張小寶，孫寶平，付 進(jìn)

（1.馬鞍山鋼鐵股份有限公司，安徽 馬鞍山 243000；2.馬鋼奧瑟亞化工有限公司，安徽 馬鞍山 243000）

1 粗酚生產(chǎn)概述

粗酚生產(chǎn)是煤焦油加工的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，主要工藝是把一定量的酚鈉鹽先裝入分解器，再將質(zhì)量分?jǐn)?shù)98%的濃硫酸加入到分解器，濃硫酸與酚鈉鹽發(fā)生分解反應(yīng)，并釋放大量熱量，混合溶液呈中性或微酸性時(shí)為反應(yīng)終點(diǎn)。反應(yīng)停止后的混合溶液經(jīng)靜置分層，下層為密度較大的硫酸鈉溶液，上層為粗酚溶液。

硫酸法分解酚鈉鹽是中和反應(yīng)，伴隨劇烈的放熱過程，且局部會(huì)因濃硫酸的劇烈放熱產(chǎn)生大量水蒸氣，上升的水蒸氣夾帶混合溶液中硫酸和酚類物質(zhì)形成酸霧，放散到大氣中，既污染環(huán)境，又造成硫酸和酚類產(chǎn)品損失。雖然現(xiàn)在硫酸法粗酚生產(chǎn)裝置基本都配有尾氣處理的環(huán)保設(shè)備，但是揮發(fā)的酸霧仍然會(huì)造成煙氣管道、設(shè)備的腐蝕；同時(shí)由于濃硫酸的劇烈放熱，造成混合溶液溫度過高，會(huì)使分解器的內(nèi)襯、pH值傳感器等設(shè)備使用壽命縮短或損壞。為此，馬鋼奧瑟亞化工有限公司在原有分解器的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改造，首先采用模糊控制算法，根據(jù)反應(yīng)器內(nèi)的混合溶液溫度值和pH值這兩個(gè)重要輸入?yún)?shù)，自動(dòng)調(diào)整濃硫酸加入的瞬時(shí)流量和總量，這樣既可以有效控制反應(yīng)過程溫度，還可以控制終點(diǎn)溶液的pH值；其次采用水冷夾套式分解器，夾套內(nèi)通循環(huán)冷卻水，同時(shí)分解器頂部安裝攪拌器，通過攪拌器的不斷攪拌，既加速了分解反應(yīng)過程，也加快熱量傳導(dǎo)到容器壁，再由夾套內(nèi)循環(huán)冷卻水帶走熱量，以上改造均已經(jīng)實(shí)施，并取得良好效果，在此本文只討論粗酚生產(chǎn)裝置自動(dòng)控制方法。

模糊控制是眾多智能控制中發(fā)展成熟、應(yīng)用相對(duì)廣泛的一種智能控制，是基于豐富操作經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出來的、用自然語言表述的控制方法，無需精確的數(shù)學(xué)模型，只需總結(jié)人為的操作經(jīng)驗(yàn)[1]?？刂平K點(diǎn)的粗酚產(chǎn)品質(zhì)量和過程中濃硫酸的加入流量是整個(gè)分解反應(yīng)自動(dòng)控制的關(guān)鍵，這既需要精確控制混合溶液終點(diǎn)的pH值，又需要控制生產(chǎn)過程中溶液溫度在設(shè)定值以內(nèi)。由于分解反應(yīng)過程中pH值存在非線性、滯后性等特點(diǎn)，在硫酸法分解酚鈉鹽的生產(chǎn)工藝中，馬鋼奧瑟亞化工有限公司采用模糊控制實(shí)現(xiàn)粗酚生產(chǎn)的智能控制[2]。

2 模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

2.1 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)備

該控制系統(tǒng)采用德國西門子公司（SIEMENS）的S7-200 SAMRT CPU SR40型控制器，使用PROFINET通訊，上位機(jī)HMI/SCADA軟件采用iFIX 5.5組態(tài)。現(xiàn)場(chǎng)安裝的傳感器包括：（1）檢測(cè)分解器內(nèi)混合溶液的pH值傳感器采用耐高溫（0℃～120℃）玻璃電極；（2）檢測(cè)分解器內(nèi)混合溶液的溫度傳感器采用高精度的熱電阻（Pt100）；（3）分解器內(nèi)液位傳感器采用差壓變送器，根據(jù)壓力值計(jì)算液位；（4）濃硫酸供料流量計(jì)采用內(nèi)部襯四氟（PTFE）的電磁流量計(jì)；（5）濃硫酸供料調(diào)節(jié)閥采用內(nèi)部襯四氟（PTFE）的單座調(diào)節(jié)閥，閥門定位器帶位置反饋值。

2.2 控制過程

在HMI（Human Machine Interface，人機(jī)接口）操作畫面設(shè)定分解反應(yīng)混合溶液的目標(biāo)pH值后，啟動(dòng)濃硫酸供料泵，經(jīng)流量計(jì)、調(diào)節(jié)閥，將濃硫酸從儲(chǔ)罐輸送到分解器，和預(yù)先在分解器內(nèi)裝好的酚鈉鹽進(jìn)行分解反應(yīng)。pH值傳感器和溫度傳感器實(shí)時(shí)采集當(dāng)前混合液的測(cè)量值，以實(shí)時(shí)pH值和溫度值作為模糊控制算法的輸入量，模糊控制算法根據(jù)輸入值進(jìn)行模糊規(guī)則推理，并將結(jié)果轉(zhuǎn)換為清晰值，以濃硫酸設(shè)定流量為輸出值，通過控制調(diào)節(jié)閥開度將實(shí)際流量值穩(wěn)定在設(shè)定值。模糊控制建立在人工專家經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，在混合溶液中和反應(yīng)過程中，控制pH值和溫度值在設(shè)定范圍內(nèi)，并使混合溶液的終點(diǎn)pH值準(zhǔn)確達(dá)到設(shè)定值。

2.3 模糊控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)使用雙輸入-單輸出型模糊控制器，以完成濃硫酸加酸流量的計(jì)算，模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖見圖1，主要由模糊化模塊、模糊推理規(guī)則模塊、清晰化模塊等組成，其中模糊推理是通過pH值傳感器測(cè)量混合溶液的pH值x∈[0,14]，通過溫度傳感器測(cè)量混合溶液的溫度y∈[0,100]℃，選擇混合溶液pH值x和混合溶液的溫度值y作為兩個(gè)輸入變量，選定加酸流量值U∈[0,16]L/min作為輸出變量，流量值U調(diào)節(jié)閥將會(huì)根據(jù)加酸流量值進(jìn)行PID控制[2]。

圖1 雙輸入-單輸出模糊控制器結(jié)構(gòu)示意圖

2.4 pH值、溫度值、濃硫酸流量值的隸屬度函數(shù)分布及加酸控制規(guī)則

隸屬度函數(shù)和模糊子集有很強(qiáng)主觀表現(xiàn)，隸屬度函數(shù)的主觀隨意性可以用于反映人的智能、技巧、經(jīng)驗(yàn)、理解等不同智慧。為提高控制系統(tǒng)的精確度，該系統(tǒng)采用三角形隸屬度函數(shù)，選取pH值x的論域x={0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14}，選取溫度值y的 論 域y={0,10,20,30,40,50,60,70,80,90,100}，選取輸出流量值U的論域U={0,2,4,6,8,10,12,14,16}，輸入和輸出變量的模糊集合各包含7個(gè)元素。

pH值子集包括：強(qiáng)酸性（NB）、酸性（NM）、弱酸性（NS）、pH值適中（ZO）、弱堿性（PS）、堿性（PM）、強(qiáng)堿性（PB），涵蓋pH值的論域x∈[0,14]，其隸屬度函數(shù)分布如圖2所示。

圖2 分解過程pH值隸屬度函數(shù)分布

溫度值子集包括：溫度很低（NB）、溫度低（NM）、溫度偏低（NS）、溫度適中（ZO）、溫度偏高（PS）、溫度高（PM）、溫度很高（PB），涵蓋溫度值的論域y∈[0,100]℃，其隸屬度函數(shù)分布如圖3所示。

圖3 分解過程混合液溫度隸屬度函數(shù)分布

涵蓋濃硫酸流量的論域U∈[0,16]L/min包括：流量很?。∟B）、流量?。∟M）、流量偏?。∟S）、流量適中（ZO）、流量偏大（PS）、流量大（PM）、流量很大（PB），其隸屬度函數(shù)分布如圖4所示。

圖4 分解過程加酸流量值隸屬度函數(shù)分布

模糊控制器的控制規(guī)則是基于操作人員長(zhǎng)期積累總結(jié)得到的，利用模糊控制規(guī)則歸納操作人員控制策略是建立模糊控制器的過程，依據(jù)生產(chǎn)操作經(jīng)驗(yàn)，模糊規(guī)則設(shè)計(jì)分析如下：（1）當(dāng)x、y均為NB時(shí)，說明此系統(tǒng)的pH值為強(qiáng)酸性，雖然溫度很低，但是也不能繼續(xù)加酸，所以需要將控制器的輸出設(shè)置為流量很?。∟B），控制系統(tǒng)關(guān)閉調(diào)節(jié)閥。（2）當(dāng)x為PB并且y為NB時(shí)，說明此系統(tǒng)pH值為強(qiáng)堿性，溶液溫度很低，所以控制器輸出為濃硫酸流量很大（PB），控制系統(tǒng)將調(diào)節(jié)閥開到最大。（3）當(dāng)x為PS且y為NS時(shí)，說明此系統(tǒng)pH值為弱堿性，溶液溫度偏低，這時(shí)pH值沒有達(dá)到設(shè)置要求，但已經(jīng)比較接近，濃硫酸流量被控制在一個(gè)較小的值，所以將控制器輸出設(shè)置為適中（ZO）。

其余各條規(guī)則的確定與上述方法相同，粗酚生產(chǎn)加酸控制的控制規(guī)則如表1所示。

表1 粗酚生產(chǎn)過程加酸控制規(guī)則

由表1可知，總的控制規(guī)則有49條，但是每次輸入量并不能把它們?nèi)考せ?。這樣根據(jù)測(cè)得的輸入量，只適用被激活的控制規(guī)則進(jìn)行近似推理，對(duì)于近似推理得出的模糊子集不能直接使用，必須要經(jīng)過模糊量清晰化，該項(xiàng)目采用最小值法計(jì)算加酸流量值U。

2.5 模糊控制使用效果

馬鋼奧瑟亞化工有限公司粗酚生產(chǎn)裝置于2022年7月初完成改造，基于模糊控制生產(chǎn)的粗酚產(chǎn)品pH值控制精確、穩(wěn)定，以7月20日白班分解生產(chǎn)情況為例，pH實(shí)時(shí)變化趨勢(shì)如圖5所示。

圖5 粗酚生產(chǎn)pH值的實(shí)時(shí)變化趨勢(shì)圖

由圖5可見，粗酚生產(chǎn)裝置改造完成后，粗酚生產(chǎn)過程中pH值控制精確，確保了產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定合格。由于模糊控制系統(tǒng)能同時(shí)控制溶液溫度，所以可明顯減少酸霧的產(chǎn)生，使粗酚生產(chǎn)更加環(huán)保。

3 結(jié) 語

基于模糊控制的加酸自動(dòng)控制方案已在馬鋼奧瑟亞化工有限公司硫酸法粗酚生產(chǎn)線得到應(yīng)用，一年多的使用研究發(fā)現(xiàn)，該方法可使粗酚生產(chǎn)控制效果顯著提升，主要表現(xiàn)在對(duì)于操作人員的技術(shù)要求大大降低，全過程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，粗酚產(chǎn)品的合格率顯著提升，并且酸霧的產(chǎn)生及酸霧夾帶酚類產(chǎn)品的損失明顯減少，再加上配套的堿液洗滌的煙氣處理設(shè)施，使得粗酚生產(chǎn)相較以前更加環(huán)保。