APC及APC的成功實施

APC及APC的成功實施1.APC理論1.1先進控制理論所謂先進控制技術(shù)（AdvancedProcessControl,APC）,是對那些不同于常規(guī)單回路控制，并比常規(guī)PID控制有更好控制效果的控制策略的統(tǒng)稱。它采用矩陣控制理論，通過裝置階躍測試，收集大量數(shù)據(jù)，進行模型辨識，建立多個變量之間的關(guān)聯(lián)模型，將被控對象作為一個整體來處理，然后在比例一積分一微分（PID）單回路控制之上建立一個或幾個大的控制器，同時兼顧到多個變量之間相互變化的能力和設(shè)備能力，經(jīng)過預測、優(yōu)化出調(diào)節(jié)量后在線傳輸?shù)絇ID控制器的設(shè)定點上，對整個裝置進行統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制。先進控制最具有代表性的技術(shù)是“多變量預估控制”，它與常規(guī)控制有明顯的不同：它是對被控對象（如反應(yīng)器等）進行多變量控制而不是單回路控制，而且被控變量也由傳統(tǒng)的溫度、壓力、流量、液位四大參數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)品質(zhì)量指標和設(shè)備負荷，大大提高了整個裝置的平穩(wěn)性，為卡邊操作、挖掘效益創(chuàng)造了條件；石油化工生產(chǎn)過程復雜，建立精確數(shù)學模型非常困難，而應(yīng)用預估控制技術(shù)則降低了對數(shù)學模型精度的要求。1.2模型預估控制預估控制或稱為模型預估控制（MPC）是成功應(yīng)用于工業(yè)控制中的先進控制方法之一。目前基于此技術(shù)的先進控制產(chǎn)品有：RMPCT：美國Honeywell公司HiSPECSolution的魯棒性多變量預估控制技術(shù)RMPCT（RobustMultivariablePredictiveControlTechnology）在國內(nèi)應(yīng)用較早。最近，Honeywell公司對其RMPCT進行了進一步優(yōu)化、改進，第2代多變量預估控制系統(tǒng)Profit控制器功能更加完善，操作更加方便，并且在國內(nèi)多套催化裂化裝置和常減壓裝置上得到應(yīng)用。

DMCplus：美國AspenTech公司多變量預估控制技術(shù)產(chǎn)品DMCplus(DynamicMatrixControlplus)在世界范圍內(nèi)得了廣泛應(yīng)用。在國內(nèi)多套催化裂化裝置及其它裝置上都有成功應(yīng)用的實例。1.3預估控制的基本原理總的說來，預估控制屬于一種基于模型的多變量算法控制，也稱之為模型預估控制。它的基本原理可以從預估控制算法的三個要素——模型預測、滾動優(yōu)化和反饋校正中體現(xiàn)出來，這三個要素也是預測控制區(qū)別于其他控制方法的基本特征，同時也是預測控制在實際工程應(yīng)用中取得成功的技術(shù)關(guān)鍵。1.3.1模型預測控制預測控制是一種基于模型的控制算法，這一模型稱為預測模型。對于預測控制來講，只注重模型的功能，而不注重模型的形式。預測模型的功能就是根據(jù)對象的歷史信息和未來輸入，預測其未來輸出。從方法的角度講，只要是具有預測功能的信息集合，無論其有什么樣的表現(xiàn)形式，均可作為預測模型。因此，狀態(tài)方程、傳遞函數(shù)這類傳統(tǒng)的模型都可以作為預測模型。對于線性穩(wěn)定對象，甚至階躍響應(yīng)、脈沖響應(yīng)這類非參數(shù)模型，也可直接作為預測模型使用。此外，非線性系統(tǒng)、分布參數(shù)系統(tǒng)的模型，只要具備上述功能，也可在這類系統(tǒng)進行預測控制時作為預測模型使用。因此，預測控制打破了傳統(tǒng)控制中對模型結(jié)構(gòu)的嚴格要求，更著眼于在信息的基礎(chǔ)上根據(jù)功能要求按最方便的途徑建立模型。1.3.2實時滾動優(yōu)化預測控制的最主要特征是在線優(yōu)化。預測控制的這種優(yōu)化控制算法是通過某一性能指標的最優(yōu)來確定未來的控制作用的。這一性能指標涉及到系統(tǒng)未來的行為，例如，通常可取對象輸出在未來的采樣點上跟蹤某一期望軌跡的方差最小。但也可取更廣泛的形式，例如，要求控制能量為最小，而同時保持輸出在某一給定范圍內(nèi)等。性能指標中涉及到的系統(tǒng)未來的行為，是根據(jù)預測模型由未來的控制策略決定的。但是，預測控制中的優(yōu)化與通常的離散最優(yōu)控制算法有很大的差別。這主要表現(xiàn)在預測控制中的優(yōu)化不是采用一個不變的全局優(yōu)化目標，而是采用滾動式的優(yōu)化時段的優(yōu)化策略。在每一采樣時刻，優(yōu)化性能指標只涉及到未來有限的時間，而到下一采樣時刻，這一優(yōu)化時段同時向前推移。因此，預測控制在每一時刻有一個相對于該時刻的優(yōu)化性能指標。不同時刻優(yōu)化性能指標的相對形式是相同的，但其絕

對形式，即所包含的時間區(qū)域，則是不同的。因此，在預測控制中，優(yōu)化不是一次離線進行，而是反復在線進行的，這就是滾動優(yōu)化的含義，也是預測控制區(qū)別于傳統(tǒng)最優(yōu)控制的根本特點。這種有限時段優(yōu)化目標的局限性是其在理想情況下只能得到全局的次優(yōu)解，但優(yōu)化的滾動實施卻能顧及由于模型失配、時變、干擾等引起的不確定性，及時進行彌補，始終把新的優(yōu)化建立在實際的基礎(chǔ)上，使控制保持實際上的最優(yōu)。對于實際的復雜工業(yè)過程來說，模型失配、時變、干擾等引起的不確定性是不可避免的，因此建立在有限時段上的滾動優(yōu)化策略反而更加有效。1.3.3反饋校正由于實際系統(tǒng)中存在的非線性、時變、模型失配、干擾等因素，基于不變模型的預測不可能和實際情況完全相符，這就需要用附加的預測手段補充模型預測的不足，或者對基礎(chǔ)模型進行在線修正。滾動優(yōu)化只有建立在反饋校正的基礎(chǔ)上，才能體現(xiàn)出其優(yōu)越性。因此，預測控制算法在通過優(yōu)化確定了一系列未來的控制作用后，為了防止模型失配或環(huán)境干擾引起控制對理想狀態(tài)的偏離，并不是把這些控制作用逐一全部實施，而只是實現(xiàn)本時刻的控制作用。到下一采樣時刻，則首先監(jiān)測對象的實際輸出，并利用這一實時信息對于基于模型的預測進行修正，然后再進行新的優(yōu)化。反饋校正的形式是多樣的，可以在保持預測模型不變的基礎(chǔ)上，對未來的誤差作出預測并加以補償，也可以根據(jù)在線辨識的原理直接修改預測模型。無論采取何種校正形式，預測控制都把優(yōu)化建立在系統(tǒng)實際的基礎(chǔ)上，并力圖在優(yōu)化時對系統(tǒng)未來的動態(tài)行為作出較準確的預測。因此，預測控制中的優(yōu)化不僅基于模型，而且利用了反饋信息，因而構(gòu)成了閉環(huán)優(yōu)化。預測控制的基本特點是：模型預測控制算法綜合利用過去、現(xiàn)代和將來（模型預測）的信息，而傳統(tǒng)算法，如PID等，卻只利用過去和現(xiàn)在的信息。對模型要求低，現(xiàn)代控制理論之所以在過程工業(yè)中難以大規(guī)模應(yīng)用，其重要的原因之一是對模型精度要求太高，而預測控制就成功地克服了這一點。模型預測控制算法用滾動優(yōu)化取代全局一次優(yōu)化，每個控制周期不斷進行優(yōu)化計算，不僅在時間上滿足了實時性的要求，而且突破了傳統(tǒng)全局一次優(yōu)化的局限，把穩(wěn)態(tài)優(yōu)化與動態(tài)優(yōu)化相結(jié)合。用多變量的控制思想取代傳統(tǒng)控制手段的單變量控制。因此，在應(yīng)用于多變量問題時，預測控

制也常常稱為多變量預測控制。最為重要的是，能有效處理約束問題。因為在實際生產(chǎn)中，往往希望將生產(chǎn)過程的設(shè)定狀態(tài)推向設(shè)備及工藝條件的邊界上（安全邊界、設(shè)備能力邊界、工藝條件邊界等）運行，這種運行狀態(tài)常會產(chǎn)生使操作變量飽和，使被控變量超出約束的問題。所以能夠處理多目標、具有約束控制能力就成為使控制系統(tǒng)能夠長周期、穩(wěn)定、可靠地運行的關(guān)鍵技術(shù)。1.4AspenTech的多變量預估控制DMCplusAspenTech的多變量預估控制DMCplus采用的是動態(tài)矩陣控制（DynamicMatrixControl）。其控制結(jié)構(gòu)見圖1。圖1DMCplus控制器結(jié)構(gòu)AspenTech公司的先進控制軟件DMCplus動態(tài)矩陣控制器是一種利用模型預測技術(shù)開發(fā)的集前饋、反饋和優(yōu)化于一體的先進控制控制器，包括預測、優(yōu)化和動態(tài)控制三大模塊，適用于對具有強烈耦合關(guān)系、存在眾多約束競爭的復雜多變量過程進行優(yōu)化控制。DMCplus控制器用過程變量間交互作用的動態(tài)模型，克服擾動，預測未來動態(tài)，使動態(tài)響應(yīng)過程的偏差減小。更重要的是，DMCplus用線性規(guī)劃（LP）為優(yōu)化基礎(chǔ)，是控制器及時獲得在當前約束條件下取得最佳經(jīng)濟效益的生產(chǎn)工況，它的動態(tài)加權(quán)能力有效地針對過程的約束條件不斷地進行調(diào)整，確保嚴格控制和優(yōu)化操作。

在DMCplus中引入了自變量和因變量的概念。所謂自變量是指其值不受過程中任何其他變量的影響，它包含操縱變量(MVs)和干擾變量(DVs)兩種類型。所謂因變量是指該變量的動態(tài)性能可以依據(jù)一定時間內(nèi)某個特定自變量的變化來描述，受控變量(CVs)是因變量。許多變量是因變量，但由于其重要性不夠，不足以確定為受控變量。一個自變量(設(shè)定點)的變化影響幾個受控或受約束變量。DMCplus可以應(yīng)對所有受控變量變化的影響并找出好的解決方案，使用動態(tài)模型來預估受控變量的變化。DMCplus控制器考慮了所有的約束并試圖找出一個控制策略來滿足所有過程和操作約束，這些約束包括MVs的上、下限和變化速率，CVs的上、下限等。動態(tài)方面要達到：最小的CV誤差、最小的MV變化、追尋動態(tài)優(yōu)化路徑達到穩(wěn)態(tài)優(yōu)化目標。穩(wěn)態(tài)方面：獲取最大的效益、可靠的魯棒控制。2.燕山石化先進控制應(yīng)用情況在經(jīng)歷了初期探索階段后，2002年開始，燕山石化先進控制工作漸入正軌，統(tǒng)一平臺，采用ASPEN技術(shù)，先后對HDPE裝置、第三聚丙烯裝置、乙烯裝置實施了先進控制，其中乙烯裝置實現(xiàn)了裂解爐APC模型的投運，運行狀況平穩(wěn)，在線率高，通過直觀控制裂解深度，使得裂解反應(yīng)的操作條件、產(chǎn)物組成更加穩(wěn)定，同時降低了操作人員的工作強度。HDPE裝置受牌號頻繁切換和開停車次數(shù)過多的影響，APC投用率為64%,但絕大多數(shù)關(guān)鍵被控變量和操作變量投用率達到100%。第三聚丙烯裝置在9月份進行模型控制參數(shù)調(diào)整后，控制器一直投用，投用率在90%以上，而且控制效果較好，提高了產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性，節(jié)省了人工操作成本。3.APC成功實施的要點3.1選取適當?shù)膶嵤┭b置因為先進控制的技術(shù)難度大、投資費用高、實施周期長，實施期間對正常工況也存在一定的影響，其效益增長點又基于卡邊操作，因此篩選適當?shù)膶嵤ο髮ο冗M控制實施的成功與否十分重要。從裝置規(guī)模、處理量上講，太小規(guī)模的裝置建議不要上；從工藝、設(shè)備、儀表條件上講，基礎(chǔ)條件差，在完成改造之前建議不要上；從生產(chǎn)平穩(wěn)、操作難度、強度上講，生產(chǎn)平穩(wěn)、操作難度小、操作強度低的建議不要上。3.2改進基礎(chǔ)設(shè)施，優(yōu)化基礎(chǔ)控制項目實施的第一步是對基礎(chǔ)設(shè)施和常規(guī)控制進行全面測試和優(yōu)化?，F(xiàn)場一次儀表的運行狀況對先進控制系統(tǒng)的控制效果至關(guān)重要，所以實施先進控制之前，企業(yè)應(yīng)首先了解設(shè)備和儀表狀況，更換添置必需的儀表，增加必要的分析設(shè)備，提高分析質(zhì)量,花大力氣提高設(shè)備運行水平。需的儀表，增加必要的分析設(shè)備，提高分析質(zhì)量,花大力氣提高設(shè)備運行水平。同時，應(yīng)特別注重常規(guī)控制回路自動投運工作，在常規(guī)控制器的P、I、D參數(shù)沒有調(diào)整好的情況下就開始做階躍測試和建模工作，所建立起來的模型就會變得不準確，APC的控制器也將投不上。所以常規(guī)控制回路需調(diào)節(jié)靈敏、控制偏差小、以滿足先進控制的要求。圖2PID常規(guī)控制3.3軟儀表的開發(fā)先進控制的目標多為一些產(chǎn)品的質(zhì)量指標，先進控制技術(shù)的應(yīng)用效果在一定程度上取決于質(zhì)量數(shù)據(jù)的實時性及準確性。先進控制中，一些需要控制的過程變量，如聚合物平均相對分子質(zhì)量、精餾塔的塔頂和塔底產(chǎn)品某些組分的干點等（如噴氣燃料干點、汽油干點、柴油傾點），要么在現(xiàn)有技術(shù)條件下難以直接測量，要么在線分析儀表的滯后太大，此時為了實現(xiàn)直接質(zhì)量閉環(huán)控制而出現(xiàn)了工藝計算技術(shù)即軟儀表測量技術(shù)。軟儀表測量技術(shù)是通過被測參數(shù)與影響該參數(shù)的其他操作參數(shù)的數(shù)學模型實現(xiàn)的。軟儀表測量一般計算速度較快，但由于外在因素（如原油性質(zhì)）的變化，有時會出現(xiàn)較大誤差。如果在線質(zhì)量儀表不是很完善，也只有靠軟儀表計算然后再通過化驗數(shù)據(jù)校正的辦法來實現(xiàn)先進控制的質(zhì)量控制和卡邊控制，但實時性，準確性都不是很理想。從實施經(jīng)驗來看，軟儀表質(zhì)量計算不準確是影響APC上線率的一個主要原因。目前軟儀表計算方法很多，但都存在一定的局限性。3.4系統(tǒng)設(shè)計?確定實施范圍和目標

?確定控制策略?確定控制個數(shù)：盡可能地設(shè)計小規(guī)模的控制器，來滿足獲得最大經(jīng)濟效益的需要。因為控制器規(guī)模越大，被控制的重要變量發(fā)生故障的可能性越大。必要是，可以使用“子控制器系統(tǒng)”的方法。?歷史數(shù)據(jù)收集與分析：在做階躍測試的時候，應(yīng)對數(shù)據(jù)收集嚴把質(zhì)量關(guān)，對可能存在問題的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)變換和數(shù)據(jù)校正，對異常數(shù)據(jù)進行剔除。?建立模型：要求工程實施人員要對工藝進行深入了解，才能根據(jù)收集上來的數(shù)據(jù)進行建模工作。模型應(yīng)該是根據(jù)工藝特點一個一個進行仔細核對，動態(tài)響應(yīng)情況是否良好，不能只是憑感覺來判斷，造成與實際不相符等重大錯誤。?爭取工藝技術(shù)人員和操作人員的共識。工藝技術(shù)人員是車間裝置操作優(yōu)化方案的參謀，如果他們充分理解了先進控制的理念，制定出合理的調(diào)整策略指導操作，將對先進控制是否能夠真正發(fā)揮作用具有決定性的影響。加強與操作人員的溝通，讓其理解先進控制的理念，使其在日常根據(jù)生產(chǎn)指令、生產(chǎn)方案執(zhí)行操作，在確保裝置平穩(wěn)運行的基礎(chǔ)上，較快領(lǐng)會并接受技術(shù)人員制定的生產(chǎn)策略，精心地把先進控制系統(tǒng)作為穩(wěn)定裝置操作、提高產(chǎn)量和質(zhì)量的一個有利工具，否則，操作人員就把某些約束指標放得過寬，控制變量放得過窄，控制器的投用率雖然很高，但先進控制的投用效果顯現(xiàn)不出來。3.5系統(tǒng)維護先進控制帶來的效益增長是有周期性的，一般來說，APC投用初期是效益突增期，運行四年后，基本上效益增長就開始走下坡路了。這時，就需要加強對APC