趙克勤：石化生產(chǎn)裝置先進(jìn)控制技術(shù)應(yīng)用

1、2010年3月,趙克勤石化生產(chǎn)裝置先進(jìn)控制石化生產(chǎn)裝置先進(jìn)控制技術(shù)應(yīng)用技術(shù)應(yīng)用概述概述n 先進(jìn)控制（APC-Advanced Process Control）是采用多變量預(yù)測(cè)及優(yōu)化技術(shù)、基于過(guò)程動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型、與常規(guī)控制相結(jié)合的新型工業(yè)控制系統(tǒng)；n 實(shí)施先進(jìn)控制，裝置被控變量偏差降低、抗干擾能力增強(qiáng)、操作更加平穩(wěn)，發(fā)揮裝置最大潛能，提高產(chǎn)品收率和質(zhì)量，能耗及物耗降低；n Exxon Mobil、Shell、BP Amoco等國(guó)外著名石油石化公司早在8090年代就在生產(chǎn)裝置上普及了先進(jìn)控制技術(shù)的應(yīng)用；概述概述n 中國(guó)石化從1996年進(jìn)行先進(jìn)控制項(xiàng)目試點(diǎn)和推廣工作，第一批包括常減壓、催化裂化、聚丙烯

2、共12套裝置。而后在總部統(tǒng)一組織和領(lǐng)導(dǎo)下，較大規(guī)模地推廣先進(jìn)控制技術(shù)的應(yīng)用，在常減壓、催化裂化、焦化、重整、加氫裂化、氣分、芳烴、乙烯、PTA、聚丙烯、聚乙烯等100多套裝置上實(shí)施了APC;n 建好、用好APC是一項(xiàng)涉及裝置工藝、設(shè)備、基礎(chǔ)儀表、控制技術(shù)、崗位與考核、操作人員、維護(hù)機(jī)制等諸多方面的系統(tǒng)工程。概括五大關(guān)鍵要素：實(shí)施條件、控制技術(shù)、實(shí)施方法、崗位與考核、長(zhǎng)期維護(hù)機(jī)制。實(shí)施條件實(shí)施條件先進(jìn)控制先進(jìn)控制技術(shù)技術(shù)實(shí)施方法實(shí)施方法崗位與考崗位與考核核長(zhǎng)期維護(hù)長(zhǎng)期維護(hù)機(jī)制機(jī)制概述概述建好、用建好、用好好APC的的五個(gè)要素五個(gè)要素目錄目錄 實(shí)施條件實(shí)施條件 先進(jìn)控制技術(shù) 實(shí)施方法 崗位及考核

3、長(zhǎng)期維護(hù)機(jī)制n 生產(chǎn)裝置工藝技術(shù)成熟，設(shè)備穩(wěn)定且故障率較低；n PID常規(guī)控制回路設(shè)計(jì)和PID參數(shù)整定合理，特別是與APC緊密關(guān)聯(lián)的PID控制回路，其自控（Auto）投用率較高；n 各檢測(cè)儀表完好率、準(zhǔn)確率較高，調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)靈敏并工作在有效工作范圍內(nèi)；n DCS系統(tǒng)CPU、內(nèi)存及外部存儲(chǔ)設(shè)備有充裕容量，可以安全部署APC控制器及其操作界面，滿足其運(yùn)行速度。當(dāng)APC部署在DCS上位機(jī)上，其接口通訊軟件與硬件成熟，并且可以長(zhǎng)期、安全可靠運(yùn)行。實(shí)施條件實(shí)施條件目錄目錄 實(shí)施條件 先進(jìn)控制技術(shù)先進(jìn)控制技術(shù) 實(shí)施方法 崗位及考核 長(zhǎng)期維護(hù)機(jī)制OPT/APC/PID控制總體架構(gòu)控制總體架構(gòu)n 裝置優(yōu)化控制（

4、OPT）通常是建立全過(guò)程嚴(yán)格模型，優(yōu)化各操作條件，控制頻率通常為小時(shí)級(jí)；n 先進(jìn)控制與常規(guī)控制串級(jí)，實(shí)現(xiàn)多個(gè)被控變量的穩(wěn)定與優(yōu)化控制，控制頻率通常為分鐘級(jí)；n PID常規(guī)控制實(shí)現(xiàn)單回路的給定點(diǎn)控制，控制頻率較快，通常為秒級(jí)。先進(jìn)控制架構(gòu)先進(jìn)控制架構(gòu)多變量預(yù)測(cè)模型多變量預(yù)測(cè)模型n 建立多個(gè)被控變量（CV：Controlled Variable）與多個(gè)操作變量（MV：Manipulated Variable）的動(dòng)態(tài)矩陣過(guò)程模型；n 模型可以是狀態(tài)方程、傳遞函數(shù)，或者是階躍響應(yīng)、脈沖響應(yīng)等非參數(shù)模型；n 模型建立采取系統(tǒng)辨識(shí)技術(shù)，需要在裝置上做擾動(dòng)試驗(yàn)。試驗(yàn)幅度影響模型精度、生產(chǎn)安全，因此，需要AP

5、C實(shí)施專家認(rèn)真設(shè)計(jì)試驗(yàn)，在裝置負(fù)責(zé)人確認(rèn)下穩(wěn)步進(jìn)行；n 避免擾動(dòng)試驗(yàn)，建立動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，或者采取更先進(jìn)辨識(shí)技術(shù)，充分利用日常操作提降量機(jī)會(huì)和信息，識(shí)別CVs與MVs之間的關(guān)系。軟儀表技術(shù)軟儀表技術(shù)n 一些被控變量很難測(cè)量，如：反應(yīng)深度、熔融指數(shù)、漿液濃度等，或可通過(guò)在線分析儀測(cè)量，但維護(hù)工作艱巨，較難保證長(zhǎng)期良好運(yùn)行，即便運(yùn)行很好，測(cè)量與分析時(shí)間也在30-40分鐘，很難滿足APC的控制要求。因此，這些被控變量通常采用軟儀表技術(shù)，通過(guò)建立關(guān)聯(lián)模型，進(jìn)行計(jì)算而快速得到；n 兩大技術(shù)路線：第一種是通過(guò)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、熱平衡、物料平衡，建立機(jī)理模型或簡(jiǎn)化嚴(yán)格模型，可以是靜態(tài)模型加動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，或直接建立基于狀

6、態(tài)方程的動(dòng)態(tài)觀測(cè)模型；第二種是黑箱建模方法，通過(guò)大量歷史數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)分析，構(gòu)建相關(guān)模型。需要強(qiáng)調(diào)的是這兩種方法都需要不斷地用真實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。軟儀表技術(shù)軟儀表技術(shù)軟儀表在線校正技巧軟儀表在線校正技巧PI調(diào)節(jié)器Value_BiasSP=0軟儀表計(jì)算值化驗(yàn)分析值 校正值（Value_Bias ）= (1-W)*上一次的校正值（Value_Bias ）+ W * 調(diào)節(jié)器輸出（OP）； 0W0.5校正后軟儀表值（Calculated_Value_Biased）=G*軟儀表值 +校正值（Value_Bias ）；一般地，0.7G1.0(1-W)*Bias , W1 W * OP軟儀表技術(shù)軟儀表技術(shù)n 第一

7、種方法比較復(fù)雜、難度大，但適應(yīng)范圍廣；第二種方法相對(duì)簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)。第二種方法用到數(shù)學(xué)算法如下： 回歸（Regression）分析及部分最小二乘算法（PLS） 模糊數(shù)學(xué)（Fuzzy） 人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)（ANN，Artificial Neural Network） 遺傳算法（GA，Genetic Algorithms）多變量控制技術(shù)多變量控制技術(shù)多變量控制技術(shù)多變量控制技術(shù)n APC控制策略需要針對(duì)工藝過(guò)程運(yùn)行現(xiàn)狀、特點(diǎn)和問(wèn)題，設(shè)計(jì)出真正解決裝置實(shí)際問(wèn)題的控制器。需要深入了解工藝、實(shí)際裝置運(yùn)行和操作情況，科學(xué)設(shè)計(jì)被控變量（CVs）、操作變量（MVs）和可測(cè)干擾變量（DV）。通常原則：一個(gè)CV至少要

8、有一個(gè)MV與之相關(guān)；CV之間可平行，但應(yīng)盡量少；MV之間一定不能平行和相關(guān)；n APC控制器比PID調(diào)節(jié)器要復(fù)雜，有很多參數(shù)需要調(diào)整，操作員與APC工程師應(yīng)深刻理解其含義，并根據(jù)實(shí)際工況及時(shí)調(diào)整。多變量控制技術(shù)多變量控制技術(shù)n 介紹APC控制器幾個(gè)重要參數(shù)： 控制性能比 = 閉環(huán)響應(yīng)時(shí)間/開(kāi)環(huán)響應(yīng)時(shí)間，在01之間，越小則APC控制器響應(yīng)速度越快，對(duì)模型的精度要求也就越高； 被控變量參數(shù)有：線性優(yōu)化系數(shù)和二次優(yōu)化系數(shù)個(gè)數(shù)，越大則迭代計(jì)算速度越慢；CV理想值；CV軟約束下限值；CV軟約束上限值；CV下限權(quán)重值；CV上限權(quán)重值；CV下限斜坡約束值；CV上限斜坡約束等； 操作變量參數(shù)有：優(yōu)化參數(shù)類似C

9、V，同時(shí)，還有MV最大的減少量（Max Move Down）；MV最大的增加量（Max Move Up）；MV權(quán)重（Weight）；設(shè)置MV操作選擇（Man MV Action）等。非線性控制技術(shù)非線性控制技術(shù)n 在一些化工裝置中，如：PP、PE裝置，產(chǎn)品牌號(hào)多變，過(guò)程增益變化頻繁，存在明顯非線性特性，為此，AspenTech公司開(kāi)發(fā)了Appolo非線性控制器，Honeywell公司則使用NOVA技術(shù)，開(kāi)發(fā)了NLC控制器，它們皆在PP、PE等裝置上使用，取得良好效果。目錄目錄 實(shí)施條件 先進(jìn)控制技術(shù) 實(shí)施方法實(shí)施方法 崗位及考核 長(zhǎng)期維護(hù)機(jī)制實(shí)施方法實(shí)施方法實(shí)施方法實(shí)施方法n 初審及預(yù)測(cè)試初審

10、及預(yù)測(cè)試：通常在實(shí)施APC前，APC工程師對(duì)裝置進(jìn)行全面考察，對(duì)工藝流程及特點(diǎn)、裝置運(yùn)行情況、生產(chǎn)瓶頸、各種約束、基礎(chǔ)儀表、DCS及PID自控投用率全面了解和審查，做到心中有數(shù)。在工藝負(fù)責(zé)人確認(rèn)和指導(dǎo)下，進(jìn)行有針對(duì)性的預(yù)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)裝置哪些關(guān)鍵CV偏差波動(dòng)大和大致范圍，為后面APC控制策略設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。n 開(kāi)工會(huì)：開(kāi)工會(huì)：通常由工廠負(fù)責(zé)生產(chǎn)領(lǐng)導(dǎo)、裝置負(fù)責(zé)人、儀表與自控工程師、APC實(shí)施專家等各方人員參加的正式開(kāi)工會(huì)。內(nèi)容主要是確立APC的實(shí)施目標(biāo)，制定詳細(xì)的工作計(jì)劃，確定各自分工和責(zé)任。開(kāi)工會(huì)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)確立目標(biāo)、組織落實(shí)、分工明確的重要會(huì)議。實(shí)施方法實(shí)施方法n 初步控制策略設(shè)計(jì)：初步控制策略設(shè)

11、計(jì)：在上述兩個(gè)階段完成基礎(chǔ)上，與工廠工藝、自控人員針對(duì)本廠裝置特點(diǎn)，進(jìn)行APC控制策略設(shè)計(jì)，確立CV、MV、DV和軟儀表方案，以達(dá)到開(kāi)工會(huì)確立的目標(biāo)。n 辨識(shí)試驗(yàn)及詳細(xì)設(shè)計(jì)：辨識(shí)試驗(yàn)及詳細(xì)設(shè)計(jì)：確立控制策略后，進(jìn)行模型辨識(shí)試驗(yàn)，首先要結(jié)合裝置特點(diǎn)和辨識(shí)理論精心設(shè)計(jì)試驗(yàn)，平衡少影響裝置與高幅值則可獲得高質(zhì)量模型之間的矛盾。試驗(yàn)必須在生產(chǎn)裝置負(fù)責(zé)人、操作班長(zhǎng)確認(rèn)和嚴(yán)格指導(dǎo)下進(jìn)行。盡量利用有價(jià)值的歷史數(shù)據(jù)，同時(shí)，確立不可測(cè)CV的軟儀表計(jì)算和校正方案。對(duì)辨識(shí)結(jié)果要結(jié)合工藝情況認(rèn)真分析，排除不符合工藝邏輯和切實(shí)沒(méi)有關(guān)聯(lián)的子模型。多變量預(yù)測(cè)模型確定后，對(duì)APC控制器進(jìn)行組態(tài)，經(jīng)過(guò)離線仿真，直到控制器參數(shù)調(diào)

12、節(jié)到最佳。實(shí)施方法實(shí)施方法n 工廠接受測(cè)試（工廠接受測(cè)試（FATFAT）：）：APC離線設(shè)計(jì)和仿真完成后，在上線前，必須召開(kāi)正式工廠接受測(cè)試（FAT）會(huì)，請(qǐng)裝置工藝負(fù)責(zé)人、工藝及自控工程師、操作人員等全面觀摩和審核APC的離線仿真結(jié)果，聽(tīng)取設(shè)計(jì)介紹，提出明確意見(jiàn)。如果差距較大，必須返回到設(shè)計(jì)階段，重新設(shè)計(jì)、辨識(shí)和進(jìn)行APC控制器組態(tài)，這種不斷反饋式的迭代實(shí)施方法，可以保證APC實(shí)施質(zhì)量，避免后面更大的返工。APC實(shí)施專家在確信裝置負(fù)責(zé)人沒(méi)有異議后，方可進(jìn)入安裝與上線調(diào)試階段。n 現(xiàn)場(chǎng)安裝及調(diào)試：現(xiàn)場(chǎng)安裝及調(diào)試：APC現(xiàn)場(chǎng)安裝和調(diào)試是個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程，這主要是APC實(shí)施專家必須確認(rèn)基礎(chǔ)條件已得到改善

13、，裝置已具備了上線條件。如：基礎(chǔ)儀表改造完成，DCS、接口、上位機(jī)皆具備上線條件。特別是APC要串級(jí)的PID常規(guī)回路的自控投用率必須提高。APC調(diào)試是多次進(jìn)行，有時(shí)甚至需要重新做辨識(shí)試驗(yàn)，更新模型，總之，必須達(dá)到開(kāi)工會(huì)既定的目標(biāo)，取得實(shí)效。實(shí)施方法實(shí)施方法n 試運(yùn)行：試運(yùn)行：通常APC在驗(yàn)收前要經(jīng)過(guò)一段的試運(yùn)行，考察APC投用率和運(yùn)行效果。通常時(shí)間為3個(gè)月，以便積累一定的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，計(jì)算APC投用后各CV的標(biāo)準(zhǔn)方差（Standard Deviation）和減低的幅度，以及通過(guò)優(yōu)化和卡邊操作所取得的經(jīng)濟(jì)效益。n 驗(yàn)收及移交運(yùn)維：驗(yàn)收及移交運(yùn)維：上述工作完成后，正式召開(kāi)APC驗(yàn)收會(huì)，除肯定成績(jī)外，最

14、重要的工作是落實(shí)APC的長(zhǎng)期維護(hù)，確立APC工程師崗位和職責(zé)，確立本地維護(hù)和遠(yuǎn)程服務(wù)支持方案，確保APC長(zhǎng)周期運(yùn)行，做到效益持續(xù)保持（Sustained Benefit），這一點(diǎn)非常重要。目錄目錄 實(shí)施條件 先進(jìn)控制技術(shù) 實(shí)施方法 崗位及考核崗位及考核 長(zhǎng)期維護(hù)機(jī)制崗位與考核崗位與考核n 保持APC長(zhǎng)期、有效運(yùn)行，必須從組織、管理體制上給予保障，APC運(yùn)行必須納入日常操作日志和達(dá)標(biāo)考核；n 企業(yè)要設(shè)置APC工程師，負(fù)責(zé)日常APC維護(hù)和有關(guān)參數(shù)調(diào)整，APC投用率及性能與APC工程師崗位的績(jī)效（KPI）考核掛鉤；n APC投用率計(jì)算為：APC投用率 = T_apc （APC運(yùn)行時(shí)間）/ T_pla

15、nt（裝置運(yùn)行時(shí)間）；關(guān)鍵被控（CVs）和操作變量（MVs）的投用率計(jì)算為：CV_MV_online(被控變量或操作變量投用率) = T_cv_or_mv / T_apcAPC投用率投用率評(píng)價(jià)評(píng)價(jià)80%100%較好投用率60%80%一般50%以下投用率差同等百分?jǐn)?shù)超限計(jì)算同等百分?jǐn)?shù)超限計(jì)算APC經(jīng)濟(jì)效益經(jīng)濟(jì)效益同等百分?jǐn)?shù)超限計(jì)算同等百分?jǐn)?shù)超限計(jì)算APC經(jīng)濟(jì)效益經(jīng)濟(jì)效益n 計(jì)算步驟如下： （1）被控量變量均值為：CV_mean = (CV)/n （2）被控量標(biāo)準(zhǔn)方差為：S (Standard Deviation) = (1/n*(n-1) *(n* CV - (CV) （3）邊際效益移動(dòng)量為：M

16、argin = CV_new_mean - CV_old_mean，或 Margin = （CV_limit（CV約束） - CV_mean）*(1 - S_new/S_old)，其中：S_old: 先進(jìn)控制器投用前標(biāo)準(zhǔn)方差S_new: 先進(jìn)控制器投用后標(biāo)準(zhǔn)方差目錄目錄 實(shí)施條件 先進(jìn)控制技術(shù) 實(shí)施方法 崗位及考核 長(zhǎng)期維護(hù)機(jī)制長(zhǎng)期維護(hù)機(jī)制長(zhǎng)期維護(hù)機(jī)制長(zhǎng)期維護(hù)機(jī)制n 為長(zhǎng)期用好APC，中國(guó)石化總結(jié)了“九五”期間由于沒(méi)有專業(yè)化隊(duì)伍對(duì)已投用APC進(jìn)行維護(hù)，造成一些裝置APC投用不高的教訓(xùn)，采取了兩項(xiàng)主要措施： 一是加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行狀態(tài)的跟蹤考核，組織起草了中國(guó)石化先進(jìn)控制（APC）應(yīng)用管理辦法，落實(shí)各層管理人員的職責(zé)； 二是建設(shè)先進(jìn)控制系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)技術(shù)支持體系，在石化盈科上海分公司成立了APC支持中心，對(duì)已上線的先進(jìn)控制系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)和技術(shù)支持。實(shí)現(xiàn)支持中心在線監(jiān)視APC運(yùn)行情況，掌握第一手材料，隨時(shí)提供維護(hù)支持。十五期間，中國(guó)石化加強(qiáng)了APC工作組織和領(lǐng)導(dǎo)，統(tǒng)