先进过程控制提升回路性能

先进控制技术(APC)是指一类在动态环境中,基于数学模型,借助充分的计算能力,并具有比常规PID控制效果更好并且为工厂获得最大利润而实施的控制策略的统称。

先进控制技术(APC)是指一类在动态环境中,基于数学模型,借助充分的计算能力,并具有比常规PID控制效果更好并且为工厂获得最大利润而实施的控制策略的统称。它是将化工工艺、化学工程、计算机、仪表、过程控制理论与先进控制技术有机结合而形成的一种新型控制技术。复杂工业系统往往具有不可预测性,采用常规控制往往效果不好,甚至无法控制,先进控制技术是更好的选择。线性模型预测控制(LMPC)已经广泛应用于石油、化工、能源、食品等工业领域。然而, 大多数的工业对象都是非线性的,用线性模型来对高度非线性系统进行近似而带来的模型偏差可能导致系统控制性能的恶化,从而限制了基于线性模型的预测控制的应用和推广。

基于模型的非线性控制器,就是基于神经网络或者机理模型或者两者相结合的混合模型,对非线性系统的过程信息进行多步预测,然后通过一个含有这些预测信息的优化目标函数,在约束条件内求解得到最优控制方案,从而实现对非线性过程的多变量预测控制。一个典型的基于模型的非线性预测控制器结构如图1所示。

在每一个采样时刻k,控制器通过现场仪表得到实时过程信息,然后通过一个非线性预测模型得到系统对于给定输入的有限个未来时刻的系统输出预测值,并用一个预先定义的性能指标来衡量系统输出预测轨迹与期望轨迹的偏差,在线优化算法对该性能指标进行实时优化,在约束条件下计算出一组操纵变量最优序列,从而实现非线性预测控制。预测控制中的优化是一种有限时段的滚动优化,即在每一采样时刻重新采集过程信息进行预测和优化,这样极大地提高了预测控制器的适应性和鲁棒性。

图1 基于模型的非线性预测控制器结构

非线性预测控制的基本原理与以往的线性预测控制相同,即由三个最基本的部分组成:预测模型,滚动优化和反馈矫正。不同的是,预测模型由一个非线性模型替代,该非线性模型可以由神经网络,机理模型或者两者相结合的混合模型来实现。罗克韦尔自动化的Pavilion8控制器由一个非线性稳态模型和一个线性动态模型组成,两个模型通过双点增益调度技术 (two-point gain scheduling technique) 结合在一起,可以很好地描述大范围变增益的工业生产过程。对于非线性稳态模型,Pavilion8拥有多种建模技术,可根据过程历史数据或已知的机理模型通过神经网络技术建立,也可直接采用机理模型实现。Pavilion8特有的外推增益约束神经网络(Extrapolating Gain-Constrained Neural Networks,EGCN)专利技术,可以在建模数据不充足的情况下保证模型符合真实的生产过程和实际的生产经验。线性的动态模型可以从历史数据中辨识,也可通过过程的阶跃测试数据得到。

Pavilion8非线性预测控制器的特点

1) 独有的基于机理或神经网络的非线性预测模型,使控制器在不同牌号、不同催化剂类型等不同工况下均具有良好的适应性,保证全生产过程的鲁棒控制;

2) 独有的带有外推增益约束的神经网络专利技术 (EGCN),保证了模型在超出正常生产工况时,仍具有良好的精度,便于制造商进行新牌号的开发与生产;

3) 建模方法灵活,可基于机理模型、经验模型和操作人员经验进行混合建模;

4) 基于Web图形化界面的实时趋势显示,实时监控先控系统的运行情况,并提高了工艺人员和操作人员对先控系统的理解程度;

5) 内置数据库,可重现控制器的历史动作以及预测趋势,便于快速分析与故障处理;

6) 内嵌的控制器性能指标计算,可实时地对控制器的投用率及控制偏差进行统计,便于对先控系统的投运效果进行动态评估和长期监控。

SECCO(上海赛科石油化工有限公司)的30万吨/年的LLDPE(线型低密度聚乙烯)装置采用Ineos的气相流化床聚合技术,使用齐格勒催化剂直接注入法生产LLDPE。装置主要由原料精制,催化剂注入,聚合,高产率冷凝系统,原料气液回收等部分组成。DCS控制采用Emerson公司的DeltaV系统。工艺流程如图2

LLDPE装置自2005年3月投产以来保持稳定高产运行,如何进一步提升装置的稳定性和产能,一直是装置的工程技术人员持续改进的目标。APC能否克服在线色谱的扰动?产品质量经过两年的努力,已经处在一个相对稳定的阶段,APC能否使之更上一层楼?产量已经超过设计标准,能否在安全稳定的基础上进一步提高?所有的疑问既是APC所要达到的目标,也是这一目标实现的基准。

LLDPE  APC项目制定的目标:

1) 在满足装置现有的约束条件内,反应器产量至少提升4%

2) 提高产品质量的一致性,降低产品质量的均方差。

3) 在设备和工艺条件不变的状况下,提高装置长期操作的一致性,从而使反应器的稳定性得以提高。

4) 使用Pavilion8 预测技术改进牌号切换,提高牌号切换的一致性,减少切换时间和过渡料。

经过近五个月的建模和调试LLDPE项目顺利完成。作为SECCO首个完成APC项目的聚合物装置,项目所有的实施内容:在线色谱软仪表,产品质量软仪表,产量控制器,产品质量控制器,以及牌号全自动切换成功通过测试考核,达到的效果超过了项目预期效益。总结其成功之最核心因素就是使用了Pavilion8独特的非线性混合建模技术,从而满足节能、增产、提质的需求。

杜一川是罗克韦尔自动化(中国)有限公司东北亚区销售经理

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