(完整版)横河先进过程控制简

8 横河先进过程控制简介
1．概述
横河电机中国PSC-C中心诚意向贵公司推荐横河-壳牌先进过程控制系统。

横河-壳牌先进过程控制系统旨在改善贵厂PTA单元的生产效益，平衡生产，在现有生产能力上尽可能使进料和处理最大化，减少能耗，减少产品质量的不稳定，减少操作人员的操作负荷，最大限度地实现装置的优化操作。

横河-壳牌先进过程控制系统包括壳牌多变量优化控制器Shell Multivariable Optimizing Controller(SMOC)及鲁棒质量预估器Robust Quality Estimator(RQE).
鲁棒质量预估器Robust Quality Estimator(RQE).可在很大扰动和漂移的系统里预估产品质量特性。

壳牌多变量优化控制器Shell Multivariable Optimizing Controller(SMOC)可以改善生产装置的经济效益，减少产品的质量不稳定变化，减少操作能耗，增强装置的操作稳定性。

这里，我们希望着重强调近期形成的横河-壳牌先进过程控制（APC）联盟。

随着（APC）战略联盟的形成，横河将向炼油化工企业提供最好的生产装置先进控制和优化解决技术——横河的DCS系统、先进的过程控制系统（APC），先进的辅助操作支持软件（AOA），及最优的市场价格将为扬子石化股份有限公司提供最具实力和实用的先进过程控制系统（APC）。

2．横河-壳牌先进的过程控制（APC）系统概括
2．1用于过程工业的先进过程控制技术（SMOC）
SMOC是横河-壳牌全球解决方案中多变量优化和控制软件包。

横河-壳牌多变量控制器（SMOC）为炼油、烃加工和化学工业提供设计、实施和保证多变量先进控制策略实施提供必要的工具。

有效地提高工厂生产的稳定性，并实现企业效益最大化。

2．2 SMOC 的主要特征
●在工业生产中有最长的投用时间，实现企业收益最大化。

●采用不可没扰动模型和灰箱模型将事先的过程扰动包含在内，实现高的鲁棒性。

●中间变量可以用来改善过程的大时滞
●SMOC可以通过Kalman滤波器来预测对象的不可测扰动
●可方便用与设计和仿真的软件工具箱（离线）
●可嵌入DCS（无特殊界面程序或双数据库要求）中使用。

在过程仪表和过程专家的支持下，横河-壳牌全球解决方案的先进控制工程师，为在整个服务领域内成功地实施多变量优化控制器（SMOC）提供全面技术支持，包括效益研究、控制系统工程、投产试运行和应用维护。

2．2．1应用
（SMOC）多变量优化控制器已经成功地应用于全世界超过500多个过程加工装置，如原油蒸馏、催化裂化、加氢裂解、重整、润滑油、苯乙烯、二乙醚/乙二醇、PE、PP、PTA、氨纶等工厂等和期货一些主要的炼油厂和石油化工厂。

（SMOC）多变量优化控制器能将工厂安全地推向它的约束条件，将主要操作变量保持在预期目标值，同时通过有效地操作控制将企业的利润函数最大化。

2．2．2产品描述
SMOC与下列模型联合使用：
AIDA（Advance Identification and Data Analysis）离线模拟程序包：
●AIDA（高级辨识和数据分析软件包）是基于Window界面下使用的软件包，用于
处理工厂动态测试数据和提供壳牌多变量优化控制器（SMOC）所需过程模型。

友好的用户帮助菜单、图型和计算统计允许用户快速建立和验证（相关性分析和F 检验等）模型。

经过设计和测试，AIDA尤其对实际工厂测试中出现的噪声和扰动类型有很好的稳定处理。

PC-SMOC离线控制设计软件包
●PC-SMOC是在Window界面下使用的程序包，结合AIDA使用，可以设计、测试、
建立多变量优化控制器（SMOC）。

由AIDA产生过程动态模型。

也可以运用图型建模程序（the Graphical Model Builder）建立模型，PC-SMOC允许用户仿真控制器行为对建立的模型进行测试，对模型误差有很强的适应性（Robustness）和效果最优化模型结构选择。

离线设计的最后阶段是形成多变量优化控制器（SMOC）文件（控制器模型），为在线控制器应用做准备。

SMOC多变量预估在线控制器
●SMOC多变量预估在线控制器将控制装置实时操作所需的所有操作结合起来。

包
括信号确认、初始化、方式设定（MODE SHEDDING）、操作员和工程师标准操作界面和控制器开关。

相同的SMOC在线控制器可适用于在不同的操作平台上运行，既可用于DCS级（Honeywell AxM/TPS,Foxboro IA, YokogawaCS,CS3000）又可用于有SETCON、Info Plus、PROSS2、或OS I’S PI过程计算机系统。

2．2．3技术
SMOC是以模型为基础的多变量预测控制器，具有以下特点：
●经济最优化能力
●SMOC多变量预测控制器软件允许用户连续最优化他所确定的经济函数并将其作
为控制装置计算的一部分。

●控制器性能的简单在线操作
●通过设定已知点轨迹、抗干扰和前馈控制理想的响应速度来实现在线调整。

●通过操作中间变量来提高控制器性能
●通过操作中间变量可以为控制变量的未来行为提供早期指示，可将中间变量纳入
控制器，以实现更好的稳定性和实时控制作用。

●通过在线控制器有效使用CPU资源
控制器的模型矩阵是离线计算的，在线控制采用松驰算法，有效解决约束条件的最优化和控制执行的时间。

2．2．4 鲁棒质量预估器
Robust 完善的工具箱和高精度推断软测量仪表
RQE是横河-壳牌全球解决方案强有力的，用户界面友好的一套软件包，软件可离线设计，以生产控制、监视和获取信息为目的的推断软测量的在线应用工具。

2．2．4．1推断软测量法的应用
推断软测量是一个计算的变量，当我们不能采用常规仪表测量在线得到工艺关键参数，在线获取数据，或在线不能连续获取数值，在较大的测量滞后或得到不确定的数值时，就可采用RQE软仪表推断测量技术。

推断测量基于选定的简单测量值（温度、压力、流量……），用于预测一个关键产品的特性值（例如：汽油干点，柴油凝固点等）或复杂的过程变量。

典型的应用是RQE为闭环控制提供了一个计算的过程值（CV）。

RQE 尤其适用于横河-壳牌全球解决方案的壳牌多变量优化控制技术（SMOC多变量预估控制器）相结合的应用。

推断测量法应用于如下产品质量的估计测量：多流路分馏塔（ASTM蒸馏的温度、闪点、云点……），轻质油分馏塔（组分、蒸气压（RVP）等），反应产品（重整油辛烷值，氢化物产品%N2……）。

RQE是一个通用的软件包，同时也适用于其他类型的连续生产过程。

2．2．4．2RQE软件包实质性地应用于两种不同的配置：
●与在线的分析仪的结合：
●推断软测量可提供油品特性连续地快速响应的软测量值，而分析仪的测量则经常
会有时间上的滞后性，及数据的间断性。

此外，推断软测量还可在分析仪故障时或需要校对时提供备用测量数据。

●实验室更新机理：
推断软测量的数年可用实验室化验分析数据进行定期校正。

当采用在线仪表用户经济上不能随或维护费用很大时，推断软测量仪表可直接替代在线分析仪。

2．2．4．3RQE离线软件包
RQE离线软件包采用微软Windows 2000/xp操作系统，基于图形的软件，它应用于快速跟踪设计及推断测量法的维护。

它有如下功能：
●数据分析和处理
这个功能允许用户输入、显示和执行一系列过程变量的数据统计分析，以用于建立过程数据模型。

●推断测量模型：
建模阶段需经过如下步骤：选取计算的输入值，选取模型类型，估算模型参数，确认最终模型。

有多种模型可供选择：线性模型（包括PLS，PCA），神经网络模型。

用户可以不必对建模的技术细节有详尽的了解。

该模型包括输入和滞后的选项，能够用少许但可信的步骤自动完成。

●推断测量修正设计
软件的这部分功能允许用户从在线分析或实验室分析数据对预测模型进行测试和调整，并选择多个不同的选项。

可供选择的选项包括统计分析规则（统计过程控制），KALMAN滤波器和简单的偏差校正机理。

一介特殊类型的神经网络模型（RBF网络）被选择应用于RQE。

不用于其它标准神经网络，RBF网络会根据输入特性自动选择网络结构（层、节点），并且能和KALMAN滤波器预测模型较好结合在一起。

相对于测量噪声的滤波而言，KALMAN滤波器有着更好的性能。

它使模型可以适应诸如因为非线性和时变过程所带来的不同增益改变（例如催化剂失活或设备故障）。

相对于传统的偏差校准机理来讲，KALMAN滤波器提供了更稳定的预测，并且已经证明能给出更高的估计精度，提高在线推断预测的可信性，并减少了维修的要求。

离线RQE软件包生成一个模型文件，它包含了推断测量在线运行所需的所有参数。

2．2．4．4RQE在线软件包
RQE是横河和壳牌全球解决方案的在线先进控制工具库（COAST-Control Application Standards）控制应用标准中一个模型。

RQE包括全部灵活的和可组态要求的工具，完成在线推断测量的执行，RQE是一个鲁棒性和可靠性的软件包。

主要特征有：
●扩大在线分析仪信号的核对，包括超范围的处理，冻结数值检测和峰值拒绝。

●操作员实验室数据输入界面，查看登陆结果预览。

●输入数据的处理（动态补偿，非线性变化，变量结合，过滤等）。

●预测计算和结果处理（钳位，非对称的过滤）。

●使用KALMAN滤波器校准模型（以在线分析仪或实验室分析数据结果为基础均
可）。

●通过非线性神经网络模型和内置的组态属性功能来处理非线性测量问题。

●参考实验室分析结果对模型预测进行输入校准。

●SPC技术，包括分值卡，CUSUM和峰值拒绝
●可选的稳定状态检测
●不确定鲁棒（Robust）处理和质量参考测量值的改变及滞后处理
●操作员图形界面和工程师的图形界面
●提供信息和报警
对于模型校准，RQE有一个独特的功能来弥补不确定的时间滞后和改变，并与产品的利润衡量结合起来。

这个机理已被证明它能显著增加RQE预测的精度和鲁棒性。

RQE在线软件可在DOS，WINDOS平台上运行（FOXBORO，HONEWELL，YOKOGAW A），也可用于一些实时控制生产的计算机系统（PROSS2，INFOPLUS，SETCON）。

2．2．5横河-壳牌全球解决方案优势
在横河-壳牌全球解决方案中，有超过600套推断测量的软件包在用户现场运行，涉及炼油、化工、气体处理应用等方面的广泛应用。

横河-壳牌全球解决方案有关丰富的现场经验来帮助客户完成技术确认、设计并成功制动用于控制要求对产品特性的计算、检测及信息采集。

这些丰富的现场经验和广泛的与RQE工具箱紧密结合的研发技术，是获取鲁棒的（Robustness）和高可靠性推断测量的保障。

RQE实时软测量技术对于质量控制和不可测变量的观测都是最好的选择。

2．2．5．1先进的辨识和数据分析软件-AIDA
AIDA（先进的辨识和数据分析软件包）是用来估计过程线性动态模型的软件包。

AIDA是横河-壳牌在离线状态下的高级控制通用软件包PCTP（过程控制技术软件包）中的一个产品。

它产生一个生产过程单元的线性动态模型，用于模型预测控制，例如用于横河-壳牌SMOC多变量预测控制器。

以工厂的生产数据为基础得到的动态模型就叫做辨识。

在工厂装置测试中是以给定的采样周期为基础对过程数据进行采集的，通常是一分钟。

采集的过程数据包括工厂操作手动给定点（过程输入，或独立变量），这里说的工厂操作变量是受过程输入改变影响的变量，这些变量对先进控制方案设计有影响并且在日后的先进控制方案中所包含的相应的规定或最优化目标（过程输出或独立变量），和其他一些相关变数据，这些相关数据通可以提供目前工厂运行的状况并且可以帮助建立更准确的模型（测量扰动变量）。

例如，典型的独立变量包括如下几类：
●PID控制给定值（流量，温度和压力）
●期望的控制阀位
2．2．5．2典型的独立变量包括如下几方面：
●过程性能或受约束的测量值（流量，温度，压力，在线分析数据和控制产供
阀阀位）。

●计算变量（例如：推断的测量值）
2．2．5．3典型扰动变量包括：
●进料流速，进料温度，进料品质。

●与在线分析仪测量相关的压力、温度。

●PID控制器的过程输入值
工厂测试包括对考虑采用的过程变量进行单独、连续、数次的阶跃，密切注意阶跃的幅度和重复次数，以保证使工厂所受的扰动最小，从而获得理想的结果和最有效的对象模型。

不同类型的装置在正常生产中给的扰动信号可根据操作条件和具体应用要求作为工厂的测试值（阶跃测试，伪随机（PRBS）序列）
●过程数据文件的分析和处理
变量的选择包括如下内容，变量辨识、根据要求去除无用的数据段、建立计算变
量、建立数据模型图、进行图形观察、检验并发现反常情况。

+ 有限脉冲响应模型的产生（finite impulse response model）(FIR):
在处理数据时，FIR方法是非常有用的，它可以提供对数据质量的判断，输入激励的程度，和对过程动态情况的大体理解。

当数据中两变量存在（或缺乏）强烈的因果关系时，通过FIR方法可以得出非常有用的信息。

一个非参数脉冲响应模型适用于这种数据。

使用者需要确定预期设定的时间（setting time）。

脉冲响应模型将转换成标准参数模型形式（一阶+时间滞后）并展现全使用者。

F-统计检验用来量化模型的品质，并帮助选择合理的模型输入。

●模型评估
建立的模型可通过约束非线性优化（constrained non linear optimization）技术进行
评判。

实际上在选择模型类型（一阶，二阶，斜坡）和模型输入时，使用者的干
涉是受到限制的。

可提供其它辨识参数的缺省值，这些值包含了很多实际的生产
情况。

同时计算并显示出模型参数置信度带以评价最终模型的精度。

●模型确认
AIDA提供了一系列分析工具用于模型有效性分析。

F-统计可以用来对模型的精度
进行定量分析。

AIDA自动生成一个实际的模型图形和预测的过程输出图形，可以
为设计者提供直观的图形分析和对AIDA模型品质进行检验。

对更高级使用者可
以用自相关和互相关方法对建立的模型从其它方面进行分析。

2．2．6AIDA的特性和功能汇总：
2．2．6．1AIDA的特点：
●动态模型辨识软件包
AIDA为先进过程控制提供线性动态模型计算，特别是用于模型预测控制，例如：
SMOC和QDMC。

●在WINDOWS 2000和WINDOWS XP环境下运行
AIDA是交互式人机界面友好的程序包，拥有选择菜单，图形和在线服务信息。

●使用的有限脉冲响应模型（FIR）模型已经完成预安装（PRE-FIT）
通过FIR模型运算可以快速简单的主人数据的质量输入激励的程度，理解过程动
态大体的情况，并对重要输入进行选择。

●通过约束非线性优化法进行模型评价
这一技术允许自动估算过程时间延迟和设定模型参数的最大、最小限值。

在特殊
情况下，模型参数可以是固定的期望值（desired value）。

●模型类型包括具有时间延迟的一阶、二阶和积分型
一阶模型可指定用于简单的对象过程。

二阶模型（第一项为分子，第二项为分母）
包括超调响应的情况，震荡响应过渡情况和逆响应对应情况。

RAMP模型加上延
迟项可用于积分过程。

●噪声模型可作为辨识计算的一个部分进行评估
出岔子输入和输出间的关系模型外，采用具有积分器的ARMA（自动回归移动平
均）噪音模型可对噪声自动进行估计。

这一组合模型改进了噪声存在和数据非稳
定扰动（例如：漂移）情况下的辨识性能。

2．2．7先进过程控制实现和报价
横河APC技术采用SHELL的多变量优化控制器-SMOC和鲁棒质量估计器-RQE。

SMOC多变量优化控制器的应用可减少关键变量的波动，使变量的自由度增加，
把控制区指标推向优化值，提高警惕经济附加值高的产品产率，使装置获得更大
的经济效益。

我们诚恳地向贵公司承诺，横河公司可以向贵公司提供最好的APC解决方案，我
们有丰富的PTA装置实施APC的技术和项目管理经验，有最好的从事APC工程
的工程师作为您们的技术后盾。

我们希望贵公司能成功实施好PTA装置APC技术，
真正通过APC技术的应用为工厂带来实在的经济效益。

我们将随时为贵公司APC技术应用提供技术支持。

2．2．7．1硬件平台
采用Windows 2000/xp作为操作系统的PC计算机被用作SMOC和RQE的硬件平台。

（下面是图）
Fig1-1 CENTUM DCS APC 系统配置图
SMOC系统配置如下：
P process Data(过程数据)：SMOC所使用的变量，如操作变量，被控变量及干扰变量等。

ExaSMOC Data (ExaSMOC数据)：控制器整定参数，权系数，优先级等。

2．2．7．2提交的产品清单
APC技术为PTA装置APC项目配置，其内容包括横河APC系统软件，及项目的培训。

与DCS接口Exaopc、driver软件以及SMOC S/W license (offline +online),RQE S/W License(offline +online)软件由横河公司配置。

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