APC在空分裝置中的應(yīng)用

何 偉，周 兵，趙向遠，F(xiàn)ENG XIONGFENG，程向龍

[1. 張家港盈鼎氣體有限公司，江蘇 張家港 215625；2. 盈德氣體(上海)有限公司，上海 210035；3. 上海福克斯波羅有限公司，上海 200331]

0 引 言

空分裝置作為化工、冶金等行業(yè)的上游裝置，其可靠性對全廠生產(chǎn)系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行有著十分重要的意義。空分裝置停車，全廠生產(chǎn)往往無法繼續(xù)(一般空分裝置均設(shè)有液體后備系統(tǒng)，空分裝置停車，液體后備系統(tǒng)可短時供氣，以保障系統(tǒng)安全停車；即使設(shè)有備用空分裝置，備用空分裝置開車約需24 h，而空分裝置跳車重啟一般僅需4 h)，而儀表空氣和安保氮氣的供應(yīng)更是保障著全廠的安全運行。空分行業(yè)歷經(jīng)近百年的發(fā)展，深冷分離技術(shù)已相當成熟，空分工藝越來越先進，裝置規(guī)模越來越大，智能化控制程度越來越高。

近年來，先進過程控制(Advanced Process Control，簡稱APC)技術(shù)在流程工業(yè)過程中不斷地推廣應(yīng)用，取得了良好的效果，其在空分裝置上的應(yīng)用也越來越受到重視。作為信息化技術(shù)在生產(chǎn)裝置中的應(yīng)用，APC不僅可提高裝置的控制能力和管理水平，而且還可為企業(yè)創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟效益。以下就APC在張家港盈鼎氣體有限公司(簡稱張家港盈鼎)二期空分裝置上的應(yīng)用作一簡介。

1 空分裝置及APC簡介

張家港盈鼎二期空分裝置為浙江智?；ぴO(shè)備工程有限公司自主設(shè)計(原始設(shè)計時沒有考慮APC控制)，設(shè)計產(chǎn)能為氧氣60 000 m3/h、氮氣120 000 m3/h，于2017年12月投產(chǎn)。本空分裝置采用業(yè)內(nèi)經(jīng)典的內(nèi)壓縮、全精餾無氫制氬流程(氬提取率可達78%)：分子篩凈化空氣，出分子篩的部分空氣由增壓機增壓至2.5 MPa，經(jīng)高壓節(jié)流和空氣膨脹機進入主精餾塔(上塔、下塔均采用規(guī)整填料)下塔；增壓透平空氣膨脹機和增壓透平氮氣膨脹機各1臺，膨脹空氣進下塔，膨脹氮氣常壓反流出主精餾塔，匯入氮氣總管；主精餾塔產(chǎn)出的液氧經(jīng)冷箱內(nèi)液氧泵加壓至0.9 MPa，與高壓空氣換熱后送用戶管網(wǎng)。

張家港盈鼎二期空分裝置APC項目實施由盈德氣體(上海)有限公司APC項目組和上海?？怂共_有限公司(簡稱福克斯波羅，SFCL)共同完成，采用SFCL的AVEVA APC軟件予以實施。?？怂共_作為施耐德電氣集團專注于過程控制與流程行業(yè)數(shù)字化解決方案的獨立業(yè)務(wù)單元，一直致力于為全球生產(chǎn)制造和基礎(chǔ)設(shè)施行業(yè)提供自動化和信息技術(shù)、控制系統(tǒng)、軟件解決方案和咨詢服務(wù)。

張家港盈鼎二期空分裝置APC系統(tǒng)基于AVEVA APC軟件進行控制器搭建。AVEVA APC軟件通過采集階躍測試數(shù)據(jù)辨識出過程中變量之間的動態(tài)數(shù)學(xué)關(guān)系(即模型)；利用該模型，軟件可預(yù)測被控變量在未來時段的變化趨勢，從而施加有效調(diào)控動作，提高過程控制品質(zhì)。AVEVA APC軟件平臺支持嵌入式編程語言Python，有助于實現(xiàn)基于專家知識的邏輯控制、自適應(yīng)控制等多種智能控制功能。

2 APC項目的實施

2.1 APC與DCS的連接

APC的實施基于DCS，通過OPC服務(wù)器與現(xiàn)場DCS實現(xiàn)通訊。通過模型預(yù)測控制算法計算出操作變量(Manipulated Valuable，MV)的優(yōu)化值，并將優(yōu)化值寫入DCS(通常寫到PID回路設(shè)定點、閥位等)，實現(xiàn)控制優(yōu)化。通訊采用WatchDog看門狗機制，APC控制器每個運算周期發(fā)送0～99順序序列至DCS，并讀回；DCS側(cè)的WatchDog狀態(tài)判斷在DCS邏輯中實現(xiàn)。當讀寫數(shù)據(jù)差值小于±0.1則延時發(fā)通訊故障，此時DCS控制邏輯會自動切除APC控制器涉及的所有MV，并發(fā)出相關(guān)報警信息，同時將這些MV無擾切換至其默認DCS控制狀態(tài)，操作權(quán)限回歸運行人員。

2.2 預(yù)測試及PID優(yōu)化

預(yù)測試的目的主要是評價常規(guī)控制系統(tǒng)的性能，確定工藝過程響應(yīng)時間的數(shù)量級，考察工藝約束及變量耦合情況，以及是否有變量需要進行變換。預(yù)測試主要通過MV的小幅度的階躍測試實現(xiàn)。具體而言，需要將MV或在測試期間允許改變的前饋變量(Feedforwardvaluable，F(xiàn)V)進行幾次階躍調(diào)整，以檢查相關(guān)控制回路的PID參數(shù)和控制閥的性能。

預(yù)測試過程中，若發(fā)現(xiàn)作為MV的PID回路性能不夠理想，則需要進行PID參數(shù)整定。本APC項目的PID參數(shù)整定基于內(nèi)模控制算法，結(jié)合特定DCS系統(tǒng)中PID算法類型(不同DCS系統(tǒng)中PID算法不同)，在對PID回路輸出與PID回路測量值關(guān)系進行建模的基礎(chǔ)上計算PID回路比例、積分和微分參數(shù)的初始值，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合PID整定進行優(yōu)化，以獲得良好的控制性能，相較于傳統(tǒng)的僅憑經(jīng)驗進行試錯調(diào)整更為高效。

PID控制是現(xiàn)代化連續(xù)生產(chǎn)過程自動化控制的基礎(chǔ)，也是APC實施的基石，PID參數(shù)的優(yōu)化整定工作在APC項目中占有重要的地位。從控制機制上來說，PID與APC控制方式的主要區(qū)別在于：PID控制中1個手段能且僅能控制1個被控目標，屬單變量反饋(事后)秒級自動控制，模式為設(shè)定點控制；APC控制屬模型預(yù)測控制，M個控制手段控制N個被控目標(通常N>M)，運行周期為幾秒到幾分鐘，可在區(qū)間控制，亦可以設(shè)定點控制。在APC項目的實施中，應(yīng)該發(fā)揮兩種控制機制(PID與APC控制)的優(yōu)點，使其各施所長。

張家港盈鼎二期空分裝置APC項目的實施中，首先通過PID回路結(jié)構(gòu)優(yōu)化和參數(shù)整定實現(xiàn)良好的底層控制，在此基礎(chǔ)上，以優(yōu)化后的PID回路設(shè)定點作為MV，實現(xiàn)APC控制與傳統(tǒng)PID控制的完美結(jié)合。在大數(shù)據(jù)利用方面，張家港盈鼎APC項目在預(yù)測試階段充分利用PI數(shù)據(jù)庫優(yōu)勢，引入大量數(shù)據(jù)分析，形成多個關(guān)聯(lián)工藝參數(shù)公式，在此基礎(chǔ)上優(yōu)化底層PID控制架構(gòu)，使之能更好地與APC結(jié)合進行優(yōu)化控制；同時，相關(guān)的分析結(jié)果也能用來驗證儀表數(shù)據(jù)的有效性，充分挖掘利用大數(shù)據(jù)。

2.3 階躍測試與建模

在預(yù)測試的基礎(chǔ)上，可以進行APC控制器的初步功能設(shè)計，其中最主要的內(nèi)容是MV、CV(controlled variable，被控變量)、FV列表，以及相應(yīng)的階躍測試計劃。MV、FV與CV之間的動態(tài)影響關(guān)系，即模型，是APC控制器的核心。階躍測試，就是人為地去改變MV和FV(如果FV可操作的話)，同時記錄下CV的動態(tài)響應(yīng)。在保障安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)上，階躍測試的幅度要足夠大，使得CV響應(yīng)符合足夠信噪比的響應(yīng)，以便APC軟件中的模型辨識模塊能順利辨識出正確的動態(tài)模型。

階躍測試完成后，APC項目進入到建模階段(亦稱模型辨識)。APC工程師對階躍測試中記錄下的MV、FV、CV數(shù)據(jù)進行檢查，篩選出響應(yīng)明顯、因果關(guān)系清晰的測試數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上，設(shè)置好建模參數(shù)(如預(yù)測周期、建模長度等)，模型辨識所涉及的復(fù)雜統(tǒng)計計算則由AVEVA APC軟件自動完成。

模型的精確程度，通?？赏ㄟ^比較CV的模型預(yù)測值與實測值予以評價。生產(chǎn)過程中時常存在的不可測干擾往往會干擾CV在階躍測試中的響應(yīng)，而影響模型精度，這就要求APC工程師在建模過程中注意甄別數(shù)據(jù)，采用CV響應(yīng)一致性好、因果關(guān)系清晰的數(shù)據(jù)進行建模。

模型辨識過程是一個統(tǒng)計計算過程，容易被看成是一個給予輸入/輸出數(shù)據(jù)之后直接得到模型的黑箱過程，這樣的認識其實是不夠的。模型辨識結(jié)果是否合理，APC工程師應(yīng)在工藝機理認知的基礎(chǔ)上給出工程判斷，確認所得結(jié)果在工藝上符合變量之前的動態(tài)影響關(guān)系。例如，當一個模型辨識的結(jié)果表明某個流量MV引起某個組分CV改變的增益為2時，首先應(yīng)思考和確認這是否符合操作常識及工藝機理；如果偏差較大，就應(yīng)考慮建模數(shù)據(jù)是否受到較大不可測干擾以及建模數(shù)據(jù)選取是否合理等，需重新進行建模；有的時候若發(fā)現(xiàn)測試數(shù)據(jù)受到的不可測干擾很嚴重，甚至可能需要重新進行階躍測試。

2.4 控制器集成與投運

模型辨識完成后，所有模型的集合即成為APC控制器的主體。這個控制器要能投入運行，須完成APC-DCS界面創(chuàng)建：在APC軟件平臺中，需要針對所有的MV、FV和CV進行設(shè)置，設(shè)置好默認的參數(shù)，其中最重要的是MV和CV的權(quán)重——適合的權(quán)重設(shè)置可使控制器的運行滿足CV控制精度最高、MV變動最小、MV離目標值最近等控制優(yōu)化指標的要求；在DCS中，建立保證APC和DCS正確通訊的看門狗邏輯，保證各控制器和MV/CV/FV等順利投切的邏輯、專用來顯示和實現(xiàn)的控制器、MV/CV/FV變量投切的畫面。

APC-DCS界面必須經(jīng)過嚴格的測試，各項通訊、投切功能確認完好后，才能過渡到APC投運階段。在APC投運階段，一般從單個MV、單個CV開始投運。在投運調(diào)試的過程中，根據(jù)CV控制性能微調(diào)MV及CV權(quán)重，以達到滿意的控制效果；在此基礎(chǔ)上，投入FV將有助于克服可測干擾對CV的影響，進一步提高控制精度。按此步驟逐步投入其他的MV、CV和FV，完成整個控制器的投運與調(diào)試。

3 空分裝置APC系統(tǒng)運行情況

3.1 空分裝置實現(xiàn)智能控制與實時優(yōu)化

張家港盈鼎二期空分裝置原始設(shè)計沒有考慮APC控制，經(jīng)過約3 a的運行考核與調(diào)研，APC項目于2021年4月立項實施，2021年12月16日正式投運。APC系統(tǒng)投運后，張家港盈鼎二期空分裝置綜合控制自動化水平明顯提升：APC系統(tǒng)投用前，日常操作中空分裝置分子篩均壓、生產(chǎn)負荷調(diào)整等極易造成工況波動、參數(shù)偏離正常值，需要操作人員實時關(guān)注；APC系統(tǒng)投用后，能根據(jù)CV、MV和FV的歷史值及模型，預(yù)測CV的變化，計算出合理的MV控制動作，通過OPC寫入到DCS及時進行優(yōu)化控制，如此一來，克服了人員操作的不穩(wěn)定性和不一致性，使得過程變量的控制品質(zhì)明顯提升，生產(chǎn)工況更加穩(wěn)定。例如，APC系統(tǒng)投運后，氬中微量氧含量這一CV的控制變得非常平穩(wěn)，CV標準偏差明顯降低；在此基礎(chǔ)上，可進一步提高該CV設(shè)定點，實現(xiàn)卡邊操作，以使生產(chǎn)效益最大化。

統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，APC系統(tǒng)投運半個月后，張家港盈鼎二期空分裝置KPI提升顯著：氧氣提取率提升0.25%，達99%；氬提取率提升1%，達80%；氧氣放散率絕對百分比小于50%；空分裝置整體能耗下降約0.5%。

3.2 空分裝置實現(xiàn)自動變負荷

在實現(xiàn)基本控制和卡邊優(yōu)化的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)張家港盈鼎二期空分裝置的自動變負荷是本APC項目的另一個重要目標。具體目標是，當用戶氧氣需求量發(fā)生變化時，操作人員只要設(shè)定目標氧量，點擊“GO”即可由APC系統(tǒng)自動執(zhí)行變負荷操作。

APC系統(tǒng)會根據(jù)目標氧量自動計算總空氣量，并賦值給空氣量MV作為MV目標，按照變負荷模式來達到這個目標。一般來說，變負荷區(qū)間為空分裝置標準負荷的90%～105%，整個變負荷過程要求90 min內(nèi)完成。

變負荷過程中，在DCS層面空氣量和中間物料、氧氮產(chǎn)品保持比例控制的基礎(chǔ)上，APC系統(tǒng)所管控的MV各司其職，分別控制對應(yīng)的CV；當關(guān)鍵CV值觸及上/下限時，變負荷邏輯會觸發(fā)空氣量MV暫時進入自動閉鎖，直到相關(guān)CV重新進入安全范圍；當空氣量MV值很接近目標總空氣量后，APC系統(tǒng)將自動停止變負荷操作。變負荷過程中，操作人員可以通過點擊“HOLD”或“GO”來暫?；蚧謴?fù)變負荷操作。

變負荷設(shè)計的另一個應(yīng)用是，正常生產(chǎn)時，如遇到氧氣管網(wǎng)壓力改變(例如，當氧氣管網(wǎng)壓力CV“2PI1510B.PV”與其控制范圍偏差大于10 kPa)，APC系統(tǒng)可根據(jù)氧氣管網(wǎng)壓力的波動幅度自動調(diào)整空氣量，以控制氧氣管網(wǎng)壓力CV重新回到允許偏差范圍內(nèi)。

4 結(jié)束語

張家港盈鼎二期空分裝置APC項目，首先采用APC理論方法在DCS層面實施了PID結(jié)構(gòu)和參數(shù)的優(yōu)化，為APC的實施打下了堅實基礎(chǔ)；然后，遵循施耐德APC項目的標準流程，采用AVEVA APC軟件平臺，經(jīng)過階躍測試、建模、控制器搭建、APC-DCS界面創(chuàng)建、APC投運調(diào)試等重要環(huán)節(jié)，成功實現(xiàn)了多個重要CV的穩(wěn)定控制及卡邊優(yōu)化。APC系統(tǒng)投運后，氬餾分及氬中氧含量等重要指標的控制得到大幅提升，氬提取率提高明顯，氧氣放散下降，氧氣提取率上升，空分裝置能源利用率有效提升，可帶來非?？捎^的經(jīng)濟效益；在此基礎(chǔ)上，進一步實現(xiàn)了空分裝置自動變負荷操作，變負荷的效率有了很大的提高，系統(tǒng)工況波動減小。同時，APC的應(yīng)用還減輕了操作人員的工作量，杜絕了因操作失誤帶來的工況波動，降低了人為操作中的風(fēng)險因素。