基于霍尼韦尔PKS的乙醇醪液的温度控制系统设计及应用

乔冠宁，孙明革

(吉林化工学院 信息与控制工程学院，吉林 吉林 132022)

醪液温度是乙醇发酵过程的一个重要参数，确保温度在控制要求范围内，对于乙醇发酵的效率，有着决定性的影响.在以往的工业流程中温度控制具有较大的滞后，会导致控制系统不能及时响应、温度波动大、调节动作频繁等不良效果，因此温度控制一直是控制系统中的难点.

研究的对象是某公司30万吨/年燃料乙醇搬迁改造项目中的发酵温度控制系统.在化工流程工业的控制中，PID是应用最为广泛的控制策略[1].PID控制具有调整简便、稳定好的优点，但也存在局限性，当工程师将其应用于温度等具有大惯性和纯滞后特点的被控对象时，结果通常是不理想的[2-3].同时PID控制算法不能及时获取阀门磨损等器件精度的变化，而对控制参数进行调整，因此，使得后期的控制精度下降影响生产效率.与之相比，预测控制的基本思想是通过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期望响应相比较，当模型和实际过程所得出的数据有偏差时，偏差被反馈到控制器中，用以校正下一个周期的计算.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[4-5].Profit Loop是霍尼韦尔公司针对SISO控制系统的预测控制算法，同时Profit Loop可直接作用于反向作用、测量噪音等难以控制的场合，且有着较好的控制效果[6].

1 乙醇发酵温度控制系统

1.1 乙醇发酵的温度特性

以发酵温度为被控量的温控系统如图1所示，要由发酵罐、换热器组成，其主要扰动是发酵过程产生的热量对醪液温度的影响.通过将发酵罐中的醪液利用泵进入换热器，与冷却水进行热交换，从而达到降温作用.图中TT1和TT2检测发酵罐中的温度，TT4检测经过换热器醪液的温度，通过控制冷却水的阀门开度，控制冷却水的流量，从而实现醪液温度的自动调节.其中，根据工艺要求在20 ℃和28 ℃冷却水中选择一种作为冷却水.

图1 乙醇发酵的温控部分

在乙醇发酵温度控制系统中，发酵过程产生的热量导致醪液温度上升是影响温度的最主要因素.其中发酵罐体积大、温度分布不均匀，温度调节存在滞后，不能及时在控制范围内调节温度，因此降低了发酵效率.

1.2 乙醇发酵温度控制策略

在乙醇发酵温度控制系统中，PID控制器基本可以满足生产要求.但Profit Loop控制器对过分控制和控制不灵敏之间的平衡有着更好的表现.Profit Loop的控制方法可使工艺调节平衡情况下调节阀的动作最小，有效地减少了阀的振动和阀杆的反复摩擦，提高了阀的使用寿命.

乙醇发酵温度控制系统采用了串级控制系统，如图2所示，副回路采用传统的PID控制；主回路针对温度控制的非线性和温度滞后的因素，采用Profit Loop算法进行控制[7].

图2 乙醇发酵温度控制方框图

2 Profit Loop控制器的应用

2.1 Profit Loop的控制原理

Profit Loop控制器是内嵌在PKS DCS系统中的SISO模型预测控制器，它的实质是根据过去和现在的过程变量，用一个简单的过程模型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控制目标.通过对被控对象的实时辨识，得到准确的被控对象模型.模型预测控制方框图如图3所示.

图3 Profit Loop模型预测方框图

2.2 Profit Loop控制器的实施

2.2.1 模型的建立

Profit Loop控制器是集成的过程建模工具，其获得过程模型有4种方式：

1.根据回路类型直接定义模型参数，然后再根据个体回路类型对模型进行修改；

2.通过阶跃测试获得系统模型；

3.通过现有的PID参数进行计算得出；

4.借助现有的系统拉普拉斯变换模型，也可以采用直接输入的方式，通过离线辨识模型的工具软件，把PKS中的历史趋势导入该软件中进行离线模型辨识，也可以得到良好的系统模型[8].

在乙醇发酵温度控制系统中进行阶跃测试，获得预测模型.通过给温度传感器施加阶跃信号，根据响应曲线获得模型参数.根据软件操作步骤，最终通过多次辨识来获取相关控制参数.

2.2.2 模型的预测

通过将Profit Loop所获取的动态模型放置到控制器中的方法，来进行预测.把控制器过去的OP值和预测得出的将来的PV值联系起来[9]，其传递函数形式可由式(1)表示出来.

(1)

式(1)中K代表过程增益系数;T为滞后时间;n和d表示动态模型系数.预测PV轨迹如图4所示.

图4 预测PV轨迹

2.2.3 控制器的建立及运行

在Control Builder中，Profit Loop是通过PID-PL逻辑功能块实现的.实现它的过程与实现其他的控制策略的步骤相同，最基本的就是创建一个控制模块，再把PID-PL功能块添加到控制模块中.Profit Loop组态控制逻辑图如图5所示.

图5 Profit Loop组态逻辑图

完成测试评估后，将模型下载到霍尼韦尔PKS系统的C300控制器中运行，一旦计算出PV(测量值)将来的运行轨迹，控制器就会采取相关的控制动作，滚动计算促使PV值靠近SP(设定值)值减少控制器的偏差[10].运行之后在Profit Loop PKS Assistant可以观测到实时趋势和图表.

3 Profit Loop应用效果

在未开工的实际工程中进行控制系统调试，通过将PID和Profit Loop分别置入乙醇发酵温度控制器中，得到如图6～7所示的两条控制曲线.

图6 乙醇发酵温度控制PID控制曲线

图7 乙醇发酵温度控制Profit Loop控制曲线

将Profit Loop投入到实际的乙醇发酵温度控制系统中，由图5和图6的比较可以得出，投入PID的温度控制系统，在运行时温度变化不平缓，并且存在超调，达到设定温度的时间也较长.Profit Loop的实际控制效果较好，不但温度稳定，而且可以看出变化曲线波动平稳，变化小.这表明执行机构运行变化频率降低了，大大减轻了执行机构的负担，使得执行机构的使用寿命得到了延长.

4 结 论

以乙醇发酵温度控制系统为研究对象，利用Profit Loop控制器实现乙醇发酵温度的控制，并进行了现场验证.从Profit Loo乙醇发酵温度控制曲线，可以看出Profit Loop控制器在乙醇发酵温度控制系统中控制效果良好，有效地降低了温度控制滞后带来的影响，提高了发酵温度控制精度，达到了优化节能的目标，具有较为广阔的应用前景.