CN1046618A - 聚氯乙烯聚合釜计算机优化控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及聚氯乙烯聚合釜用具有模型参考自适应预估技术的SDS-1计算机优化控制系统，即以釜内压力变化来预估釜内温度的带自辨识的控制系统，该计算机优化控制系统为上位机、下位机两级控制，上位机配有系统机，打印机，终端和键盘，实现集中监视，下位机为单回路调节器，进行分散控制，上下位机之间设置通讯转接器，完成讯号联络，从而实现多个回路集中监视和管理。

Description

本发明涉及聚氯乙烯聚合釜用具有模型参考自适应预估技术的SDS-1计算机优化控制系统。即以釜内压力变化来预估釜内温度的带自辨识的控制系统。

长期以来，为建立克服大滞后对象的控制系统，人们作了大量的试验研究工作。在间歇生产装置上要克服大滞后困难更多。主要表现在加热和冷却是间断状态，热量和冷冻量的传递速度很慢。使控制系统调节不及时。形成过调和欠调，直接影响调节品质和产品质量。

本发明的目的是为解决大滞后对象控制系统的调节品质问题。专门为这类对象设计模型参考自适应压力预估温度的控制系统。该系统将预估器置于主回路的反馈回路中。设计成釜内温度与夹套温度组成串级控制系统，并且有压力预估功能。系统运行表明有良好的调节品质。

聚氯乙烯聚合釜用模型参考自适应预估计算机优化控制，系统为上位机、下位机两级控制，上位机配有系统机，打印机，终端和键盘，实现集中监视，下位机为单回路调节器，进行分散控制。上下位机之间设置通讯转接器，完成讯号联络。从而实现多个回路集中监视和管理。可以保证在任一回路故障时不致引起整体故障。为了克服密闭反应器滞后特性和提高温度的测量精度。利用反应釜内压力的变化及测量比温度来得迅速。且实质上釜内压力改变是温度变化的前奏。因此，在反应釜内温度和夹套温度串级控制系统中，引入反应釜内压力预估釜温的方法可提前产生控制作用。能较好地克服反应釜的滞后，提高釜温的控制精度，满足生产食品级、医用级树脂的需要。通过对大量操作数据的分析比较，注意到同一时间坐标系中，压力与温度的变化响应。压力变化远超前于温度变化。

对于高标号树脂要求高精度的釜温测量。采用压力测量来预估（推断）釜内温度去补偿温度测量滞后，使执行机构提前响应。实践证明这种预估效应，能很好地弥补温度测量滞后对调节品质的影响。

假如反应釜内的真实温度θ与真空压力P在反应前期和中期具有线性关系（实际是非线性的）。用压力预估温度，当然对非线性可加以校正。实际生产中，压力和温度变化十分缓慢，以致校正不会影响系统和稳定性。

以下将结合附图对本发明作进一步说明

图1：控制系统组成方块图

图2：控制系统原理方块图

图3：模块编程原理图

在图1所示硬件环境下，前级机采用模型参考自适应控制和压力预估温度技术。满足聚氯乙烯聚合釜的优化控制。其控制原理见图2

图1中模型参考自适应压力预估控制系统，由五部份组成：

1.在线辨识：连续地测量和辨识被控对象的动态特性。

2.付环调节：控制反应釜夹套温度，主要扰动由付环克服。

3.自适应控制：自动地为调节器参数改变作出决策，随时得出控制系统最佳参数。

4.压力预估：利用压力超前于温度的特征和反应釜前期，中期压力与温度有良好对应关系的规律，提供给调节系统超前控制讯号。

5.主环调节：根据不断整定的可调参数和自适应控制算式，产生相应的控制作用，实现优化控制。

控制模型：聚合釜的产热及供热的精确计算十分困难，考虑用近似热衡式，对近似造成的误差进行修正。

QCp（T2-T1）＝KF（T (T1+T2)/2 ）

式中：Q：冷却水流量kg/hr

Cp：冷却水，比热（近似取4.2＊1000J/kg    k度）

T1，T2：冷却水进夹套，出夹套温度K度

F：夹套传热面积17.5平方米

K：传热系数326K    CAL/M.hr.k度

T：釜内温度K度

控制算式：假定温度T和压力P之间有如下关系：

T＝aP+T0    （1）

T0＝bS（Tm-T）dt    （2）

a，b：为常数

T0：为修正值

T：为温度给定值

Tm：为温度测量值

P：为压力测量值

当釜内发生反应时，压力变化的测量先于温度变化的测量。按（1）式计算出T，计算机即调节冷却水。其中T0按（2）式运算，式（2）本质上与积分作用一致，若T≠Tm，积分作用持续进行，通过式（1），（2）的反复计算，修正、阀门位置不断变化，一直到T和Tm相等。计算装置和调节器处于稳定状态，从而满足了参数辨识，压力预估，自适应控制，克服滞后的要求。

控制软件：软件用模块化语言编写。程序共分四段实现。

①升温阶段：用逻辑判断与表格相结合的结构，用估计模型获取接近真实的反应温度。

②过渡阶段：采用阻尼过渡（不超调过渡），获得接近于真实的反应釜温度。

③反应阶段：满足控制要求，克服滞后（10～15分钟），由模型参考自适应预估器完成克服系统动态差异的缺点。

④降压阶段：反应釜压力与温度失去线性关系，用逻辑判断，反应时间，釜内压力，釜内温度诸参数，判断是否已进入降压阶段。

自适应及预估控制逻辑：

单回路调节器实现图2功能的模块编程原理如图3所示。其中1号至5号模块实现主调节器测量回路反向通道的自适应预估功能。6号至7号模块实现正向通道的串级调节功能，说明如下：

由釜温度变送器和釜压力变送器送来的讯号，通过A    I1，A    I2两个模拟输入点，经量化处理后，转变为0～100%的数值。1号模块求出偏差，2号模块将此偏差与釜压相乘。经3号模块积分后，再由4号模块与釜压相乘，结果分别送至5号模块与6号模块，5号模块将上述结果送给参考模型，经一阶惯性滞后环节，再返回至1号模块，6号模块将上述结果作为自适应和预估的值送到串级调节系统的主调节器的测量端，与参考模型送来的给定值（SP1）相比较得到系统的偏差量。其偏差按照比例-积分-微分（PID）规律运算，结果作为主调输出。经7号模块送至付调节器的给定端。与夹套温度A    I3相比较后，其偏差作为付调的输入，付调节器也按PID规律，其输出分别经8号模块高限幅和9号模块低限幅后送至10号模块手操器。SDS-1系统的输出值至冷却水调节阀。同时，此值又返回调节器跟踪端，以实现系统的无扰动切换功能。

按图3模块编程是实现图2所示自控原理主流程的最简单的原理编程方法，在实际过程中针对不同对象其参数和模块功能选择均有所变动。

聚氯乙烯聚合釜用模型参考自适应预估计算机控制系统的优点：

1、采用分散控制、集中监视、完成聚氯乙烯的计量、进料和控制。性能稳定，工作可靠，抗干扰能力强，具有完备过程控制机的功能。

2、用回归和热衡分析建立模型。以仿真得到对象特性参数。在模型参考自适应系统中加入釜压预估釜温的预估器。较好地解决了对象的非线性、非稳定、时变特性和大滞后。运行证明是成功的。

3、解决了长城机和单回路调节器之间的通讯和转换，节省了用外汇购买LDOS操作站，具有推广应用价值。

4、整机价格便宜，控制精度高，投资半年即可回收。

SDS-1机使用操作方法

Ⅰ、前级机计量及控制部分

一、SDS-1机的开机

1.合上外线220V电源闸刀。

2.开总电源开关K18。

3.开UPS电源开关。

4.开仪表电源开关K17。

5.开微机电源K16。

二、软水、单体的计量与进釜

※计量准备

1.开KMP电源开关8K3。

2.开实时钟电源8K2，调整时间。

3.由K12选择1＃或2＃单体槽工作。

4.由8K7～8K9选择不同单体高度。

5.开8K4，进入准备状态。

※软水进釜

开8K5，自动进水。

※软水进槽

软水进釜结束后自动转向软水进槽。

※人工干预

软水进釜结束，进槽开始的同时，发讯通知操作人员处理

（加助剂，开搅拌，盖人孔等），处理结束后关8K5。

※单体进釜

开8K6，单体自动进釜。

※单体进槽

单体进釜结束后自动转向单体进槽。

※计量过程的故障处理

关闭当前打开的计量开关（8K4，8K5，8K6）。

三、升温、反应、降压过程

1.开KMM电源开关2K2。

2.开反应时钟电源2K1。

3.开在线/离线开关2K3。

※升温阶段

开启动/停止开关2K4，自动开始升温，待蒸汽阀自动关闭后，将在线/离线开关2K3关掉。

※反应阶段

该阶段一般不需人工干预，程序按跟踪→手动→自动→串级的顺序自动控制。时钟指示反应时间。

※降压阶段

压力下降到低于反应压力0.03MPa时，自动发“降压出料”信号，转向手动方式，人工出料。

将启动/停止开关2K4关掉，准备下釜反应。

Ⅱ、上位机通讯，显示与打印部份

SDS-1机采用前后二级计算机控制，前级机为山武-霍尼威尔单回路调节器，上位机为长城0520CH机。其功能包括反应状态的显示，参数的设置和在线修改，超限讯号的告警。数据报表的打印，和反应曲线的拷贝。

一、开机准备

1.检查所连接的各台单回路调节器是否均已接通电源。若未通电应将对应电源开关打开，否则上位机将作为通讯错误处理。

2.开打印机（TH-3070）电源，调整好打印纸位置。

3.开上位机（GW-0520    CH）电源，听到“嘟”一声后，计算机进行自诊断和外设初始化工作。

4.开机约15秒后，屏幕出现控制系统显示选择画面，左上角为当前日期和时间，底部为提示行和操作键说明，中间为可供选择的几个显示画面名称，操作员按需要按动相应功能键选择显示画面。

二、上位机的操作

本软件系统专为SDS-1型聚氯乙烯聚合工段微机优化控制系统设计，系统启动后自动进入上位机监视状态，根据用户需要可选择不同显示画面。

开机后首先进入屏幕显示功能选择状态（下称主画面），共有六种显示状态。

1.PVC聚合釜运行状态显示

在主画面下，光标号码在1位置时，按F1～F7间任意键，进入被按下键所代表的运行状态显示画面。该显示画面，将所监视的七台聚合反应釜的工作状况以直方图形式显示出来，屏幕中部为各台釜的直方图，自左向右依次为调节器输出值（FW）。釜温测量值（PV）和釜温给定值（SP），左右两侧为相应的标尺。屏幕下部依次显示各釜的反应时间，树脂型号。生产状态和釜号。底部为功能键提示。按F10键返回主画面。

2.PVC聚合釜带控制点流程图

主画面下，光标号在2位置时，按F1～F7键分别选择一号～七号反应釜的流程图显示。屏幕将带有控制点及对应参数的流程图显示出来，若该釜进入计量状态，则显示计量系统中各液位和阀门的开闭状态和调节系统各参数（釜压，釜温，夹套温度，蒸汽阀开度，冷水阀开度）;若已进入反应过程，则隐去计量状况，仅显示调节参数，并在右上角开始记录反应时间;若在停止状态（既未计量又未反应），将只显示流程图，而无参数及状态显示。

在该显示方式下，按F1～F7键可直接显示其它反应釜的流程图，按F10键退回主画面。

3.PVC聚合釜工艺参数汇总表

在主画面下，光标号码在3位置时，按F1～F7中任意键进入汇总表显示方式。屏幕将计量系统液面和阀门开闭情况与1号～7号各反应釜的调节参数集中在一个画面上显示出来，以便对比和观察，按F9键随时可申请打印参数，按F10键返回主画面。

4.PVC聚合釜T-t曲线显示

在主画面下，光标号码在4位置时，按F1～F7键选择1号～7号反应釜的时间（t）与釜内温度（T）曲线显示，屏幕上部有该釜反应的树脂型号，参考温度和参考压力。中部的T-t曲线以每分钟一个点的密度将釜内温度曲线显示出来。起始时间为升温开始，终了时间为降压结束，若该釜未投入反应则无曲线显示。

在该显示方式下，按F1～F7键可直接显示其它反应釜的T-t曲线，按F10键返回主画面。

5.PVC聚合釜参数越限报警显示

在主画面下，光标号码在5位置时，接F1～F7中任意键选择报警显示，报警点为各釜的釜内温度超限和釜内压力超限以及计量系统的单体与软水的超限，每个报警点以一方框表示、方框内两位号码表示点号。其中第1位为釜号（1～7为1号～7号釜，0为计量系统）。第2位为参数号（1为釜压，2为釜温，计量系统中1为单体，2为软水）。遇有报警时，在对应框内右上两边填满红色以示报警，并将报警时间填入框内，当报警撤消时，红色消失，时间保留，直至下次该点发生报警时刷新为止，按F10键返回主画面。

6.PVC聚合釜参数设置及修改

在主画面下，光标号码在6位置时，按F1～F7中任意键进入参数修改状态，操作人员可在该状态下修改各釜的调节参数和报警参数，修改方法如下：

①用光标移动键（↑或↓）将光标移至准备修改的参数上。

②按回车键表示欲进行修改此参数，这时在屏幕底部修改参数字串之后出现该参数的当前值。

③用光标移动键（↑或↓）对该参数进行增（↑）减（↓）处理，按键时间越长，修改速度越快，直到认为适当值为止。

④按回车键，确认此参数，这时上位机将修改后的参数写入单回路调节器，并将原参数刷新。

⑤移动光标继续修改其它参数或按F10键返回主画面。

在此显示方式下，因修改参数时占用主机CPU时间，故不要停留在修改方式不作处理，修改设定后立即按回车键确认，以免影响系统计时。

三.上位机使用注意事项

1.六种显示方式之间的切换均需在主画面下进行，用F9（上移）或F10（下移）将光标移动到所需显示画面上，再按功能键选择显示。

2.遇到某一釜反应结束时，不论当前屏幕为何种方式，均自动切换到该釜的T-t曲线显示画面上并将反应曲线拷贝（复制）到打印机上，此时不要强行按键。待拷贝结束后，再依据屏幕底部提示按键。

3.开机后每10分钟由打印机打印一次各釜反应数据，因是脱机打印，故时间较长，不必等待打印完再进行其它操作，但也不要推动打印机走纸装置。若需招呼打印数据，可在汇总表画面上用F9键实现。

4.系统运行中遇到通讯故障时，在屏幕左上角将会显示故障名称，若为偶然性故障，按空格棒即隐去故障显示;若为单回路通讯故障，应先检查单回路本身是否断电或信号接触不良，排除后按空格棒消除故障显示;若为通讯转接器故障（如格式错，超时错等），则可将转接器复位一次（按背板上复位按扭）再用空格棒消除故障显示。若仍不能解决，应关闭上位机、转接器及打印机电源，通知维修人员修理，此时并不影响前级单回路调节器的正常工作。

5.上位机一旦进入监视系统，无特殊原因不得强行退出或关机，否则将丢失先前反应的记录数据。

Claims (4)

1、聚氯乙烯聚合釜用模型参考自适应预估计算机控制系统，其特征是系统分为上位机、下位机两级控制。上位机配有系统机、打印机，终端和键盘，实现集中监视，下位机(前级机)为单回路调节器，进行分散控制；上下位机之间设置通讯转接器，完成讯号联络，从而实现多个回路集中监视和管理，下位机(前级机采用模型参考自适应控制和压力预估温度控制，控制软件用模块化语言编写。

2、根据权利要求1所述的聚氯乙烯聚合釜用模型参考自适应预估计算机控制系统，其特征是模型参考自适应压力预估控制系统，由在线辨识、付环调节、自适应控制。压力预估、主环调节五部分组成。

3、根据权利要求1.所述的聚氯乙烯聚合釜用模型参考自适应预估计算机控制系统，其特征是控制软件模块化语言编写程序分四段实现：

1）升温阶段：用逻辑判断与表格相结合的结构，用估计模型获取接近真实的反应温度;

2）过渡阶段：采用阻尼过渡（不超调过渡），获得接近于真实的反应釜温度;

3）反应阶段：由模型参考自适应的预估器完成克服系统动态差异;

4）降压阶段：反应釜压力与温度失去线性关系，用逻辑判断反应时间，釜内压力，釜内温度诸参数，判断是否已进入降压阶段;

4、根据权利要求1.所述的聚氯乙烯聚合釜用模型参考自适应预估计算机控制系统，其特征是自适应及预估控制：由釜温度变送器和釜压力变送器送来的讯号，通过A  I1.A  I2两个模拟输入点，经量化处理后转变为0～100%的数值，1号模块求出偏差，2号模块将此偏差与釜压相乘，经3号模块积分后再由4号模块与釜压相乘，结果分别送至5号模块与6号模块，5号模块将上述结果送给参考模型，经一阶惯性滞后环节。再返回至1号模块，6号模块将上述结果作为自适应和预估的值送到串级调节系统的主调节器的测量端、与参考模型送来的给定值（SP1）相比较得到系统的编差量，其偏差按照比例-积分-微分（PID）规律运算，结果作为主调输出，经7号模块送至付调节器的给定端，与夹套温度A  I3相比较后，其偏差作为付调的输入，付调节器也按PID规律，其输出分别经8号模块高限幅和9号模块低限幅后送至10号模块手操，SDS-1系统的输出值至冷却水调节阀，同时此值又返回调节器跟踪端。

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