软仪表在先进控制中的应用.doc

1、1软仪表在先进控制中的应用摘要 软仪表，也称软测量或在线工艺计算，就是应用计算机技术，根据已有测量的一些相关变量以及工艺设备技术参数，通过构成某种数学关系来推断和估计难于或暂时不能用硬仪表测量的重要变量，以软件来代替仪表功能1 。本文结合炼油一厂焦化装置吸收稳定部分软仪表的应用，论述了软仪表在先进控制中的重要作用。 关键词：先进控制；软仪表；控制器 中图分类号：P634.3+6 文献标识码：A 1.前言 目前先进控制技术不但在理论上不断推出新的成果,而且在实际生产应用中也取得了令人瞩目的成绩。现在国内外已有很多优秀的产品供选择：如 Honeywell 高技术执行部的 PC(ProfitCont

2、roller)；ABB 代理的STAR；横河代理的 SMOC；FOXBORO 的 Connoisseur；ASPEN 的 DMC、浙江中控的 APC-Adcon 等。目前，世界上先进的石化企业绝大多数生产装置都采用了先进控制技术，据 ARC 调查的数据显示，美国的普及率已经达到 60%以上，重点装置更是达到了 90%的比例。在某种程度上，先进控制技术更像是企业增产增效的“加速器” 2 。 但是一些被控变量很难测量，如反焦化装置柴油 350馏出量、干气C3+含量、液化气 C5+含量、液化气 C2 含量等，虽然这些变量可以通过在2线分析仪测量，但分析仪表购置分析仪表费用较大且维护工作艰巨，较难保证

3、长期测量，即便运行好分析一般均存在滞后。在以这些变量为指标进行控制时就无法构成实时反馈回路，从而不能保证对其很好的控制，很难满足 APC 的控制要求，因此这些被控变量通常采用软仪表技术，通过建立关联模型，进行计算而快速得到测量结果。 2.先进控制介绍 先进控制技术突破了常规的 PID 控制的控制回路各自独立的工作模式，以整个生产装置或装置单元为对象，根据各变量间的模型关系，利用先进控制方法对装置或装置单元实施协调统一的控制。先进控制的核心技术是模型预测、滚动优化、反馈校正。模型预测就是依据预测模型并根据被控对象的历史信息和未来的输入，预测系统输出未来的变化轨迹。反馈校正是为了防止模型失配或环境

4、干扰引起控制对理想状态的偏离，而对模型预测进行的修正。滚动优化是在每一采样时刻，控制器将计算出操作变量的控制作用以使被控变量在未来一定时间区间内与某一期望轨迹的误差最小。多变量模型预测控制结构见图 2-1。先进控制技术通常是在 DCS 系统的基础上，借助模型预测被控对象的运动规律和实际误差，通过滚动优化确定最优控制目标，应用反馈校正实现对整个工艺装置或装置单元的优化控制，提高装置运行的稳定性和安全性、保证产品质量的一致性、提高目标产品收率、增加装置处理量、降低运行成本、减少环境污染等3 。 3、软仪表设计 3.1 软仪表的构建方法 3软仪表的构建，一般采用两种方法：统计回归分析法、机理分析法。

5、统计回归分析法就是采集相当足够的过程历史数据，运用线性回归、模糊数学、人工神经网络等统计分析数据处理方法，获得软仪表值与相关过程变量的数学模型；并与遗传算法相结合，建立在线软仪表。 机理分析法，就是以化学和物理化学等科学原理为基础，运用物料平衡、能量平衡等工程技术，获得软仪表值与相关过程变量的数学模型，建立在线软仪表。 采用统计分回归析法建模的软仪表，通常也辅以机理分析法处理，而采用机理分析法建模的软仪表，有时也需要经过一定的过程历史数据统计分析5 。 3.2 设计软仪表模型 以炼油一厂焦化装置吸收稳定部分为例，吸收稳定正常操作时关注的主要工艺参数为：1）吸收塔进料液气比；2）吸收温度；3）解

6、吸塔塔底温度；4）稳定塔底温度 ；5）稳定塔塔顶温度；6）稳定塔塔顶压力。主要的产品控制质量为：1）干气 C3+含量；2）液化气 C2 含量；3）液化气 C5+含量。所涉及的调节手段有补充吸收剂流量、吸收柴油流量、干气脱硫塔顶压力、解吸塔底温度、稳定塔顶压力、稳定塔顶回流流量、稳定塔底温度等。吸收稳定装置采用“吸收再吸收解吸稳定”工艺技术流程，耦合性强，具有明显的多变量的特点。 根据装置吸收稳定部分的质量控制需要，开发 3 个软仪表包括干气C3+含量、液化气 C2 含量、液化气 C5+含量的预测计算，用于产品质量的4闭环优化控制，减少质量波动，实现质量指标卡边控制。这 3 个软仪表均采用统计回

7、归分析法，充分利用实验室分析值的偏差校正技术进行在线实施。软仪表运算程序在 APC 服务器上运行，将运算结果写入 DCS，方便 APC 控制器的连接组态和操作员的监视。化验校正数据，由操作员人工输入，存放在 DCS 数据点上。各软仪表运行周期为 1 分钟。干气 C3+含量预测模型间表 3-1。 表 3-1 干气 C3+（DC_GASC3.PV）预测模型 4、软仪表组态 炼油一厂焦化装置先进控制软仪表组态软件采用 AspenTech 的AspenIQ,软仪表通过 IQconfig 工具进行组态建模。 通过预测模块组态指明预测模型文件或计算公式，并将输入输出变量与 DCS 的位号一一对应。利用数据

8、库模块的数据采集功能，将预测模块和过程稳态分析模块的计算结果存储在历史库中，为将来化验分析进行模型校正提供对应历史数据。过程稳态分析模块提供一种算法，根据反映过程稳定状态的工艺变量估算当时趋于稳定状态的程度，化验校正模块将据此判断是否进行偏差校正。化验校正模块具有有效性检查功能，使用该模块对新输入化验分析值进行上/下限、跳变、尖峰等检查，并标注数据状态，以判断是否用于新的偏差校正计算。跟踪预算值与实际值5的差异，通过一定的校正方法计算新的偏差对今后的预算进行更新。利用化验值数据库模块确定试验数据输入方式，以采样时间为基准，完成实时预测值与分析值的对应，并存处于化验值数据库模块历史库，以便于化验

9、校正模块偏差校正计算使用。 5、软仪表的校正 用 AspenIQ 辨识建模法建立的质量指标软仪表，需要不断地用离线化验结果进行校正，来达到足够的计算精度。最好的模型，随着软仪表的运行，预测值也必定偏离。因此，要使软仪表良好准确运行，化验校正是非常重要和必不可缺少的。 在 AspenIQ 的实施过程中要求分析人员及时将采样时间和分析结果输入计算机。Aspen IQview 为此提供方便的操作界面, 如图 6-1 所示: 图 6-1 Aspen IQ 软仪表校正界面 对每个分析值只要利用 Data Entry 菜单分别输入采样时间和采样值即可。同时，为了便于操作工操作，开发了 DCS 软仪表校正画

10、面，如图6-2 所示。 图 6-2 DCS 软仪表校正画面 6、软仪表在控制器中的作用 以炼油一厂焦化装置吸收稳定部分的吸收稳定控制器为例，吸收稳定部分受到焦炭塔切换所带来的对干气、液态烃质量的重大扰动，控制器需要协调各调节变量的动作，增强装置克服扰动的能力，改善产品的6质量。 软仪表包括干气 C3+含量、液化气 C2 含量、液化气 C5+含量是吸收稳定控制器的三个被控变量，通过控制这三个被控变量，控制干气 C3+含量 、液化气 C2-含量、液化气 C5+含量的质量指标，能够改善焦化装置的产品质量。 7、结论 先进控制增强了装置的抗干扰能力，提高了装置生产的平稳性，极大地减轻了操作工的操作负荷

11、，解决了部分常规控制存在的问题，重要生产参数自动维持在工艺和设备的许可范围内，使生产更安全更可靠更稳定。同时，由于控制水平的提高，实现了主要生产指标和质量指标的卡边控制，提高了目的产品收率，增加了装置效益。 通过软仪表在焦化装置吸收稳定部分先进控制器中的使用可以看出：在控制器中采用软仪表技术，解决了有些被控变量难测量的问题；节省了购置分析仪表所花费的大量费用；解决了分析仪表维护工作艰巨的问题；解决了分析仪表较难保证长期稳定测量的问题；解决了分析仪表测量结果一般均存在滞后，在以这些参数为指标进行控制时无法构成实时反馈回路，不能保证对其很好的控制，很难满足 APC 的控制要求的问题。参考文献 1刘裔安.先进控制培训手册，2004 2孙柏林.先进控制技术的发展前景.中国仪表网，2012 3杨景杰，吴原华.先进控制发展策略与思考J.金山企业管理，72009 4张建明，谢磊，苏成利等.焦化加热炉先进控制系统J.华东理工大学学报，2006 5陈敏.先进控制在焦化分馏系统的应用J.石油化工技术经济，2007