石油石化企业信息化的先进控制与实时优化

石油石化企业信息化的先进控制与实时优化

来源:[互联网] 作者:[樊少明江鹰] 发布日期:[2010-12-8 14:09:20]

1 引言

“十五”以来，国内炼化行业信息化水平显著提高，ERP、MES、PIMS/APS等信息系统在炼化企业得到了应用，预计到“十一五”末，这些系统将全面覆盖各主要炼化企业。另外，炼化企业在控制系统配套、先进控制(advanced process control，APC)技术、在线优化(real time optimization，RTO)技术、实时数据库等方面也取得了长足进展。多年来，企业的技术人员和科研院所的学者们越来越感觉企业信息化不单单信息处理，更应该通过信息化建设提高决策效率，并将决策信息快速用于生产干预，解决企业快速响应市场问题。特别是近年供应链技术研究的不断深入，先进控制和实时优化这种管理目标与生产技术指标综合控制的手段是其他方式不能替代的。这类手段与其他信息系统的集成应用，是国外信息化工作的热点，也是企业信息化的较高阶段。经过对先进控制和实时优化发展趋势以及企业信息化模型构架分析和研究，以及对行业专家经验和观点的归纳总结，我们认为先进控制和实时优化不仅是生产过程的最高层面，更是企业信息化的最基础工作，应在企业信息化建设规划中加以统筹，实现与MES、APS、ERP等信息系统及DCS、PLC等控制系统的有机整合，做好在炼化企业的应用，从而促进自动化和信息化融合。

2 先进控制与实时优化基本概念和发展趋势

在典型的炼化装置生产操作过程中，存在着动态响应时间滞后、变量未能在线测量、动态响应非线性、干扰相互偶合、约束、大的外部干扰等特性，从而导致传统的PID控制效果不佳。20世纪70年代初，学术界提出以多变量预估控制为核心的先进控制(advanced process control，APC)理论，根据装置运行的实时数据，采用多变量模型预估技术，计算出最佳的设定值，送往控制器执行。多变量预估控制范围不再只是针对某个具体的工艺测量值或与之有关的变量，而是根据1组相关的测量值乃至整个装置的所有变量。通过实施APC，可以改善过程动态控制的性能，减少过程变量的波动幅度，使生产装置在接近其约束边界的条件下运行(卡边操作)。90年代以来，大规模的模型预估控制和用于优化的非线性预估控制技术得以完善，在石油化工行业获得广泛应用，大量工业装置在已有DCS基础上配备了先进控制系统。

先进控制可以保证该控制环节稳定运行在给定工况，但先进控制不能确定装置的最优工况及对应的生产参数。针对该问题，在先进控制的基础上，进一步研发出针对整个装置的在线、闭环实时优化(real-time optimization，RTO)技术。实时优化是模拟和控制的紧密结合，在装置稳态模型的基础上，通过数据校正和更新模型参数，根据经济数据与约束条件进行模拟和优化，并将优化结果传送到先进控制系统。实时优化与先进控制集成后的基本流程如图1所示。

图1先进控制和实时优化基本流程图

近10多年来，实时优化和先进控制的集成已经成为过程工业的热点，国外化工企业纷纷在主要装置实施实时优化，以获取最大经济效益。目前国外多数炼化重点装置已经实施了先进控制和实时优化。

随着实时优化技术和现场总线技术(FCS)的发展，先进控制和实时优化的发展趋势是：控制系统结构从分散式向集中式发展，控制范围从单个装置扩展为一批相关的装置群，集成方式从先进控制和实时优化的局部集成向企业级的全局应用发展…到，进而实现企业级控制(enterprise contr01)、高级预测(advanced forecasting)和多周期多厂优化(multi—period multi—plant optimization)。该趋势的具体表现是数学模型规模迅速扩大，将装置模型与全厂生产动态、历史数据和财务经济指标相结合，考虑产品价格波动、原料价格、燃料价格变动，并反映到整个工厂计划中。

先进控制与实时优化是确保炼化企业“安、稳、长、满、优”生产的重要手段一，是现代控制理论与信息技术结合的产物。前些年，作为生产过程控制的最高手段，在企业信息化全面推进的今天，已经被大多技术人员和学者确定为企业信息化特别是以ERP为核心的炼化企业信息化的最基础内容之一，应在企业信息化建设中统筹规划，避免投资不到位而影响企业信息化效果。当今供应链技术的应用效果很大程度上也取决于先进控制和实时优化。为此本文从企业信息化规划角度，谈谈如何发挥先进控制与实时优化的基础作用，实现与MES、APS、ERP等信息系统及DCS、PLC控制系统有机整合，做好在炼化企业的应用，从而促进工业化与信息化融合。

3企业信息化构架

3.1生产执行系统概念简述

从70年代后半期开始，为了解决生产运行管理的实际需求，出现了设备状态监控系统、质量管理系统和包括生产进度跟踪、生产统计等功能的生产管理系统。90年代美国管理界提出的生产执行系统(MES)概念，将上述系统加以完善和扩展，作为联接过程控制层面各系统和经营管理层面的ERP系统的中间层。为ERP系统提供准确及时的生产相关信息。

随着计算机技术、网络技术和通信技术的发展，生产执行系统逐渐发展成为集成化的生产执行系统(I—MES)，全面覆盖生产计划优化、滚动调度、实时数据库、数据校正、收率计算、成本控制、生产统计、KPI指标实时监控、绩效分析、流程模拟、质量控制、在线优化、先进控制、资产管理、设备诊断维护、库存管理自动化、在线调优和优化控制、质量控制、比率控制，并且下联DCS、PLC、ESD(紧急停车系统)和ASM(异常事件管理系统)，上联ERP、SCM、HSE、E．Business、E-Cooperation和DSS(决策支持系统)。

3.2炼化企业管控一体化发展趋势

企业管理一体化是指将企业的生产过程控制、优化、运行、计划与管理作为1个整体进行控制和管理，提供整体解决方案，以实现企业的优化运行、优化控制与优化管理，全面提高企业竞争能力。APC/RTO与MES全面融合是炼化企业管控一体化的重要发展趋势。

炼化企业管控一体化管控架构从普渡大学的5层结构(经营决策层、企业管理层、生产调度层、过程优化层、过程控制层)过渡为3层结构(ERP/MES/PCS，计划层/执行层/控制层或管理层/生产层/控制层)。在实践中，中国石油于“十五”末提出了2大系统的思路。

针对管控一体化需求，国外领先的流程企业集成解决方案供应商纷纷提出了以统一的数据平台为基础，以MES为框架，集成先进计划及调度优化、先进控制与实时优化应用的炼化企业整体解决方案Il孓141，如图2图3所示，通过这些整体解决方案，实现了生产经营管理与生产过程控制的一体化。