无模型自适应（MFA）控制提高生产效率

作者：Stephen Harris

欢迎访问e展厅 展厅 7 工业PC/工控机展厅 DCS卡, 平板电脑, 工控板, 单板机, 监控系统, ... Akzo Nobel公司在德克萨斯州的Pasadena工厂生产催化裂化剂（FCC）。该厂生产出FCC装运到全世界各大炼油厂，用于催化裂化过程。催化裂化是现代化炼油的主要部分，对炼油过程起着至关重要的作用。 FCC是一种干燥的颗粒状物质，同样在实际中只能通过气动传输系统输送。在许多不同的行业里，通常应用气动传输系统来运送干燥的产品，比如：粉料和颗粒。在管道内用大型吹风机产生风压，把干燥的材料送进这些管道。 干燥材料的气动传输系统与许多过程工厂中使用的液体和气体运输系统有很大不同。这些系统常常发生一些特别的问题，特别是在过程流程控制方面。 过程运行 在FCC生产出之后，最终催化剂产品的装载是通过工厂里的真空运输系统。这个真空系统能将产品从一个料仓中抽取出来，然后传送到安装有传感器的两个容器中的一个容器中(图1)。 该过程每次都从一个料仓中利用真空压力来吸取FCC产品。为了能使系统充分彻底地传送优良的粉料催化剂，输送空气介质必须有一个最小的输送速度。 从选定的料仓中，粉料物质被输送到一个旋风接受器，接着粉料物质分别进入有小型磅秤的两个进料斗。这两个小型磅秤协力称重，把产品运送到一个高密度输送罐中。在高密度输送罐中连续轮转，并装满、加压、输送。接着这个产品装入机动轨道车或者货车。 阿克苏诺贝尔公司的真空输送系统的控制是通过AB公司的可编程序逻辑控制器(PLC)和Wonderware公司的人机界面(HMI)进行的。即使有这些相对高级的控制元件，由于各种各样的控制困难，这个过程仍然需要手动操作。这些手动操作是耗费时间的，对于操作人员来说，使其完成其它的产品和原料的输送任务就比较困难。 为了保持产品的输送率和预防堵塞，过程操作人员也必须不断地调整料仓的排出阀和通风阀。当输送空气的输送速度降低时会发生堵塞。比如 ：料仓的进料限制，或料仓中突然的产品中断和粉料物质的并发急流至输送线，通常会引起输送空气速度的降低。 为确保系统不超过真空极限或者在任一个称重容器里不超过5000磅，PLC的控制逻辑程序中有几个过程联锁指令。当一个过程联锁指令条件成立时，控制料仓的排出阀关闭，并关闭产品输送。 如果联锁停机指令频繁发生，则会对产品的输送率有一定的消极影响。我们发现：真空压力为7-9 in./Hg(或95-122 in./H2O)之间时，系统输送率为最佳。 控制问题和控制对象 控制过程是一个很大的挑战，因为有许多过程变化，比如：产品类型、沉淀物、流化作用的特性、称重秤到料仓的距离、以及内部容器壁的液固界面滑移长度。 过程条件良好时，产品在料仓中流出的速度为1100 lb/min，并且连续的在一个固定的料仓排出阀的位置流出。这个理想的状态情况很少能持续比较长的时间，因为在任何一个瞬间，都可能有许多过程变化的出现。这些过程变化可能包括：料仓里产品缺乏适当的空气流态、仪表气压的变化、大堆料室的差压的突然变化。 除了这些瞬时的过程条件变化之外，容器壁的液固界面滑移长度变化、控制延时次数变化、平均料仓排出阀的位置变化，也会在传输间发生。 由于这些在流程动态中不可预知的差异，通过PLC用传统的PID控制来实现可能会导致失败。改善过程流的自动化是更合适的控制解决方案。 MFA执行 由于在运输管道中真空压力对物料流动有巨大的影响，所以必须加以严格控制。根据应用料仓的位置，在1-5分钟的过程中有一个变量传送停滞时间。这个较长而且不定的停滞时间，对于应用PID控制器来说，要保持真空压力不受振荡，这几乎是不可能的。 因此，系统常常处于充满的(太多的物料)或者是缺料(物料不足)状态，引起周期性的过程减速和效率的损失，需彻底解决控制问题。阿克苏诺贝尔公司的过程工程师决定使用新的控制方法。因此，针对FCC输送系统中的主要控制问题，该公司考虑基于MFA的控制解决方案，该方案应用了无模型自适应(MFA)的控制器。 最后，选择美国CyboSoft公司的MFA控制器应用于pH控制系统。该公司的CyboCon软件，有许多MFA控制器选项可供选择，且每一选项都是针对某一具有挑战性的控制难题而设计的。例如，非线性MFA控制极端非线性的过程，MFA pH控制pH过程，MIMO MFA控制多变量过程。 由于系统具有较长及不定的输送延时的特点，所以选择抗滞后MFA控制器来进行过程控制。此外，由于不必建立控制模型，所以配置和使用MFA控制器便相对容易。 应用抗滞后MFA控制器 在过程控制应用中，热量、物料和信号等的转移或转换需经过一定的时间。这一现象造成了许多过程存在较长的滞后时间。无论控制作用如何，在滞后时间阶段，控制作用对过程变量的影响是不可测的。更为重要的是，时间滞后导致了过程变量输出不能迅速地响应控制信号。这等于在这段时间内反馈作用失效，而反馈是自动控制所必须得到的信息。 如果用PID来控制具有显著时间滞后的过程，则控制器输出在滞后时间内由于得不到合适的反馈信号而增大，从而导致系统响应超大甚至使系统失控。为了维持自动状态，通常PID控制必须明显调低PID参数，这必然造成了控制性能的降低。 当一个控制器必须调整参数，难免控制迟缓，品质变差，并且调定点会明显偏离过程变量值。史密斯预估器是处理具有大滞后过程的一种非常有用的控制方法，然而构造史密斯预估器通常需要精确的过程模型，否则，其性能不能令人满意。 既然与传统的史密斯预估器相比，抗滞后MFA控制器不需要精确的过程模型。仅仅需要一个估计的滞后时间作为基本信息用于滞后预估器。在这个应用中，估计使用30秒的时间常量和140秒的滞后时间。 在大多数过程中，Akzo Nobel公司的工程师知道用于MFA滞后预估器的滞后时间与实际过程滞后时间不匹配。MFA控制器仍能凭借其强大自适应能力进行控制。一旦设定了MFA控制器，它都能马上达到满意的控制效果。 控制更好，产量更高，浪费更少 MFA控制器能控制复杂的系统，它和基于模型的控制不一样，它不需要过程模型的自定义设计。 从相同的振荡控制条件开始，处于PID控制下的系统会不停的振荡，而MFA控制下的系统能快速的适应对象，取得很好的控制效果。如果两个控制器都是从一个迟缓的情况开始，可以清楚地看到，MFA控制系统比基于PID控制系统更快更好。 比较好的控制意味着改良的过程稳定性、较高的生产效率及产量、一致的产品质量、以及降低材料和能源的消耗。 Akzo Nobel公司的Pasadena工厂已经使用了多种MFA控制器，在他们的催化剂物流工厂中进行真空压力控制。他们也使用多种MFA pH控制器，在他们的催化剂生产的工厂中进行污水中和作用。 已经证明这些MFA控制器是非常有效并易于使用的，且不需要过程模型或手动调整。自动应用了MFA控制，Akzo Nobel公司已经提高了生产效率，降低了材料和能源消耗，取得了明显的投资回报。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (4/1/2006)