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丁苯橡胶生产过程控制软件的开发及控制算法研究 丁苯橡胶生产过程控制软件的开发及控制算法研究 摘要 本文通过对丁苯橡胶生产过程及其对控制的要求进行分析研 究，基于艾默生公司的d e l t a v 系统，完成了丁苯橡胶生产的计算机 控制系统软件开发，包括监控软件和控制软件的开发。监控软件包 括：工艺流程图，软手动，趋势显示，报表生成，及用户权限设置 等。控制软件主要完成数据的采集、控制策略等。针对丁苯橡胶属 于间歇生产过程的特点，提出一种用上位机配方管理与下位机顺序 控制( s e q 啪c cf 删嘶o nc o n 仃0 l ，s f c ) 相结合的方法，开发了一套能满足 2 0 种配方产品生产需要的间歇过程控制软件。另外，丁苯橡胶生产 过程中使用了大量的复杂控制策略，如分程控制、串级控制、比值 控制等，本文介绍了分程控制算法在d e l t a v 系统中的实现。 本文的算法研究是针对丁苯橡胶聚合反应釜温度控制。因为聚 合釜在不同的生产工况下，其模型参数发生变化，因而很难建立精 确的数学模型。另外丁苯橡胶聚合釜温度存在滞后，因而采用传统 的p i d 来控制，效果不理想。针对该问题，本文对广义预测控制 ( g p c ) 理论进行深入研究，给出了一种利用g p c 与d m c 控制律的等 价性来推求最优控制律参数的隐式广义预测控制算法。这类算法对 模型的精度要求不高，另外，由于在优化中引入了多步预测思想， 使其抗扰动及时延变化等能力显著提高。因此本文采用了隐式广义 丁苯橡胶生产过穰控制软件的开发及控制算法研究 预测控制算法，对类似丁苯橡胶聚合釜对象进行控制器设计，并用 淞t l 怂进行了计算机仿真研究。仿真结果表明该隐式广义预测算法 具有动态响应快，跟踪效果好，能够获得较好的控制效果。最后给 出了该算法在计算机控制系统中的实现方案。 关键词：丁苯橡胶生产过程，计算机控制系统，软件开发，闻歇生产 过程，广义预测控制 i l 丁苯橡胶生产过稷控制软件的汗发及控制搏法研究 t h ed e v e l o p 砸n to fc o n t r o ls o f t 後r ea n d t h es t u d yo fc o n t r o la l g o t 脚mo fb u t a d 王e n e s t y re n er u b b e rp r o d u c t i o np r o c e ss a bs t r a c t i nm i sp a p e r t h r o u 曲廿1 ea n a l y s i sa n dr e s e a r c ho fb u t a d i e n es t ) ，r e n e r 曲b 锘p d u 蕊o np 约c e s s ，翘d 溉陀q u i 糟m e 嫩f 断童h ee o 成羚l ，b a s e do 藏 e m e r s o n sd e l t a vd c ss y s t e m ，t 王l es o 脚a r eo ft h ec o m p u t e rc o n _ t r o l s y s t e mi sd e v e l o p e d ，、地i c hi n c l u d e st h em o m t o r i n gc o n t r o ls o f 细a r ea j l d m ec o n t r o ls o 凡糯糙t k 擞o n i t o r i n ge o n t 羚ls o 惫硼洫e l u d e st h e p r o c e s sd i a 蓼a 搬，s o 怠m a n u a l ，出a f mm a n a g e m e m ， 慨n dd i s p l a y ，r e p o 代 f o m ，a n dt l l eu s e ra u t h o r i t ye t c t h ec o n 仃o ls o 脚a r ec a 盯i e so u td a t a c o l l e c t i n g ， a n dc o n 扛o ls 眦g ye t c t h eb u 硼i e n es 妒嗽r u b b e r p f o d u c 专i o np 妁c e s si sab a t c hp c e s s b a ：沁hp 妁e e s sc o 嫩l 煲w a r et h a t i sc o m p o s e do fr e c i p em a n a g e m e n ta i l ds e q u e n c ef u l l c t i o nc o n t r o l ( s fc ) i sd e v e l o p e d ，w h i c hc 撇s a t i s 每f o r2 0r e c ：i p e sp r o d u c t s m a n yc o m p l 弧 c o n 昀ls l 疆绝玺e sa 愆戮e di 建m ep r o d 毯c t i o n e e s s 。f 鞫匪a d i e 懿es 移托粼 ：r u b b e r ，s u c h 懿s p l i tc o n t m l ，c a s c a d ec o n t r o la n dr a t i oc o n t r o le t c t h e r e a l i z a t i o no ft h es p l “n t r o li i ld e l t a vs y s t e mi sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r 弧e 采笋r i 耄糟s | | e a 羚h 弧也ep 印嚣i sa i m e 纛氇圭也ee o 转蠢o l 艇 b u t a d i e n es t y r e n er u b b e rp o l y m e “z i n gr e a c t o rt e m p e r a t u r e i ti sd i 伍c u l t i h 丁苯橡胶生产过程控制软件的开发及控制算法研究 t oo b t a i np r e c i s em a t h e m a t i c a lm o d e la n dt h em o d e lp 猢e t e r sa l w a y s c h a n g e u n d e rd i f 蚤朝e n t p r o d u c t i o n c o n d i t i o n s a d d i t i o n a l l y ； t h e p o l y m e r i z i n g r e a c t o r st e m p e r a t u r ep r e s e n t sl a r g et i m e d e l a y ，s ot l l e r e g u l a rp i da l g o r i t h mc a l l ta c q u i r eg o o dp e r f o m a n c e t h eg e n e r a l i z e d p r e d i c t i v ec o n 臼o l ( g p c ) t h e o 巧i sr e s e a r c h e dm t h ep a p e ra i m e da tt h e q u e s t i o n s a b o v e a n i m p l i c i t g p ca l g o r i t h mi s p r e s e n t e d ， w h i c h e v a l u a t e st h ec o n t r o lr u l e sp a r a m e t e r su s i l l gt h ee q u a l 时o fc o n t r o lm l e b e t w e e ng p ca j l dd m c g p ca l g o r i t h md o e s n td 印e n do ne x a c tm o d e l ， a n di t sa b i l i t yo fd i s t u r b a n c er e j e c t i o na n dt i l t l e v a 巧i n gr e s t r a i l l i n gh a s b e e ne n h a n c e dg r e a t l yw i t ht h em u l t i - s t 印f o r e c a s t i i l gc o n c e p t s o ，t h e h p l i c i tg p ca 1 9 0 r i t h mi sa d o p t e dt od e s i g n f o rt h ec o n 仃o l l e ra n d s i m u l a t i o nr e s e a r c hi sd o n ew i t hma h ，a b t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w m a tt l l ei m p l i c i tg p ca l g o r i t h mc a no b t a i ng o o dp e r f o m l a n c ei i lb o t ht h e d y n a n l i cr e s p o n s ea n d 舰c l ( i n gp e r f o m a n c e f i n a l l y ，t l ei 1 1 1 p l e m e n t a t i o n s c h e m eo ft h eg p ca l g o r i t h mi nc o m p u t e rc o n t r o ls y s t e mi sg i v e n k e yw o r d s ：b u t a d i e n es t y r e n er u b b e rp r o d u c t i o np r o c e s s ，c o m p u t e r c o m r o l s y s t e m ， s o f h a r e d e v e l o p m e n t ， b a t c h p r o c e s s ，g e n e r a l i z e p r e d i c t i v ec o n t r o l ( g p c ) i v 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本 人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用 的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的 内容。论文为本人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 学位论文作者签名：赵士城 同期：2 0 0 7 年5 月2 4 同 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文 乍者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校傈罄 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。 本人授权东华大学可以将本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和汇编本学位论文。 保密已，在年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 不保密“ 学位论文律者签名： 缈锹 嗍可年箩月币 f f 压舌l 谛 r 期：二兜怍岁胄 丁苯橡胶生产过程控制软件的歼发及控制算法研究 第一章概述 1 1 课题研究的背景及目的 本课题以上海高桥石化的丁苯橡胶生产项目为背景。丁苯橡胶生产过程属 于间歇生产过程，间歇生产过程控制软件在设计上有其特殊要求；由于间歇生 产过程能满足当今市场产品需求量小、品种繁多的需要，赢得了许多生产厂家 的青睐，特别是对于国内终的化王、饮食和医药生产企业，它具有不可替代的 作用。开发适合间歇过程生产控制特点的控制软件具有广阔的市场，图际上自 动化领域知名晶牌的大公司相继推趣了自己的闻歇生产过程控制系统软件，例 如a b b 公司推出的b a t c h3 0 0 软件，e m e 啪n 公司开发的b a t c h 软件等，它们极 大地提高了闻歇生产过程操作柔性、生产效率、产品的质量，降低了生产成本 嗍。但是由于间歇生产过程在控制策略、控制功能和自动化技术方面极其复 杂，其固有的顺序特性向计算机控制系统提出特殊的要求，使得闻歇避程控制 系统软件价格昂贵，购买商业化的间歇控制软件将会加大工程费用，因此自主 开发阂歇过程生产控制软件来满足产品生产的需要。 另外在丁苯橡胶生产中，聚合反应釜温度控制极其重要，它直接影响到产 品的质量。由于很难建立聚合釜的精确的数学模型，且聚合釜温度存在滞震， 因而要实现聚合釜温度的精确控制并不容易。本文通过对广义预测控制算法的 研究，给出了一种利用g k 与d 孵控制律的等价性来推求最优控制律参数的隐 式广义预测控制算法。针对聚合釜的特性采用隐式广义预测自校正控制算法， 对控制策略进行了优化，并通过计算机仿真实验，验证了该算法的性能。为将 来提高聚合反应釜温度的控制效果提供理论依据。 1 2 计算机控制系统及预测控制算法的研究现状 。2 。 计算枧控制系统魄磺究与应用现状 随着工业生产社会化程度的不断提高，现代工业生产的竞争不再是某一区 域悉是世界范围的竞争，嚣此如何提高工业生产的劳动率和生产窭薪型的产品 以提高企业的世界竞争力，已成为各国普遍关注的问题。先进的生产技术是提 高产品质量和降低产晶成本增强企业竞争力的必要条件，丽新墼的产品对生产 丁苯橡胶生产过程控制软件的开发及控制算法研究 工艺控制的要求更加苛刻、更加复杂。以计算机技术、通讯技术、网络技术以 及现代控制理论为特征的现代计算机控制技术为现代化的工业生产提供了可靠 的技术保障，使得高效率、工艺复杂的工业生产变成现实1 0 1 1 l 。 以计算机技术为主的计算机控制系统已广泛应用予现代化工业生产的各个 领域，它已成为衡量个囡家工业生产发展水平的重要标志。在工业生产过程 中，1 9 6 9 年润世的p l c 秘1 9 7 5 年润世的d c s 是两类影响最为深远的计算机控 制系统，随后由于计算机、通信、控制、仪表、软件等技术的飞速发展，其它 的计算机控制系统的不断辫现，控制系统的产品呈现磁多元他的发展格局，单 的控制系统已无法满足现代生产过程控制的复杂性需要。p l c 系统、d c s 系 统、p l c d c s 系统的控制方案不髯是唯一选择，现场总线控制系统、以p c 为 基础的控制系统( p c b a s e dc o n t r o ls y s t e m ，p c b c s ) 也和p l c 系统、d c s 系 统一样成为当今工业生产过程的霾大控制系统瞄j 。 国外囱六十年代出现第一台工业过程控制系统以来，由于起步较早，使其 拥有雄厚的资金和科研实力，一直统领着世界控制系统的市场，特别是美、 e l 、德等国家的多家公司。如美国的g e 公司、h o n e y l j r e l l 公司，日本的横河公 司、德国的s i e m e n s 公司，以及最近应用比较广泛的美国e m e r s o n 公司等都 不断地推出新一代高性能的控制系统满足工业生产的需要。并且随着自动控制 理论及技术的不断深入研究和发展，自适应控制、模糊控制、人工神经网络、 人工智能技术和专家系统等各种先进控制方案已在工业计算机控制系统中褥到 实际应用：多变量预测控制在石油、化工等流程工业控制系统中已广泛使用。 s e t p o i n t 公司、d 舵公司与h o n e y w i 彦l l 公司已推出先进控制软件产品；人工神 经网络已制成专用芯片及自动装置；模糊控制器亦已商品化，并广泛用于工业 生产过程控制；专家系统嚣在电站控制、冶金过程及石化装置是动控制系统中 应用f o i l 。 由予我国斡现代化工避起步远远迟于发达的资本主义莺家，因此工业基础 薄弱、发展的水平较低。工业生产过程控制系统在七十年代就开始走引进和开 发褶结合昀道路，经过多年的努力越得了巨大的成绩，研制出了一批高性能的 国产控制系统，如d c s 有北京和利时自动化公司的h s l o o o 、h s 2 0 0 0 ，浙大中控 2 丁苯橡胶生产过程控制软件的开发及控制算法研究 公司的j 卜3 0 0 x 等。同时我国自动化领域( 特别是高等院校) 有一大批科研工 作者在将先进的控制算法应用于控制系统方面进行了大量的研究和尝试，并在 许多实际控制系统中得到了成功的应用。但是，我国工业计算机控制技术的应 用依然远远跟不上工业生产发展的需要。现在正处于国民经济迅速发展时期， 匿家每年投资新建的项目有很多，这些项目基本上全都需采用计算机控制，因 此国内形势为我国计算机控制产业的发展提供了有利的条件。因而，研究和开 发计算机控制技术的应用变得十分重要。同发达国家相比，计算机控制的技术 水平以及在工业生产中的应用情况依然有很大差距，特别是在开发出同国外性 能相当的控制系统装置、如何完成计算机控制系统的优化组含、如何将先进的 现代控制技术应用于传统的计算机控制系统仍有缀多技术有待去研究解决f 0 3 l 。 1 2 2 预测控制算法的研究与应用现状 自动控制理论是与人类社会发展密切联系的一 l 学科。二十世纪嚣十年代 中期发展起来的经典控制理论主要是采用频率法对控制系统进行描述、分析和 设计，霉蘸仍然在工鲎过程控制中发挥着重要的作用，解决了许多控制阀题， 但对于解决大规模的复杂控制问题仍远远不够。 随着电子专 算机麴出现和迅速发展，计算和信怠处理的麓力不断提高，使 得控制理论向着更复杂、更严密的方向发展，于六十年代初期发展起来了以状 态空闻分析( 时域法) 为基础的现代控制理论。由予现代控制理论采灞的各种 控制系统分析综合方法都是在取得控制对象数学模型的基础上进行的，而数学 模型的耩确程度对控制系统性能的影响很大。往往由于某种原因，对象参数发 生变化使得数学模型不能精确地反映对象特性，无法达到期望的控制指标。 现代控制理论从理论上解决了系统的可观、可控、稳定性、以及许多复杂 系统的控制问题，但仍存在不少遗留问题和实际应用中的困难，如： 1 ) 对大多数被控对象，难以建立精确的数学模型。丽现代控制理论则依 赖于理想化的精确的数学模型。 2 ) 实际生产过程中有许多需要依靠操作人员的知识和逻辑思维来解决问 题，而现代控制理论无能为力。 3 ) 传统的控制策略单一，不适合高层解决问题，控制方法较为理想化。 4 ) 随着科学技术的不断进步，人们所面临的问题越来越多，需要加以控 丁苯橡胶生产过程控制软件的开发及控制算法研究 制的对象和过程变得越来越复杂，对控制质量的要求也日益严格。在 这种情况下，现代控制理论的局限性日益突出。 在控制实践中，许多复杂的工业系统的数学模型很难精确建立，而且对象 的结构和参数往往具有一定的不确定性，从工程应用的角度，人们希望对象的 模型尽量简化，系统在不确定因素的影响下能保持良好的性能，且要求控制算 法简单，易于实现，以满足实时控制的需要。实践的需要向控制理论提出了新 的挑战，促使人们寻找对模型要求低、控制质量好、在线实现方便的控制算 法。预测控制就是在这种背景下产生的一种新型计算机控制算法。 预测控制，也称模型预测控制( m o d e lp r e d i c t i v ec o n t r 0 1 ，简称m p c ) ，是 上世纪7 0 年代后期直接从工业过程控制中发展起来的一类新型计算机控制算法 嗍。预测控制主要思想方法是由r i c h a l e t 等人于1 9 7 8 年发表的著名论文【0 4 】 中提出，核心思想为滚动优化。预测控制算法用来描述过程动态行为的信息， 是直接从生产现场检测到的过程响应( 即脉冲响应或阶跃相应) ，且不需要事 先知道过程模型的结构和参数的有关先验知识，也不必通过复杂的系统辨识来 建立过程的数学模型，即可根据某一优化指标设计控制系统，确定一个控制量 的时间序列，使未来一段时间内被调量与经过柔化后的期望轨迹之间的误差最 小。由于预测控制算法采用的是不断通过实测系统输出与预测模型输出的误差 来进行反馈校正，所以能在一定程度上克服由于模型误差和某些不确定性干扰 等的影响，使系统的鲁棒性得到增强，适用于控制不易建立精确数学模型且比 较复杂的工业生产过程，所以它一出现就受到国内外工程界和控制界的重视， 并已在石油、化工、电力、冶金、机械等工业部门的控制系统中得到了成功的 应用1 4 l 【l5 1 ，是一类很有发展前途的先进控制技术，所以对这类控制算法的研究 无论是在理论上还是实际的应用中都具有很大的价值。 广义预测控制( g p c ) 是在自适应控制的研究中发展起来的一类预测控制算 法。在过程控制领域，人们曾先后提出各种自校正控制新算法，但它们对数学模 型的精度都有一定的要求。有些算法对滞后十分敏感，如果滞后估计不准或是时 变的，控制精度将大大降低；另一些算法则对系统的阶次十分敏感，一旦阶次估 计不准，算法就会失效。这种对模型精度的依赖性，使它们在难以建立精确模型 4 丁苯橡胶生产过程控制软件的开发及控制算法研究 的复杂工业过程控制中不能得到广泛有效应用。于是，寻求种对数学模型要求 较低且鲁棒性又较强的盘适应控制算法就成为控制领域内富有挑战性的课题之 一。正是在这种背景下，1 9 8 4 年，c l a r k e 在最小方差自校正控制的基础上，吸 取了d 既、凇e 中的多步预测优化策略，提出了基于参数模型豹广义预测控制 ( g p c ) 1 0 6 1 。基于参数模型的预测控制算法，仍然保留了基于非参数模型的d m c 和淞c 等预测控制算法的预测模型、滚动优化、和反馈校正等三个基本特征，不 过这里的预测模型采用的是具有一定结构和参数离散受控自回归积分滑动平均模 型( c a r i 凇) ，或受控自回归滑动平均模型( c a 黼) 。由于参数模型是最小化模 型，需要已知模型结构，但需要确定的参数远较非参数模型的少，减少了预测控 制算法的计算量，另一方面，由予采用了大时域长度的多步输出预测、滚动实现 优化的策略，来取代原来的只采用步预测优化的广义最小方差控制策略，因而 所获取的反映过程未来变化趋势的动态信息量较丰富，使系统的控制性能和对模 型失配的鲁棒性又有所提高。广义预测控制算法是预测控制中最具代表性的算法 之一，由于它是在广义最小方差控制的基础上，在优化中引入了多步预测的控制 思想，抗负载扰动、随机噪声、时延变化等能力显著提高，有较强的鲁棒性，适 用于有纯延时，歼环不稳定的非最小相位系统。又由于采用传统的参数模型，参 数数目较少，对于过程参数时变的系统，易于在线估计参数，实现自适应控 制。因而，近年来受到学术界和工程界的广泛注意和重视。随着预测控制的理论 和应用方面的迅速发展，近年来，我国一些高等院校和研究院也在预测控制的理 论研究和应用方面做了不少工作，并己取得了不少进展嘲。由于预测控制具有能 适应复杂生产过程控制的特点，可以预计，预测控制律为一类新型计算机控制算 法，必将在我国工业过程控制中显示出它的强大生命力，对促进我国囡民经济的 进一步发展将起积极作用 湖。 1 3 本文的主要工作 本课题针对丁苯橡胶生产项目，完成了基于d e l t a v 系统的计算机控制系统 的硬傅设计及软件开发及聚合反应釜温度的先进控制算法的研究。 具体完成了以下几个方面的工作： 王基子d e 圭毛a ￥计算机控制系统的平台，完成了丁苯橡胶生产计算机控制系 丁苯橡胶生产过程控制软件的搿发及控制算法硒究 统上位机监控软件的开发。 2 。针对闰歇生产过程对控制的特殊要求，提出一鹈| 用上位机配方管理与下 位机顺序控制( s e q u e n c ef u n c t i o nc o n t r 0 1 ，s f c )程相结合的方法，开发 了一套能满足2 0 种配方产瑟生产所需要的闻歇过程控制软件。 3 丁苯橡胶生产过程中使用了大的复杂控制策略，如分程控制、串级控 。 制、比值控制等。在d e 量专硝系统中实现这些复杂控制策略菲常方便，本文给出 了分程控制算法在d e l t a v 系统中的实现方案。 4 通过对广义预测控制( g 咒) 进行深入研究，给出了一种利用g 阢与涮c 控制律的等价性来推求优控制律参数的隐式广义预测控制算法。针对类似聚 合釜度控制存在滞后，及模型时变等特煮，采焉隐式广义预测基校正控裁算 法，并用m a n ，a b 进行仿真研究。 5 本文提出将广义预测控制算法以0 k 的方式嵌入到d e 王t 勰系统中。为将 来广义预测算法在丁苯橡胶生产项目中的实际应用提供了理论指导和可行方 案。 6 丁苯橡胶生产过稷控制软件的歼发及控制算法研究 第二章丁苯橡胶生产过程简介 2 1 丁苯橡胶生产工艺介绍 2 1 ， 丁苯橡胶的用途 丁苯橡胶是丁二烯与苯乙烯的无规共聚物，是合成橡胶中工业化最早，产 耗量最大的胶种l 辩l 泌l 。其物理机械性能、加工性能及制品的使用性能接近于天 然橡胶，有些性能如耐磨、耐热、耐老化及硫化速度较天然橡胶更为优良，可 与天然橡胶及多种合成橡胶并用，广泛应用于轮胎、胶带、胶管、电线电缆、 医疗器具及各种橡胶制品的生产等领域，是目前世界上合成橡胶工业中产量和 消费量最大的通用胶种。目前工业上丁苯橡胶的生产方法主要采用乳液聚合和 溶液聚合两种方法。乳液聚合生产工艺成熟，生产规模大，其生产能力约占丁 苯橡胶总生产能力的8 0 以上。而低温乳液聚合方法又占乳液聚合丁苯橡胶生 产的9 0 以上1 4 5 】。 2 1 2 丁苯橡胶生产过程 生产丁苯橡胶所用的单体力丁= 烯和苯乙烯，在助剂配制孛是将襄化裁、 硫化剂、调节剂、电解质、反应终止剂等乳液聚合中所需要的助剂配制咸水溶 液，然厝将其与丁二烯、苯乙烯单体一起送入与其相连接的聚合工段的聚合釜 中，聚合釜一般是若干台串联。聚合时，低温丁苯橡胶的聚合温度是5 ，高 温丁苯橡胶是弱，在这样温度下进行聚合反应，当达到所要求的转能率( 或门 尼粘度) 后即终止聚合。低温丁苯橡胶的转化率是6 0 ，高温丁苯橡胶是7 2 ，除去并回收来反应单体磊鞠得到胶乳。然后往胶乳中加入防老剂。制造充 油橡胶时，将油做成乳化液后添加进去。这些胶乳通常用盐凝聚，水洗后于 燥、成形、包装f 搠。 标准的乳胶聚合丁苯橡胶，苯乙烯含量为2 3 。5 ，当苯乙烯含量高于这个 比例时，称为高苯乙烯橡胶。此外，在胶乳中用适溺的方法加入炭黑，使其分 散，与橡胶一起凝聚干燥，即褥到湿法炭黑母炼胶( 充炭黑橡胶) 。丁苯橡胶生 产工艺流程如图2 1 所示。 7 丁苯橡胶生产过程控制软件的开发及控制算法研究 图2 l 丁苯橡胶生产过程 丁苯橡胶的生产工艺大致可分为聚合过程，单体的合成和精制以及橡胶后 处理三部分： ( 1 ) 聚合过程 聚合过程是单体在引发剂和催化剂作用下进行聚合反应生成聚合物的过 程。有时用一个聚合设备，有时多个串联使用。合成橡胶的聚合工艺主要应用 乳液聚合法和溶液聚合法两种。目前，采用乳液聚合的有丁苯橡胶、异戊橡 胶、丁丙橡胶、丁基橡胶等。 ( 2 ) 单体的生产和精制 合成橡胶的基本原料是单体，精制常用的方法有精馏、洗涤、干燥等。 ( 3 ) 后处理 后处理是使聚合反应后的物料( 胶乳或胶液) ，经脱除未反应单体、凝 聚、脱水、干燥和包装等步骤，最后制得成品橡胶的过程。乳液聚合的凝聚工 艺主要采用加电解质或高分子凝聚剂，破坏乳液使胶粒析出。溶液聚合的凝聚 工艺以热水凝析为主。凝聚后析出的胶粒，含有大量的水，需脱水、干燥。 在丁苯橡胶生产项目中，苯乙烯和丁二烯两种原料在4 台串联的连续搅拌立 式釜式聚合反应器中，与乳化剂( 歧化松香酸钠) 混合后，在5 摄氏度低温下，以 过氧化氢二异丙苯( d i p ) 为引发剂，以甲醛、硫酸钠及e d t a 一二钠盐为催化剂， 二种单体发生共聚，生成丁苯胶乳，生成的丁苯胶乳经单体回收单元一回收未反 丁苯橡胶生产过程控制软件的开发及控制算法研究 应单体( 苯乙烯、丁二烯) 后，经掺和( 充油) 、凝聚、脱水、干燥、称量、压 块、包装后作为产品送出装置。 2 2 间歇过程生产的特点及其对控制的要求 丁苯橡胶控制系统介于程序间歇控制和综合间歇控制之间】。间歇生产过 程又称批量生产过程，是工业生产中广泛采用的一种生产方式，占有很大的比 重。在生产过程中，由于生产设备的物理结构或者其它经济上和技术上的因 素，使生产过程由一个或者多个按一定顺序执行的操作步组成，这个生产过程 就认为是一个间歇生产过程，换句话说间歇生产过程就是以顺序的操作步进行 批量产品生产1 0 2 1 。 在化工生产过程中，无论是连续生产过程还是间歇生产过程，都可以视为 单元操作的组合，如图2 2 所示： 图2 2 化工生产操作示意图 在现实生产中，间歇生产过程工厂一般安装有多台反应器，配置大小不同 的多种兼用设备，用来生产多种产品或者是一系列不同规格的产品。因此常把 间歇生产过程按照其生产的产品分为单产品，多产品和多用途3 类。 根据间歇生产过程的自动化程度，间歇控制系统大致可分为以下三种类 型： 1 顺序间歇控制：又称简单间歇控制。一般只具有辨别间歇生产过程中各 个操作阶段的逻辑控制功能，在基本操作阶段中控制各个设备操作步的顺序控 制功能，在生产出现异常情况时，具有通过人工干涉处理可恢复故障和不可恢 复故障的推理控制功能。顺序间歇控制中的输入输出信号皆为开关量。 2 程序间歇控制：间歇化工生产中最常见的一种间歇控制系统，它除包 含顺序间歇控制的全部功能外，增加了模拟量的调节控制功能，控制系统的复 杂程度随着“调节控制离散控制 的比值增大而增加。 9 丁苯橡胶生产过程控制软件的开发及控制算法研究 3 综合间歇控制系统：它以间歇生产过程综合经济指标最优为目标，集间 歇生产管理和间歇生产控制为一体的间歇控制系统。它除包含顺序间歇控制的 全部功能外，还有配方处理、过程优化、在线或离线的统计过程控制 ( s p c s q c ) 、批量生产管理、计划与调度、能源管理等功能。它是一个计算 机集成的、具有分层结构的集散控制系统。 间歇生产过程最大的特点是频繁地改变生产产品的种类和工艺操作条件， 它具有以下特征： 1 不连续性。这种不连续性不仅表现在物料的加入、顺序操作的步骤是断 续的，而且设备的运行也是间断的。 2 非稳定性。生产的不连续性带来了过程的不稳定性。间歇生产过程从一 个稳定状态转为另一个稳定状态，或者根本没有稳定状态，因而可能存在多种 状态的组合，有时会出现意外的变化，控制系统之间也会发生不可预测的相互 作用。设计间歇生产过程控制程序必须有正常工况和异常工况下的控制策略， 发生故障时执行专门的故障程序。 3 不确定性。间歇生产过程中生产的产品种类常常要根据市场需求的变 化而发生改变，设计间歇生产必须考虑可以进行多种产品生产。处理不确定性 是间歇生产过程设计、运行以及控制的一个特点。 4 共享资源处理。间歇生产过程中物料常常是多路并行流动，在同一时间 几种不同的产品处在不同的操作阶段，因而间歇生产过程中如何协调多路物料 流操作，如何调度和分配共享设备是相当复杂的。 5 配方及其管理。间歇生产过程不同产品原料配比、控制参数、操作顺序 等要求及其严格，而生产过程中产品种类繁多，同一种产品每次生产的数量也 不一样，因此必须采用配方的形式进行生产管理、过程控制。 正由于间歇生产过程的以上特征，决定了它在控制策略、控制功能和自动 化技术等方面具有特殊的要求： 1 在控制策略上涉及许多顺序操作，步与步之间的切换有的是时间触发， 有的是状态触发或者事件触发。 2 由于过程操作的顺序性，被控对象的特性是变化的。为适应间歇生产频 繁改变产品品种和规格的“柔性 操作，控制系统也必须具有柔性，易于“重 1 0 丁苯橡胶生产过程控制软件的歼发及控制箨法研究 组和燕新整定参数。 3 问歇生产过程的操作优化与连续生产过程不网，其优化值一般不是恒定 的稳定值，而是随时间变化的优化轨迹。 4 闽歇生产由予生产的品种繁多，共用设备资源，因此配方管理、生产调 度任务繁重、复杂。 1 9 7 6 年越c 掇三闻歇过程计算枕控制研讨会指出；“从生产观点上说，闻 歇生产是一项困难的操作，其固有的顺序特征向计算机控制提出了特殊的 要求。嗍，因此计算祝技术的进步推动了阕歇生产过程的发展。 总之，间歇生产具有投资少、适应性强，改变生产的品种和规格不会造成 设备资源浪费等优点。 丁苯橡胶生产过程控制软件的开发及控制算法研究 第三章丁苯橡胶生产计算机控制系统硬件构成及软件开发 本章基于d e l t “系统平台，通过对丁苯橡胶生产过程的研究与分析，完成 计算机控制系统软件的开发。包括监控软件、间歇过程控制软件的开发，及复 杂控制方案在d e l t a v 系统中的实现。 3 1 丁苯橡胶生产计算机控制系统 3 1 1d e i t a v 系统介绍 艾默生公司的登e 王t 斟系统是全球第一套全数字自动纯系统。d e 王专斟系统 既是一个开放的通信网络，又是一种全分布式的控制系统。具有以下的特点： 1 数字纯系统：b e 王t “系统是基于p 王鞠乞氍b 的思想设计的优化工厂性能的 数字自动化系统。完全集成了兼容多种总线的“智能化工厂能力，包括h a r t 基金会现场总线、高速离教总线以及嵌入式的先进控制。实现基本控制、参数 修改、报警、显示、监控及控管一体化。 2 支持智能设备：它作为智毵设备的联系纽带，把挂接在总线上作为网络 节点的智能设备连接为网络系统，在实现d c s 所有功能的同时，可以支持各种 现场智能设备。 3 精确控制：精确控制以智能现场设备中有效的、有时间标识的数据为基 础，设备运行状况直接传送给先进控制算法，并采取相应的控制手段。d e 圭t a v 软件包可内嵌模糊控制、神经网络控制、预测控制、自动整定、调节控制等先 进的控制产品，嗣时具备系统优化和仿真的功能，使得整个控制过程变得智能 化和简单化。 4 控制器卡件的智能化：当系统处于上电或运行状态时，系统组件包括控 制器、i o 、现场设备和工作站可以在线添加或拆除。无需停产，可随时进行系 统升级和扩展。控制器和l o 卡俘全部采用模块化、智能化设计，一经上电， 系统自动识别其类型，自动分配地址，系统采用标准的i o 背板，所有卡件可 以混合进行使用，没有位置的限制；任何卡件都可以进行带电熟插拔，不会对 系统运镗造成任何影响。另外卡件每个通道与现场之间都采用了光电隔离技 术。卡件的集成度更高，体积更小，标准的接线端予直接与i o 卡件起插在 i o 背叛上，方便了接线，大大节约了安装空间，减少了中间故障环节。考虑 1 2 丁苯橡胶生产过程控麓软俘酶开发及控钊算法研究 到用户不会一步到位完全采用现场总线，所以d e l t a v 系统保留了对传统d c s 信 号的处理功能，d e l t a v 系统都提供了相应的常规i o 卡件进行处理，用户可以 随时方便地过渡到现场总线。 5 冗余控制：考虑到高可靠性和增加系统利用率，d e l t a v 系统采用冗余的 控制器、卡件、总线电源、串行接口等。d e l t “系统的控制器具有在线宪全冗 余的功能，在系统正常运行时，不需要停车，只需把第二套控制器所插放的底 板与运行中控制器底板通过其自带的标准插口插接起来，则系统自动完成控制 器冗余，不需要任何组态，不需停车，不需额外接线，对系统的运行不会造成 任何影响。这是d e l t “系统控制器独一无二的在线冗余方式。i o 卡件的冗余 也是无需任何组态，由系统自动识别完成的。 6 预测性维护：d e l t a v 系统内置的a m s 设备管理系统可方便地调用关键性 设备的信息，进行组态、配置和设备记录审查，并为预测性维护提供高级诊断 信息。将预防和被动维护转化为预测性维护，从而避兔过程故障的查找或意外 停车。 7 。远程操作：对于授权用户，无论何时何她，可以通过工厂以太网、卫星 或网络浏览器调用操作屏，监视甚至控制过程，从面满足用户对过程的远程组 态、操作、诊断、维护等要求。 8 功能强大、灵活方便的组态：d e l t a v 系统的功 | 廷块是基于即标准开发 的，面控制方案采用王e c 一6 1 1 3 l 标准，控制方案组态采用标准功能块连接的图 形语言方式完成，无需荐填写表格，即鼠标拖放式组态；而且具有在线仿真功 能，可以使组态的难确性立即得到验证，大大减少了现场调试的工作量，缩短 了工期；d e 圭t a ￥系统图形环境使工艺流程图的绘制工作变褥非常容易。另终， d e 王t 群系统可以离线运行，用户可以离线组态，即离线进行各种控制方案的组 态和流程图的绘制工作。仿真运行时，我们可以对组态方案进行调试，就像调 试￥i s u a l8 a s i c ，￥主s 越a 王e + + 程序一样，可以进行单步运行调试、设置断点 等，使得调试工作简单灵活。 3 2 系统硬件构成 丁苯橡胶生产项目，整个生产现场分为3 条生产线，系统中需要控制、监 控的现场设备点一共有1 3 9 2 个，其中模拟量输入( a 王) 4 6 6 ，模拟量输岛 苯橡f 过程控制软件的r 熊控制算往研究 ( ) 4 3 7 ，数字量输入( d i ) 2 7 l ，数。，量输出( d o ) 2 1 8 。丁苯橡胶生产装置 的控制系统( d c s ) 构成如图3i 所示： 凋。怠。 羽国霪雪一圈露霍圈“嘲需 愚岗 图3l 丁丰橡胶生产装胃计算机控制系统的构成 丁苯橡胶生产装置的d c s 系统采用的是e m e r s o n 公司的d e n a v 系统， d e l t a v 系统采用f f 规定拓扑结构即工业以太网，工作站和控制器构成控制网 络的节点，d e l t a v 系统的任何两个节点之间都是对等的，信息直接交流，而且 所支持的数据格式相刊，即d e l t a v 系统的控制器直接支持t c p i p 数据，数据 传输速率为1 0 0m b p s ，所以目前d e l t a v 系统的控制网络传输速率为1 0 0m b p s 。 d e n a v 系统的控制网络结构决定了d e l t a v 系统的结构简单、安装方便、组志 容易、可靠性高，任何一个节点离线，不会对系统运行造成影响。 丁苯橡胶生产装置控制系统的网络节点有：一个一l 程师站、三个操作员 站、一个应用站、两个控制站。 1 工程师站具有配置数据库、组态、丌发操作界面、自诊断等功能，能够 管理、协调备操作站，控制站和应用站以及整个网络的运行。在每个控制系统 中只能有一台= = 程师站。 2 操作员站f i 于级别较低，他们无权改动系统的设置，但是且有修改操作 界而、查看连续历史趋势、历史报警等功能，为操作员提供方便的、清晰的操 作画面，实现人机对话，操作站可以有多台。 3 应用站作为整个系统管理的服务器，通过以太网将d e l t a v 控制网络与 l1日 一旦斗 一帚一曼 一是一 丁苯橡胶生产过程控制软件的开发及控制算法研究 其他网络相连。可以使用户在任何地方，通过i n t e r n e t 远程对d e l t “系统进 行访问、诊断、监视，为领导者和专家在远离生产装置的地方进行决策和指导 维护提供依据。 4 控制站用来执行本地工艺过程控制、管理数据、管理输入输出系统和控 制网络之间的通讯，每一个控制器都有一个输入输出子系统用来处理现场设备 的信息，一般为了安全可靠运行，均采用1 ：1 冗余方式。本装置一共有两个控制 站。 3 2 监控软件开发 控制系统软件的开发包括监控软件的设计开发、和控制软件开发。本节只 介绍监控软件的开发，至于间歇生产过程控制软件将在3 3 节中介绍。监控软 件的开发包括工艺流程图、软手动操作、趋势显示、历史报表、实时报警、用 户权限设置等。 3 2 1 工艺流程窗口 工艺流程窗口的设计内容包括现场各类设备及各种工艺参数的动态监视、 实时操作控制窗口和历史报警汇总、历史事件记录等系统管理窗口。工艺流程 的画面必须直观形象、简单明了，使操作者能方便地监视和完成各种操作控 制，减少操作人员工作量和避免生产过程中的误操作发生。 根据丁苯橡胶生产现场设备布局情况以及在生产中的使用特点，将整个生 产现场划分为单体精制，聚合反应，和后处理三大区域进行监控，相应的窗口 就有原料储罐工艺流程，单体精制生产线工艺流程、聚合生产线工艺流程、后 处理系统工艺流程、报警汇总、历史事件记录。通过这些可视化窗口，操作人 员就能够准确、迅速、有效地完成对生产现场的安全监督和实时控制。点击图 中的按钮即可完成各窗口之间的切换。如图3 2 所示为聚合反应工艺流程窗 口。在工艺流程窗口显示的内容包括： 1 设备、管道、阀门之间的工艺流程关系； 2 原料罐、反应釜、成品罐、回收处理罐的液位、温度、压力、p h 值、 重量等； 3 ：生产生活消防水、冷却水系统水池液位、管网压力、管道介质流速、介 质温度等； t 革檬腔q 产过程撺制软件的开发厦控$ 4 算法研究 4 调节阀的开度，变频调速电机的转速； 5 各种开关量( 安全限位开关、状态指示开关、气动开关阀、泵) 的开 关状态； - 4 d - l m l 。1 1 k 一0 p 雹l 碡了蟹捌超生! ! i 蹈邕百 龟 g 竺： ! !g ! 竺 崮星j 盘；剿! l 霜 网32 丁苯橡胶聚合生产线工艺流程窗口 为了使操作人员更好地区分现场的各种运行状态，系统中采用了不同的颜 色变换来表示不同的运行状态：液位、温度、压力、p h 值、流速值在正常范围 时背框显示为黑色，非萨常时红色。安拿限位丌关、状忐指示开关正常时相应 指示灯显示为绿色，报警时为红色闪烁；气动丌关阀及泵处于丌状态时，设备 显示为绿色，芙状态时为红色。 322 软手动操作 所谓软手动指通过p c 操作窗丌完成现场设备控制的操作过程。现场的有 牡设备只有软手动操作方式，如泉的停操作：而另外有些设备在调试阶段、牛 产试运行阶段、生产的非正常时期，也需要软手动方式操