APC系統(tǒng)在化工裝置中的應(yīng)用

王曉光(陜煤集團(tuán)榆林化學(xué)有限責(zé)任公司，陜西 榆林 719000)

0 引言

利用先進(jìn)控制軟件APC對各裝置實(shí)施先進(jìn)控制，提高各生產(chǎn)裝置的綜合自動化水平，降低操作勞動強(qiáng)度；全面提升裝置的抗干擾能力，改善主要工藝指標(biāo)的平穩(wěn)性；實(shí)現(xiàn)各生產(chǎn)裝置的精細(xì)化控制，克服負(fù)荷波動干擾，改善反應(yīng)、分離效果，穩(wěn)定產(chǎn)品品質(zhì)，確保排放氣達(dá)標(biāo)，滿足環(huán)保要求；通過“卡邊”優(yōu)化，提高裝置目標(biāo)產(chǎn)品的收率，降低裝置單位產(chǎn)品的物耗、能耗；真正實(shí)現(xiàn)“安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)”運(yùn)行。

1 APC系統(tǒng)簡述

隨著過程工業(yè)日益走向大型化、集成化、連續(xù)化、復(fù)雜化，對過程控制的品質(zhì)提出了更高的要求，控制的目標(biāo)已不再局限于對某一個(gè)變量，或幾個(gè)變量的平穩(wěn)操作，而是越來越多地加入了以經(jīng)濟(jì)效益為代表的其他控制要求，然而傳統(tǒng)的以單變量技術(shù)為基礎(chǔ)的控制技術(shù)已無法滿足這些需求。在這種大的背景下，較為先進(jìn)或高級控制系統(tǒng)積極開發(fā)和普及應(yīng)用成為必然趨勢。

高級過程控制(advanced process control，APC)，同優(yōu)化控制系統(tǒng)，其主要通過對被控對象運(yùn)行過程中產(chǎn)生的大量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘與分析，建立系統(tǒng)運(yùn)行模型，利用系統(tǒng)模型進(jìn)行多變量實(shí)時(shí)優(yōu)化控制。APC以集散控制系統(tǒng)(DCS)硬件和軟件為基礎(chǔ)平臺。

APC軟件的核心部件主要多變量模型辨識、多變量預(yù)測控制、智能軟測量三部分組成。

2 在裝置中的主要應(yīng)用

裝置采用國產(chǎn)化APC控制系統(tǒng)，先進(jìn)控制軟件集先進(jìn)控制平臺APC-iSYS、多變量預(yù)測控制軟件APC-Adcon、智能軟測量軟件APC-Sensor和在線性能監(jiān)測與評估軟件APC-Watch為一體。所有優(yōu)化控制軟件均基于統(tǒng)一的先進(jìn)控制平臺，通過軟件不同組合方式，滿足企業(yè)各類裝置的優(yōu)化控制需求。

APC先進(jìn)控制在項(xiàng)目中主要應(yīng)用包括：空分、氣化爐、凈化、H2/CO分離、乙二醇、、懸浮床加氫裝置。

各裝置先進(jìn)控制目標(biāo)如下：(1)提高主裝置綜合自動化水平，降低操作勞動強(qiáng)度。(2)提高主裝置運(yùn)行平穩(wěn)性，各關(guān)鍵工藝參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差降低30%以上。(3)在滿足工藝安全約束條件下，穩(wěn)定產(chǎn)品組成，并基于平穩(wěn)操作，“卡邊”優(yōu)化相關(guān)工藝參數(shù)，挖掘裝置潛力，提高產(chǎn)品效率。(4)實(shí)現(xiàn)精細(xì)化控制，克服負(fù)荷波動干擾，保證氣化效果。(5)先進(jìn)控制系統(tǒng)的投用率達(dá)到95%以上。(6)增加利潤空間，同時(shí)提高安全和環(huán)保操作。

先進(jìn)控制軟件包由一系列用于基礎(chǔ)自動化、先進(jìn)控制和控制性能監(jiān)控的軟件構(gòu)成，涵蓋了從DCS基礎(chǔ)控制回路到生產(chǎn)裝置等多個(gè)層面需求的優(yōu)化控制軟件產(chǎn)品，包括：用于多變量過程的多變量預(yù)測控制軟件、用于提高質(zhì)量在線預(yù)測的智能軟測量軟件、用于先進(jìn)控制系統(tǒng)性能維護(hù)的APC性能監(jiān)控軟件及用于實(shí)現(xiàn)特殊控制需求的自定義控制器軟件，所有優(yōu)化控制軟件均基于統(tǒng)一的先進(jìn)控制平臺，通過軟件不同組合方式，滿足各裝置的優(yōu)化控制目標(biāo)[1]。

3 APC應(yīng)用的特點(diǎn)

3.1 全面性

APC-Suite產(chǎn)品提供了特有的圖形化組態(tài)工具，支持高級語言編程，通過二次開發(fā)，提供各種智能控制策略以及復(fù)雜邏輯控制、事件型干擾處理和設(shè)備性能監(jiān)控等先進(jìn)控制輔助功能提供了有效的實(shí)現(xiàn)平臺。模型辨識軟件支持多種數(shù)據(jù)導(dǎo)入方式，包括Excel模板數(shù)據(jù)整體導(dǎo)入、文本文件導(dǎo)入、直接從實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫導(dǎo)入等。先進(jìn)控制軟件支持OPC通訊協(xié)議，并提供基于OPC協(xié)議的OPC服務(wù)器接口，便于第三方軟件訪問。

3.2 易集成

軟件集優(yōu)化、控制為一體。多變量預(yù)測控制技術(shù)采用雙層結(jié)構(gòu)多變量預(yù)測控制技術(shù)，上層穩(wěn)態(tài)優(yōu)化層以線性優(yōu)化、二次優(yōu)化為基礎(chǔ)，求解過程最優(yōu)穩(wěn)態(tài)目標(biāo)，下層動態(tài)控制層以動態(tài)矩陣控制為核心，將過程逐步推向最優(yōu)穩(wěn)態(tài)目標(biāo)。穩(wěn)態(tài)優(yōu)化層主要實(shí)現(xiàn)：以MV、CV卡邊優(yōu)化為目標(biāo)的經(jīng)濟(jì)自優(yōu)化，以及MV、CV設(shè)定點(diǎn)為目標(biāo)的設(shè)定點(diǎn)跟蹤，并通過優(yōu)先級技術(shù)對控制系統(tǒng)多目標(biāo)進(jìn)行協(xié)調(diào)。該經(jīng)濟(jì)自優(yōu)化行為，可根據(jù)相關(guān)變量經(jīng)濟(jì)價(jià)值、成本信息自動優(yōu)化計(jì)算出MV、CV的最優(yōu)卡邊目標(biāo)，完成單個(gè)子系統(tǒng)的優(yōu)化控制。

3.3 開放性

先進(jìn)控制軟件具有良好的開放性和整合能力，提供多種方式與第三方軟件交互，支持OLE接口、API接口。流程模擬軟件(如：Aspen Plus、PROII等)和先進(jìn)控制軟件均支持與微軟EXCEL進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，從而實(shí)現(xiàn)先進(jìn)控制軟件與大部分流程模擬軟件直接集成。為現(xiàn)場工程師提供開放的軟件環(huán)境，具有模塊化、開放性的數(shù)據(jù)平臺，可以結(jié)合工藝、控制、優(yōu)化等相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)，通過編寫腳本的方式，對回路進(jìn)行測試，并利用先控平臺軟件對開放的功能塊進(jìn)行自定義開發(fā)維護(hù)；可以選擇性的對模型進(jìn)行更新或?qū)刂破鲄?shù)進(jìn)行調(diào)整，方便APC系統(tǒng)投用后的持續(xù)改進(jìn)和運(yùn)維[2]。

3.4 易用性

APC系統(tǒng)具有良好的易用性，先控實(shí)施人員在DCS上制作先進(jìn)控制畫面，現(xiàn)場操作人員主要在操作畫面上對先控系統(tǒng)進(jìn)行操作，先進(jìn)控制畫面主要以表格形式集中了先進(jìn)控制系統(tǒng)相關(guān)的信息，便于操作人員對先進(jìn)控制系統(tǒng)進(jìn)行查閱與操作，操作人員能通過以上操作界面調(diào)整先進(jìn)控制系統(tǒng)各種狀態(tài)，以適應(yīng)裝置運(yùn)行狀況的改變。

3.5 性能監(jiān)控與診斷

用于先進(jìn)控制系統(tǒng)性能維護(hù)的APC性能監(jiān)控軟件APCCPA，能夠根據(jù)需求設(shè)置的評估目標(biāo)(方差、標(biāo)準(zhǔn)差、累加和、求和等)，按預(yù)設(shè)評估周期(日、周、月、年)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，生成評估報(bào)告，提供建議的解決方案，監(jiān)控控制器狀態(tài)，模型KPI，并通過Web頁面、郵件等形式進(jìn)行發(fā)布；軟件能自動監(jiān)控控制器相關(guān)回路控制及通信接口性能，當(dāng)性能偏離預(yù)設(shè)范圍、通信異常、工況變化時(shí)，通過報(bào)警、郵件形式進(jìn)行告知。確保項(xiàng)目投用后系統(tǒng)能夠始終處于良好的監(jiān)控、健康運(yùn)行狀態(tài)。

4 技術(shù)優(yōu)勢

4.1 自適應(yīng)控制和建模

通過APC監(jiān)控軟件監(jiān)控APC的實(shí)施性能；性能下降時(shí)，自動提醒將控制器切換至自動測試模式，該模式下，控制器能保證基本控制性能，同時(shí)控制器將根據(jù)當(dāng)前過程約束條件，優(yōu)化生成最優(yōu)測試信號，并予以實(shí)施。當(dāng)測試要求滿足時(shí)，控制器將自動停止測試，并能方便切換至控制模式。利用該測試數(shù)據(jù)，可辨識得到控制器模型，并選擇下載至控制器中，完成控制器整定過程。

4.2 可視界面

支持可視化多變量控制器多優(yōu)化目標(biāo)處理，軟件通過矩陣型優(yōu)化目標(biāo)排布方式進(jìn)行展示，可清晰、直觀、便捷地進(jìn)行操作變量與被控變量約束邊界、設(shè)定點(diǎn)目標(biāo)配置，提高控制器設(shè)計(jì)的快速性與準(zhǔn)確性。

4.3 全局優(yōu)化

高效的線性優(yōu)化技術(shù)能夠全方位地對上下游工藝裝置進(jìn)行全局優(yōu)化，將上下游各裝置控制器約束條件納入全局優(yōu)化。各控制器之間通過組合控制器配置方式，進(jìn)行控制器級聯(lián)，實(shí)現(xiàn)全局優(yōu)化與上下游控制器之間的相容性，實(shí)現(xiàn)全局優(yōu)化效益。

4.4 軟測量模塊

APC-Sensor智能軟測量以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、工藝機(jī)理建模等技術(shù)方法為核心，集數(shù)據(jù)預(yù)處理、輔助變量選擇、離線建模與仿真、在線運(yùn)行等功能為一體，是生產(chǎn)操作和先進(jìn)控制的重要輔助軟件，可提供以下功能：提供生產(chǎn)過程關(guān)鍵工藝參數(shù)及時(shí)、可靠和準(zhǔn)確的計(jì)算值；提供煉油、化工過程特定工藝對象的機(jī)理計(jì)算模型；提供數(shù)據(jù)驅(qū)動、機(jī)理模型及數(shù)據(jù)驅(qū)動與機(jī)理模型相結(jié)合的模型；采用獨(dú)特的在線模型滾動校正和化驗(yàn)室數(shù)據(jù)偏差校正的雙重校正技術(shù)，提高在線預(yù)測精度。

4.5 自定義管理

用于先進(jìn)控制系統(tǒng)性能監(jiān)控與維護(hù)的APC性能監(jiān)控軟件APC-CPA，提供一些標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)表格、定期或不定期的數(shù)據(jù)報(bào)表、運(yùn)行參數(shù)趨勢圖、不同時(shí)間段的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及對比等功能，只需要配置相應(yīng)的位號，及設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)。當(dāng)軟件提供的標(biāo)準(zhǔn)模塊不能滿足操作需求時(shí)，通過自行無限制且便利的開發(fā)、組態(tài)的方式，并通過參數(shù)組態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對裝置管理的特殊需求。APC-CPA軟件能與先進(jìn)控制平臺APC-iSYS、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫無縫連接，實(shí)現(xiàn)在線運(yùn)行，使先進(jìn)控制系統(tǒng)與實(shí)際生產(chǎn)控制需求結(jié)合更加緊密。結(jié)合對裝置管理的要求，實(shí)現(xiàn)自定義的管理目標(biāo)，從而延伸先進(jìn)控制的管理功能。

4.6 等級劃分

通過可視化方式進(jìn)行控制器內(nèi)部控制結(jié)構(gòu)劃分，實(shí)現(xiàn)控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)解耦，避免因?yàn)樽兞空`差權(quán)重大小設(shè)置不合理引起的變量解耦不徹底問題。通過這種處理，參數(shù)設(shè)置變得簡單，控制效果更佳平穩(wěn)。支持控制單元優(yōu)先級排序，可將不同MV按重要性進(jìn)行排序，實(shí)現(xiàn)MV等級劃分，提高控制的精細(xì)程度，更好的滿足控制需求。

4.7 安全性

APC-Security先進(jìn)控制權(quán)限管理軟件以崗位權(quán)限為權(quán)限管理模型，以遠(yuǎn)程和本地驗(yàn)證模式，實(shí)現(xiàn)對操作系統(tǒng)與先進(jìn)控制、優(yōu)化控制、性能監(jiān)控等系統(tǒng)的操作權(quán)限驗(yàn)證。

先進(jìn)控制軟件充分考慮了系統(tǒng)安全性，在先進(jìn)控制服務(wù)器端，先進(jìn)控制系統(tǒng)監(jiān)控每個(gè)先進(jìn)控制器狀態(tài)，當(dāng)先進(jìn)控制器出現(xiàn)異常，先進(jìn)控制系統(tǒng)將根據(jù)嚴(yán)重程度采取措施，停止先進(jìn)控制器運(yùn)行或?qū)惓２糠智谐冗M(jìn)控制；先進(jìn)控制器服務(wù)器出現(xiàn)故障時(shí)，當(dāng)服務(wù)器未在既定時(shí)間內(nèi)恢復(fù)(看門狗時(shí)間)，APC軟件開關(guān)自動切除，并自動將控制權(quán)移交至DCS側(cè)，并對回路操作點(diǎn)進(jìn)行跟蹤；如果服務(wù)器故障恢復(fù)，控制器將自動通過熱啟動方式，預(yù)測被控對象的未來行為，并計(jì)算出正確的控制動作，實(shí)現(xiàn)APC與常規(guī)回路間的無擾切換。

在DCS端，通過建立通訊安全保護(hù)邏輯和控制回路安全保護(hù)邏輯。當(dāng)先進(jìn)控制服務(wù)器出現(xiàn)異常或故障時(shí)，通訊安全邏輯自動切除先進(jìn)控制，將回路控制權(quán)從APC控制模式自動切換到DCS操作員控制模式，并給出報(bào)警提示；控制回路安全保護(hù)邏輯實(shí)時(shí)監(jiān)視回路投運(yùn)狀態(tài)及優(yōu)化控制狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)先進(jìn)控制器輸出量不合理、回路狀態(tài)異常或不滿足投運(yùn)條件時(shí)，邏輯程序切除回路的先進(jìn)控制，將控制權(quán)從APC控制模式自動切換到DCS操作員控制模式，并給出報(bào)警提示便于操作人員及時(shí)處理。

5 結(jié)語

APC優(yōu)化進(jìn)控制系統(tǒng)在處于實(shí)施階段，在部分裝置上已取得了一定的應(yīng)用效果，提高了裝置的穩(wěn)定性，減輕了操作強(qiáng)度，做到卡邊優(yōu)化。但是因?yàn)楣に噺?fù)雜、開發(fā)難度大等諸多原因，先過控制的優(yōu)化、效益的提升需要長期積累，需長時(shí)間多方人員參與和支持，才能真正做優(yōu)化控制，節(jié)以高效，為企業(yè)的挖潛增效做出貢獻(xiàn)。