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

2010年3月,趙克勤石化生產(chǎn)裝置先進(jìn)控制技術(shù)應(yīng)用概述先進(jìn)控制（APC-AdvancedProcessControl）是采用多變量預(yù)測及優(yōu)化技術(shù)、基于過程動態(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)；實施先進(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；ExxonMobil、Shell、BPAmoco等國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；概述中國石化從1996年進(jìn)行先進(jìn)控制項目試點和推廣工作，第一批包括常減壓、催化裂化、聚丙烯共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多套裝置上實施了APC;建好、用好APC是一項涉及裝置工藝、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：實施條件、控制技術(shù)、實施方法、崗位與考核、長期維護(hù)機(jī)制。實施條件先進(jìn)控制技術(shù)實施方法崗位與考核長期維護(hù)機(jī)制概述建好、用好APC的五個要素目錄實施條件先進(jìn)控制技術(shù)實施方法崗位及考核長期維護(hù)機(jī)制生產(chǎn)裝置工藝技術(shù)成熟，設(shè)備穩(wěn)定且故障率較低；PID常規(guī)控制回路設(shè)計和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；各檢測儀表完好率、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)；DCS系統(tǒng)CPU、內(nèi)存及外部存儲設(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，并且可以長期、安全可靠運行。實施條件目錄實施條件先進(jìn)控制技術(shù)實施方法崗位及考核長期維護(hù)機(jī)制OPT/APC/PID控制總體架構(gòu)裝置優(yōu)化控制（OPT）通常是建立全過程嚴(yán)格模型，優(yōu)化各操作條件，控制頻率通常為小時級；先進(jìn)控制與常規(guī)控制串級，實現(xiàn)多個被控變量的穩(wěn)定與優(yōu)化控制，控制頻率通常為分鐘級；PID常規(guī)控制實現(xiàn)單回路的給定點控制，控制頻率較快，通常為秒級。先進(jìn)控制架構(gòu)多變量預(yù)測模型建立多個被控變量（CV：ControlledVariable）與多個操作變量（MV：ManipulatedVariable）的動態(tài)矩陣過程模型；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；模型建立采取系統(tǒng)辨識技術(shù)，需要在裝置上做擾動試驗。試驗幅度影響模型精度、生產(chǎn)安全，因此，需要APC實施專家認(rèn)真設(shè)計試驗，在裝置負(fù)責(zé)人確認(rèn)下穩(wěn)步進(jìn)行；避免擾動試驗，建立動態(tài)數(shù)學(xué)模型，或者采取更先進(jìn)辨識技術(shù)，充分利用日常操作提降量機(jī)會和信息，識別CVs與MVs之間的關(guān)系。軟儀表技術(shù)一些被控變量量很難測量，，如：反應(yīng)深深度、熔融指指數(shù)、漿液濃濃度等，或可可通過在線分分析儀測量，，但維護(hù)工作作艱巨，較難難保證長期良良好運行，即即便運行很好好，測量與分分析時間也在在30-40分鐘，很難滿滿足APC的控制要求。。因此，這些些被控變量通通常采用軟儀儀表技術(shù)，通通過建立關(guān)聯(lián)聯(lián)模型，進(jìn)行行計算而快速速得到；兩大技術(shù)路線線：第一種是是通過反應(yīng)動動力學(xué)、熱平平衡、物料平平衡，建立機(jī)機(jī)理模型或簡簡化嚴(yán)格模型型，可以是靜靜態(tài)模型加動動態(tài)補(bǔ)償，或或直接建立基基于狀態(tài)方程程的動態(tài)觀測測模型；第二二種是黑箱建建模方法，通通過大量歷史史數(shù)據(jù)和統(tǒng)計計分析，構(gòu)建建相關(guān)模型。。需要強(qiáng)調(diào)的的是這兩種方方法都需要不不斷地用真實實數(shù)據(jù)進(jìn)行校校正。軟儀表技術(shù)軟儀表在線校校正技巧PI調(diào)節(jié)器Value_BiasSP=0軟儀表計算值值化驗分析值校正值（Value_Bias）=(1-W)*上一次的校正正值（Value_Bias’’）+W*調(diào)節(jié)器輸出（（OP）；0<W<1一般地，W>0.5校正后軟儀表表值（Calculated_Value_Biased）=G*軟儀表值+校正值（Value_Bias）；一般地，，0.7<G<1.0(1-W)*Bias’,W<1W*OP軟儀表技術(shù)第一種方法比比較復(fù)雜、難難度大，但適適應(yīng)范圍廣；；第二種方法法相對簡單、、容易實現(xiàn)。。第二種方法法用到數(shù)學(xué)算算法如下：回歸（Regression）分析及部分分最小二乘算算法（PLS）模糊數(shù)學(xué)（Fuzzy）人工神經(jīng)元網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)（ANN，ArtificialNeuralNetwork）遺傳算法（GA，GeneticAlgorithms）多變量控制技技術(shù)多變量控制技技術(shù)APC控制策略需要要針對工藝過過程運行現(xiàn)狀狀、特點和問問題，設(shè)計出出真正解決裝裝置實際問題題的控制器。。需要深入了了解工藝、實實際裝置運行行和操作情況況，科學(xué)設(shè)計計被控變量（（CVs）、操作變量量（MVs）和可測干擾擾變量（DV）。通常原則則：一個CV至少要有一個個MV與之相關(guān)；CV之間可平行行，但應(yīng)盡盡量少；MV之間一定不不能平行和和相關(guān)；APC控制器比PID調(diào)節(jié)器要復(fù)復(fù)雜，有很很多參數(shù)需需要調(diào)整，，操作員與與APC工程師應(yīng)深深刻理解其其含義，并并根據(jù)實際際工況及時時調(diào)整。多變量控制制技術(shù)介紹APC控制器幾個個重要參數(shù)數(shù)：控制性能比比=閉環(huán)響應(yīng)時時間/開環(huán)響應(yīng)時時間，在01之間，越小小則APC控制器響應(yīng)應(yīng)速度越快快，對模型型的精度要要求也就越越高；被控變量參參數(shù)有：線線性優(yōu)化系系數(shù)和二次次優(yōu)化系數(shù)數(shù)個數(shù)，越越大則迭代代計算速度度越慢；CV理想值；CV軟約束下限限值；CV軟約束上限限值；CV下限權(quán)重值值；CV上限權(quán)重值值；CV下限斜坡約約束值；CV上限斜坡約約束等；操作變量參參數(shù)有：優(yōu)優(yōu)化參數(shù)類類似CV，同時，還還有MV最大的減少少量（MaxMoveDown）；MV最大的增加加量（MaxMoveUp）；MV權(quán)重（Weight）；設(shè)置MV操作選擇（（ManMVAction）等。非線性控制制技術(shù)在一些化工工裝置中，，如：PP、PE裝置，產(chǎn)品品牌號多變變，過程增增益變化頻頻繁，存在在明顯非線線性特性，，為此，AspenTech公司開發(fā)了了Appolo非線性控制制器，Honeywell公司則使用用NOVA技術(shù)，開發(fā)發(fā)了NLC控制器，它它們皆在PP、PE等裝置上使使用，取得得良好效果果。目錄實施條件先進(jìn)控制技技術(shù)實施方法崗位及考核核長期維護(hù)機(jī)機(jī)制實施方法實施方法初審及預(yù)測測試：通常在實實施APC前，APC工程師對裝裝置進(jìn)行全全面考察，，對工藝流流程及特點點、裝置運運行情況、、生產(chǎn)瓶頸頸、各種約約束、基礎(chǔ)礎(chǔ)儀表、DCS及PID自控投用率率全面了解解和審查，，做到心中中有數(shù)。在在工藝負(fù)責(zé)責(zé)人確認(rèn)和和指導(dǎo)下，，進(jìn)行有針針對性的預(yù)預(yù)測試，發(fā)發(fā)現(xiàn)裝置哪哪些關(guān)鍵CV偏差波動大大和大致范范圍，為后后面APC控制策略設(shè)設(shè)計打下基基礎(chǔ)。開工會：通常由工廠廠負(fù)責(zé)生產(chǎn)產(chǎn)領(lǐng)導(dǎo)、裝裝置負(fù)責(zé)人人、儀表與與自控工程程師、APC實施專家等等各方人員員參加的正正式開工會會。內(nèi)容主主要是確立立APC的實施目標(biāo)標(biāo)，制定詳詳細(xì)的工作作計劃，確確定各自分分工和責(zé)任任。開工會會實質(zhì)上是是一個確立立目標(biāo)、組組織落實、、分工明確確的重要會會議。實施方法初步控制策策略設(shè)計：：在上述兩個個階段完成成基礎(chǔ)上，，與工廠工工藝、自控控人員針對對本廠裝置置特點，進(jìn)進(jìn)行APC控制策略設(shè)設(shè)計，確立立CV、MV、DV和軟儀表方方案，以達(dá)達(dá)到開工會會確立的目目標(biāo)。辨識試驗及及詳細(xì)設(shè)計計：確立控制策策略后，進(jìn)進(jìn)行模型辨辨識試驗，，首先要結(jié)結(jié)合裝置特特點和辨識識理論精心心設(shè)計試驗驗，平衡少少影響裝置置與高幅值值則可獲得得高質(zhì)量模模型之間的的矛盾。試試驗必須在在生產(chǎn)裝置置負(fù)責(zé)人、、操作班長長確認(rèn)和嚴(yán)嚴(yán)格指導(dǎo)下下進(jìn)行。盡盡量利用有有價值的歷歷史數(shù)據(jù)，，同時，確確立不可測測CV的軟軟儀儀表表計計算算和和校校正正方方案案。。對對辨辨識識結(jié)結(jié)果果要要結(jié)結(jié)合合工工藝藝情情況況認(rèn)認(rèn)真真分分析析，，排排除除不不符符合合工工藝藝邏邏輯輯和和切切實實沒沒有有關(guān)關(guān)聯(lián)聯(lián)的的子子模模型型。。多多變變量量預(yù)預(yù)測測模模型型確確定定后后，，對對APC控制制器器進(jìn)進(jìn)行行組組態(tài)態(tài)，，經(jīng)經(jīng)過過離離線線仿仿真真，，直直到到控控制制器器參參數(shù)數(shù)調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)到到最最佳佳。。實施方法工廠接受測試試（FAT）：APC離線設(shè)計和仿仿真完成后，，在上線前，，必須召開正正式工廠接受受測試（FAT）會，請裝置置工藝負(fù)責(zé)人人、工藝及自自控工程師、、操作人員等等全面觀摩和和審核APC的離線仿真結(jié)結(jié)果，聽取設(shè)設(shè)計介紹，提提出明確意見見。如果差距距較大，必須須返回到設(shè)計計階段，重新新設(shè)計、辨識識和進(jìn)行APC控制器組態(tài)，，這種不斷反反饋式的迭代代實施方法，，可以保證APC實施質(zhì)量，避避免后面更大大的返工。APC實施專家在確確信裝置負(fù)責(zé)責(zé)人沒有異議議后，方可進(jìn)進(jìn)入安裝與上上線調(diào)試階段段?，F(xiàn)場安裝及調(diào)調(diào)試：APC現(xiàn)場安裝和調(diào)調(diào)試是個漫長長的過程，這這主要是APC實施專家必須須確認(rèn)基礎(chǔ)條條件已得到改改善，裝置已已具備了上線線條件。如：：基礎(chǔ)儀表改改造完成，DCS、接口、上位位機(jī)皆具備上上線條件。特特別是APC要串級的PID常規(guī)回路的自自控投用率必必須提高。APC調(diào)試是多次進(jìn)進(jìn)行，有時甚甚至需要重新新做辨識試驗驗，更新模型型，總之，必必須達(dá)到開工工會既定的目目標(biāo)，取得實實效。實施方法試運行：通常APC在驗收前要經(jīng)經(jīng)過一段的試試運行，考察察APC投用率和運行行效果。通常常時間為3個月，以便積積累一定的生生產(chǎn)數(shù)據(jù)，計計算APC投用后各CV的標(biāo)準(zhǔn)方差（（StandardDeviation）和減低的幅幅度，以及通通過優(yōu)化和卡卡邊操作所取取得的經(jīng)濟(jì)效效益。驗收及移交運運維：上述工作完成成后，正式召召開APC驗收會，除肯肯定成績外，，最重要的工工作是落實APC的長期維護(hù)，，確立APC工程師崗位和和職責(zé)，確立立本地維護(hù)和和遠(yuǎn)程服務(wù)支支持方案，確確保APC長周期運行，，做到效益持持續(xù)保持（SustainedBenefit），這一點非非常重要。目錄實施條件先進(jìn)控制技術(shù)術(shù)實施方法崗位及考核長期維護(hù)機(jī)制制崗位與考核保持APC長期、有效運運行，必須從從組織、管理理體制上給予予保障，APC運行必須納入入日常操作日日志和達(dá)標(biāo)考考核；企業(yè)要設(shè)置APC工程師，負(fù)責(zé)責(zé)日常APC維護(hù)和有關(guān)參參數(shù)調(diào)整，APC投用率及性能能與APC工程師崗位的的績效（KPI）考核掛鉤；；APC投用率計算為為：APC投用率=T_apc（APC運行時間）/T_plant（裝置運行時時間）；關(guān)鍵鍵被控（CVs）和操作變量量（MVs）的投用率計計算為：CV_MV_online(被控變量或操操作變量投用用率)=T_cv_or_mv/T_apcAPC投用率評價80%100%較好投用率60%80%一般50%以下投用率差同等百分?jǐn)?shù)超超限計算APC經(jīng)濟(jì)效益同等百分?jǐn)?shù)超超限計算APC經(jīng)濟(jì)效益計算步驟如下下：（1）被控量變量量均值為：CV_mean=(CV)/n（2）被控量標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)方差為：S(StandardDeviation)=(1/n*(n-1))*(n*CV2-(CV)2)??（3）邊際效益移移動量為：Margin=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)控制器投投用前標(biāo)準(zhǔn)方方差S_new:先進(jìn)控制器投投用后標(biāo)準(zhǔn)方方差目錄實施條件先進(jìn)控制技術(shù)術(shù)實施方法崗位及考核長期維護(hù)機(jī)制制長期維護(hù)機(jī)制制為長期用好APC，中國石化總總結(jié)了“九五五”期間由于于沒有專業(yè)化化隊伍對已投投用APC進(jìn)行維護(hù)，造造成一些裝置置APC投用不高的教教訓(xùn)，采取了了兩項主要措措施：一是加強(qiáng)現(xiàn)場場運行狀態(tài)的的跟蹤考核，，組織起草了了《中國石化先進(jìn)進(jìn)控制（APC）應(yīng)用管理辦辦法》，落實各層管管理人員的職職責(zé)；二是建設(shè)先進(jìn)進(jìn)控制系統(tǒng)的的運行維護(hù)技技術(shù)支持體系系，在石化盈盈科上海分公公司成立了APC支持中心，對對已上線的先