利用霍尼韦尔ProfitLoop技术对环氧丙烷控制回路进行改造

摘要：Profit loop 是一个驻留在Honeywell PKS 集散系统上单入单出的模型预测控制器。对于具有大滞后、逆响应、严重噪声等特点的控制回路，Profit Loop相比传统的PID 控制具有更好的控制和优化效果。该论文是以滨化集团环氧丙烷装置的难点控制回路——皂化二级外回流冷凝器气相出口温度为改造研究对象，利用Profit Loop 优化技术代替常规PID 控制的改造过程。

关键词：PID，Profit Loop，PKS，改造,模型

1. 前言

山东滨化集团大大小小有四套环氧丙烷装置，总量为180000t/a，装置控制系统均采用Honeywell PKS。装置中的大滞后控制回路一直是装置经济运行的难点，比如环氧丙烷装置中皂化二级外回流冷凝器气相出口温度回路，由于前后装置之间耦合严重，温度控制过程反应慢，动态响应时间长，滞后严重。使用常规PID 控制效果一直不佳，手动操作效果也不理想，直接影响到了产品的质量和能源的消耗。为了提高装置的控制水平，我们逐渐推广先进控制Profit Loop技术来解决装置中大滞后的控制回路，提高装置的控制水平。

2．Profit Loop 控制技术介绍

在化工流程工业的控制中，PID 控制依然是应用最为广泛的控制策略。虽然设计简单，PID 控制器从普通的流量控制回路到高度复杂的反应过程得到广泛的应用。PID 控制有许多优点，但还是有它的局限性，控制工程师将它应用于带有大的纯滞后过程时，结果通常是失败的。控制作用强时，回路控制不稳定；调节作用弱时，控制性能下降。在实际应用中，许多过程控制不一定只在设定点上，而仅要求控制在一定范围内，就能满足要求。

预测控制的基本思想是预测控制器用过程模型和控制算法来预测未来的状态，并产生当前的控制输出。模型预测控制器将过程的测量值和由过程模型得到的所期望的响应相比较，当模型和实际过程有偏差时，偏差被反馈到控制器中，校正下一个周期的计算；如果模型很好地捕获了过程的动态特性，控制器仅仅校正过程的干扰。这使得预测控制技术在理论上解决了较大纯滞后的控制过程。其控制方框图如图1 所示：

Profit Loop 是一个驻留在PKS DCS 系统上单入单出的模型预测控制器，它可以用一个简单的过程模型根据过去和现在的过程变量，来预测将来过程变量的动作。当Profit Loop 控制器满足操作目标时，内置的优化器用同一个模型满足经济目标。经济目标可以是最大化产率，最小成本，操作弹性很大。它是一种具有专利的高效模型预测控制算法，允许用户在区间控制和设定点控制之间进行控制选择，在约束区间内优化操作。Profit Loop 具有广泛的使用性，Profit Loop可以处理困难的动态控制(例如振荡，反向响应，纯滞后等)，当传统的PID 算法在面对噪音信号，非最小相位的动态响应或不能确定的动态过程等，而无法控制时，Profit Loop 可以显示它的优越性。随着控制和优化双重目标的设计和模型预测能力，Profit Loop 也适合于特殊控制应用，包括离散分析仪控制和非线性液位控制。

3．Profit Loop 控制改造的原因和目标

环氧丙烷工艺中皂化反应是氯丙醇和皂化剂氢氧化钙反应，生成环氧丙烷和氯化钙以及水。该反应的化学方程式如图2所示：

图2 皂化反应方程式

皂化剂与氯醇溶液充分混合后再进入皂化反应器。皂化反应器顶部气相进入皂化一级外回流冷凝器，用工艺水冷却，冷凝液回流，气相进入皂化二级外回流冷凝器，用循环水或冷水冷却，冷凝液回流，气相进入下一级界区。皂化反应产生的皂化废水由皂化塔底泵输送至其他界区。其化学方程式和工艺流程图分别如图2和如图3所示。该反应生成的环氧丙烷易水解成丙二醇，温度是影响反应产率的主要因素，温度过低造成反应速率的降低，也会造成氯丙醇转化率降低，温度过高则会造成丙二醇的生成。所以环氧丙烷皂化二级外回流冷凝器气相出口温度的控制对该装置非常重要。

图3 皂化反应流程图

环氧丙烷皂化二级外回流冷凝器气相出口温度回路在未使用Profit Loop前，该回路原来使用PID控制，温度控制效果一直不理想，波动大，因此该回路大部分时间不能投自动，以致影响整个系统的稳定性。