HAPC優化控制系統在合成氨裝置上的應用

田育奇，李兆崇，崔　敏（杭州和利時自動化有限公司，漸江　杭州　310018）

HAPC優化控制系統在合成氨裝置上的應用

田育奇，李兆崇，崔敏（杭州和利時自動化有限公司，漸江杭州310018）

1　引言

隨著科學技術的飛速發展，世界各國對工業生產提出了不同的戰略，比如德國的工業4.0，中國的兩化融合、《中國制造2025》[1]，這些戰略促使工業各個領域進行重大變化。促使流程工業朝著大型化、高集成度和高效化等方向發展，要求實現減少能源消耗，提高生產質量。這就導致了生產單元、裝置乃至流程中所涉及的系統、過程控制對象，更加復雜、強耦合和更多約束條件，更多的目標優化，而且不斷提高對工業生產過程的安全、高效、優質、低耗等方面的要求，以追求著更大的經濟效益和社會效益，對控制技術水平與性能的要求也越來越高。因此，以單回路PID控制和串級控制策略為代表的常規控制策略已面臨著多方面的挑戰，必須采用新的控制策略與技術來適應復雜工業過程多目標優化、多層次協調和多變量控制等要求。需要先進過程控制APC（Advanced Process Control）和實時優化RTO（Real-Time Optimization），通過動態優化來解決復雜控制的難題，同時，提供更加優化的穩態運行設定值、優化運行工況，實現工廠的利潤最大化和成本最小化，已經成為自動化領域一個重要的研究課題和新的發展方向[5]。

在優化控制軟件開發上，國外先進控制軟件出現于20世紀70年代末，經過幾十年的發展，已經形成了一個強大的流程工業應用軟件產業。目前，國外先進控制軟件的主流供應商及其產品包括：AspenTech公司的DMCplus和Apollo（非線性預測控制軟件）、Invensys公司的Connoisseur、Rockwell公司的Process Perfecter（非線性預測控制軟件）、Honeywell公司的Profit系列產品以及Yokogawa公司代理的Shell SMOC產品等[6]。

國內先進控制軟件的研發起步晚，始于20世紀90年代中期，在國家科技攻關項目的支持下，清華大學、浙江大學、上海交通大學、石油大學（北京）、中國科技大學、北京化工大學等高校的科研團隊分別針對煉油、石化和化工等行業的具體生產裝置研發了專用先進控制軟件并取得了成功應用[4]。國內的許多自動化企業也研究和開發了一系列的優化控制軟件包，經過20多年的飛速發展，已迎頭趕上，與國外的先進控制軟件差距越來越小，甚至一些團隊開發的先進控制軟件的性能已經達到世界先進水平。例如，和利時集團開發的HOLLiAS-APC Suit軟件包[7]已成功應用于化工，電力、水泥等行業，為客戶提高了裝置運行效率，減少了能源消耗，提高了產品品質。

在化工領域，氨是重要的無機化工產品之一，它可以應用于軍事、農業等很多領域，尤其是現代農業領域，氨是生產尿素等化肥的主要原料，因此氨的工業生產，也是決定一個國家經濟發展的一個重要因素。合成氨工藝裝置是一種典型的化工裝置，具有復雜過程工業所具備的一切特點[2]。而且在實際生產中，許多采用單純的PID控制回路無法實現對被控對象良好的控制，這是導致能源及原料消耗大、氨的純度低等現象的重要原因。

而接下來，將介紹和利時開發的HOLLiAS-APC Suit優化控制軟件包用于合成氨部分重點控制回路的優化方案。

2　合成氨工藝說明

這里的合成氨工藝裝置[3]是國內某廠的實際生產工藝流程，主要原料是天然氣，然后通過壓縮、脫硫、一段轉化、二段轉化、高低溫變換、脫碳、甲烷化、壓縮、合成等工序，得到氨，其主要流程如圖1所示。

圖1　合成氨工藝流程圖

合成氨的純度受反應爐溫度、合成氣比例、催化劑等因素的影響。在其他因素穩定的條件下，保持反應爐溫度在一定范圍內（430℃～450℃），可獲得滿意的氨純度。開工加熱爐（R1801）的溫度受氨氣、氮氣混合氣體溫度、合成氨反應程度的影響。開始反應時，需要提高加熱爐的床入溫度，以促進反應的進行。氨合成是放熱反應，隨著反應的進行，需要降低床入溫度以保持加熱爐溫度在合理區間。進入開工加熱爐的氨氮混合氣體分為三個支路：兩路頂部進氣和一路底部進氣。頂部的床入溫度調節閥（TV_1814）通過壓縮機的作用調節合成氣體的溫度， 閥門開度越小，進入開工加熱爐的合成氣溫度越高。底部進口合成氣手動調節閥（HV_1802）開度越大，進入開工加熱爐的合成氣溫度越高。頂部進口合成氣手動調節閥（HV_1803）開度越小，進入開工加熱爐的合成氣溫度越高。其裝置圖如圖2所示。

圖2　合成氨開工加熱爐控制對象說明

3　和利時HOLLiAS-APC Suit優化控制軟件介紹

和利時（HollySys）始創于1993年，是中國領先的自動化與信息技術解決方案提供商。經過這20多年的發展，在自動化領域積累了深厚的技術基礎與豐富的現場經驗。而隨著國家工業控制軟件國產化戰略的提出，和利時公司開發了一系列適合于過程自動化等領域的工業控制產品軟件，并擁有實現產業化的豐富經驗，提高了公司業務在國內市場占有率，而且已將業務拓展至國外，公司產值在逐漸增加。和利時基于現場豐富的項目經驗以及實際需求，增加和利時工控軟件的附加值及服務，以及打破國外產品的壟斷，替代進口，開發了具有自主產權的優化控制系統軟件包HOLLiAS-APC Suit。圖3所示是和利時優化控制軟件包中HAPC軟件的運行架構。

圖3　HAPC優化控制系統架構

和利時HOLLiAS-APC Suit優化控制系統軟件包由HOLLiASSAP數據采集軟件、HOLLiAS-SysID模型辨識軟件、HOLLiASAPC軟件三部分組成。

3.1HOLLiAS-SAP數據采集

數據采集軟件主要實現了對現場設備中的實際數據點進行數據采集的功能，采集的數據供后面系統辨識使用。其主要特點有：

（1）采用了工業中標準的OPC通訊協議技術，可以用于任何支持OPC通訊接口的自動化產品；

（2）能夠采集任意對象任意時刻的實時數據；

（3）添加了激勵功能，能夠根據需求進行擾動激勵，獲取有效數據；

（4）能夠隨意啟停保存數據。

3.2HOLLiAS-SysID模型辨識

系統辨識軟件主要實現對現場采集的過程對象輸入輸出數據進行一系列的數學運算與處理，獲取能夠反映被控對象輸入輸出對應關系的數學模型，并保存為相應的模型文件，供后續的分析和控制所用。其主要特點有：

（1）采用了現代控制理論狀態模型結構；

（2）可以進行任意輸入輸出模型之間的模型辨識；

（3）可以進行多輸入、多輸出模型的辨識；

（4）添加了辨識模型驗證功能，可以對辨識模型進行有效的判斷；

（5）可以進行多組辨識結果模型對比，選擇其最優模型；

（6）添加了模型任意輸入、任意輸出模型組合。

3.3HOLLiAS-APC優化控制

優化控制軟件是面向工業過程的先進控制軟件，能夠處理工業過程中多變量、強耦合、大時滯、帶約束等復雜的過程控制問題。其主要特點：

（1）基于多變量預測控制技術，可以進行多變量、強耦合、大時滯、帶約束的復雜生產過程的平穩控制和動態優化；

（2）靈活的功能組態：有方案組態、MPC控制器組組態、MPC控制器組態、模糊控制器組態，實現了不同工況、不同需求的控制器實時無擾動切換；

（3）控制器組態時，建立了擾動模型，克服強烈干擾；

（4）多種控制器模塊：根據實際需求，可以采用不同的控制器模塊進行優化控制；

（5）分段控制功能：可以根據被控對象，在不同階段、不同特性條件下，創建不同的控制器，用于優化控制；

（6）邏輯控制：適用于應對條件變化問題；

（7）死區機制：允許被控量存在誤差；

（8）動態限幅機制：動態限制控制量輸出值。

4　開工加熱爐床入溫度對象APC優化控制

4.1床入溫度APC控制方案

分析開工加熱爐工藝特征，制定了開工加熱爐的床入溫度控制方案。床入溫度控制回路如圖4所示。

圖4　床入溫度控制方案圖

根據其控制方案，可以看出這是一個雙輸入單輸出的被控對象，而且還有一個擾動對象。

4.2APC控制組態

該控制器方案的采用，是在床入溫度的控制范圍比較小時，其控制方案中被控對象、控制量、擾動量參數說明如表1所示。

表1　床入溫度APC控制方案中被控對象、控制量、擾動量參數說明

根據其被控量對象、控制量對象、擾動量對象，進行APC優化控制方案的組態。其APC控制器組態界面如圖5所示，其被控量及控制量參數設置如表2所示。

圖5　床入溫度MPC控制器參數界面圖

表2　HAPC中床入溫度APC控制器參數設置列表

在HAPC優化軟件上組態好控制方案后，則要在DCS系統中進行APC控制切換界面組態及APC優化控制與常規PID控制方案的投運切換邏輯組態。圖6所示為DCS系統中組態的APC優化控制投運界面。

圖6　DCS系統中APC優化控制投運界面

在DCS系統中組態好APC優化控制切換組態畫面及切換邏輯，根據APC優化控制軟件運行架構安裝OPC通訊服務器，進行通訊點配置后，運行整個優化控制系統，在DCS系統中投運APC控制。

4.3HAPC投運效果

投運APC控制系統后，DCS系統開始采用HAPC控制系統進行被控量的控制，其控制結果如圖7所示。

圖7　氨合成塔床入溫度APC控制曲線

5　結語

本文主要是將和利時開發的HOLLiAS-APC Suit優化控制系統軟件包用于合成氨工藝中開工加熱爐床入溫度的優化控制。通過分析合開工加熱爐裝置的運行原理，確定對床入溫度對象有影響的控制量，以及擾動量，確定APC優化控制方案。然后通過數據采集、模型辨識階段，獲取數學模型，利用HOLLiAS-APC優化控制軟件創建控制方案及多變量預測模型控制器，然后投運，實現了對床入溫度的多輸入單輸出控制，以及對床入溫度有影響的擾動對象的控制。投運HAPC優化控制系統后，其控制效果明顯。

[1] 賀正楚, 潘紅玉. 德國“工業4.0”與“中國制造2025”[J]. 長沙理工大學學報 (社會科學版), 2015 (3) : 103 - 110.

[2] 張運陶, 付偉忠, 張明榮, 等. 合成氨工藝參數優化技術開發及應用[J]. 計算機與應用化學, 2011, 28 (8) : 1030 - 1034.

[3] 蔣德軍. 合成氨工藝技術的現狀及其發展趨勢[J]. 現代化工, 2005, 25 (8) : 9 - 14.

[4] 浙江中控軟件技術有限公司. 國產先進控制軟件的開發、應用與前景展望[J]. 自動化博覽, 2012 (12) : 34 - 37.

[5] 邵惠鶴. 流程工業自動化發展趨向與先進控制技術[J]. 自動化博覽, 2002, 19 (2) : 27 - 32.

[6] 孫德敏, 吳剛, 薛美盛, 等. 工業過程先進控制及優化軟件產業[J]. 自動化博覽, 2003 (2) : 5 - 13.

[7] 杭州和利時自動化有限公司. 和利時先進控制軟件HOLLiAS - APC Suite開發文檔[Z].

Application of HOLLiAS-APC Optimization Control System in the Synthetic Ammonia Process Device

本文主要是基于合成氨工藝裝置，實現HAPC優化控制系統的應用。合成氨工藝是化工領域比較典型的工藝裝置，但實際中有些控制回路采用傳統的PID控制器及簡單控制方案難以實現所要求的控制目標。基于和利時在自動化領域20多年的技術積累及工程經驗開發的HOLLiAS APC Suit優化控制軟件包來實現目標的優化控制，將HOLLiAS APC Suit軟件包用于該裝置的一些重要控制回路，對于提高控制品質，減少能源消耗、提高企業效益，有著重要的意義。

HOLLiAS APC Suit；合成氨工藝；模型預測控制

This paper applies the HOLLiAS-APC Optimization Control System to the synthetic ammonia device to achieve the control objectives during the process, which is a typical chemical engineering unit. Required objectives are difficult to be realized using some control circuits, built up with traditional PID controllers and simple control schemes. In order to make up the disadvantage of traditional control, Hollysys developed the HOLLiAS-APC Suit optimization control software based on over 20 years’ accumulation and engineeringexperience in Industrial automatic, and it provides the possibility for some important control loops in the synthetic ammonia process device to improve control quality, reduce energy consumption, and to improve the enterprise benefit.

HOLLiAS APC Suit; Synthetic ammonia process; Model predictive control

B

1003-0492(2016)11-0092-04

TP273+.1

田育奇（1989-），男，甘肅武威人，工程師，碩士，現就職于杭州和利時自動化有限公司，主要研究方向為優化控制以及PID控制器參數整定。

李兆崇（1981-），男，河南平頂山人，工程師，本科，現就職于杭州和利時自動化有限公司主要研究方向為優化控制與仿真模擬。

崔敏（1986-） ，男，山西臨汾人，工程師，碩士，現就職于杭州和利時自動化有限公司，主要研究方向為優化控制與仿真模擬。