先進(jìn)控制技術(shù)（APC）在石化煉油裝置的應(yīng)用

鮑魁（中國石化股份有限公司安慶分公司信息中心，安徽安慶　246001）

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先進(jìn)控制技術(shù)（APC）在石化煉油裝置的應(yīng)用

鮑魁
（中國石化股份有限公司安慶分公司信息中心，安徽安慶246001）

摘要：國內(nèi)石化行業(yè)的工業(yè)控制大多是以引進(jìn)DCS或FCS為基礎(chǔ)的常規(guī)PID控制。先進(jìn)過程控制（簡稱APC）與常規(guī)控制方法相比，能在苛刻的裝置多重約束條件下，解決常規(guī)控制難以解決的復(fù)雜工業(yè)控制問題，保證裝置生產(chǎn)的安全平穩(wěn)，協(xié)調(diào)優(yōu)化整個生產(chǎn)過程，提高生產(chǎn)裝置的加工能力及產(chǎn)品收率，降低生產(chǎn)成本并減少環(huán)境污染。先進(jìn)控制系統(tǒng)也是煉化企業(yè)實(shí)現(xiàn)管控一體化的基礎(chǔ)，是實(shí)現(xiàn)信息化與自動化融合的重要手段，對于企業(yè)提升信息化技術(shù)與工業(yè)控制的融合應(yīng)用水平起到關(guān)鍵作用。

關(guān)鍵詞：先進(jìn)控制；PID控制；DCS集散控制

1　前言

先進(jìn)控制技術(shù)（Advanced Process Control，簡稱APC）是信息化技術(shù)與PID常規(guī)控制技術(shù)融合升級的應(yīng)用技術(shù)，其在工業(yè)生產(chǎn)裝置的過程控制中的應(yīng)用非常廣泛，實(shí)現(xiàn)了石油化工生產(chǎn)過程控制的革命性變革。工業(yè)過程控制由單回路單點(diǎn)的常規(guī)PID控制升級到多變量多回路的模型預(yù)估控制，采用先進(jìn)、科學(xué)的控制理論與控制方法，對生產(chǎn)工藝進(jìn)行分析并建立生產(chǎn)過程的數(shù)學(xué)模型，以企業(yè)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)和企業(yè)信息管理網(wǎng)絡(luò)為數(shù)據(jù)控制流載體，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)工藝多變量相互約束的協(xié)調(diào)優(yōu)化控制，進(jìn)一步提升了DCS集散控制系統(tǒng)和常規(guī)PID控制系統(tǒng)的控制能力，解決常規(guī)PID控制系統(tǒng)對復(fù)雜工業(yè)過程控制的效果問題，降低生產(chǎn)裝置的過程能耗，實(shí)現(xiàn)裝置工藝條件的卡邊操作，使工業(yè)生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性和安全性得到進(jìn)一步加強(qiáng)，達(dá)到被控生產(chǎn)裝置能長周期運(yùn)行在最佳工藝狀態(tài)的目標(biāo)，取得經(jīng)濟(jì)效益及社會效益的最大化。APC技術(shù)的深化應(yīng)用不僅提升了工業(yè)裝置的過程工藝控制和能耗控制水平，也提升了企業(yè)的行業(yè)競爭力。

2　先進(jìn)控制技術(shù)（APC）功能特點(diǎn)

2.1先進(jìn)控制技術(shù)（APC）簡介

先進(jìn)控制技術(shù)（APC）不是針對裝置生產(chǎn)中工藝環(huán)節(jié)上的某一個具體被控對象的控制系統(tǒng)，與在工業(yè)過程控制中普遍采用的常規(guī)單回路PID控制系統(tǒng)相比較，具有更好的控制效果，作用對象為工藝生產(chǎn)裝置，原有DCS集散控制系統(tǒng)作為APC技術(shù)的動作及執(zhí)行部分，通過控制網(wǎng)絡(luò)的上位機(jī)實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)裝置的閉環(huán)控制操作。APC直接對生產(chǎn)裝置實(shí)施優(yōu)化控制，將裝置的效益目標(biāo)直接體現(xiàn)在生產(chǎn)過程工藝中每道閥門的控制點(diǎn)上，是對裝置精細(xì)化管控造作、挖潛增效的實(shí)際手段，其有效處理了常規(guī)PID控制系統(tǒng)無法避免的延遲、耦合等問題，通過預(yù)測控制可以消除系統(tǒng)原料變化和干擾造成的擾動，使裝置操作平穩(wěn)，減少波動，節(jié)能降耗。在此基礎(chǔ)上通過工藝指標(biāo)的優(yōu)化和卡邊控制有效提高高附加值產(chǎn)品的收率，降低消耗。APC是一種針對區(qū)域工藝指標(biāo)為被控對象的更加科學(xué)及先進(jìn)的控制策略的統(tǒng)稱。目前工業(yè)控制領(lǐng)域先進(jìn)控制技術(shù)的系統(tǒng)產(chǎn)品主要包括Aspen 的DMC、Honeywell的Profit Cont roller、ABB的STAR、橫河的SMOC以及浙江中控的APC-Adcon等，其中Aspen公司AspenONE先進(jìn)控制和優(yōu)化集成系統(tǒng)較為典型。AspenONE先進(jìn)控制和優(yōu)化集成系統(tǒng)是以Aspen DMCplus為核心的先進(jìn)過程控制和優(yōu)化集成控制系統(tǒng)。

2.2先進(jìn)控制技術(shù)（APC）的功能

APC所用的工具軟件為多變量預(yù)估控制器，其功能可分為兩大部分：一部分是控制過程的動態(tài)，它依賴于過程的動態(tài)模型，預(yù)測在今后若干步中受控變量（CV）的軌跡，用多變量解耦和前饋手段，優(yōu)化各步中各操作變量（MV）的動作，從而使過程的CV控制在合理的范圍內(nèi)。為了克服模型的誤差，動態(tài)過程控制中設(shè)有反饋機(jī)制，每執(zhí)行一步后將預(yù)測值與實(shí)測值作比較，作為控制器的反饋，從而修正CV的預(yù)測值，使控制器動態(tài)控制的可靠性大大提高；另一部分是用線性規(guī)劃（LP）的功能，尋找過程的最優(yōu)穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)，指導(dǎo)動態(tài)控制從當(dāng)前狀態(tài)緩慢、平穩(wěn)地過渡到優(yōu)化狀態(tài)。

從操作的角度講，APC控制與PID控制及DCS集散控制最明顯差異在于：PID控制及DCS集散控制是建立在單回路的給定點(diǎn)控制的方式，而APC控制是面向于裝置區(qū)域（合理的上下限范圍）的控制，工藝操作人員的日常操作內(nèi)容是設(shè)置受控變量（CV）和操作變量（MV）的范圍，而不是去設(shè)定受控變量（CV）的給定點(diǎn)。從過程動態(tài)角度說，只要CV在設(shè)定范圍內(nèi)，且預(yù)測值表明，在不遠(yuǎn)的未來也沒有超界的可能，則控制器的動作會很小，以避免頻繁調(diào)整。更重要的是，當(dāng)某些MV沒有自由度時（例如閥位飽和），多變量控制可以用其余的MV進(jìn)行調(diào)整，而采用給定點(diǎn)控制時，若某些變量飽和，就不得不降低產(chǎn)量等，影響裝置的經(jīng)濟(jì)效益。從過程穩(wěn)態(tài)角度說，只有將控制對象在一定的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，控制器才能有動作的余地，從而達(dá)到穩(wěn)態(tài)點(diǎn)優(yōu)化的目的。

3　先進(jìn)控制技術(shù)（APC）在煉油裝置中的應(yīng)用

在國內(nèi)石油化工領(lǐng)域，通過APC技術(shù)的深化應(yīng)用來提升生產(chǎn)裝置的處理能力和高附加值產(chǎn)品的收率，是目前國內(nèi)石油煉化企業(yè)行之有效的控制技術(shù)和方法，已經(jīng)逐漸成為工業(yè)過程控制的發(fā)展方向。作為中石化企業(yè)的安慶石化，依據(jù)行業(yè)市場競爭壓力及企業(yè)自身發(fā)展的需求，循序漸進(jìn)地對煉油各套裝置分批次進(jìn)行APC控制技術(shù)的實(shí)施及應(yīng)用，現(xiàn)以I套氣體分餾裝置為例，闡述先進(jìn)控制技術(shù)在煉油裝置的應(yīng)用工作。

3.1先進(jìn)控制技術(shù)（APC）在煉油裝置的方案確定

安慶石化I套氣體分餾裝置規(guī)模為30萬噸/年，該裝置以催化裂化和延遲焦化液化石油氣經(jīng)過精制后的混合液化氣為原料，采用常規(guī)氣體分餾工藝，主要產(chǎn)品為純度大于99.0%的丙烯。采用脫丙烷塔、脫乙烷塔、丙烯塔三塔常規(guī)流程，其中丙烯塔為兩塔串聯(lián)，DCS系統(tǒng)采用和利時公司的MACS- V集散控制系統(tǒng)。常規(guī)PID控制在單輸入、單輸出對象基礎(chǔ)上難以較好地解決，無法兼顧協(xié)調(diào)控制多變量影響及有約束邊界強(qiáng)耦合的復(fù)雜工業(yè)過程。例如在I套氣體分餾裝置中對反應(yīng)塔控制品質(zhì)的要求，僅依靠常規(guī)單回路PID控制系統(tǒng)的條件，難以實(shí)現(xiàn)在大擾動及多約束干擾條件下工藝控制的需求，會對生產(chǎn)裝置提高產(chǎn)品質(zhì)量和收率造成瓶頸。而采用多變量預(yù)測控制技術(shù)能有效解決這一問題，根據(jù)對產(chǎn)品質(zhì)量和效益目標(biāo)需求來制定最優(yōu)控制方案，實(shí)現(xiàn)裝置安全、平穩(wěn)、長周期、滿負(fù)荷的運(yùn)行。

氣體分餾裝置的工藝控制目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)裝置生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益和安全穩(wěn)定的社會效益的最佳化，不僅是優(yōu)化控制裝置產(chǎn)品的處理能力、產(chǎn)品的質(zhì)量品質(zhì)及能耗的技經(jīng)指標(biāo)等問題，還要兼顧裝置的安全運(yùn)行、環(huán)保排放等各個方面的問題。然而，在裝置的實(shí)際生產(chǎn)過程中，各方面的影響因素又是相互影響、相互耦合，需要進(jìn)行在裝置區(qū)域范圍內(nèi)的統(tǒng)一籌劃及優(yōu)化考慮，才能解決各方面的矛盾問題。在制定裝置的先進(jìn)控制方案前，深入理解氣體分餾裝置的工藝過程并對工藝流程進(jìn)行詳細(xì)分析，包括各變量間相互關(guān)系、過程的重要約束以及擺脫約束的手段等。根據(jù)裝置實(shí)際情況，并結(jié)合Aspen DMC plus先進(jìn)控制技術(shù)中多變量預(yù)測控制技術(shù)的特點(diǎn)，制定了針對該裝置的多變量子控制器設(shè)計的控制策略和方案，Aspen DMC plus的多變量預(yù)測控制技術(shù)對于因各種工藝干擾及其它環(huán)境等因素所導(dǎo)致的控制器模型與裝置實(shí)際模型之間的誤差，能自行進(jìn)行修復(fù)及適應(yīng)，以確保生產(chǎn)裝置能平穩(wěn)運(yùn)行在卡邊操作邊界，實(shí)現(xiàn)各種優(yōu)化目標(biāo)。通過DMCplus控制器設(shè)計子控制器的方式，將大型單一控制器分割為邏輯過程單元控制器，在不改變先進(jìn)控制系統(tǒng)的總體優(yōu)化協(xié)調(diào)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，使得先進(jìn)控制系統(tǒng)的操縱更加簡單靈活，可以同步開啟或者關(guān)閉一組有關(guān)的操作變量（MV）和被控變量（CV）。通過統(tǒng)籌考慮和優(yōu)化，對該裝置的過程數(shù)據(jù)、化驗(yàn)分析數(shù)據(jù)進(jìn)行采集分析，最終對于I套氣體分餾裝置的先進(jìn)控制方案，采用脫丙烷塔子控制器、脫乙烷塔子控制器和丙烯精餾塔子控制器的三個子控制器模塊的方式。圖1為安慶石化煉油I套氣體分餾裝置APC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

圖1　煉油I套氣體分餾裝置先進(jìn)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3.2先進(jìn)控制技術(shù)（APC）在煉油裝置上的實(shí)施

APC技術(shù)是以DCS集散控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)的先進(jìn)控制系統(tǒng)，因此在APC技術(shù)的實(shí)施中，需要采用對應(yīng)的安全策略，確保APC先進(jìn)控制系統(tǒng)與常規(guī)PID控制系統(tǒng)及DCS集散控制系統(tǒng)之間的安全切換及投用。具體安全策略方案為：在DCS集散控制系統(tǒng)中組態(tài)新建通訊監(jiān)控程序，對工業(yè)控制網(wǎng)與信息管理網(wǎng)間的控制數(shù)據(jù)流進(jìn)行動態(tài)實(shí)時監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)APC系統(tǒng)上位機(jī)與DCS集散控制系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)流的穩(wěn)定傳輸。一旦APC系統(tǒng)或是DCS集散控制系統(tǒng)出現(xiàn)涉及到工藝安全等問題時，該監(jiān)控程序自動進(jìn)行APC系統(tǒng)控制方式、DCS集散系統(tǒng)控制方式或手動控制方式間的安全切換，并自動在系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行通訊異常故障報警，告知相關(guān)系統(tǒng)的運(yùn)維人員進(jìn)行故障排除。通訊監(jiān)控程序的功能實(shí)現(xiàn)具體流程為：APC系統(tǒng)上位機(jī)定時向DCS中的通訊檢測位號置0，而DCS系統(tǒng)則對該位號每秒累計加1，定時巡查該位號并實(shí)時核查該位號值。通過對該位號的系統(tǒng)值與系統(tǒng)設(shè)置的閥值進(jìn)行比對，若小于設(shè)定閥值，則說明通訊暢通，并輸出指示數(shù)據(jù)通訊正常信息；若大于設(shè)定閥值，則說明先進(jìn)控制系統(tǒng)上位機(jī)與DCS集散控制系統(tǒng)間的控制流數(shù)據(jù)通訊產(chǎn)生傳輸阻塞或是中斷。為確保裝置安全，立即切除整個先進(jìn)控制系統(tǒng)的投入狀態(tài)（將所有控制器開關(guān)位號置零），從而使裝置的控制狀態(tài)保持在當(dāng)前穩(wěn)態(tài)，同時系統(tǒng)自動輸出報警。圖2為通訊監(jiān)控程序邏輯圖。

圖2　通訊監(jiān)控程序邏輯圖

I套氣體分餾裝置的APC系統(tǒng)是在利時公司的MACS- V集散控制系統(tǒng)平臺上實(shí)施的，采用APC系統(tǒng)上位機(jī)方式實(shí)現(xiàn)。依據(jù)DCS集散控制系統(tǒng)及實(shí)時數(shù)據(jù)的傳輸方式，按照統(tǒng)一的數(shù)據(jù)訪問機(jī)制原則，采用基于OPC技術(shù)的APC系統(tǒng)與常規(guī)DCS集散控制系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)通訊方式，建立與DCS控制站的數(shù)據(jù)傳送物理鏈接，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間控制數(shù)據(jù)的安全傳輸。APC系統(tǒng)的硬件配置系統(tǒng)及APC系統(tǒng)軟件通訊配置系統(tǒng)詳見圖3和圖4。

圖3　煉油I套氣體分餾裝置先進(jìn)控制系統(tǒng)的硬件配置系統(tǒng)圖

圖4　煉油I套氣體分餾裝置先進(jìn)控制系統(tǒng)軟件通訊配置系統(tǒng)圖

3.3先進(jìn)控制技術(shù)（APC）在煉油裝置上的應(yīng)用成效

安慶分公司I套氣體分餾裝置先進(jìn)控制系統(tǒng)投運(yùn)后，裝置運(yùn)行的各個關(guān)鍵工藝指標(biāo)的平穩(wěn)性得到明顯改善。各反應(yīng)塔的工藝技術(shù)指標(biāo)的平穩(wěn)性在投運(yùn)APC系統(tǒng)后較之前有了很大程度的提升。在正常生產(chǎn)情況下，可以保持較長一段時間不進(jìn)行任何人工操作而平穩(wěn)運(yùn)行，勞動強(qiáng)度大大降低，同時對于因一定程度的外界干擾、前后變量的關(guān)聯(lián)耦合等也具有一定的克服或抑制能力。先進(jìn)控制系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)裝置平穩(wěn)控制的基礎(chǔ)上，結(jié)合工藝及產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量的要求，通過逐步優(yōu)化工藝指標(biāo)的目標(biāo)值，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量和產(chǎn)量的卡邊控制，同時也盡可能保持低能耗，提高經(jīng)濟(jì)效益。先進(jìn)控制系統(tǒng)經(jīng)過逐步細(xì)化改進(jìn)，目前已取得良好的控制效果。圖5為塔頂溫度、進(jìn)料溫度和靈敏板溫度數(shù)據(jù)在先進(jìn)控制系統(tǒng)投用前后的比對，圖6為塔頂回流罐液位和塔釜液位數(shù)據(jù)在先進(jìn)控制系統(tǒng)投用前后的比對，比對數(shù)據(jù)的采集時間周期為7天。

4　結(jié)束語

安慶石化煉油I套氣體分餾裝置通過投用先進(jìn)控制系統(tǒng)以來，對于各類影響裝置工藝干擾的因素，具有很強(qiáng)的適應(yīng)控制能力，裝置的各項(xiàng)關(guān)鍵工藝控制指標(biāo)均能保持在很高的水平，優(yōu)化了煉化企業(yè)煉油裝置的生產(chǎn)過程，穩(wěn)定裝置工藝操作，工藝過程的波動得到顯著改善。裝置的加工能力、高附加值產(chǎn)品的增產(chǎn)能力、產(chǎn)品收率的提高能力均得到大幅提升。生產(chǎn)裝置的加工能力得到進(jìn)一步深度挖掘，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)裝置長周期的卡邊操作，降低單位產(chǎn)品原材料單耗。先進(jìn)控制系統(tǒng)的投用也是對企業(yè)現(xiàn)有DCS集散控制系統(tǒng)等常規(guī)控制資源的進(jìn)一步開發(fā)和深化利用。

隨著國內(nèi)煉化企業(yè)市場競爭的日趨激烈，利用先進(jìn)控制系統(tǒng)提升企業(yè)的信息化應(yīng)用水平、自動化控制水平和業(yè)務(wù)管理水平已經(jīng)成為一種大趨勢，同時也是提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的重要及有效措施。安慶石化利用先進(jìn)控制系統(tǒng)的投用，積極打造企業(yè)信息化環(huán)境下的優(yōu)化生產(chǎn)提質(zhì)增效的新型能力，為實(shí)現(xiàn)企業(yè)的裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)合理、資源利用充分、安全環(huán)保達(dá)標(biāo)奠定了基礎(chǔ)，提升了企業(yè)的市場競爭能力，也全面激發(fā)了企業(yè)的活力?！?/p>

圖5　塔頂溫度、進(jìn)料溫度和靈敏板溫度數(shù)據(jù)比對（左邊為系統(tǒng)投運(yùn)前，右邊為系統(tǒng)投運(yùn)后）

圖6　塔頂回流罐液位和塔釜液位數(shù)據(jù)比對（左邊為系統(tǒng)投運(yùn)前，右邊為系統(tǒng)投運(yùn)后）

doi：10.3969/j.issn.1008- 553X.2016.03.022

中圖分類號：TE19；TB21

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1008- 553X（2016）03- 0061- 04

收稿日期：2016- 03- 06

作者簡介：鮑魁（1975-），男，畢業(yè)于安慶師范學(xué)院，工程師，從事企業(yè)生產(chǎn)信息化建設(shè)及信息系統(tǒng)運(yùn)維工作，0556- 5376432，18955639096，baokui.aqsh@sinopec.com。