基于DCS的MTO装置反-再系统控制的分析与研究

贾国华，崔桂梅

（内蒙古科技大学 信息工程学院，内蒙古包头 014010）

基于DCS的MTO装置反-再系统控制的分析与研究

贾国华，崔桂梅

（内蒙古科技大学 信息工程学院，内蒙古包头 014010）

模糊控制最适用于一些大惯性、大滞后、非线性、数学模型难以获得的系统。模糊控制系统的鲁棒性强，干扰和参数变化对控制效果的影响被大大减弱，MTO系统是一个多变量、强耦合的反应控制系统。尝试从工程应用的角度对反应系统变量做了相关性分析，并且对该系统提供了一种先进的模糊PID控制策略。

MTO；模糊PID；DCS

1 引言

某煤制烯烃项目甲醇制烯烃技术（MTO），为煤制烯烃生产的核心技术，MTO反再系统的关键控制指标有反应温度、甲醇进料温度、反应压力、催化剂循环量、再生温度等，其中反应温度的控制是重中之重，而反应温度受影响因素多，非线性、大滞后，因此，对其控制是难点，本文正是通过对其相关影响因素的统计分析，确定以相关度最高的甲醇进料温度来间接控制反应温度，同时引进模糊PID控制进行优化，以期达到安稳长满优运行的目的。

2 控制反应温度的重要性

反应温度是影响MTO甲醇转化率和低碳烯烃选择性的重要因素之一，同时也是工业MTO装置重要的操作参数。温度的影响表现在以下两个方面：一是因为各个分反应对温度的敏感程度不同，所以温度的变化对各分反应反应速率的影响也不同，最终对产品的分布有所影响；另一方面结焦反应的速率受温度变化的影响，改变了分子筛的择形选择性，最终对产品的分布有所影响。

2.1 甲醇进料温度控制策略的确定

MTO工业装置比小型实验装置要复杂得多，影响反应温度的因素包括甲醇进料温度、进料量、反应压力、反应内取热器负荷、再生温度、催化剂循环量等。

图1 进料温度与床层温度关系

从图1可以反映出进料温度与床层温度的相关性很高，对于床层温度的控制，因为纯滞后比较大，反应复杂不易控制，所以在其他条件一定的情况下，可以利用对进料温度的精确控制来间接控制反应温度。

2.2 甲醇进料温度控制策略的分析与研究

参数分析：甲醇进料温度是调节反应器温度的一个重要手段，是实施反应床层温度调节的关键参数。同时MTO工艺还要求甲醇进料温度控制在100～200℃范围内，设计进料温度在110℃左右。进料温度太低，会影响烯烃的选择性；进料温度过高，则会使甲醇产生副反应。控制目标：110℃；控制范围：（110±5）℃；控制方式；通过进料温度调节器自动控制调节凝结水的量来调节甲醇进料温度。

3 模糊控制策略在反应-再生系统上的应用

3.1 甲醇进料温度模糊自整定 PID控制策略设计

根据不同生产工况要求，反应器进料温度的控制目标设置为110℃，其控制方式通过检测反应器进料入口管道温度，进而调节凝结水的量来调节甲醇进料温度，进而改变反应器床层温度，实现反应器床层温度维持在一定的范围内，其控制框图如图2所示。

图2 甲醇进料模糊PID温度控制结构框图

结合工程实际响应数据，反应器床温层的传递函数可采用公式（1）表示。

在Matlab/Simulink下环境控制对象进行仿真

3.2 甲醇进料温度 PID 控制仿真研究

根据本文中选择的甲醇进料温度控制系统对象，搭建利用 PID 进行温度控制的仿真结构图，设定仿真时间 200s，利用 Z-N 确定 PID 的控制器参数为Kp＝3.2，Ti＝0.03，Td＝0.01。仿真结果如图3蓝色曲线所示。

由图3可知，在利用 PID 控制算法作为系统的控制器时，调节时间约为 Ts＝55s。PID控制的响应曲线超调量很大，超调量为23％。

3.3 甲醇进料温度模糊自整定 PID 控制仿真研究

在Matlab 工具中设计 dkp、dki、dkd 三个模糊控制器，并在Simulink中构建仿真结构图。

Simulink 仿真结构图中的参数为：Ke＝3，Kec＝3，Kp＝0.5，Ki＝0.01，Kd＝0.5，Kp0＝2.5，Ki0＝0.03，Kd0＝10。PID 的三个参数模糊控制器分别为 dkp、dki 和 dkd。仿真结果如图3红色曲线所示。

由图3可知，在利用模糊PID 控制算法作为系统的控制器时，调节时间约为Ts＝35s。模糊PID控制的响应曲线超调量较小，超调量为10％。

图3 两种控制方法控制结果比较

将 PID、Fuzzy-PID 两种控制方式一起仿真比较结果如图3所示。图3中，蓝色曲线为 PID 控制结果，红色曲线为Fuzzy-PID 控制结果。由此可以得出利用模糊控制规则对 Kp、Ki、Kd 进行在线调整可以在一定程度上提高模糊 PID 控制器的控制质量。如果控制效果不太理想时是，对 Kp 进行合理的在线调整能够进一步提高模糊控制器的控制效果。仿真结果表明，采用 Fuzzy-PID 复合控制的算法，系统的响应速度加快、调节精度高、稳态性能更好，而且没有振荡。

4 MTO装置的硬件配置方案

MTO装置需要检测和控制的点（I/O）的数量为AI383点、AO105点、DI 100点、DO105点、TC140点、RTD36点。此外，SIS、3500系统、TRICON系统、PLC系统需要和PKS通讯，在DCS进行显示，共计205个通讯点。

MTO装置的主控制系统，采用的是霍尼韦尔公司（Honeywell）的PKS系统。根据I/O点数及装置的监控要求，兼考虑备用余量，配置2对控制防火墙，2对冗余控制器，3个C系列I/O机柜和1个网络柜。1对冗余的服务器，1台工程师站，5台操作站，2台打印机，2台CISCO2960交换机和2台作为Terminal Server的MOXA Serial Nport 5430。操作站均采用Console站，防止服务器无法操作，可以有效降低风险和经济损失。

5 结论

综上所述，模糊控制抗干扰能力强，所以模糊系统消除了常规系统经常存在的鲁棒性与灵敏性之间的矛盾。上述结果证明此优化系统具有实际应用价值，可将其用于MTO反再系统优化过程。

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Analysis and Research on Control of MTO Unit Reaction and Regeneration System Based on DCS

Jia Guo-hua，Cui Gui-mei

Fuzzy control is the most suitable for the system of large inertia，large lag，nonlinear，mathematical model that is difficult to obtained.The fuzzy control system has strong robustness，interference and influence parameters on the control effect is greatly reduced，the MTO system is a multi variable，strong coupling reaction control system，this paper attempts to do correlation analysis of reaction system variables from the view of engineering application，and the system provides an advanced fuzzy PID control strategy.

MTO；Fuzzy PID；DCS

TQ205；TP273

B

1003-6490（2016）08-0008-02

2016-08-09

贾国华（1983—），男，内蒙古呼和浩特人，硕士在读，主要从事过程优化控制的研究工作。