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1  前言

    石化产品中85%以上以聚合物为最终产品，聚合物的质量指标和分子链长分布决定了产品特性，如成纤、成膜、高强度等。这些特性和聚合方法有关，更依赖于生产过程的工艺操作条件。

    要实现在生产过程中预期的效果，需研发综合自动化系统，采用过程模型化技术、自动化技术、信息技术和现代管理化技术，将现场大量传感器信号经网络实时传给全厂的数据进行综合，向企业决策系统提供装置生产评价、资源核算、质量分析与控制的深层信息，以提高企业经济效益、市场的适应能力和竞争能力，是当前企业的重要对策[1]。

    目前，国内外已有商品化综合自动化的软件出现，提出了一些整体解决方案。但对非均相、机理复杂和集多种单元操作于一体的典型非线性时变聚合物生产过程，还需自行开发专业化的生产执行系统。开发过程将涉及多学科协同作战，只有运用跨学科、多专业综合研究方法，才能寻找出适宜的技术策略，更有效地将装置运行数据和控制及管理信息有机的进行转换、加工、传递和整合，进而实现装置的优化运行、监控和管理。

    以聚丙烯腈（PAN）工业生产过程为对象，建立了适用于不同控制目的的全流程多种结构数学模型，开发成集动态数据库、过程模拟、统计分析、质量检测和控制、在线优化、故障诊断等功能为一体的生产执行系统，形成工程化的软件系统连续稳定运行，得到了成功的应用，取得了较大成效。本项目实施是控制理论和信息技术在工业生产中成功的应用实例，以软件创收，提高了企业的自动化和管理水平[3]。

    所建模型及相应技术可推广应用到同类型聚合生产装置，进一步发展成具有我国自主知识产权的先进控制软件。

2  工艺流程简介

    如图1所示，PAN生产工艺流程有聚合、脱单、水洗、溶解和脱泡等环节。整个工艺生产的设备种类繁多，除聚合釜和五效蒸发器外，还有脱单塔、真空旋转洗涤机、高剪切溶解机、溶解槽、脱泡塔等，整个工艺流程集单元操作聚合反应、精馏、分离、溶解、蒸发于一体，气、液、固多相操作融合，又是有单体和溶剂循环回收，关联严重且工艺指标要求高的（直接纺丝）化工工艺过程[2]。

图1  工艺流程图

    某厂PAN聚合装置为我国自主设计开发的装置。装置上配置了先进的集散控制系统DCS，并通过网络通讯和上位机连接，具有良好的软件开发环境。

3  软件系统总体框图

    开发的软件系统总体结构如图2所示[3]，开发的系统由以下几个主要部分组成：

    (1)  动态数据库

    采用数据接口技术和位号映射技术建立DCS系统和上位机软件系统的数据通道，并将现场数据运用标度变换、显著误差检测及相关数据处理技术将现场数据送入动态数据库，是软件计算的实时数据源，也是软件系统计算结果数据存贮库。

    (2)  质量指标软测量系统

图2 软件系统结构框图

    采用以模型为基础的软测量技术将生产过程不能直接测量的与操作控制有关的质量指标和组分实现全流程在线实时检测和显示。涉及本项目各设备的指标有聚合物分子链长分布、聚合度、pH值、总固、残单及硫腈酸氰钠浓度等。

    (3)  生产管理软件系统

    充分发挥动态数据库和在线统计计算的功能，完成在线原料能耗统计、成本核算等，通过人机界面完成日、班和任何时段的报表均值及历史数据统计分析等，是工程技术和操作人员进行工艺分析、调整和调度决策的有用工具。

    (4)  故障诊断和报警系统

    除对软测量值和中间计算值超限故障进行预测预报外，应车间要求重点开发聚合釜入口八股流量的故障诊断和预测预报系统。

    (5)  人机友好界面开发

    根据上述系统对界面和结合工艺人员对软件操作要求，开发本项目的人机友好界面。除主界面外，还分有聚合、脱单、水洗、故障诊断和统计管理等界面。每个界面都设有相应的操作功能，如参数设定、曲线显示等。

4  模型开发

    过程模型化是控制论研究基础，也是数字信息处理技术和工艺分析的基础, 它涉及多领域的知识，是本系统开发的创新点和难点所在。过程模型和开发是一个跨领域的复杂过程，需要一个长期不断积累和完善的过程。过程模型的在线正常运行离不开设备工艺和操作控制的正常工作基础，要适应大范围的工况变化和满足对象的时变特性。模型必须不断地完善、改进和在线运行的维护。

    聚丙烯腈生产过程是一个机理复杂、集多种操作为一体的多变量非线性时变对象，结合设备的结构、传质和流动状况，采用机理分析模型为主，与实测数据辨识模型参数相结合方法，建立本项目有关的模型。所开发模型经仿真研究和参数检验及在线运行，模型精度满足不同控制目的和工艺分析要求。针对装置单元操作多的特点，建立了满足不同要求的多种形式数学模型。本项目涉及主要的数学模型有：

    (1)  聚合釜模型

    利用改进的宏观动力学模型并结合神经网络、回归模型等方法，分别建立了三个聚合釜的混合模型；为提高模型精度，通过实验研究方法，给出了pH值和亚硫酸浓度与操作条件的实时定量关系[4]。图3所示是多模型混合混联结构图[5]。从DCS中采集到的输入数据，经过处理，由pH值和亚硫酸浓度回归模型（子模型1）、反应热量模型和神经网络模型（子模型2～4），求出模型过程参数k₁、k₂和k₃及聚合物总数P，最后利用丙烯腈聚合宏观动力学模型，得到聚合物的在线转化率和平均分子量等质量指标[6]。

图3  多模型混合混联结构图

        (2)  脱单塔模型

        脱单塔是一复杂精馏塔。通过严格机理模型方法，结合装置的工程结构，分别建立了脱单塔的精馏塔模型，经实时数据仿真研究，确定了实时在线的简化机理模型[1]。

        (3)  水洗机模型

        水洗机实质上就是回转真空过滤机。鉴于过滤过程十分复杂，采用机理和回归相结合的方法，建立了真空旋转洗涤机的半机理回归模型。

        (4)  高剪切溶解机和脱泡塔模型

        采用机理分析方法，分别建立了高剪切溶解机和脱泡塔的机理模型[6]。

5  质量指标在线检测软件系统

        采用现代控制理论的估计技术，实现全流程各环节的质量指标在线检测并开发了在线运行计算机工程软件系统，成功地实现了“在线分析”。涉及装置输出（主导）变量和选择的辅助变量表1所示，生产过程中工艺操作人员所关心的质量指标都已在内。

表1  软测量系统输入输出表

        软测量系统使用过程中融合了大量现场数据，原始数据的采集、分析和数据的预处理是输入数据处理的第一步，过程检测数据的滤波、误差处理和数据变换就显得非常重要。在软仪表程序编制和实施过程中嵌入了误差处理、标度变换、瞬时输入变量按时间分布进行加权处理和软测量结果进行动态滑动平均等环节[7]。

        系统在使用过程中为适应对象特性时变、工况或负荷的变化，要求模型有一定的泛化性，为保证检测精度，对模型进行校正是必要的。参数估计模块将根据需要进行模型参数的估计、存贮和在线修改，采用了自适应、增量法等优化校正方法。

6  故障诊断系统

        基于解析模型的故障诊断方法仍然是当前及今后的主流之一。PAN生产过程的聚合釜为流程龙头、关键设备和产品的源头，聚合反应机理复杂，影响因素多，操作难度大，故障诊断尤为重要。

        应工厂要求，开发了聚合釜进料流量故障诊断报警系统，采用基于解析模型的故障诊断方法，建立反应原料供配料槽液位与实际流量的关系模型[3]。由于原料的供料情况各不相同，系统实现的难点是根据各自的供料情况，建立合适的模型。同时，由于液位计的液面波动测量本身存在很大的误差，针对此种情况，采用了数据处理技术，对输入的液位数据和输出的偏差数据进行相应的滑动平均和剔除毛刺处理等方法。

7  生产管理软件

        PAN生产管理软件系统是借助于数据库和网络等技术来完成实时生产数据采集、统计计算和数据存储，最终自动生成班报表、日报表以及一段时间的均值报表。主要由三部分组成：数据采集及存储模块、统计计算模块和报表生成模块[3]。

        该系统的成功开发，充分发挥了装置潜在的信息资源能力，完成物流、能源等成品核算等，不仅替代烦琐的手抄数据、人工计算，并及时反映生产信息及相关重要数据，为工程技术人员和管理层提供重要的决策信息，可随时观察和掌握装置运行情况，为生产操作决策给出了有力支撑，实现了以软件技术提高企业效益。

8  系统软件程序结构

        根据不同的语言平台和功能从总体结构上可以大体分为三大模块：后台软测量模型计算模块、前台界面显示（动态数据显示、报警显示、历史数据存储显示和参数设定等）模块和中间数据库模块。软件系统流程图如图4所示[3]。根据系统软测量和控制及现场工艺人员的要求，整个系统的人机界面由六个部分组成：(1) 聚合过程软测量界面；(2) 脱单过程软测量界面；(3) 水洗、溶解、脱泡过程软测量界面；(4) 故障诊断系统界面；(5) 参数设置界面；(6) 管理窗口。每个子界面同时具备实时曲线显示、历史数据查询及显示等功能。

9  总结

        综上所述，聚丙烯腈生产是三单体水相悬浮共聚反应、工艺机理复杂，生产装置设备种类繁多、多种单元操作为一体，并且工艺质量指标要求高（直接纺丝）的化工过程。对检测、控制和故障诊断有很高的要求。对这样一个复杂的工业对象，在装置已有的DCS系统上，通过企业内部局域网传递数据，将企业经营、过程控制和运行管理作为整体，以数据和模型为核心，形成装置信息集成系统，对现场检测数据进行深层加工处理，在上位机上应用软测量、优化和故障诊断技术开发工程应用软件，对工艺质量指标实时检测和显示，在线进行工艺分析和完成物流、能源等的成本核算和生产统计管理，对生产工艺实现监控、管理、单元整合和优化，进一步实现装置的平稳、安全、高效运行。

        软件服务于工程，本系统经工程投运、调试和考核，已和工艺装置连续同步运行。本项目在不增加设备投资的条件下，通过工厂信息集成处理和先进监控及管理软件的开发，提高了生产装置的工艺操作水平和管理水平，为稳定生产、提高产品质量和数量、降耗节能提供了有效依据，达到了以软件来增益的目的，提高了企业的竞争能力[8]。