i n d o w s 环境下，界面友 好的梯形图和语句表两种形式的编程、调试、诊断等功能。 无疑p l c 将在今后的工业自动化中扮演重要角色。在未来的工业生产中， p l c 技术和机器人、c a d c a m 将成为实现工业生产自动化的三大支柱。 1 3 3 4 可编程控制器聚合反应釜中研究与应用 随着现代科学技术的进步，在化工生产过程中实现了自动化，人们可通过 自动化装置来管理生产，因此自动化装置与工艺设备己结合成为有机的整体。 其中以p l c 控制系统的技术较为成熟，在工业生产过程中的应用较为广泛，它 具有结构简单、编程方便、性价比高、可靠性高和适应恶劣工业环境能力强等 优点。 现在我国很多化工厂对聚合反应釜的温度控制依然采用手工操作，这种工 作方式具有工人工作紧张，工作条件艰苦，反应釜温度波动很大和控制室温很 高等缺点。这种聚合反应不仅是化学反应，还有相应的物理变化，是一种突发 性很强的放热效应。利用p l c 控制系统对其进行改造，可实现整个工艺的控制。 马建华等】根据间歇式聚丙烯生产过程的特点，利用s l c 5 0 0 可编程序控制 器，p a n e l v i e w 5 5 0 可编程智能显示单元和两台工业控制计算机及d h 2 4 8 5 网络， 设计了聚丙烯聚合反应过程的智能控制系统，在实际生产中取得了较好的效果。 何顶新等【1 2 】基于西门子p l cs 7 2 0 0 的化学反应釜温控系统。化学工艺要求 p l c 能自动控制化学反应釜内的温度，使温度能实时跟踪用户设定的工艺曲线。 1 2 第1 章绪论 在上位机设计了监控界面，便于系统调试和用户设定参数；在下位机以c p u 2 2 4 为控制器，配合其它功能模块，使用智能化p i d 算法来控制化学反应釜的温度， 达到了预期效果，用户非常满意。 谢海金等【1 3 】采用性能价格比高的西门子公司的s i m a t i cs 7 3 0 0 可编程序 控制器，加上位计算机组成分布式控制系统进行控制。老工艺装置技术改造后， 消除了安全隐患，工艺设备装置和控制水平显著提高，达到了技术改造的目的。 1 3 4 自动控制理论 1 3 4 1 自动控制理论的发展 自动控制理论发展至今己有多年历史，随着现代科学技术的飞速发展，各 个领域中自动控制系统对控制精度、响应速度、系统稳定性等自适应能力的要 求越来越高，应用范围也越来越广泛。 ( 1 ) “经典控制理论”阶段 十九世纪5 0 年代前后的控制理论也被称为“自动控制原理”。它主要研究 的自动控制系统为线性定常系统。被控对象几乎全部是单输入单输出的。经典 控制理论所采用的方法通常是以传递函数、频率特性、根轨迹分布为基础的波 德图法和根轨迹法，包括各种稳定性判据和对数频率特性。 ( 2 ) “现代控制理论阶段 上个世纪6 0 年代末发展起来的现代控制理论主要研究多输入多输出的被控 对象。系统可以是线性或非线性的，定常的或时变的。它用一组一阶微分方程 状态方程代替经典理论中的一个高阶微分方程来描述系统，并且把系统中各个 变量均取为时间的函数，因而属于时域分析方法。 主要内容包括 系统运动状态的描述和能控性、能观性的分析 李亚普诺夫稳定性理论和李亚普诺夫函数 系统识别和卡尔曼滤波理论 系统最佳控制 自适应控制 ( 3 ) “大系统理论 和“智能控制理论 阶段 上述前两个阶段的控制理论的发展与应用，对于存在数学模型的自动控制 系统领域发挥了非常大的作用，但是对于那些不具有数学模型的被控对象，往 1 3 第1 章绪论 往显得无能为力。另外，由于计算机技术的快速发展，包含有人类思维的复杂 操作由计算机替代的领域不断增加，这在广义自动化，特别是在大规模系统的 管理控制中，脑力工作远远比体力作业来得重要，从这个意义上来说，也许是 到了控制理论应该让位与人工智能的时期了。 人工智能是用除了数学式子以外的方法把人们的思维过程模型化，并利用 计算机来模仿人的智能的学科。它的应用范围远比控制理论广泛，如包括判断、 理解、预测、识别、规划、决策、学习和问题求解，是高度脑力行为客体运行 的综合。人工智能大发展促进了自动控制理论向着智能控制方向发展，而智能 控制和具有智能化的自动控制系统又是人工智能的一个具有广泛应用前景的研 究领域。 7 0 年代末开始的智能控制理论和大系统理论的研究与应用，是现代控制论 在深度上和广度上的开拓，因此受到各国著名学者的极大关注，并在专家系统、 神经网络和模糊控制、递阶控制等方面取得了可喜的进步。 1 3 4 2 聚合反应釜温度控制中研究与应用 聚合反应釜温度控制系统的数学模型具有非线性、大惯性、纯滞后以及时 变等特点。近2 0 年来，研究人员已在聚合反应釜温度控制上做了大量的工作。 各种先进控制技术( 如自适应控制、人工智能控制、预测控制、多变量统计过 程控制) 的应用已受到聚合工业界的密切注意。 ( 1 ) 自适应控制 实际上有些化工对象特性是随时间变化的，这些变量可能发生复杂且幅度 较大的变化。自适应控制器参数能随工艺参数的变化，按某种最优性能自动整 定。从本质上讲，自适应控制系统具有“辨识一决策一修改的功能，在聚合 反应釜的温度控制领域中取得了一些好的效果。 n m i u r a 等【1 4 】对一种基于鲁棒自适应控制理论的p i d 在线自整定控制器，应 用于聚氯乙烯反应进行研究，结果表明，p i d 在线自整定控制器与常规固定参数 p i d 算法相比，有更好的稳定控制行为，响应也很快稳定下来。 韩群等【”】根据聚氯乙烯聚合釜的特点及其对温度控制的要求，采用自适应 变比例控制、程序控制及串级异相分程等控制方式相结合的组合控制手段对聚 合釜的温度进行控制，并且已运用于生产实践中，使用证明效果显著。 ( 2 ) 神经网络控制 神经网络控制对每一组训练数据，均建立一个神经网络模型。多个单一神 1 4 第1 章绪论 经网络模型组合成一个自举组合神经网络。 t i a ny u a n 等【1 6 】贝0 是采用了组合神经网络来提高m m