（检测技术与自动化装置专业论文）基于deltav系统的环氧乙烷反应器子系统模型辨识和控制设计.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 本文来源于b a s f 公司和扬子石化一体化石化项目中的e o e 6 装置子项目，并 根据环氧乙烷生产工艺和控制的要求，着重研究了d e l t a v 系统、神经网络辨识技 术和单神经元自适应p i d 控制算法在该装置中的应用。 通常是利用在线质谱仪等测得的环氧乙烷反应器入口和出口的各组份浓度进行 控制，根据其生产工艺和控制要求，本文先设计了反应器进料温压补偿控制逻辑、 联锁顺序控制逻辑和工艺流程图。但质谱仪的价格贵、故障率高且平均需要每周维 护一次，故仅用一个质谱仪测得的数据不能提供稳定的反应器模型，而用多台的话 设备投入太大，为解决此问题，本文先利用经验采样规则选取3 0 0 0 组牛产数据作 为样本数据，经归一化预处理后用r b f 网络算法辨识出该了系统的系统阶次和延迟 步数，再利用r b f 网络建立反应器子系统的非线性静态和动态神经网络模型。同时 给出了m a t l a b 仿真说明，最后经比较选择非线性动态神经网络模型为反应器的模 型。当质谱仪不能正常工作时，该模型可在线工作代替反应器出口处的质谱仪，其 相当于反应器的模型；当质谱仪能正常工作时，该模型离线工作，它可检查质谱仪 的测量数据是否正常。 不过因为采用传统的p i d 控制器往往很难整定到最优控制参数，所以本文在此 模型基础上设计了单神经元自适应p i d 控制器用于氧气进料的优化控制，也给出了 m a t l a b 仿真说明。 e o e 6 装置的基于d e l t a v 系统的集散控制系统己于2 0 0 4 年2 月底顺利通过了 b a s f 公司、目挥公司、扬子石化公司和e p m 公司的工厂坝4 试。但大型化工企业对 过程控制的安全性要求高于对先进性的要求，文中给出的环氧乙烷反应器的先进控 制策略在工程实旌之前还有大量工作要做。 最后，对全文作了总结提出了进一步研究和改进的方向。 关键词：环氧乙烷反应器d e l t a v 系统神经网络辨识单神经元自适应p i d 控制 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h et h e s i si ss p o n s o r e df r o mt h ee o e gs u b - p r o j e c to f b a s f y p ci n t e g r a t e d p e t r i f a c t i o ns i t e b a s e do nt h ep r o c e s sa n dc o n t r o lr e q u i r e m e n t ，d e l t a vs y s t e ma n dn e u r a l n e t w o r ki d e n t i f i c a t i o na n dt h es i n g l en e u r a la d a p t i v ep i da l g o r i t h ma r ea p p l i e dt ot h e e o e gc o m p l e x n o r m a l l y ，t h ep r o c e s sd a t a ，w h i c hi sg o tb yt h em a s ss p e c t r o g r a p ha n dw o r k s a st h e m o d e lo f t h ee t h y l e n eo x i d er e a c t o r ，i su s e dt oc o n t r o lt h er e a c t o r i nt h et h e s i s ，t h e p r e s s u r e - t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o nl o g i ca n dt h es e q u e n c ec o n t r o ll o g i ca n dt h ep r o c e s s g r a p h i c sa r ed e s i g n e df i r s t l y ，w h i c ha r ef o l l o w e dt h ep r o c e s sa n dc o n t r o lr e q u i r e m e n t b u tb e c a u s eo f t h eh i g hp r i c ea n dt h eh i g hf a i l u r er a t ea n dn e e d i n gm a i n t e n a n c eo n c ea w e e k ，o n l yo n em a s ss p e c t r o g r a p hc a n n o tp r o v i d et h ed a t aw h i c hc a nr e p r e s e n tt h es t a b l e m o d e lo f t h es y s t e ma n di tw i l lc o s tt o om u c hm o n e yi f m o r em a s ss p e c t r o g r a p h sa r eu s e d s o ，t h em o d e lo f t h er e a c t o ri st ob ec o n s t i t u t e dt os o l v et h ep r o b l e m f i r s t l y ，3 0 0 0g r o u p s p r o c e s sd a t aa r eg o t t e n ，w h i c ha r ef o l l o w e dt h ee x p e r i e n c i n gs a m p l i n gr u l e t h ed a t ai s n o r m a l i z e dt oi d e n t i f yt h ed e l a ys t e pa n do r d e ro f t h er e a c t o rs y s t e mu s i n gt h er b f a l g o r i t h m t h e nt h en o n l i n e a rs t a t i ca n dd y n a m i c a lr b fn e u r a ln e t w o r k m o d e l sa r e c o n s t i t u t e d ，w h i c ha r ev a l i d a t e db ym a t l a bs i m u l a t i o n a f t e rb e i n gc o m p a r e da n d a n a l y z e d ，t h ed y n a m i c a lm o d e li sc h o o s e da st h ee or e a c t o rm o d e l s o ，t h em o d e lc a n w o r ko n l i n et or e p l a c et h em a s ss p e c t r o g r a p h ，l o c a t e do nt h ee x i to f t h ee or e a c t o r ，a n d a c ta st h ep r o c e s sm o d e lw h e nt h ed e v i c ec a n n o tw o r kn o r m a l l yo rc a nw o r ko f f l i n et o c h e c kt h ed a t aa n dt e l lw h e t h e rt h ed a t an o r m a lo rn o tw h e nt h ed e v i c ew o r k sn o r m a l l y a n di ti sd i f f i c u l tt ot u n et h eo p t i m i z e dp i dc o n t r o lp a r a m e t e rw h e nt h et r a d i t i o n a l p i dc o n t r o l l e ri su s e d ，s oas i n g l en e u r a la d a p t i v ep i dc o n t r o l l e ri sd e s i g n e da n du s e dt o c o n t r o lt h eo x y g e n ，t h en e wc o n t r o l l e ri st e s t e dt ob ee f f e c t i v eb ym a t l a bs i m u l a t i o n b a s e do nd e l t a v ，t h ed c so f e o e gc o m p l e xi sd e s i g n e da n di tp a s s e ds u c c e s s f u l l y t h ef a tb yt h et e a m so f b a s f ，j g c ，y p ca n de p mo nf e b r u a r y2 0 0 4 h o w e v e r ，i ti s t h es e c u r i t yn o ta d v a n t a g et h a ti st h em o s ti m p o r t a n tf a c t o rf o rb i go i la n dc h e m i c a lp l a n t 上海大学硕士学位论文 t od e c i d ew h e t h e rt ou s es u c ha d v a n c e dc o n t r o ls t r a t e g yo rn o t ，s ot h e r ei sm u c hw o r kt o d ob e f o r ea p p l y i n gt h ec o n t r o ls t r a t e g yt ot h er e a lp r o j e c t a tt h ee n do f t h et h e s i s ，as u m m a r yh a sb e e nm a d ea n ds o m ef u r t h e rr e s e a r c ha n d a m e l i o r a t ed i r e c t i o n sh a v ea l s eb e e np r e s e n t e d k e y w o r d s ：e t h y l e n eo x i d er e a c t o r d e l t a vs y s t e mn e u r a ln e t w o r ki d e n t i f i c a t i o n s i n g l en e u r a la d a p t i v ep i d c o n t r o l i i i 上海大学硕士学位论文 本文所有示意图清单 图l le o e g 装置生产流程简图 图l 一2e o e g 装置控制系统组态数据库结构 图l 一3 在数据库中建立控制器和工作站 图1 4p i 系统的数据流示意图 图2 1 环氧乙烷反应器简图 图2 2 列管式固定床反应器内反应管圆环微元体 图2 3 电枢控制电机原理图 图3 1 环氧乙烷反应器生产工艺图 图3 2 环氧乙烷吸收塔c 1 2 3 0 工艺流程图 图3 3 环氧乙烷吸收塔c 1 3 4 0 工艺流程图 图3 4e o 反应器氧气进料控制流程图 图3 5 温压补偿模块控制流程 图3 6 氧气进料环节改进控制方案逻辑组态图 图3 7 氧气进料联锁顺序控制m o d u l e 组态图 图3 8 氧气进料联锁顺序控制逻辑运行操作面板 图3 9e o 反应器先进控制方案图 图3 一1 0e o 反应器先进控制操作图 图4 1r b f 神经网络结构图 图4 - - 2o l s 算法的计算训练流程 图4 3 原始样本数据一 图4 4 原始样本数据二 图4 5 原始样本数据三一 图4 6 归一化后的原始样本数据一 图4 7 归一化后的原始样本数据二一 图4 8 归一化后的原始样本数据三 v i i 卫 巧 _ 他 m 加 挖 m 拍 勰 ” 如 弱 叭 虬 舵 档 “ 上海大学硕士学位论文 图4 9 检验误差随模型阶次初始值变化图4 7 图4 1 0 延迟步数h 与误差平方和s s e 的关系4 9 图4 一l l 样本一的模型输出与实际测量输出的数据曲线图和误差图5 1 图4 一1 2 样本三的模型输出与实际测量输出的数据曲线图和误差图5 2 图4 1 3 样本三的静态模型输出与实际测量输出的数据曲线图和误差图5 4 图5 1 样本一中反应器入口氧气进料浓度曲线5 7 图5 - - 2 样本一中反应器入口氧气进料浓度拟合曲线图5 7 图5 3 样本一中反应器入口氧气进料浓度拟合曲线误差图5 7 图5 4 多项式验证样本二中反应器入口氧气进料浓度曲线误差图5 8 图5 5 氧气进料控制原理示意图5 9 图5 6 正干扰时传统p i d 控制器控制仿真曲线6 0 图5 7 单神经元自适应p i d 控制器原理图一6 1 图5 8 单神经元自适应p i d 控制器的控制仿真程序流程图。6 3 图5 9 无干扰时单神经元自适应p i d 控制器仿真曲线图6 4 图5 1 0k = 0 9 且有正扰动时仿真曲线图6 5 图6 一l 在e o 反应器控制画面中添加一个定时器6 7 v i i i 上海大学硕士学位论文 本文所有表格清单 表4 1 工业过程采样时间t 的选择 表4 2n 、m 和系统参数的关系 表4 3h 为不同值时模型期望输出与实际输出的误差平方和s s e i x 4 0 4 6 4 9 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 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发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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了谢意。 签名： 逖日期趟： ：丑， 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定即：学校有权保留论文及送交论 文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名：窿垩遂：日期：巡厶才 上海大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 环氧乙烷( e o ：e t h y l e n eo x i d e ) 是乙烯工业衍生物中仅次于聚乙烯的重要基 础化工原料，有溶于水、易燃和易暴等特点，它除主要用于生产乙二醇( e g ： e t h y l e n eg l y c 0 1 ) 外还广泛用于制造多甘醇、乙醇胺、非离子表面活性剂、聚酯纤 维、薄膜、医药添加剂、油品添加剂、农药乳化剂、杀虫剂和洗涤剂等多种精细化 工产品。除特殊情况e o 和e g 都在同一套装置上生产( 如本文中的装置) 。 早期环氧乙烷生产采用氯醇法工艺，1 9 2 2 年u c c 公司建成首套工业装置。后 根据法国l e f o r t 的研究结果，u c c 公司在1 9 3 8 年又建成了首套空气法工业装置， 1 9 5 8 年s h e l l 公司建成首套氧气法工业装置。氯醇法存在三废污染问题，因此目前 国内外环氧乙烷生产几乎全部采用乙烯直接氧化法技术。本文的环氧乙烷7 , - - 醇 装置( 简称：e o e g 装置) 采用的b a s f 工艺技术也是此法，即采用乙烯和氧气在银 催化剂作用下氧化生成环氧乙烷( e o ) ，然后环氧乙烷与水进行水合得到乙二醇 产品。主要产品是纤维级l - - 醇( m e g ) ，同时副产品有二乙二醇( d e g ) 和三 乙二醇( t e g ) 。装置的生产流程见图1 1 1 1 1 2 1 。 环氧乙烷是由乙烯( c ：h 。) 和氧气( o ：) 在一定温度和压力环境中，由于银 催化剂的作用在环氧乙烷反应器中氧化合成，其副产品是二氧化碳。 主化学反应( 所希望的乙烯氧化生成环氧乙烷的反应) 是： 2 c 2 日4 + 0 2 一 2 c 2 h 4 0 ( 1 1 ) 副化学反应： 1 、不希望乙烯氧化生成二氧化碳和水的反应是： c 2 。+ 3 d 2 一 2 c 0 2 + 2 h 2 d ( 1 2 ) 2 、部分环氧乙烷被氧化生成二氧化碳和水是： 2 c 2 h 4 0 + 5 0 2 一 4 c 0 2 + 4 h 2 0 ( 1 _ 3 ) 1 上海大学硕士学位论文 一些环氧乙烷产品能够异构化生成乙醛( a c h ) ，在催化剂作用下，乙醛迅 速氧化成二氧化碳和水，反应器列管和反应器出口管线中的铁锈促使异构化生产乙 醛，在气相状态下乙烯和氧气也能生产微量甲醛。 图1 一le 0 e g 装置生产流程简图 l - 2 e o e g 装置过程控制技术 1 2 1 我国e o e g 装置过程控制存在的问题 随着我国经济的飞速发展，我国对环氧乙烷产品的需求量也快速增长，2 0 0 1 年我国乙二醇能力约9 1 4 9 万吨年，而同年的消费量为2 4 0 2 3 万吨，要生产出足 够的乙二醇就要有足够的环氧乙烷，然而我国的环氧乙烷产品的产量无法满足这一 需求，造成这种局面的因素主要是我国所采用的落后的e 0 e g 生产技术，生产技术 包括两个方面：环氧乙烷生产工艺和装置控制技术。经过2 0 多年的发展，我国 e o e g 装置工艺技术已经与国际先进的e o e g 装置工艺技术水平相当，如燕山石 化公司在2 0 0 0 年新建的3 0 万吨年e o e g 装置上，除引进少数设备外，其余工艺 设备都由国内设计生产单位提供。 我国环氧乙烷行业的生产控制方式还主要是采用传统的控制方式，其中9 0 以上采用了传统p i d 控制方法。统计表明口】：在装置实际应用中d c s 的功能发挥 2 上海大学硕士学位论文 一些环氧乙烷产品能够异构化生成乙醒( a c h ) ，在催化剂作用下，己醛迅 速氧化成二氧化碳和水，反应器列管和反应器出口管线中的铁锈促使异构化生产乙 醛，在气相状态下乙烯和氧气也能生产微量甲醛。 窿水多l - 醇 图1 1e o e g 装置牛产流程简图 1 2e 0 e g 装置过程控制技术 1 2 1 我国e o e g 装置过程控制存在的问题 随着我国经济的飞速发展，我国对环氧乙烷产品的需求量也快速增长，2 0 0 1 年我国乙二醇能力约9 1 4 9 万吨年，而同年的消费量为2 4 0 2 3 万吨，要生产出足 够的乙二醇就要有足够的环氧乙烷，然而我国的环氧乙烷产品的产量无法满足这一 需求，造成这种局面的因素主要是我国所采用的落后的e 0 e g 生产技术，生产技术 包括两个方面：环氧乙烷生产工艺和装置控制技术。经过2 0 多年的发展，我国 e o e g 装置工艺技术已经与国际先进的e o e g 装置工艺技术水平相当，如燕山石 化公司在2 0 0 0 年新建的3 0 万吨年e o e g 装置上，除引进少数设备外，其余工艺 设备都由国内设计生产单位提供。 我国环氧乙烷行业的生产控制方式还主要是采用传统的控制方式，其中9 0 以上采用了传统p i d 控制方法。统计表明嘲：在装置实际应用中1 3 c s 的功能发挥 以上采用了传统p i d 控制方法。统计表明嘲：在装置实际应用中1 3 c s 的功能发挥 2 上海大学硕士学位论文 不到3 0 。现在应用的d c s 系统一般存在的问题是：系统集成能力差、系统控制模 型通用性差和系统产品化能力差嘲。例如e o e g 装置中e o 反应器的控制，通常 采用在线质谱仪( 现场分析室放置质谱仪、色谱仪、氧分析器和乙烯分析器等，通 常一个地方放两台，互为备份) 来测量反应器入口和出口的各组份浓度给出过程数 据，它的作用相当于过程对象的模型，并据得到的数据进行p i d 控制。这种控制方 法的主要问题是故仅用个质谱仪测得的数据不能提供稳定的反应器模型，而用多 台的话设备投入太大，同时，系统控制策略单一( 主要是传统的p i d 控制) ，所 以提高e o e g 装置的过程控制技术是解决当前我国环氧乙烷供需矛盾的一条较便 捷的途径。 1 2 2e o e g 装置集散控制系统的发展 结合本文e 0 e g 装置的集散控制系统来介绍一些装置控制技术的现状和发展趋 势。集散控制系统( d c s ) 是采用标准化、模块化和系列化的设计，由过程控制 级、控制管理级和生产管理级组成的一个以通讯网络为纽带的集中显示而操作管理 和控制相对分散的实用系统。它具有：自主性、协调性、在线性与实时性、高可靠 性、适应性、灵活可扩充性和友好性等特点。随着计算机技术、分散控制技术和先 进控制技术的发展，集散控制系统又呈现几个发展方向【5 】： 1 、控制系统的网络化 在计算机网络加上现场总线系统的发展与应用的推动下，实现了检测、变送、 显示、控制和执行单元的网络化，代表过程控制信息的电气信号的传送，不再通过 直接的点到点的连接方式，而是通过现场级网络以数字量的方式进行，即仪表之间 的信息全部依靠网络进行传送。 2 、控制系统的集成化和一体化 系统集成就是用一种系统或者一个自动化平台完成原来由多种系统搭配起来才 能完成的所有功能。这就大大简化了系统结构，可以克服上位机和工业控制器之 间、连续控制和逻辑控制之间、集中与分散之间的界限，为所有的自动化应用提供 统一的技术环境。所谓系统的一体化，这里是指在企业内部通过网络技术将生产和 3 上海大学硕士学位论文 管理等各个部门的信息与数据形成一个整体，从而组成双向、数字化、开放型的自 动控制系统，人们称它为管控一体化，它是控制系统发展的又一新进展，它把生产 过程控制与企业管理融合在一起。 3 、控制系统的智能化6 】f 7 】 系统控制技术的发展离不开控制理论的指导，对于不定性过程无法建立准确的 模型，经典控制理论已无能为力。而智能控制系统具有学习功能，能适应环境的变 化且具有自组织能力。目前，人工智能、专家系统、模糊控制和神经网络等智能控 制方法取得了很大的成功，开始进入工程化和实用化阶段。 神经网络是由神经元按定的拓扑结构连接而成的一种具有并行计算能力的网 络，它具有自适应性和学习能力以及非线性映射能力，它试图通过模拟人脑神经网 络处理信息的方式来获取具有人脑那样的信息处理能力。神经网络在系统辩识、神 经网络p i d 控制和神经网络自适应控制等方面都取得了良好的控制效果。神经网络 用于辨识的过程是对神经网络训练的过程，是对神经元之间连接权值修改的过程。 由于神经网络的训练需要一定的学习训练时间，实时辨识较难做到，所以一般采取 先离线辨识再实时控制的方法。不过如果在算法上能解决神经网络的训练时间问 题，那就可以做到实时辨识利实时控制了。 至此，要想提高我国e o e g 装置的控制水平，除了要坚持d c s 的原有特点外还 要从以上三个方面进行改进e o e g 装置控制系统的设计和组态。本文的重点就是设 计和实现e o e g 装置的控制系统，建立环氧乙烷反应器的神经网络模型，并以氧气 进料控制为例设计先进控制方案。 1 3 e o e g 装置控制系统设计平台一一d e l t “系统 d e l t a v 系统是1 9 9 6 年f i s h e r r o s e m o u n t ( e p m ) 公司基于现场总线技术的集散控 制系统。现在的最新版本是d e l t a v 7 3 。迄今在全球的应用已经超过4 5 0 0 0 套，在 中国的应用也已经达到1 2 7 套删。随着系统的硬件设备、软件功能的不断更新，系 统结构愈来愈完善，其功能愈来愈强大，实现e p m 公司提出的全新革命性的d c s 概念一一p l a n t w e b 工厂管控网，即将整个工厂的过程控制、设备管理和管理执行 4 上海大学硕士学位论文 整合起来，以减少过程偏差、降低操作和维护费用同时改进设备性能，从而提高工 j 的整体性能。 d e l t a r 系统为用户提供高可靠性实时运行环境和功能强大的开发工具，包括 丰富的功能软件模块和功能软件包。d e l t a v 系统中c o n t r o ls t u d i o 是专门用于控 制策略组态的软件，它采用的是图形化的操作界面，不仅可以把各种功能块直接拖 入要组态的m o d u l e 中按照组态要求设计配置，还可以基于模板里预定义好的模块 进行编辑，极大的方便了规模比较大时的组态工作。装置控制系统的监控操作画面 是在d e l t a vo p e r a t o r 中用基于i f l x 图形工具进行设计的，操作界面包括：生产过 程主流程画面、设备操作面板、报警信息列表和浏览趋势图等。d e l t a vo p e r a t o r 分 编辑和运行两种使用模式。在编辑模式下，有权限的用户可以根据管线仪表图 ( p & i d ：p i p e & i n s t r u m e n td i a g r a m ) 用它描绘和配置操作界面，这个时候它就是 一个绘图工具，利用c o m m a n dl a n g u a g e 和内嵌的v bs c r i p t 技术，更是能高效、 快速地创建出功能强大、图形界面丰富的流程图来；运行模式是为操作员与过程控 制系统接口准备的，编辑模式里创建的丰富直观的图形界面和简便快捷的操作动 作，在运行模式下可以让操作员很直观的监控整个装置工艺流程的状况。 组态数据库是d c s 最基本的信息资源，现场采集的数据、控制输出以及某些 计算的中间结果和控制算法结构方面的信息等实时数据由实时数据库存储和管理。 建立和修改实时数据库的方法由很多。常用的方法是用通用的数据库工具软件来生 成数据库软件，系统直接应用这种数据格式进行管理；另一种方法是用普通的屏幕 文本编辑器( 如a e d i t ，k e d i t ，w o r d s t a r 等) 直接编辑一个a s c i i 数据源 文件，然后通过一个转换程序将源文件的各项转化成系统要求的格式；第三种方法 是设计一个专用的屏幕编辑器，提供详细的操作指导及提示，简化使用者的操作。 d e l t a v 系统提供了b u l ke d i t 编辑工具，可方便的将组态数据库的现有信息以 a s c i i 数据源文件的形式按一定格式导出至m i c r o s o f te x c e l 表格中进行编辑修改， 然后将修改后的信息按原格式导回，方便了组态过程的实施。同时，对于实时数据 库中f h x 格式的组态信息也可以以t ) 【t 文本格式打开进行编辑，有利于数据库的管 理和维护。装置控制系统中所有软件的组态信息都存在于高级工程师站的数据库 中，这种数据库我们称之为对象型d b 数据库。一般传统的关联数据库，数据是存 5 上海大学硕士学位论文 储在数据库中的表里，与其他数据的交换是通过查询来实现的，而对象型d b 数据 库是一种对象导向型数据库，最大的优点是对数据的存取是直接进行的，每个对象 可以通过定义其自身的属性和方法来与其他对象进行联系，因此这就允许对象以其 自身的格式进行存储。系统软件的核心为组态数据库，当控制策略每个区域下载到 对应的控制器里，系统运行正常时，数据库与控制器保持同步，即控制器的过程数 据映射到数据库。本装置控制系统的数据库是对象导向型数据库，除导向文件 c o n f i g d b h d b 、数据库文件c o n f i d b h d b f d 、系统版本文件c o n f i g d b v s r l 外还包括 另外6 个数据库文件，即：a r e a s a n d m o d u l e s c o n f i g d b d b 、b a t c h c o n f i g d b d b 、 f u n c t i o n b l o c k s c o n f i g d b d b 、f i e l d d e v i c e s c o n f i g d b d b 、n o d e s c o n f i g d b d b 和 s i t e c o n f i g d b d b 。 根据工艺要求和控制器的数量，本文把控制策略分为1 5 个区，1 到1 0 区为一 般的过程控制区，主要有a i 、d i 和比较复杂的p i d 控制、马达控制、流量累积和 复杂的逻辑控制，1 l 区为d c s 与紧急停车系统( e s d ) 通信区；1 2 和1 3 区为e o 分析区、1 4 区为e g 分析区；1 5 区为d c s 与压缩机组、干燥单元、火气系统通信 区。数据库的结构见图1 2 。 删稿瑞p 拟墅匦卜 i l r 蚓餐黼b 匝卧 蚓燃op 爿受婴卜 蚓锩蒜1p 爿型堑卜 蚓篙辩警p 钭麴回p 器划础繇苫p 创亘耍回一 蚓勰繇譬p 爿墅p 争浏誊嚣景黝睁爿墅至互卜 j l 图卜一2e o e g 装置控制系统组态数据库结构 6 上海大学硕士学位论文 在c o n t r o ls t u d i o 中建立和命名数据库，在此即可建立控制区( 装置控制系统 的控制区和实际的控制器对应，在控制区组态好的控制m o d u l e s 即下载到相应的控 制器中) 、控制器i 0 通道( 根据i o 分配表建立、命名和描述通道，经过下载到 控制器后才能实现信号的通讯) 和建立四种工作站( 高级工程师站p p 、工程师站 p s 、应用工程师站a s 和操作员站o s ) ，方式见图1 - - 3 ，这样就组建好了一个装 置典型的控制系统局域网。 图1 3 在数据库中建立控制器和工作站 而对于历史数据库的管理和趋势显示功能的处理方法上较为先进的是采用生成 方式。d e l t a v 系统主要使用p i 数据库历史存档方式来实现历史数据文件的生成和 管理。p i 采用了数据压缩算法来减少数据存储量，它所展示的趋势并不是非常的 精确，但是p i 提供了估计初始存档文件大小的信息以及观察实际数据存储率并做 相应调整的方法。p i 系统将数据存储在相应存档文件中，用户可以创建大小不同 的多个存档文件( 一般为3 - - 3 0 个，最大9 9 个) 。可以通过以下语句： c ：p i a d m p i a r c r e a t e d ：p i a r c h p i a r c h 0 1 61 0 0 7 上海大学硕士学位论文 在路径d ：p i a r c h 下创建一个名为p i a r c h 0 1 6 ，l o o m 大小的新存档文件，并 通过以下语句为该语句在p i 系统中注册( - - a r ：a r c h i v er e g i s t e r ) 。 c ：p i a d m p i a r t 0 0 la r d ：p i a r c h p i a r c h 0 1 6 p i 系统的数据流( d a t a f l o w ) 的标准过程如下图14 所示： 数据流 图1 4p i 系统的数据流示意图 p l 系统历史数据库生成的组态步骤为： 1 、定义历史数据的扫描率( s c a n r a t e ) 、表现方式( p r e s e n t a t i o n ，数据收 集周期和数据偏差范围等) 和压缩率( c o m p r e s s i o n ) ； 2 、在需要观察历史趋势图的操作员站上使能连续历史记录( c o n t i n u o u s h i s t o r i a n ) 选项： 3 、将该历史趋势分配到相应操作员站上并下载。 注意：d e l t a v 系统定义的历史数据点最小扫描时间为1 秒，1 秒内最多可扫描 1 5 0 0 个事件和扫描超过2 0 0 0 0 个t a g 号。 1 4 本文的项目背景、研究工作和意义 扬子一巴斯夫一体化石化基地项目是由巴斯夫公司与扬子石化各出资5 0 g u 办 的合资企业，拥有1 1 个分厂，即以6 0 万吨年乙烯装置为核心的基础化学联合装 置、3 0 万吨年e o e g 装置、4 0 万吨年低密度聚乙烯装置、2 5 万吨年丁辛醇装 置、1 6 万吨年丙烯酸和2 1 5 万吨年丙烯酸酯装置、3 万吨年丙酸装置、5 万吨 年甲酸装置、3 6 万吨年甲胺装置、4 万吨年二甲基甲酰胺装置和一套年产6 0 万吨蒸汽的装置，所有装置均采用巴斯夫的技术和“联合体”概念，这套装置布置 在i p s 项目牛产区东侧中部的区块，与乙烯联合装置及公用工程区块相邻，e o e g 装置所需的乙烯和氧气，分别由乙烯装置和扬子石化公司的空分装置提供。公司的 8 上海大学硕士学位论文 主要产品有低密度聚乙烯、乙二醇、丁辛醇、丙烯酸及酯、甲酸、丙酸、甲胺、二 甲基甲酰胺、苯、甲苯、混二甲苯等，投产后每年可向市场提供1 7 0 万吨高质量石 化产品。公司于2 0 0 0 年1 2 月成立，2 0 0 1 年9 月开工建设，计划于2 0 0 4 年底竣 工，2 0 0 5 年初商业运营1 9 1 。e p m ( e m e r s o np r o c e s sm a n a g e m e n t ) 公司为该项目提 供基于d e l t a v 系统的p l a n t w e b 工j 管控一体化控制系统，包括软件和硬件。 作者参与了e o e g 装置控制系统的设计和组态实现，本文即以e o e g 装置控制 系统为背景。主要工作有： 1 、分析研究e o e g 工艺生产过程，独立承担了e o e g 装置控制系统软件组态 设计和调试( 其中p i d 模块2 1 0 个、开关阀控制模块3 0 0 个、s i m o c o d e 控制模块 6 7 个、变频马达1 5 个、a i 点6 1 6 个、d i 点1 1 l o 个，控制逻辑1 2 7 个) ；参与绘 制人机画面及硬件电路图( 共计1 3 5 幅) ； 2 、参与完成了1 5 个机柜的硬件板卡2 6 0 0 多个i o 通道测试；参与完成了 d e l t a v 系统与紧急停车系统( e s d ) 系统和马达控制中心( m c c ) 系统的通讯对接 调试，以上工作经过了b a s f 公司e o e g 装置工艺专家的严格检查和验收，可以直 接用于现场控制； 3 、针对e o e g 装置中环氧乙烷反应器氧气进料控制环节存在的问题，主要是 质谱仪等现场仪器的故障率高( 7 一1 0 ) 、需要经常清洗且设备单价高，故仅用 一个质谱仪测得的数据不能提供稳定的反应器模型，而用多台的话设备投入太大， 为解决此问题，本文应用了利用r b f 神经网络辨识建模技术建立反应器的非线性动 态神经网络模型，并设计和应用单神经元自适应p i d 控制器的控制方案并给出 m a t l a b 仿真说明o o l 川m 】。同时，使用本文方案可节省原来反应器出口处作为备份 的质谱仪，如果加以推广这可为企业省下一笔不小的投资。但大型化i a , j k 对过程 控制的安全性要求高于先进性要求，所以本文先进控制方案在e o e g 装置实施之前 还要做大量工作。 9 上海大学硕士学位论文 1 5 本文的结构安排 论文共分六章，各令章节的主要内容简介如下： 第一章绪论介绍了e o e g 装置生产流程和e 0 生产工艺、e o e g 装置控制中 存在韵问题和集散控制系统( d c s ) 的发展方向和本文e o e g 装置控锚系统设计平 台一- - d e t a v 系统，重点介绍了基于d e l t a v 系统的装置控制系统数据库。然后提 出了在e o 反应器装置中引入神经网络辨识建模技术和单神经元自适应p i d 控制算 法最后介绍了本文项目背景、主要研究工作和特色； 第二章环氧乙烷反应器和氧气进料控制阀本章主要介绍了本文要辨识建模的 对象环氧乙烷反应器的工作原理、数学模型特性和反应器内化学反应的特性以及主 要被控对象氧气进料调节阀环节的工作原理、数学模型和特性； 第三章环氧乙烷反应器子系统的控制分析先介绍了环氧乙烷反应器的生产工 艺，分析了氧气进料的控制要求，指出氧气进料控制环节的问题，提出用神经网络 辨识建模加单神经元自适应p i d 控制器的控制方案； 第四章环氧乙烷反应器子系统的模型辨识先介绍r b f 网络算法，接着总结了 一套完整的用r b f 网络建立对象非线性动态神经网络模型的方法，然后辨识出了环 氧乙烷反应器子系统的非线性静态神经网络模型和非线性动态神经网络模型，最后 经对比两个模型对样本数据的范化能力抉定选择非线性动态神经网络模型来作为反 应嚣子系统的控制模型，给出了m a t l a b 仿真说明i 第五章单神经元自适应p i d 控制器在环氧乙烷反应器氧气进料控制中的应用 酋先指出传统p i d 控制器存在的不足接着介绍单神经元自适应p i d 控制算法，然 后通过m a t l a b 仿真设计出了该智能p i d 控制器，最后通过m a t l a b 仿真控制说明该 控制器的有效性； 第六章总结和展望列出了本文的主要工作，并给出进一步工作中的问题和难 题，提出把本文控制策略应用到d d t a v 系统中的可能和途径。最后提出今后的研 究工作方向。 1 0 上海大学硕士学位论文 第二章环氧乙烷反应器和氧气进料控制阀 2 1 引言 化学反应在化学反应器中进行，化学反应器是过程工业生产中的重要设备之 一，它通常是生产过程的核心。反应器的种类很多，按照反应器进出物料的状况可 以分成连续式和间歇式两类，前者广泛用于基本化工产品生产，它可以连同反应器 前后工序一起连续而平稳地生产，为了保持反应的正常进行，一般希望控制反应器 内的若干关键工艺参数( 如温度、压力和组分) 稳定，采用定值控制系统；后者应 用于生产批量小、反应时间长或在全过程对反应温度有严格程序控制要求的场合， 它的控制大多应用时间程序控制方式，即设定值按照一个预先规定的时问程序而变 化，采用随动控制系统。按照反应器的结构形式可以分成釜式、塔式、流化床、管 式和固定床等反应器形式，它们适用于不同的化学反应，对象特性利对控制的要求 也各不相同，其中固定床反应器是一种比较广泛应用的反应器，当需要较大的传热 面积时就采用列管式固定床反应器，该种反应器床层内流体流动接近于理想置换， 有过程推动力大、反应速度快、选择性高和单位体积设备生产能力大等特点，就其 对象特性而言严格说来是一个分布参数系统，但工程上仍然处理成集中参数。按照 热效应可以分成绝热式和非绝热式两种，当反应的热效应较大时必须对反应器进行 加热或冷却，即采用非绝热式：反之当热效应不大时可采用绝热式。本文e o e g 装置中的环氧乙烷反应器就是一种典型的列管式固定床反应器，它被用来进行具有 较大热效应的连续式化工生产。 反应器内关键工艺参数如温度、压力和组分的控制是通过对相应流体( 如蒸 汽、导热介质油和反应组分) 的调节来实现。在环氧乙烷反应器子系统中大量使用 电动阀门来调节流体的漉量，如用氧气进料阀的开度来调节氧气的流量，以此达到 控制反应器出口环氧乙烷浓度的目的。具体接受控制器命令并驱动阀门动作的任务 则是由执行机构来完成的，调节流量的任务是由阀门来完成的，这样执行机构、阀 门和流量检测元件就构成了一个阀门控制环节，被称为广义的被控对象a 1 1 上海大学硕士学位论文 2 2 环氧乙烷反应器的原理和特性分析 2 2 1 环氧乙烷反应器的工作原理 本文e o e g 装置环氧乙烷反应器采用列管式固定床反应器，其结构简图如图 2 一l 所示。反应器内大量的反应管与管板连接，催化剂均匀分装在反应管内，管 内下端通常装有锥形弹簧用以支撑催化剂，反应列管材质一般为锅炉无缝钢管。反 应原料混合气通过管内催化剂床层进行氧化反应，反应热靠管间载热体一一热油或 者热水带走，在反应器的出口还加装急冷器，目的是减少氧化反应气的停留时间降 低出口气的温度 13 1 。 图2 一l 环氧乙烷反应器简图 在环氧乙烷反应器列管内以及工艺要求的一定温度和压力条件下，原料混合气 中乙烯在银催化剂作用下氧化，首先是氧被银吸附，被吸附的氧以原子形式留存于 1 2 上海大学硕士学位论文 银表面；第二步是被吸附的氧原予和反应混合物中的乙烯反应，乙烯与被银吸附的 氧原了之间的距离大小不同，反应生成的产物也不同。当被吸附的氧原子间距离较 远时，生成环氧乙烷；当被吸附的氧原予间距离较近时，氧化结果生成二氧化碳和 水。研究表明 1 哪：银催化剂表面上吸附态分子氧0 i 是参加乙烯氧化生成环氧乙烷 反应的氧种，吸附态原子氧d 一是乙烯完全氧化生成二氧化碳的氧种。 原料混合气在反应器中的流向是自上而下，这样可防止催化剂被气流吹动影响 气体分布及催化剂磨损造成活性组分脱落，并防止被反应气流带至反应器底部而发 生尾烧降低环氧乙烷的收率。 2 2 2 环氧乙烷反应器的数学模型特性分析 工业化学反应器数学模型的建立首先根据化学反应的特点，结合反应器的型 式，对物料流型与传递过程综