关于先进控制技术的综述

先进控制技术综述

庞倩超(淅江轻纺职业技术学院)

崔玉华(大庆油田化工总厂)

李艳秋(大庆油田有限责任公司设计院)

摘要结合目前国内市场上较为成熟的国内外先进控制技术产品,介绍了先进控制

技术的概念和主要作用以及应用发展现状,

并就应用开发作了简要的综合分析。先进控

制是在现有装置和DCS基础上挖潜增效的

一种有效手段,面对变化多端和竞争激烈的

石化市场,怎样提高企业的竞争力是一个急

需解决的问题。APC技术就是从控制角度

帮助企业提高竞争能力的有效武器,它能够

降低生产成本,提高产品的产量和质量。在

世界范围内APC技术已经相当成熟,在炼

油化工装置上的应用也越来越多,国外

80%~90%的炼化企业都投用了APC技术,

国内一些大型石化企业也相继开发应用了此

技术。在应用这些技术的企业都已得到了很

好的经济回报。

主题词先进控制(APC)多变量预估挖潜增效

一、前言

根据国外统计资料,在炼油装置上应用先进控制的收益是非常大的。对于一个处理量为100\* 104t/a的催化裂化装置,其年效益为182万美元(以26美分/桶、7bbl/t计算)。

目前,中国石化集团公司已经完成了第一批先控试点工程,并取得了理想的应用效果,正在做先控的推广应用工作。中国石油天然气集团公司也非常重视先进控制技术的推广应用工作。1999年已经选定集团公司系统内16套炼油、化工装置作为第一批推广应用先进控制的试点。集团公司遵循少花钱多办事的原则,批量购买国内外成熟的软件产品,指定集团公司内部有经验、技术实力强的队伍承担项目实施工作。

用先进控制技术来改造现有企业,提高生产过程控制水平及管理水平,是当前企业挖潜增效、少投入、多产出,提高企业技术水平和竞争能力的重要途径。

当然,先进控制软件本身只是一种工具,要使先进控制技术在生产过程中发挥作用,还需要我们工程技术人员共同努力,需要装置上有经验的工艺工程师和控制工程师及计算机人员的密切配合,共同开发,共同维护,保证辨识模型的准确性和投控率,才能取得良好的经济效益。

二、概念和现状

自20世纪70年代第三代控制理论发展以来,高技术开发和研究部门把化学工程、过程控制理论、仪表及计算机有机地结合起来,设计出了新型的多输入多输出的先进控制系统并开发出先进控制软件,它能够解决时变、非线性、大时滞等难以控制的化工过程问题,提高装置的操作性能,以达到节能降耗、提高装置整体经济效益的效果,人们就称这种技术为先进控制。通过合理的组态,先进控制技术(APC)很容易实现闭环的在线应用。

先控的设计思想是以多变量预估为核心,采用过程模型预测未来时刻的输出,用对象的实际输出与模型预测输出的差值修正过程模型,从而把若干个要控制的变量控制在一个希望的工控点上,把装置整体推向最佳状态。目前先进控制技术不但在理论上不断推出新的成果,而且在实际生产应用中也取得了令人瞩目的成绩。现在国内外已有很多优秀的先控产品供我们选择,如Honeyw ell高技术执行部的PC(Profit Controller);ABB代理的STAR;横河代理的SMOC;FOXBORO的Connoisseur; ASPEN的DM C;洛阳石化工程公司开发的反应热先控技术以及石油大学的机理建模技术都各具特色,归结起来建模原理都大同小异,基本上分为机理建模和采用系统辨识理论测试建模两种,并且在实践应用中都取得了良好的经济效果。他们同时也开发出了与APC配套使用的软仪表及核磁共振技术,用以代替分析仪对工艺的反应深度、产品质量、馏程等作辅助分析,供先进控制器应用。

目前的多变量预估优化控制都具备良好的抗干

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庞倩超:先进控制技术综述

扰即鲁棒控制功能,能够更有效地稳定工艺装置的操作情况。

三、应用

1,主要作用

平稳操作、卡边控制。多变量预估控制器一般根据阶跃测试和模型辨识建立动态的数学模型,具有很强的鲁棒性,即使装置操作条件发生较大的变化,也能满足控制的要求。多变量预估控制器利用基于该模型的预估算法和历史数据,预测关键变量的未来变化,决定当前操纵变量的调节方向和大小,使受控变量与其目标值的偏差最小。大大减少均方差,从而可自动调整设定点靠近操作极限,实现卡边操作。

优化操作,提高效益。多变量预估技术的另一个显著特点是其静态优化功能,分为线性优化和二次型优化。用户可以根据优化的目标(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,根据优化目标和加权因子的大小,确定各操纵变量的优化调节方向,提高目的产品的产量,以达到优化的目的。方法虽然简单,但效果不错,可以把控制推向其经济优化目标。

APC的优化器根据线性规划或二次型规划能够综合而准确地求取最佳的经济操作点,并通过APC控制器对工厂进行最优控制,取得最大效益。这是因为这类高经济性能操作点往往靠近约束条件,操作工人在没有APC控制的条件下很难使装置保持在这种最优状态,而APC控制器作为高科技技术却能够连续而准确地把工艺装置控制在这种难以控制的经济最优点上。

控制灵活,确保安全。APC控制技术提供了比较全面的控制操作参数,可以通过对某些参数的调整,灵活地改变先进控制的控制效果。在生产出现异常时,根据组态可随时自动或手动地切掉某一部分或全部先进控制器,以便进行人工干预,稳定生产装置。

2,应用关键

基于APC技术的上述特点,如何发挥其效能,设计和应用是关键。

要根据装置的实际情况,规定切实可行的控制目标,正确划分先进控制系统的层次,正确设计APC控制器和定义其各种变量(MV、CV),这是保证先进控制系统能否成功应用的先决条件。

改善现场仪表环境,使其测量准确并正常运行,提高PID控制质量,加强基础层控制的稳定性,这是做好先进控制的基础条件。

根据装置的特点和生产要求,精心设计阶跃测试计划,并保证测试的成功,从而为过程模型的辨识提供理想的数据。在阶跃测试中激励信号幅度的选择和每次阶跃保持时间长短的确定很重要。这一过程需要领导的支持和有经验的工艺工程师密切配合,同时化验采样要及时,分析要准确,以确保建立准确模型。

在预测控制中,过程的内部模型占有相当重要的地位。要把工艺机理的分析和模型自动辨识技术结合起来,以保证MV-CV对模型基本上能反映出实际的过程特性,从而使APC控制器有个成功的基础。

精心操作、及时维护是实现先进控制系统长期在线运行的重要因素。随着生产规划、工艺条件等因素的改变,要及时调整先进控制器的有关参数,以便其准确辨识,有效投用。

四、应用效果分析

先进控制技术的实施一般不需要增加太复杂的硬件设备,通常根据现有DCS的情况可人为选定一台小型机或装有NT操作系统的PC机用于工况及模型计算(有的APC产品可在其自己的DCS平台上运行,而无须再加硬件)。根据具体的控制方案,可配置一个ALPHA Server机,把IRC(中间层控制器)和APC软件包放在小型机中执行,数据通讯由DCS与小型机共同完成,数据的整理、分析、建模在PC机上进行,模型的生成、调整在小型机上完成。

先进过程控制所获得的效益可以分成两种类型,一种是可以定量分析出来的,另一种是定性的。

定量分析包括提高处理量、增加产品收率、降低能耗。

定性分析包括操作平稳性的改善、环境保护的改善、提高操作员的工作效率、获得更多的工艺过程的信息等。

从目前投用先控的试点单位看,虽然由于各方面因素影响,效果不尽相同,但总的看来,收益都不错。凡是能投在线的,其投资回收期都不超过1年,一般在3~8个月,并且有显著的难以估量的效益,如平稳控制、操作指导等。(下转第46页)