石化企业过程控制与优化
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工业生产过程应用现状：
限幅传感：超过定义阈值即报警，最为普遍、常用 偏差监测：仿真结果与实际观测值比较，依赖于模型准确性
目前基于仪表检测信息的单变量监控应用普遍
满足工业装置运行需求
工业过程故障分析
产品不合格,不安全的操作条件,设备损坏等 不能及时检测和确认故障源将导致损失巨大经济损失，仅美
ASPHALT
先控 工程师
FC 101
操作工程师
进料/产品分析
实验室
分析工程师 系统工程师
RTO 系统平台
DCS界面
过程控制与优化的位置
月/周 周/天 小时 分钟 秒
计划
调度 实时优化
(RTO) 先进控制 （APC） 常规控制回路
DCS – 仪表
先进控制技术（APC）
目标：
处理多变量的约束控制 提供单元的局部约束优化与动态控制
实时优化过程
等待装置调整平稳
稳态检测
优化值下装到DCS 控制器设定值改变
计算最优化操作条件
RTO 循环
从DCS中获取数据 数据有效性验证
约束、控制器状态、价格因素等
模型计算/参数调整 (基本工况)
RTO每个班次将自动实现3～4次循环计算
APC 与 RTO 技术比较
APC应用
• 过程中包含多个控制器
三、工程应用中过程 控制的新方向
过程监控 自适应控制器
过程监控
过程监控问题：
过程参数的变化：催化剂中毒、热交换器结垢等 干扰参数的变化：进料流股中的浓度变化、环境温度变化等 执行器问题：卡住、空气泄露、气源故障等 传感器问题：堵塞、结垢、标定误差等造成仪表损坏或偏差 控制器问题：控制性能等
国石化行业，每年估计因缺乏对异常事件的有效监控而损失 200亿美元
基于关键组分的多变量预测控制系统方案设计
扰动（反应器抽出水）或 （ PX进料量+回流温度）
XD（塔底H2O含量 ） XB（塔顶HAC含量 ） DP（全塔压差）
FV1（蒸汽流量阀位） FV2（回流量阀位）
L（回流量设定值 ）
先
进 控
V（蒸汽流量设定值 ） GC
制
T（塔底温度回路设定值 ）
器
目标： 稳定塔釜组成DI1702（釜水） 降低塔顶酸耗和能耗
主要特点：
基于装置测试数据的过程动态模型（非机理、基于经验） 应包括装置单元的所有主要约束条件 其包含优化是指实现操作目标（推向边界条件），或包含简
单的经济指标 实现DCS层面上控制回路设定值的自动改变
技术创新：
多变量测试与辨识技术
应用举例
PTA溶剂脱水塔的APC应用：
溶剂脱水塔先进控制系统
应用举例
MV测试（多变量）：
应用举例
阶跃响应模型：
应用举例
MPC投运后的CV曲线：
APC应用现状
1、建立了标准化的APC工程实施方案与步骤； 2、从复杂实际工程应用中寻找问题根源，逐步完善现有
APC技术（如闭环辨识技术）； 3、对数据分析、过程机理的综合应用逐步加强
实时数据分析（模式识别方法） 如，常减压装置原料频繁切换问题；
过程模型化技术和优化技术特别是在线模型校正 与优化技术等关键技术的创新对流程模拟、先进 控制和过程优化至关重要；
二、过程控制与优化的现状
过程控制发展的回顾
阶段
一 （年代70以前）
二 （70～80年代）
控制理论
经典控制理论
现代控制理论
控制工具
常规仪表 （气动、液动、电动）
分布式控制计算机 （DCS）
《国务院关于加快振兴装备制造业的若干意见》指出，在“发展重大 工程自动化控制系统和关键精密测试仪器，满足重点建设工程及其他 重大（成套）技术装备高度自动化和智能化的需要 ”实现重点突破。
用自动化技术提高流程工业自主创新能力
石油和化学工业发展需求
国民经济的支柱产业 2019年石油和化学工业总产值达到33762亿元，占国 民生产总值（182321亿元）的18.5%
过程监控 – 改进、提高运行效率
Control + Optimization + Monitoring = Profits
Planning、RTO、APC 的作用
计划优化系统 （PIMS）
每月/周
调度约束、 价格等
计划、调度 的过程变量
在线优化
（RTO）
小时
优化目标
过程约束
先进控制
（APC）
分钟
过程控制与优化如何实现节能降耗
➢ 过程用能组合优化
夹点技术提升和设计换热网络
对工厂换热网络运行进行优化操作，可节省操作费20 ％～50％，投资回收期一年左右；
对新建工厂换热设备进行优化设计，比传统方法可节省 投资10％～20％，操作费节省30％～50％。
Exergy分析方法
注重能量的质量高低或有效能的大小 工艺装置能量优化、工艺装置及与其它单元之间的热联
与基于严格机理的模型相结合 如，关键指标预估
在线优化技术（RTO）
目标：
自动、实时完成最优目标值 最大化经济效益（一个或多个装置）
主要特点：
非线性模型－基于工艺机理模型 根据装置运行数据自动实现模型的在线修正 基于经济定价的优化 基于装置运行信息反馈的优化 最优目标的自动、闭环实现 针对当前约束条件下效益最高的装置单元
RTO 优化目标
RTO的目标：在保证产品要求和过程变量满足最小/最大约束 的前提下最大化当前的操作利润
最大化利润 =
产品价值 - 原材料费用 - 公用工程费用
产品要求（炼油为例）
塔顶轻组分质量指标 侧线采出组分质量指标 塔底重组分质量指标
最小/最大约束条件
先进控制器（MPC）的主要约束条件
《国家中长期科学和技术发展规划纲要》将“流程工业的绿色化、自 动化及装备”列为优先发展主题，重点研究开发“基于生态工业概念 的系统集成和自动化技术，流程工业需要的传感器、智能化检测控制 技术、装备和调控系统。”
《中国国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要》装备制造业振兴 的重点：“推进百万吨级大型乙烯成套设备和对二甲苯、对苯二甲酸 成套设备国产化。”（自动化技术非常重要）
合、全厂低温热优化利用以及蒸汽动力系统综合优化 应用于实际工业装置的优化设计和节能改造中，可取得
极大的经济效益与社会效益。
先进控制和优化应用的效益
Aspen公司 数据表明：
实施APC取得的效益中，降低能耗占10％，产品质 量提高占10%，提高装置生产平稳与安全性占15％， 提高回收率占15％，提高加工能力占30％。 Chemshare公司数据表明： 用DCS改造常规仪表获得10％的效益，在DCS上实 现APC获得40％的效益，在APC上实现RTO获得40 ％的效益。 Foxboro公司数据表明： 效益比：DCS为 1 : ARC为 3 : APC为 5 : RTO 为 9。
APC、RTO、PMC 的作用
随着工业过程日益朝着集成化、大型化方向发展，系 统的复杂性不断增加，表现为控制目标多元化，变量 数目增多且相关性增强以及存在多种约束。
先进控制
优化/在线优化
过程监控
Operators
先进控制 – 确保操作运行在局部约束条件
边界上
工程界形成共识：
优化 /在线优化 – 追求效益最大化目标
控制要求
安全、平稳
优质、高产、低消耗
三 （90年代）
控制论、信息论、系 统论、人工智能等学 科交叉
计算机网络、现场总 线系统与智能仪表
市场预测、快速响应、 柔性生产、创新管理
控制水平
简单控制系统
先进控制系统 综合自动化（CIPS）
先进的控制工具， DCS、现场总线控制系统的出现与完善；
现代控制理论的不断发展与提高。如预测控制、自适应控制、非线 性控制、鲁棒控制以及智能控制等控制策略与方法仍然为目前国内 外学术界与工程界的热点研究课题。
APC/RTO 实现过程
目标函数、定价、逻辑
计划调度 人员
价格 驱动力 限制约束
离线学习
终端用户
RTO 模型 及其在线应用
CRUDE CRUDE CRUDE CRUDE CRUDE ASSAY BLEND
优化 工程师
APC应用
OVEREAHD
PA1
LIGHT ENDS
LVN
TO
SS1
PWF
HF
PA2
• 动态经验模型 (假定过程响应是线 性的)
• 更新偏差/预测误差
• 进料信息特性描述简单
• 简单线性规划优化
• 线性规划只是几个操作变量的代 价函数
RTO 应用
• 包含全部过程
• 严格的、基于工艺机理的、稳态、 非线性模型
• 更新工程参数
• 详尽的进料信息，如组分、比例
• 非线性优化
• 详细的经济参数，有关原料供应、 产品、公用工程的价格等
过程控制与优化如何实现节能降耗
➢ 运行过程优化操作
过程控制
目的：克服扰动，保证操作安全性和平稳性 手段：先进控制器（控制方法、算法）设计
过程优化
目的：确定最优操作条件，增产、节能、降耗、减排 手段：生产装置、过程、流程的模拟和优化运行
用能过程监控
优化生产操作条件，确保过程用能始终保持在高效工况 下运行
石化企业过程控制与优化
主要内容
一、过程控制与优化的作用 二、过程控制与优化的现状
APC与RTO广泛应用 三、工程应用中过程控制的新方向
过程监控：DCS/PCS/APC/RTO/MES全系统集成监控 自适应控制器：克服传统概念对模型精确性要求
四、过程控制与优化的案例分析
一、过程控制与优化的作用
国家发展战略需求
RTO 如何提升操作性能
冷凝器约束
进料 溢流液泛线
－精馏塔控制示例
再沸器约束 塔压设计约束
塔压
漏液线
实时优化过程
稳态模型实现在线运行，从总体效益上进行优化 利用 APC技术实现目标 当过程处于稳态时RTO运行
当过程处于稳态时，一般每4小时运行一次 正常情况下，每天运行3～5次 稳态检测时，一般要检查至少30个以上变量情况 尽可能地实现最大化利润 基于经济信息 利用RTO 改进操作实现最大化利润
RTO 系统对APC的要求
APC能够保证系统达到稳态 在RTO实现过程中，优先考虑控制器中MV和CV的约束。
因此，应确保不能有不合理的箝位限制 APC 能够平稳实现RTO的优化目标并保持这一目标，同时
满足所有 MV/CV的约束
值得注意的是: 必要情况下，牺牲经济指标满足控制需求， 控制稳定性更为重要。
石油和化学工业既是产能大户又是耗能大户 2019年我国石油化工行业总能耗3.048亿吨标准煤， 占全国总能耗的15% 万元GDP能耗是0.903吨标准煤，比国外同行业平均 水平高15%～20% 污水排放，全行业达32.3亿吨，废气1.4274万亿立方 米，固体废弃物8406万吨
应用过程控制与优化技术实现节能减排
详细的工程模型，准确预测所有约束 进行各个装置的单元优化，非全厂规模 基于当前生产操作条件与价格进行优化 优化目标值能够自动执行
先进控制应用 Advanced Control Applications
通过装置测试获取线性动态模型 应用范围小于RTO（单一指标、控制回路等） 进行动态约束控制 各约束条件预先定义的、区分优先级别
SS2
PA3
T101
PA4
F-101 F-170
Stm
SS3 SS4
HF
HCN LCCO
HF
HCCO LCCO
ATF GOA GOC FO
F -2101 F -2150
T-151
OVERFLASH
F 2101 F 2150
T2101
LVGO
HVGO
BLENDING
HCN
LCCO FCCU
SLURRY
关键石化技术国际供应商在模型上对我国实行技术 封锁，需要自主地进行流程的设计、优化和提升
先进控制与优化技术面临的挑战
过程Βιβλιοθήκη Baidu型和优化技术的创新与进步
模型的准确性和效率、在线模型参数调整、测量 仪表故障补偿、系统扰动克服、系统框架优化设 计、系统长期维护困难等是造成现有技术在工业 装置上长期有效运行不理想的主要原因；
过程控制与优化技术面临的挑战
市场、技术、政策导向等的变化不断给流程模拟、先 进控制和过程优化技术提出了新的要求和挑战
严格的环保指标和成本控制要求，多目标、变约束 的优化与控制任务等，目前已有的流程模拟、先进 控制和过程优化技术尚不能完全胜任，需要进一步 加强创新研究
过程模型化技术和水平还远不能满足我国石化行业发 展的需要
原材料信息获取/生产计划优化
Raw Material Acquisition / Run Plan Optimization
采用简化模型，仅考虑主要约束条件 优化全厂装置 优化预期进料、操作条件和价格 以效益最大化为驱动目标，实现经济定价 生产计划－每月/每周平均计划
操作条件实时优化
Current - Real Time - Operations Optimization
限幅传感：超过定义阈值即报警，最为普遍、常用 偏差监测：仿真结果与实际观测值比较，依赖于模型准确性
目前基于仪表检测信息的单变量监控应用普遍
满足工业装置运行需求
工业过程故障分析
产品不合格,不安全的操作条件,设备损坏等 不能及时检测和确认故障源将导致损失巨大经济损失，仅美
ASPHALT
先控 工程师
FC 101
操作工程师
进料/产品分析
实验室
分析工程师 系统工程师
RTO 系统平台
DCS界面
过程控制与优化的位置
月/周 周/天 小时 分钟 秒
计划
调度 实时优化
(RTO) 先进控制 （APC） 常规控制回路
DCS – 仪表
先进控制技术（APC）
目标：
处理多变量的约束控制 提供单元的局部约束优化与动态控制
实时优化过程
等待装置调整平稳
稳态检测
优化值下装到DCS 控制器设定值改变
计算最优化操作条件
RTO 循环
从DCS中获取数据 数据有效性验证
约束、控制器状态、价格因素等
模型计算/参数调整 (基本工况)
RTO每个班次将自动实现3～4次循环计算
APC 与 RTO 技术比较
APC应用
• 过程中包含多个控制器
三、工程应用中过程 控制的新方向
过程监控 自适应控制器
过程监控
过程监控问题：
过程参数的变化：催化剂中毒、热交换器结垢等 干扰参数的变化：进料流股中的浓度变化、环境温度变化等 执行器问题：卡住、空气泄露、气源故障等 传感器问题：堵塞、结垢、标定误差等造成仪表损坏或偏差 控制器问题：控制性能等
国石化行业，每年估计因缺乏对异常事件的有效监控而损失 200亿美元
基于关键组分的多变量预测控制系统方案设计
扰动（反应器抽出水）或 （ PX进料量+回流温度）
XD（塔底H2O含量 ） XB（塔顶HAC含量 ） DP（全塔压差）
FV1（蒸汽流量阀位） FV2（回流量阀位）
L（回流量设定值 ）
先
进 控
V（蒸汽流量设定值 ） GC
制
T（塔底温度回路设定值 ）
器
目标： 稳定塔釜组成DI1702（釜水） 降低塔顶酸耗和能耗
主要特点：
基于装置测试数据的过程动态模型（非机理、基于经验） 应包括装置单元的所有主要约束条件 其包含优化是指实现操作目标（推向边界条件），或包含简
单的经济指标 实现DCS层面上控制回路设定值的自动改变
技术创新：
多变量测试与辨识技术
应用举例
PTA溶剂脱水塔的APC应用：
溶剂脱水塔先进控制系统
应用举例
MV测试（多变量）：
应用举例
阶跃响应模型：
应用举例
MPC投运后的CV曲线：
APC应用现状
1、建立了标准化的APC工程实施方案与步骤； 2、从复杂实际工程应用中寻找问题根源，逐步完善现有
APC技术（如闭环辨识技术）； 3、对数据分析、过程机理的综合应用逐步加强
实时数据分析（模式识别方法） 如，常减压装置原料频繁切换问题；
过程模型化技术和优化技术特别是在线模型校正 与优化技术等关键技术的创新对流程模拟、先进 控制和过程优化至关重要；
二、过程控制与优化的现状
过程控制发展的回顾
阶段
一 （年代70以前）
二 （70～80年代）
控制理论
经典控制理论
现代控制理论
控制工具
常规仪表 （气动、液动、电动）
分布式控制计算机 （DCS）
《国务院关于加快振兴装备制造业的若干意见》指出，在“发展重大 工程自动化控制系统和关键精密测试仪器，满足重点建设工程及其他 重大（成套）技术装备高度自动化和智能化的需要 ”实现重点突破。
用自动化技术提高流程工业自主创新能力
石油和化学工业发展需求
国民经济的支柱产业 2019年石油和化学工业总产值达到33762亿元，占国 民生产总值（182321亿元）的18.5%
过程监控 – 改进、提高运行效率
Control + Optimization + Monitoring = Profits
Planning、RTO、APC 的作用
计划优化系统 （PIMS）
每月/周
调度约束、 价格等
计划、调度 的过程变量
在线优化
（RTO）
小时
优化目标
过程约束
先进控制
（APC）
分钟
过程控制与优化如何实现节能降耗
➢ 过程用能组合优化
夹点技术提升和设计换热网络
对工厂换热网络运行进行优化操作，可节省操作费20 ％～50％，投资回收期一年左右；
对新建工厂换热设备进行优化设计，比传统方法可节省 投资10％～20％，操作费节省30％～50％。
Exergy分析方法
注重能量的质量高低或有效能的大小 工艺装置能量优化、工艺装置及与其它单元之间的热联
与基于严格机理的模型相结合 如，关键指标预估
在线优化技术（RTO）
目标：
自动、实时完成最优目标值 最大化经济效益（一个或多个装置）
主要特点：
非线性模型－基于工艺机理模型 根据装置运行数据自动实现模型的在线修正 基于经济定价的优化 基于装置运行信息反馈的优化 最优目标的自动、闭环实现 针对当前约束条件下效益最高的装置单元
RTO 优化目标
RTO的目标：在保证产品要求和过程变量满足最小/最大约束 的前提下最大化当前的操作利润
最大化利润 =
产品价值 - 原材料费用 - 公用工程费用
产品要求（炼油为例）
塔顶轻组分质量指标 侧线采出组分质量指标 塔底重组分质量指标
最小/最大约束条件
先进控制器（MPC）的主要约束条件
《国家中长期科学和技术发展规划纲要》将“流程工业的绿色化、自 动化及装备”列为优先发展主题，重点研究开发“基于生态工业概念 的系统集成和自动化技术，流程工业需要的传感器、智能化检测控制 技术、装备和调控系统。”
《中国国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要》装备制造业振兴 的重点：“推进百万吨级大型乙烯成套设备和对二甲苯、对苯二甲酸 成套设备国产化。”（自动化技术非常重要）
合、全厂低温热优化利用以及蒸汽动力系统综合优化 应用于实际工业装置的优化设计和节能改造中，可取得
极大的经济效益与社会效益。
先进控制和优化应用的效益
Aspen公司 数据表明：
实施APC取得的效益中，降低能耗占10％，产品质 量提高占10%，提高装置生产平稳与安全性占15％， 提高回收率占15％，提高加工能力占30％。 Chemshare公司数据表明： 用DCS改造常规仪表获得10％的效益，在DCS上实 现APC获得40％的效益，在APC上实现RTO获得40 ％的效益。 Foxboro公司数据表明： 效益比：DCS为 1 : ARC为 3 : APC为 5 : RTO 为 9。
APC、RTO、PMC 的作用
随着工业过程日益朝着集成化、大型化方向发展，系 统的复杂性不断增加，表现为控制目标多元化，变量 数目增多且相关性增强以及存在多种约束。
先进控制
优化/在线优化
过程监控
Operators
先进控制 – 确保操作运行在局部约束条件
边界上
工程界形成共识：
优化 /在线优化 – 追求效益最大化目标
控制要求
安全、平稳
优质、高产、低消耗
三 （90年代）
控制论、信息论、系 统论、人工智能等学 科交叉
计算机网络、现场总 线系统与智能仪表
市场预测、快速响应、 柔性生产、创新管理
控制水平
简单控制系统
先进控制系统 综合自动化（CIPS）
先进的控制工具， DCS、现场总线控制系统的出现与完善；
现代控制理论的不断发展与提高。如预测控制、自适应控制、非线 性控制、鲁棒控制以及智能控制等控制策略与方法仍然为目前国内 外学术界与工程界的热点研究课题。
APC/RTO 实现过程
目标函数、定价、逻辑
计划调度 人员
价格 驱动力 限制约束
离线学习
终端用户
RTO 模型 及其在线应用
CRUDE CRUDE CRUDE CRUDE CRUDE ASSAY BLEND
优化 工程师
APC应用
OVEREAHD
PA1
LIGHT ENDS
LVN
TO
SS1
PWF
HF
PA2
• 动态经验模型 (假定过程响应是线 性的)
• 更新偏差/预测误差
• 进料信息特性描述简单
• 简单线性规划优化
• 线性规划只是几个操作变量的代 价函数
RTO 应用
• 包含全部过程
• 严格的、基于工艺机理的、稳态、 非线性模型
• 更新工程参数
• 详尽的进料信息，如组分、比例
• 非线性优化
• 详细的经济参数，有关原料供应、 产品、公用工程的价格等
过程控制与优化如何实现节能降耗
➢ 运行过程优化操作
过程控制
目的：克服扰动，保证操作安全性和平稳性 手段：先进控制器（控制方法、算法）设计
过程优化
目的：确定最优操作条件，增产、节能、降耗、减排 手段：生产装置、过程、流程的模拟和优化运行
用能过程监控
优化生产操作条件，确保过程用能始终保持在高效工况 下运行
石化企业过程控制与优化
主要内容
一、过程控制与优化的作用 二、过程控制与优化的现状
APC与RTO广泛应用 三、工程应用中过程控制的新方向
过程监控：DCS/PCS/APC/RTO/MES全系统集成监控 自适应控制器：克服传统概念对模型精确性要求
四、过程控制与优化的案例分析
一、过程控制与优化的作用
国家发展战略需求
RTO 如何提升操作性能
冷凝器约束
进料 溢流液泛线
－精馏塔控制示例
再沸器约束 塔压设计约束
塔压
漏液线
实时优化过程
稳态模型实现在线运行，从总体效益上进行优化 利用 APC技术实现目标 当过程处于稳态时RTO运行
当过程处于稳态时，一般每4小时运行一次 正常情况下，每天运行3～5次 稳态检测时，一般要检查至少30个以上变量情况 尽可能地实现最大化利润 基于经济信息 利用RTO 改进操作实现最大化利润
RTO 系统对APC的要求
APC能够保证系统达到稳态 在RTO实现过程中，优先考虑控制器中MV和CV的约束。
因此，应确保不能有不合理的箝位限制 APC 能够平稳实现RTO的优化目标并保持这一目标，同时
满足所有 MV/CV的约束
值得注意的是: 必要情况下，牺牲经济指标满足控制需求， 控制稳定性更为重要。
石油和化学工业既是产能大户又是耗能大户 2019年我国石油化工行业总能耗3.048亿吨标准煤， 占全国总能耗的15% 万元GDP能耗是0.903吨标准煤，比国外同行业平均 水平高15%～20% 污水排放，全行业达32.3亿吨，废气1.4274万亿立方 米，固体废弃物8406万吨
应用过程控制与优化技术实现节能减排
详细的工程模型，准确预测所有约束 进行各个装置的单元优化，非全厂规模 基于当前生产操作条件与价格进行优化 优化目标值能够自动执行
先进控制应用 Advanced Control Applications
通过装置测试获取线性动态模型 应用范围小于RTO（单一指标、控制回路等） 进行动态约束控制 各约束条件预先定义的、区分优先级别
SS2
PA3
T101
PA4
F-101 F-170
Stm
SS3 SS4
HF
HCN LCCO
HF
HCCO LCCO
ATF GOA GOC FO
F -2101 F -2150
T-151
OVERFLASH
F 2101 F 2150
T2101
LVGO
HVGO
BLENDING
HCN
LCCO FCCU
SLURRY
关键石化技术国际供应商在模型上对我国实行技术 封锁，需要自主地进行流程的设计、优化和提升
先进控制与优化技术面临的挑战
过程Βιβλιοθήκη Baidu型和优化技术的创新与进步
模型的准确性和效率、在线模型参数调整、测量 仪表故障补偿、系统扰动克服、系统框架优化设 计、系统长期维护困难等是造成现有技术在工业 装置上长期有效运行不理想的主要原因；
过程控制与优化技术面临的挑战
市场、技术、政策导向等的变化不断给流程模拟、先 进控制和过程优化技术提出了新的要求和挑战
严格的环保指标和成本控制要求，多目标、变约束 的优化与控制任务等，目前已有的流程模拟、先进 控制和过程优化技术尚不能完全胜任，需要进一步 加强创新研究
过程模型化技术和水平还远不能满足我国石化行业发 展的需要
原材料信息获取/生产计划优化
Raw Material Acquisition / Run Plan Optimization
采用简化模型，仅考虑主要约束条件 优化全厂装置 优化预期进料、操作条件和价格 以效益最大化为驱动目标，实现经济定价 生产计划－每月/每周平均计划
操作条件实时优化
Current - Real Time - Operations Optimization