1、先 进 控 制 技 术 综 述李臻奇 （长沙理工大学电气与信息工程学院 研 1301 班，学号 13105010474, 湖南410076）摘要结合目前国内市场上较为成熟的国内外先进控制技术产品, 介绍了先进控制技术的概念和主要作用以及应用发展现状, 并就应用开发作了简要的综合分析。先进控制是在现有装置 DCS 基础上挖潜增效的一种有效手段, 面对变化多端和竞争激烈的石化市场, 怎样提高企业的竞争力是一个急需解决的问题。APC 技术 就是从控制角度帮助企业提高竞争能力的有效武器 , 它能够 降低生产成本, 提高产品的产量和质量。在世界范围内 APC 技术已经相当成熟 , 在炼油化工装置上的应用
2、也越来越多, 国外 80% 90% 的炼化企业都投用了 A PC 技术, 国内一些大型石化企业也相继开发应用了此技术。在应用这些技术的企业都已得到了很好的经济回报。主题词 先进控制 ( APC) 多变量预估 挖潜增效ABSTRACTCombined with the current domestic market more mature domestic and foreign advanced control technology, introduces the concept and functions of advanced control technology and applicat
3、ion development, and made a comprehensive analysis on the development and application of this. Advanced control is an effective way in the existing device and the DCS foundation of tapping the potential synergies, to be the most changeful and competitive petrochemical market, how to improve the comp
4、etitiveness of enterprises is a crucial problem to be solved. APC technology is the effective weapon from the angle of the control to help enterprises to increase the competitive ability, it can reduce production cost, improve product quality and yield. In the world of APC technology is already quit
5、e mature, the application in refinery and chemical plant is also more and more, 80% 90% foreign petrochemical enterprises are using A PC technology, some large domestic petrochemical enterprises have developed this technique. In the application of these technologies enterprises have obtained the ver
6、y good economic returns.Key Words:Advanced control subjects (APC) multivariable predictive potential synergies一、前言根据国外统计资料, 在炼油装置上应用先进控制的收益是非常大的。对于一个处理量为 100 *104 t / a 的催 化裂化装 置, 其年效益为 182 万美 元( 以 26 美分/ 桶、7b bl/ t 计算) 。目前, 中国石化集团公司已经完成了第一批先 控试点工程, 并取得了理想的应用效果, 正在做先控的推广应用工作。中国石油天然气集团公司也非 常重视先进控制技术的
7、推广应用工作。1999 年已经选定集团公司系统内 16 套炼油、化工装置作为第一批推广应用先进控制的试点。集团公司遵循少花钱多办事的原则, 批量购买国内外成熟的软件产品, 指定集团公司内部有经验、技术实力强的队伍承担项目实施工作。用先进控制技术来改造现有企业, 提高生产过 程控制水平及管理水平, 是当前企业挖潜增效、少投入、多产出, 提高企业技术水平和竞争能力的重要途径。当然, 先进控制软件本身只是一种工具, 要使 先进控制技术在生产过程中发挥作用, 还需要我们工程技术人员共同努力, 需要装置上有经验的工艺 工程师和控制工程师及计算机人员的密切配合, 共同开发, 共同维护, 保证辨识模型的准确
8、性和投控率, 才能取得良好的经济效益。二、概念和现状自 20 世纪 70 年代第三代控制理论发展以来, 高技术开发和研究部门把 化学工程、过程控制理论、仪表及计算机有机地结合起来, 设计出了新型的多输入多输出的先进控制系统并开发出先进控制软件, 它能够解决时变、非线性、大时滞等难以控 制的化工过程问题, 提高装置的操作性能, 以达到节能降耗、提高装置整体经济效益的效果, 人们就称这种技术为先进控制。通过合理的组态, 先进控制技术 ( AP C)很容易实现闭环的在线应用。先控的设计思想是以多变量预估为核心, 采用过程模型预测未来时刻的输出, 用对象的实际输出 与模型预测输出的差值修正过程模型 ,
9、 从而把若干 个要控制的变量控制在一个希望的工控点上, 把装 置整体推向最佳状态。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 的先控产品供我们选择, 如Honeywell 高技术执行 部的 P C ( Profit Controller) ; ABB 代 理的 S T AR; 横 河 代 理 的 SMOC; FOX BORO 的 Connoisseu r; ASPEN 的 DMC; 洛阳石化工程公司开发的反应热 先控技术以及 石油大学的机理建模技 术都各具特色, 归结起来建模原理都大同小异, 基本上分为机 理建模和采用
10、系统辨识理论测试建模两种, 并且在 实践应用中都取得了良好的经济效果。他们同时也 开发出了与 AP C 配套使用的软仪表及核磁共振技术, 用以代替分析仪对 工艺的反应深度、产品质 量、馏程等作辅助分析,供先进控制器应用。目前的多变量预估优化控制都具备良好的抗干扰即鲁棒控制功能,能够更有效地稳定工艺装置的操作情况。三、应用1, 主要作用平稳操作、卡边控制。多变量预估控制器一般根据阶跃测试和模型辨识建立动态的数学模型, 具 有很强的鲁棒性, 即使装置操作条件发生较大的变 化, 也能满足控制的要求。多变量预估控制器利用 基于该模型的预估算法和历史数据, 预测关键变量的未来变化,决定当前操纵变量的调节
11、方向和大小, 使受控变量与其目标值的偏差最小。大大减少 均方差, 从而可自动调整设定点靠近操作极限, 实现卡边操作。优化操作, 提高效益。多变量预估技术的另一个显著特点是其静态优化功能, 分为线性优化和二次型优化。用户可以根据优化的 目标 ( 如经济目标)决定各变量的优化加权因子, 控制器在保证各 受控变量满足其控制要求的前提下, 根据优化目标 和加权因子的大小, 确定各操纵变量的优化调节方向, 提高目的产品的产量, 以达到优化的目的。方 法虽然简单, 但效果不错, 可以把控制推向其经济 优化目标。APC 的优化器根 据线性规划或二次型规 划能 够综合而准确地求 取最佳的经济操作点, 并通过
12、APC 控制器对工厂进行最优控制, 取得最大效益。 这是因为这类高经济性能操作 点往往靠近约束条件, 操作工人在没有 APC 控制的条件下很难使装置保持在这种最优状态, 而 APC 控制器作为高科 技技术却能够连续而准确地把工艺装置控制在这种 难以控制的经济最优点上。控制灵活, 确保安全。APC 控制技术提供了比较全面的控制操作参数, 可以通过对某些参数的 调整, 灵活地改变先进控制的控制效果。在生产出 现异常时, 根据组态可随时自动或手动地切掉某一部分或全部先进控制器, 以便进行人工干预, 稳定生产装置。2, 应用关键基于 AP C 技术的上述特点, 如何发挥其效能,设计和应用是关键。要根据
13、装置的实际情况, 规定切实可行的控制 目标, 正确划分先进控制系统 的层次, 正确设计 APC 控制器和定义其各种变量 ( MV 、CV ) ,这是保证先进控制系统能否成功应用的先决条件。改善现场仪表环境, 使其测 量准确并正常运行, 提高 PID 控制质量, 加强基础层 控制的稳定性,这是做好先进控制的基础条件。根据装置的特点和生产要求, 精心设计阶跃测试计划, 并保证测试的成功, 从而为过程模型的辨 识提供理想的数据。在阶跃测试中激励信号幅度的 选择和每次阶跃保持时间长短的确定很重要。这一过程需要领导的支持和有经验的工艺工程师密切配合, 同时化验采样要及时, 分析要准确, 以确保建 立准确
14、模型在预测控制中, 过程的内部模型占有相当重要的地位。要把工艺机理的分析和模型自动辨识技术结合起来, 以保证 M V - CV 对模型基本上能反映 出实际的过程特性, 从而使 APC 控器有个成功 的基础。精心操作、及时维护是实现先进控制系统长期 在线运行的重要因素。随着生产规划、工艺条件等 因素的改变, 要及时调整先进控制器的有关参数, 以便其准确辨识, 有效投用。四、应用效果分析先进控制技术的实施一般不需要增加太复杂的 硬件设备 , 通常根据现有 DCS 的情况可人为选定 一台小型机或装有 NT 操作系统的 PC 机用于工况 及模型计算(有的 APC 产品可在其自己的 DCS 平 台上运行
15、, 而无须再加硬件) 。根据具体的控制方 案, 可配置一个 A LPHA Server 机, 把 IR C ( 中间 层控制器) 和 APC 软件包放在小型机中执行, 数 据通讯由 DCS 与小 型机共同 完成, 数据的 整理、 分析、建模在 PC 机上进行, 模型的生成、调整在 小型机上完成。先进过程控制所 获得的效益可以分成两种类型 , 一种 是可以定量分 析出来的, 另 一种是定性的。定量分析包括提高处理量、增加产品收率、降低能耗。定性分析包括操作平稳性的改善、环境保护的 改善、提高操作员的工作效率、获得更多的工艺过程的信息等。从目前投用先控的试点单位看, 虽然由于各方 面因素影响, 效
16、果不尽相同, 但总的看来, 收益都 不错。凡是能投在线的, 其投资回收期都不超过 1 年, 一般在 3 8 个月, 并且有显著的难以估量的 效益, 如平稳控制、操作指导等。现代企业制度 , 以及三大企业冲浪资本市场相继在境内外上市, 都要求企业的运营必须按照国际惯 例行事, 其中一个重要体现就是在工程建设领域必 须改善原有的计价模式, 实现与国际接轨。相信工程量清单计价模式的普遍实行以及一些境内外施工企业参与的大型工程建设, 都能够为石油建设工程 计价模式的改革积累丰富的经验。五、必要性和可行性随着深化企业改革和我国加入国际市贸组织, 石化企业的发展和挑战并存。由于 A PC 技术不但 能降低
17、能耗与生产成本, 而且能大幅度提高产品产 量和质量, 提高经济效益。到目前为止, 国内许多 炼化企业已经投用了 A PC 技术, 还有许多炼化企 业正在实施开发计划。总之, 在炼化装置上开发投 用 A PC 技术已是一种必然趋势。椐专家统计分析, 一般常减压装置上先控可提高经济效益$ 015 / t 原 料; 加氢重整可提 高经济效益 $ 1/ t 原料。当然, 更明显的效果是稳定操作。由于传统的常规 PID 控制主要是靠经验 , 往往考 虑较单一, 并且单参数调整也存在很大的局限性, 因 此需要通过实施先控来改善和提高的因素很多, 如操作参数优化设定、产品质量卡边控制等问题。采用先进控制手段
18、后, 多个参数综合考虑, 由 动态预估模型对每个参数进行 协调优化方面的调节。投用 APC 技术后, 基本不需要操作员再加人工设定条件, 操作方法得到了统一, 调节幅度得到 了优化, 因此, 既能减轻工艺操作人员的劳动强度 也将稳定整个装置的操作。六、结论应用先进控制技术可以取得如下结果:1、保证装置平稳操作, 大大减少均方差。2、实现产品质量卡边操作, 提高目标产品的收率,显著提高经济效益。3、降低能耗, 提高处理量, 全面提高工艺装 置的自动控制水平和整体经济效益。4、能保证物理过程和化学反应的条件, 在线寻找和实现最优的生产条件 , 是实现安、稳、长、满、优的有力工具。5、实践证明, 先进控制是在现有装置和 DCS 基础上挖潜增效的一种有效的技术手段, 具有投资少、见效快, 有利于提高资源利用率的特点, 其经济效益和社会效益显著, 是一项值得开发应用的高新技术。
