先進控制技術與應用實現Theadvancedcontroltechnologyandimplementations遼陽石化分公司儀表廠雷軍劉春暉大連石化分公司新區裝置馬昕摘要：近年來國內外石油化工行業以增加產品收率、降低原料和動力消耗，保證生產裝置的優化和安全平穩運行，提高經濟效益為目標，已經對裝置的先進控制技術和控制軟件進行了廣泛研究和工業化應用，給生產裝置帶來顯著的經濟效益。本文通過對先進控制技術理論研究和數學模型建立的過程探討，并以美國阿斯本(Aspentech)公司開發設計的預測控制與軟測量技術應用實施過程為實例，介紹先進控制技術在石油化工生產裝置的應用與實現。關鍵詞：先進控制技術、數學模型、模擬軟件、計算機平臺、工業化應用。Abstract:inrecentyears,domesticandoverseaspetroleumchemicalindustryaimtoincreasetheyieldofproduct,reducerawmaterialandpowerconsumption,ensuretheproductionequipmentand?丄??丄'?t?丄|丄?optimizationofsafetyrunningsmoothly,improvetheeconomicbenefit.Hastheresearchandindustrializationtotheadvancedcontroltechnologyofdevicesandcontrolsoftwarewidelyapplied,whichhasT■/?/"*??t/"*?/"*T"T人人?'?bringsignificanteconomicbenefitsfortheproductionequipment.Thisarticleisdiscussedbasedontheadvancedcontroltechnologytheoryresearchandtheestablishprocessofmathematicmodel.AsanexempleoftheapplicationprocesswhichdevelopmentanddesignedthepredictivecontrolandsoftmeasurementtechnologybythecompanyofAmericanAspentech,introducetheapplicationandrealizationoftheadvancedcontroltechnologyinpetrochemical■g??J一-productionequipment.Keywords:Theadvancedcontroltechnology,themathematicalmodel,?JJ?TT??‘simulationsoftware,computerplatform,industrialapplications一、概述先進控制(APC-AdvancedProcessContro1)技術是對那些不同于常規單回路PID控制，并具有比常規PID控制更好控制效果的控制策略的統稱。與傳統的PID控制不同，先進控制是一種基于模型的控制策略，如模型預測控制和推斷控制等。先進控制通常用于處理復雜的多量過程控制問題，如大時滯、多變量耦合、被控變量與控制變量存在著各種約束等。先進控制是建立在常規單回路控制之上的動態協調約束控制，可使控制系統適應實際工業生產過程動態特性和操作要求。先進控制技術的實現，需要建立工業過程模型和有足夠的計算能力及程序運行能力的設備作為支持平臺。由于先進控制受控制算法的復雜性和計算機硬件兩方面因素的影響，早期的先進控制算法通常是在上位機上實施的。隨著DCS功能的不斷增強．更多的先進控制策略可以與基本控制回路一起在DCS上實現。二、先進控制系統的核心內容先進控制系統的核心內容是數據采集處理、數學模型建立、先進控制策略和工程實施平臺。數據的采集、處理和軟測量技術利用大量的實測信息是先進控制的優勢所在。由于來自工業生產現場的過程信息通常帶有噪聲，數據采集時應作濾波處理，采集到的數據還應進行過失誤差的檢測與識別和過程數據的有效性檢驗及數據調理工作。這是先進控制應用的重要保障。基于可測信息和模型，實時計算不可測量的變量，也即軟測量技術，是先進控制中不可缺少的內容，例如，汽油飽和蒸汽壓、粗汽油干點、輕柴油傾點、催化裂化中的反應熱、再生器的燒焦狀況、反應產品分布和催化劑循環量以及某些精餾塔的兩端質量指標估計等，這些關系到產品質量的關鍵變量，由于質量測量儀表的缺乏或不可靠，無法獲得實時的可靠的在線信息，因此，可采用工藝穩態模型、神經網絡模型和動態數學模型來推斷估計。（2）多變量動態過程模型辨識技術獲取對象的動態數學模型是實施先進控制的基礎。對于復雜工業過程，需要強有力的辨識軟件，以便在剔除一些過失虛假數據的基礎上，把分段有效數據有機地組合起來，最終將實際工業生產環境下獲得的現場裝置試驗數據，變為多輸入多輸出（MIMO）動態數學模型。實際工業過程模型化是一項專門的技術，它涉及到過程動態學、系統辨識、統計學以及人工智能等多種知識。盡管目前類似模型預測控制這樣的先進控制策略均采用工業試驗的方法來獲取控制模型，但是那些準確并可靠的機理模型（firstprinciplemodel）和智能模型建立也有望成為有效的控制模型。（3）先進控制策略先進控制采用了合理的控制目標和控制結構，可更好地適應工業生產過程的需要。先進控制主要解決：個別重要過程變量控制性能的改善，主要采用單變量模型預測控制與原控制回路構成所謂的“透明控制"的方式；解決約束多變量過程的協調控制問題，主要采用帶協調層的多變量預測控制策略；推斷質量控制，利用軟測量的結果實現閉環的質量卡邊控制。涉及到的主要控制策略有模型預測控制、推斷控制、協調控制、質量卡邊控制、統計過程控制，正在興起與開發中的有模糊控制、神經控制、非線性控制和魯棒控制。（4）先進控制的實施先進控制在實施時需要解決許多具體的工程問題，其中包括：合理地選擇被控的區域，這不僅意味著系統的平穩性，更重要的是它直接決定著先進控制所能獲得的經濟效益；正確整定基本PID控制回路和先進控制系統，整定基本回路是為實施先進控制奠定基礎，而整定先進控制則是為在動態響應與魯棒性之間做出權衡；合理限制控制變量的變化量和變化率，保證控制系統的平穩性和對不確定因素的魯棒性；建立先進控制的實施平臺利用DCS系統的實時數據進行數學模型的建立，在DCS系統網絡中的先進控制器進行數學模型和先進控制程序的編程及運行。在控制站對工藝過程實現控制。在操作站或工程師站建立良好的先進控制人機界面，確保在最常用的流程圖畫面上看得到先進控制的信息，便于投用、維護和操作。三、過程模型的建立先進控制或優化控制實現的基礎是建立過程模型，沒有被控過程的模型，就無法進行先進控制和優化控制。用于描述方程的模型由各種形式，通常都用數學方程的方法來表示，稱為數學模型。生產過程模型是用來描述一個過程的輸入向量（包括控制向量和擾動向量）、狀態向量和輸出向量（通常是被控向量）之間的數學關系式。1、過程建模原理在工業生產過程建模中，必須十分強調建模的一般原理，即質量與能量的守恒定理，因為任何工業生產過程都遵守這一自然規律。對于一個工業生產過程的動態模型，一般都由一個或多個微分方程與一個或多個代數方程組合在一起來表示。其中微分方程一般是常微分方程[ordinarydifferentialequations（o．d．e）]，有時也用偏微分方程[partialdifferentialequations?,d.e）]來表示，在工程中應用的大多數為常微分方程。工業過程的動態模型通常應用在非穩定狀態下，用物料與能量的平衡關系來建立，工業過程模型中的代數關系式通常來自熱力學與傳遞的關系，例如流體的粘度是溫度的函數，傳熱系數是流體流速的函數等等。2、過程模型建立步驟用數學模型來模擬一個真實的工業生產過程時，首先要保證所描述的模型方程個數必須與模型的輸入和輸出關系相一致，這才能確保模型方程具有唯一的解，也就是說模型中的變量個數要等于獨立方程個數。構建一個工業過程的模型，首先要確定模型中哪些量是可由設備尺寸、物料的物性常數等來確定的已知常數或參數；第二步是確定獨立方程的輸出變量，這些變量將通過求解模型微分方程和代數方程來得到；第三步確定時間函數的模型輸入變量。所有這些工作是對該工業過程及環境作深入了解與分析的過程。例如過程物料的輸入速率可能就是上游過程單元的輸出。工業過程動態模型建立步驟如圖1—1所示。

畫岀建欖過程草圖.標出所有過耗童量圖1—1工業過程動態模型建立步驟四、先進控制技術工業化應用現代化工業生產過程日益向著大型化和連續化發展，在整個系統中，一個設備、一個裝置乃至整個工廠存在著許多變量，它們之間存在著相互關聯，如何在這諸多變量中求取某個合適的組合，使生產過程具有最大的收益，這就是先進控制技術工業應用的最終目的。概括起來，生產過程最優化的基本思想是爭取達到優質、高產、低消耗及安全生產。因此，先進控制技術在石油化工等行業的工業化應用越來越廣泛。近年來國內外很多自動化工程公司和科研院所及大學，以提高產品質量，降低原料和能耗，增加裝置的經濟效益為目標，對工業生產過程的先進控制技術和控制軟件進行了廣泛研究，許多先進控制技術已經商品化，給企業帶來顯著的經濟效益。比如，美國Simeon公司開發的乙烯裝置計算機先進控制技術軟件包(OPSO)、美國Setpoint公司開發研制的多變量控制技術軟件包(IDCOM),美國AspenTech公司的先進過程工程系統軟件系列等。國內華東理工大學采用軟測量技術開發設計的4-CBA雜質含量在線監測、酮含量在線測量等先進控制技術應用項目，實現了流程工業生產過程中介質含量的在線實時監測。北京化工大學開發的裝置優化與參數整定項目是基于現代控制理論預測和內模控制的方法與PID相結合的控制器優化軟件。在控制系統中采用預測-PID、內模-PID技術去優選PID參數的控制形式，使控制對象穩定、響應速度快、控制精度高，實現了裝置優化運行。美國AspenTech公司在先進控制開發研制方面形成了一整套的先進過程工程系統軟件，如ASPENPLUS靜態過程模擬軟件、ASPENDYNAMICS動態過程模擬軟件、ASPENCUSTOMMODELER動態模型開發軟件、ASPENPINCH系統節能軟件、BATCHPLUS間歇過程模擬軟件、BATCHFRAC間歇精餾模擬軟件、POLYMERSPLUS聚合物過程模擬軟件、SPLIT精餾系統優化軟件、RATEFRAC速率型精餾塔模擬軟件、B-JAC換熱器設計軟件、ASPENZYQAD工藝設計平臺、ASPENONLINE在線實施模擬的應用工具等。AspenTech先進控制軟件在石油化工行業應用十分廣泛，特別是在乙烯生產裝置中利用過程建模和控制器的參數整定及軟測量技術的綜合應用，實現了乙烯裝置平穩運行，在一定的約束條件下使產量最大化、產品質量大幅度提高。Aspentech在乙烯裝置先進控制的應用，主要采用Aspentech目前先進的Apollo控制器設計概念，進行控制系統結構的設計。控制方案包括兩個Apollo控制器和IQ軟儀表協同工作。控制器采用采用雙層結構。上層為質量控制器，任務是利用氫氣乙烯比和共聚單體進料比完成對于熔融指數和密度的控制。下層為產率控制器，任務是利用氫氣進料，乙烯進料，母液和己烷進料等調節手段實現產率，氫氣乙烯比，壓力、攪拌電流、漿液濃度等變量的控制。產率控制器的目標是穩定生產，提高抗干擾能力，減少波動，在一定的約束條件下，實現產量的最大化。產率提高涉及到各方面因素有很多，同時從安全方面考慮，主要有以下因素：溫度控制，壓力控制，催化劑進料控制，循環氣量控制，乙烯進料控制，共聚單體和氫氣進料控制，漿液濃度控制，冷卻換熱系統，離心機電流和閃蒸罐液位控制，母液、己烷進料，母液返回比例控制，Al/Ti比控制等等。Apollo控制器閉環控制優化的原理如圖1—2所示：圖1—2Apollo控制器運行原理圖Apollo模型預測控制系統主要核心包括預測、優化和動態控制三個階段。預測利用過去時刻操作變量的變化量預測被控變量將來變化的軌跡即為預測模塊要解決的問題。在控制器執行的每一周期，預測功能都要運行。運行分為三步：?利用當前操作變量的測量值，更新對被控變量的預測值；?將預測的被控變量的數值與當前被控變量的測量值進行對比，并進行校正（即反饋校正過程）；根據時間，平移預測數據。穩態優化Apollo穩態優化是約束條件下的多變量函數尋優問題，穩態優化分為兩個階段：根據經濟性優化階段在此階段優化問題的目標函數可歸納：0=P-F-U式中0—目標函數；P—產品銷售收入；F—原料成本；U—公用工程消耗。?可行性判斷階段根據各項經濟指標，在此階段利用線性規劃或二次規劃尋優原理進行目標函數的優化處理。動態控制基于過去時刻操作變量的變化量，Apollo控制器推測出被控變量在將來時刻的動態變化軌跡偏離了設定值。為了避免被控變量偏離設定值，Apollo將調整操縱變量，利用動態軌跡的鏡像調節技術，實現被控變量實際變化軌跡與預測軌跡之間的殘差的最小化。質量和產率兩層控制器是串級關系，其中質量控制器將氫氣乙烯比或共聚單體進料比的目標值寫到產率控制器上，而產率控制器則調節相應的氫氣進料或共聚單體進料的設定值或閥門輸出來達到所要求的目標值。IQ的任務是連續的計算當前釜內的熔融指數和密度。IQ采用的是ASPENIQ推理傳感器建模和實施軟件包，ASPENIQ具有功能強大的離線及在線模塊，它的模塊化體系結構提供給用戶各種靈活的方式以用于在各種集散控制系統和計算機平臺上高效地開發軟儀表。ASPENIQ對生產過程中的關鍵性質的變量是通過預測推理實現測量。IQ根據從現場讀到的參數(如氫氣乙烯比等)計算出當前的熔融指數，這個計算結果被送到質量控制器。質量控制器內含有氫氣乙烯比對熔融指數的模型，它會根據當前的熔融指數計算出氫氣乙烯比調整的方向，并把氫氣乙烯比的設定值傳給下層即產率控制器。由產率控制器根據當前乙烯、催化劑的進料來調整氫氣達到要求的設定值oIQ可以獨立工作，其計算結果可以供操作員參考，也可以同控制器一起工作，實現產品質量的閉環控制。五、先進控制技術實施平臺目前，先進控制技術實施平臺大多數是在DCS控制系統實現的，如HoneywellTPS系統的APP應用處理平臺、橫河CS3000系統的APCS高級過程控制站等。他們的特點是都具有高級運算功能和先進優化控制功能，具有與控制系統內部和外部設備通信功能，為用戶和第三方開發自己的應用提供安全、標準的控制系統數據訪問工具和先進控制技術應用平臺。1.APP應用處理平臺APP(ApplicationProcessPlatform)是Honeywell全廠一體化系統TPS中一個功能強大的，開放的應用軟件平臺。APP應用處理平臺是基于AM的TPS節點。它又是TPS系統中基于WindowsNT的開放式應用上位機。使用開放系統的標準技術，例如分布式組成對象模型DC0M(DistributedComponentObjectModel)、對象鏈接和嵌入OLE(ObjectLinkingandEmbedding)、面向過程控制的對象鏈接和嵌入OPC(OLEforProcessControl)等，APP將AM的全部功能提升到開放式的操作環境。APP控制系統網絡結構如1—3圖所示。CUNLCN圖CUNLCN圖1—3APP控制系統網絡結構圖(1)APP應用處理平臺硬件和軟件配置APP同GUS(GlobalUserStation)全局用戶操作站、PHD(ProcessHistoryDatabase)過程歷史數據庫等TPS系統中的節點一樣，也常用雙處理器結構設計,其硬件平臺的配置也與GUS相同。它具有兩個功能強大的處理器，即IntelXeon和LCNP4。它的操作系統為微軟的WINDOWS2003服務器版。APP節點通過LCNP4直接與TPS網絡進行通訊。APP軟件包括：基本軟件(inAPP)和可選軟件。基本軟件特性：?支持現有的AM的全部功能；?現有的AMcheckpoint可以轉換成APP中AM端的可執行程序；?獨立于Windows操作系統；?可以直接與HoneywellUniformancePHD數據庫直接相連。APP開放應用軟件包選項提供開放式網絡中的開放式應用平臺；與基本軟件提供的AM功能并行處理，為網絡中的基于OPC,HCI的應用提供實時TPN數據。包括的軟件為：TPNServer-OPC/HCIreal-timedataserverSystemInfrastructure-Providessecurityand“systemness”FileTransfer-AllowstransferoffilesbetweenPCandTPN(2)APP應用處理平臺主要功能APP的基本功能是基于AM的CL程序，除了與管理網通訊的功能外，APP可以擔負高級先進控制和優化的功能，APP是一專多能。AM通信功能AM是LCN網上的節點，它能與TDC—3000系統的兩種網絡LCN、UCN上的所有節點進行通信。AM能夠讀、寫TDC3000上的所有裝置。AM讀、寫HPM的必要條件如下：a．UCN控制狀態為FULLIc．AM點的輸入連接狀態必須是ACTIVE；b.HPM控制狀態為FULLId.AM點的狀態