先进控制技术方案及应用实例

先进控制技术方案及应用实例
摘要：文章叙述了先进控制(先进控制)技术应用的意义，介绍鲁棒多变量预估控制（RMPCT）的应用技术。

重点介绍了多变量预估控制技术在公司的应用和取得的实际效果，对提高装置运行平稳率、促进效益提升的突出作用，对今后先进控制的应用提出了相关的建议。

为石化企业提供了借鉴案例。

关键词：先进控制先进控制多变量预估控制RMPCT
1 先进控制的意义
先进过程控制先进控制是对那些不同于常规单回路控制，并具有比常规PID控制更好的控制效果的控制策略的统称，先进控制的任务是用来处理那些采用常规控制效果不好，甚至无法控制的复杂工业过程控制的问题。

先进控制采用的建模理论、辨识技术、优化控制、最优控制、高级过程控制等方面技术从实际工业过程特点出发，寻求对过程和环境的不确定性有一定适应能力的控制策略和方法，如自适应控制系统、预测控制系统、鲁棒控制系统、智能控制系统等先进控制系统。

在石化工业中，采用新的加工工艺路线或扩大设备加工量、增大产量外，对已建成的工厂在不改动设备及工艺的条件下，依靠引入高新信息化技术，采用先进控制和在线优化系统，挖潜增效，已成为提高经济效益最有效手段。

一个先进控制项目的年经济效益在百万元以上，其投资回收期一般在一年以内。

通过实施先进控制，可以改善过程动态控制的性能，减少过程变量的波动幅度，使之能更接近其优化目标值，从而将生产装置推至更接近其约束边界条件下运行，最终达到增强装置运行的稳定性和安全性、保证产品质量的均匀性、提高目标产品收率、增加装置处理量、降低运行成本等目的。

发达国家经验表明：花了70％的钱购置DCS，换来的是15％的经济效益；再增加30％的投资实现先进控制和过程优化将可以提高产品档次和质量，降低能源和原材料消耗，从而增加85%的经济效益。

目前世界上先进的石化企业多数生产装置都采用了先进控制技术，其中美国和欧美发达国家的普及率已达90%以上，美国石化厂90%的催化裂化、常减压蒸馏、焦化等主要装置已经实施了先进控制技术。

大型石化化工装置如催化裂化和乙烯装置的效益更为突出。

集团公司现有上千套生产装置,基本上都上了ＤＣＳ系统, 但绝大多数DCS的作用只是取代常规仪表的单回路PID控制,大量潜在的经济效益尚未利用先进控制、优化技术挖掘出来。

集团公司从1998年开始进行先进控制技术的试点、推广工作，已在十多家石化企业推广应用先进控制取得了较好成效。

2鲁棒多变量预估控制技术
2.1控制原理
目前，石化行业推广美国Honeywell Profimatics公司RMPCT鲁棒多变量预估控制技术和ASPEN公司DMCplus等先进控制软件，其中RMPCT鲁棒多变量预估控制是推广应用最广的先进控制软件。

鲁棒多变量预估控制技术简称RMPCT（Robust Multi-variable Predictive Control Technology）适用于变量间耦合严重、经济目标变化、约束较多、滞后大、非最小相位系统等多种情况下多变量系统的实时控制。

控制器一般都以装置的一个独立单元作为整体进行控制，除能把整个过程控制在允许的约束限之内，还可在操作条件有自由度的情况下，把过程推向其经济最优化的操作点上。

RMPCT是基于MIN－MAX算法设计的多变量模型预估控制器，具有较强的鲁棒性，即使在装置的操作条件发生较大变化时，甚至在过程模型有很大误差时也能满足装置控制的要求。

RMPCT根据装置的测试数据和工程知识建立描述动态过程的数学模型，利用基于装置模型的预估算法和历史数据预测关键变量的未来行为，决定当前操作变量的调节方向和大小，以使受控变量与其目标值的偏差最小，这是模型预测的原理。

RMPCT的另一显著特点是其静态优化功能，分为线性优化和二次优化。

用户可根据优化的目标(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，根据优化的目
标和加权因子的大小确定操纵变量的优化方向，并将过程推向其经济的最优点，以达到优化的目的。

2 多变量预估控制技术简介
2.1 鲁棒多变量预估控制技术
目前，总部在所属石化企业推广美国Honeywell Profimatics公司RMPCT鲁棒多变量预估控制技术和ASPEN公司DMCplus等先进控制软件，其中RMPCT鲁棒多变量预估控制是推广应用最广的先进控制软件，公司大部分先进控制都是采用的这种技术。

鲁棒多变量预估控制技术简称RMPCT（Robust Multi-variable Predictive Control Technology）适用于变量间耦合严重、经济目标变化、约束较多、滞后大、非最小相位系统等多种情况下多变量系统的实时控制。

控制器一般都以装置的一个独立单元（如聚合部分）作为整体进行控制，除能把整个过程控制在允许的约束限之内，还可在操作条件有自由度的情况下，把过程推向其经济最优化的操作点上。

RMPCT是基于MIN－MAX算法设计的多变量模型预估控制器，具有较强的鲁棒性，即使在装置的操作条件发生较大变化时，甚至在过程模型有很大误差时也能满足装置控制的要求。

RMPCT根据装置的测试数据和工程知识建立描述动态过程的数学模型，利用基于装置模型的预估算法和历史数据预测关键变量的未来行为，决定当前操作变量的调节方向和大小，以使受控变量与其目标值的偏差最小，这是模型预测的原理。

2.2 鲁棒多变量预估控制建模
2.2.1 RMPCT变量分类
RMPCT把用到的变量分成三种类型：
控变量CV：受RMPC控制器控制的过程变量（PV）。

在实际应用中，部分或全部CV之间都是相互影响的。

控制器要解决的问题是：协调改变几个MV，使至少一个CV达到预定的优化值。

图2-1 RMPCT基本控制原理图
操纵变量MV：RMPC控制器实现控制CV目的的调节手段。

RMPC同时调节多个MV，以达到控制和优化的目标。

MV可以直接输出到某些执行器上，更多的是作为常规单回路控制点的给定值。

干扰变量DV：对CV产生扰动的变量，DV和MV一样会影响CV，因此，虽然RMPCT不对其进行控制，但要预测DV对CV的影响，从而保证控制目标的实现。

2.2.2 RMPCT 软件结构（见图2-2）
2.2.3 RMPCT 建模实现过程（见图2-3）
图2-2
RMPCT 软件结构
图2-3 RMPCT 建模实现过程 （1）阶跃测试
阶跃测试：在生产现场将独立变量进行一定工程单位的阶跃改变，并获取由此引起的相关被控变量在一个稳态时间内的变化情况的测试称为阶跃测试。

阶跃测试目的：获取最具代表性的过程模型。

阶跃测试要求及关键点：测试时对操纵变量调节的调节幅度和持续时间需要与现场工程师和操作工进行协商。

MV1 MV2
CV1 CV2 CV3 实验信号 模型
（2）模型建立
利用图2-2 RMPCT软件进行建模。

多变量动态预测模型见图2-4。

图2-4 多变量动态模型
2.3 鲁棒多变量预估控制系统软硬件平台的实现
RMPCT的硬件平台采用HONEYWELL公司的TPS/TDC3000系统APP NODE，软件平台为RMPCT 控制器PROFIT CONTROLLER从实时数据库PHD取数，PHD数据库通过接口PHD RDI GATEW AY 和与DCS进行读写通信。

实现系统的先进控制。

RMPCT软硬件平台如图2-5、图2-6所示：
3 多变量预估控制技术在公司石化化工生产装置的应用
集团公司从1998年开始进行先进控制技术的试点、推广工作，在总部的大力支持下，公司先进控制项目从1998年开始在总部立项至今，尽管一路上遇到了很多困难，但在先进控制项目上的探索脚步却从没有因此而停顿不前。

经过信息技术管理中心和石化盈科、清大同飞共同努力，在1#联合常减压、催化裂化、焦化，聚丙烯、重整装置的先进控制成功的应用，并取得于良好的工业运行效果，这些装置的先进控制系统通过了公司及总部的验收。

先进控制的应用达到了挖潜增效，优化控制、平稳操作、节能降耗、提高产品收率、提高经济效益的目的。

公司目前有十二套先进控制控制器在生产装置运行，全年投用率在90%以上。

总部石化事业部、信息部的领导与专家曾到公司生产装置现场对先进控制应用进行了实地考察，在2008年6月总部在北京召开先进控制鉴定会上和其他的相关会议上对公司的先进控制应用给予很高评价。

先进控制的应用在股份公司名列前矛。

现在，这几套生产装置的操作人员已逐步的接受和欢迎先进控制技术的应用。

在下面章节主要介绍常减压、催化装置先进控制的应用。

图2-5 RMPCT软硬件平台
图2-6 RMPCT硬件平台的实现
3.1 1#常减压先进控制系统
1# 联合装置常减压单元先进控制系统项目在1999年进行了开发并投入工业运行，当时取得了良好效果，但由于原MOORE DCS系统通讯问题，先进控制被迫2002年停用。

2003年装置DCS系统更换后，2005年列入总部维护重建项目计划，采用技术是Honeywell公司RMPCT，2006年6月进入现场实施。

常压炉F1、常压炉F2、减压炉F3和三塔液位的先进控制，于2006年8月24日投入工业运行。

常压塔的先进控制器和初馏塔、减压塔的一些软仪表（在线工艺计算），于2006年11月30日全面投入工业运行。

3.1.1 先进控制控制目标及方案
（1）常压塔先进控制系统实施范围有：三台常压炉、减压炉；三塔液位；常压塔和初馏塔
先进控制实施的目标为：
对于加热炉：是在保证加热炉总进料量不变的条件下，以温度均衡为原则，通过重新分配支路流量，使支路出口温度的极差最小，从而达到提高操作平稳性、延长炉管使用寿命的目的。

同时，为确保各支路的热负荷不至于差别过大，将各支路的流量之差约束在一定的范围内。

自动提降量，根据人工输入的处理量目标值，由先进控制器实现平稳地提到目标值。

对于常压塔、初馏塔、减压塔的液位，实现塔底液位的平稳自动约束控制，减少塔底液位调节对下游操作的干扰，提高装置操作平稳性。

对于常压塔，首要的是，采用先进控制技术，及时克服装置运行中的干扰和耦合，确保装置安全生产，将装置控制得更平稳、更精密，达到提高装置处理量、提高高附加值产品的收率、节能降耗的目的。

其次，实现质量指标的实时在线可测，则通过卡边优化，减少质量浪费、提高期望产品的拔出率，进一步提高经济效益。

（2）先进控制控制器结构
根据确立的先进控制目标，建立了常压炉支路平衡控制器（包括两个常压炉各9个CV、4个MV）；减压炉支路平衡控制器（包括9个CV、4个MV）；三塔塔底液位控制器（包括5个CV、5个MV、4个DV）。

(3)先进控制软仪表
1#常减压先进控制器被控质量指标需要建立软仪表（在线工艺计算）。

具体数据为：
初馏塔顶产品干点、常压塔顶产品干点、常一线产品初馏点、常一线产品干点、常一线产品闪点、常二线产品闪点、常三线365℃含量、常三线90%馏出点、减一线365℃含量、减一线90%馏出点。

这些软仪表，在线实时运算程序、校正和稳态检测程序均在DCS的APP Node上运行。

3.1.2 先进控制应用效果
先进控制投用前/后曲线对比见图3-1、3-2、3-3、3-4。

图3-1 常压炉F2先进控制投用前/后，四支路温度与其平均值之差的曲线
3.2 1#催化装置先进控制系统
图
3-2 常压炉
F1先进控制投用前/后，出口温度（上）和炉膛温度（下）的曲线
图3-3 常压塔底和初馏塔底液位在先进控制投用前/后的曲线对比
图3-4 先进控制投用前/后，减底液位的曲线
3.2 1#催化装置先进控制系统
1#联合装置催化裂化单元先进控制项目，于2004年底在总部立项，2005年1月启动。

由于2006年初对该装置进行重大工艺改造，项目延期到2006年大修改造后再实施。

采用Honeywell公司RMPCT技术。

2006年4月中旬，完成了该装置的核心工艺设备的改造大修，装置改造采用灵活多效催化裂化第三代工艺（FDFCC-Ⅲ）。

2006年6月开始项目现场实施。

吸收稳定部分先进控制器于2006年9月投入工业运行，反再部分于11月投入工业运行。

3.2.1 先进控制控制目标及方案
（1）1# FDFCCU先进控制应用项目的实施范围包括：反应-再生部分、分馏部分、吸收稳定部分的先进控制。

（2）1# FDFCCU先进控制应用的目标为：
通过多变量预测协调控制的解藕和干扰抑制，减少装置主要被控指标的波动，进一步提高装置操作平稳性；在平稳操作的基础上，提高掺渣比和装置的处理能力；进一步保证汽油、轻柴油、液化气、干气等产品的质量控制平稳合格率；在此基础上，根据经济目标或装置生产要求，进一步提高目标产品的收率。

（3）先进控制控制器结构
根据先进控制目标，建立了反应-再生-主分馏塔先进控制器（包括14个CV、12个MV、10个DV）；副分馏塔先进控制器（包括5个CV、5个MV、4个DV）；吸收稳定塔先进控制器（包括14个CV、10个MV、34个DV）。

先进控制实施中，采用了在已有在线质量分析仪：轻柴油凝固点分析仪、稳定汽油蒸汽压、轻柴油馏程分析仪。

根据先进控制的需要，建立主分馏塔粗汽油干点、副分馏塔粗汽油干点、油浆350℃含量、干气C3+、液化气C2-、液化气C5+、等软仪表。

另外，轻柴油馏程分析仪的迟延时间和样本分析间隔均较长，为此，也建立轻柴油干点预测软仪表。

3.2.2 先进控制应用效果
（1）先进控制投用后，被控指标CV（如再生器氧含量、主分馏塔顶温度、各塔器液位）和质量指标CV（如汽油干点）的波动有明显减小，而各调节手段（MV）的波动幅度也有所减少，装置生产更加平稳。

（2）先进控制投用后，再生器密相温度高位平稳运行、外取热器汽包蒸汽产量有所增加、主分馏塔顶冷回流流量有所降低，实现了部分优化生产的功能。

汽油和柴油收率以实施卡边控制，从而实现汽油和柴油收率的最大化。

（3）在先进控制试投用过程的2006年11月21日下午到22日下午，提高掺渣的功能得到了验证。

图3-5至图3-8是主要CV在先进控制投用前后的曲线对比。

先进控制投用后
先进控制投用前
图3-5 先进控制投用前/后，再生器烟气氧含量（上）、再生器密相温度（中）、外取热器蒸汽产量（下）的曲线对比
4 结束语
图3-6 先进控制投用前/后，主分馏塔顶温度（上）、主分馏塔中部温度（中）、
主分馏塔人字档板温度（下）的曲线对比
图3-7 先进控制投用前/后，主分馏塔顶汽油干点（上）、柴油干点（下）的曲线对比
图3-8 先进控制投用前/后，副分馏塔顶汽油干点（上）、副分馏塔中部温度（中）、 副分馏塔顶回流罐液位（下）的曲线对比 先进控制投用后
先进控制投用前
先进控制投用后
先进控制投用前
先进控制投用后
先进控制投用前
4 结束语
多变量预估先进控制系统在公司石化化工生产装置投用后，取得了明显的应用效果，先进控制系统能克服生产过程的各种参数的耦合带来超调和波动，使生产装置的产品控制品质得到了提高。

增强了生产装置抗干扰能力，提高了装置生产的平稳性，减轻了操作人员的劳动强度，做到卡边优化控制、节能降耗、提高产品收率对提高企业的经济效益十分有利。

为了继续搞好今后的先进控制的应用提出如下建议：
（1）先进控制的效益是一个长期积累的过程，需要工艺技术人员的深入的参与和支持，工艺操作人员是最终用户，日常生产方案的调整，当工艺条件的变化时，只有让操作人员都明确控制目标，控制策略，实施方法，使他们懂原理，会操作。

才能针对不同的生产方案和生产优化指标，随时调整控制参数，积极主动投用，保证投用率，充分利用先进控制技术，搞好安全平稳生产，多创经济效益。

（2）先进控制工程是一项多学科系统工程，包括控制理论(经典/现代/先进控制)、现代计算数
学、计算机、信息管理工程、化工与石油炼制工程。

开发难度大，受工艺、现场仪表、DCS 等诸多条件约束，实施周期长，有一定风险。

因此要推广先进控制技术的应用必须得到各级领导及管理部门的的高度重视和支持。

（3）注重加强先进控制实施队伍的培养和建设，企业要有自己的技术队伍，负责先进控制技术的推广应用和维护工作，由于先进控制技术的综合性和复杂性，决定了一位优秀的先进控制工程师必须经过长期培养和经验积累，要确保从事先进控制技术人员的稳定。

先进控制软件模型应随着工艺操作条件的变化而变化的，不论哪家厂商提供的先进控制解决方案，当控制器投用后，如果不对控制器进行维护，当生产装置、操作目标或操作条件发生改变时，控制器性能就会下降。

因此对控制器的性能进行监控，及时对其维护、改进、完善，保持其精度，对于保持先进控制的效益来说至关重要。

（4）要坚持不懈的继续在石化化工生产装置推广应用先进控制，搞好先进控制的应用开发和维护，为企业的挖潜增效作出新贡献。