先进过程控制

Chikezie Nwaoha详尽解释了先进过程控制,以及这种方法如何最大程 度的提升工厂的绩效。

过去的几十年里,有关先进过程控制(APC)的文献早已经汗牛充栋。理论上的进步和实践中的创新让这项技术有着光明的未来。因为工业中流程(变量)控制的需求持续增长,先进过程控制的应用越来越宽广。

业已证明,先进控制正在持续的帮助增加产能、提升产品质量和一致性、减少能耗、提高设备响应,而最为重要的是可以加强流程的安全性。所有这些优点都驱使流程工厂根据自身的设计能力实施先进控制。

为了从工业的角度更加了解先进过程控制,我向尼日利亚液化天然气公司仪表部门负责人Amos Ologunleko提出了一些问题。他曾经担任过仪表试运行工程师、仪表可靠性工程师、仪表维护工程师(文莱液化天然气公司)和高级仪表工程师,负责管理多个集成控制系统,包括DCS、安全系统以及第三方系统主机。

问:什么是先进过程控制,为什么要使用这种方法?

答:为了了解APC以及为什么使用它,很重要的一点是要对传统的流程控制设备有一个初步的了解。

在最基本的层级上,单回路控制器可以根据从现场传感器收到的信号控制一个流程变量,比如温度、压力、流速、液位和质量。下一个层级包括用于“常规”控制的比例-积分-微分(PID)控制器,再接下来是“约束”控制,操作员可以为相关的流程变量指定设置点。

APC提供一个高于常规/约束控制的控制算法和通用模型,可以在面板上通过操作员对流程变量的人工调整设置点控制整个工厂,并实现流程优化。出于这个原因,对于APC应用,如果想达到理想的效果,在基础层保持“自动模式”而不是“手动模型”只是一个权宜之计。

简单的说,由于那些被证明的优点,人们才会使用APC。有很多报告都指出,成功实施APC可以节约运营成本,甚至带来额外的收入,具有良好的投资回报。

问:为什么最终用户理解APC显得如此重要?

答:最终用户应该理解APC的原因有很多。首当其冲的是,最终用户需要成为决策的一个组成部分,保证APC的运营目标适当。如果不小心,APC可能带来的是异常梦魇。由于运营目标错误,会导致技术失效,进而损失金钱丧失信心。APC没有达到最优性能的后果就是工厂悲剧了。

第二,大多数情况,最终用户有责任寻找风险分担者,并对APC项目启动的基金进行管理。兜售观点也需要对于APC有基本的了解。

第三,同许多其他应用一样,最终用户必须深入了解现有的技术,以及它们能够适应相应的流程行业,带来最大的收益。

问:你能描述一些常用的APC技术吗?

答:流行的APC技术都是基于流程模型。现在有三种基本的建模技术,分别是定性、数学和统计方法。定性技术的一个很好的例子就是模糊逻辑,而数学模型可以基于常微分或者偏微分方程或者神经网络。另外,由于人们对于产品质量越来越重视,统计过程控制(SPC)和质量估计(QE)现在已经成为主流。在人工智能和专家系统领域,还有一些进展可以在工业界推广。

问:应用先进过程控制,业界有哪些成功的例证?

答:与二十年前不同,现在业内有很多厂商具备实施以模型为基础进行控制的经验和技术。在流程行业广泛应用的最为复杂的基于模型的APC技术,就是高级多变量控制模型。在油气行业,壳牌全球解决方案国际公司(SGSI)的SMOC(壳牌多变量优化控制)方案包就是一款领导性的产品。另外一个例子是动态矩阵控制公司(DMCC)的基于模型的动态预测控制(DMBPC)。实际上,控制厂商还有很多基于模型的方案正在不同的工业部门使用。

问:工业界是否乐于公布那些没有达到期望的应用?如果想让项目达到目标,步骤应该包括哪些?

答:你讲得很对,成功的故事我们已经说了太多了,但是却很少有人提起失败的教训。项目没有达成目标的原因有很多,比如每一个发生管理变更的项目,人的问题必须在各方加入的早期就解决完毕。

要努力保证正确的技术使用到正确的场合,不要有任何的假设。假设,就是在扇自己的耳光。所以每一个假设都会受到事实的反复拷问。再次重申,在业内,谁都不想成为做实验的小白鼠,所以出于风险的考虑对第一次应用有怀疑是非常正常的。业内成熟的玩家应该已经从失败和成功的项目中学到了足够的经验和知识。非理性的行为是项目失败的重要原因,有很多法律手段可以处理这些问题。最后,在互联网(APC网络)上的用户网络可以提供相关的信息进行协助,也可以为潜在的用户提供指导。

问:在学术界和工业界之间是否有合作开发新方法解决与工业相关的问题?

答:全球范围内,在学术研究和实践应用之间建立广泛的合作或者提供准确的信息并不容易。但是,我们看到了越来越多的有工业经验的人被大学录用,推动APC的进一步研究,而学术机构直接参与其中的数量越来越少。

其中的一个例子就是Charles Cutler,他于1961年加入壳牌石油,并在此积累了丰富的工作经验,后来他又投身到学术界,在大学的环境中进行钻研并提出了动态矩阵控制(DMC)的概念。一些年后,在新奥尔良炼油公司流体催化裂化装置上, 他成功展示了DMC的功能。接下来在1 9 8 6 年, C u t l e r 与同事 C h u c k J o h n s o n 合作开创了DMCC这家公司。该公司已经被位于波士顿的Aspen技术公司收购,它是APC应用的领先供应商。而就在同一周, 这家公司还收购了另外一家竞争对手Setpoint。

Aspen技术公司成立于1981年,是麻省理工学院与美国能源部联合进行研究的结晶。Aspen实际上就是流程工程项目高级系统的缩写。

问:在选择先进过程控制技术的时候,哪些是最终用户确保成功需要考虑的关键因素?

答:最终用户应该在APC实施项目之前就启动“机会搜寻”工作。机会搜寻是一种帮助实现稳定流程的结构化方法,通过识别关键决策点,高效实现定义完备的目标。这是一项已被证明的方法,可以理顺各方的关系,实现项目成功。

除此而外,还必须设定“收益估计”的标杆。由于对流程经济性的错误理解、错误解释和错误展示,可能会出现对APC项目成本和收益的过高或者过低估计,这会带来深远的影响。

问:最终用户如何使用APC设计流程?什么是你所推荐的最佳实践?

答:除了机会搜寻和收益估计之外,“范围确定”以及对于项目团队中每一个成员在项目的不同阶段的角色和责任的清晰理解,是非常必要的。

APC算法需要对流程动态和实时控制数据库和控制器的配置进行建模,这对于成功至关重要。必须要进行一系列工厂/基地的测试,保证模型最适合工厂的需要。

提供适合的环境和必要的资金,是最终用户的责任,这样才能确保APC与现有基础控制平台的成功集成。我愿意推荐系统试运行的时候遵循根据预先定义的质量控制&保障框架采取一步一步的方法。项目的主要方面是项目完成之后的系统维护。项目团队应该关注的是在预算和进度要求的限制下安全的完成工作。如果最终用户没有在项目中自始自终保持如一,对于实现商业目标是非常不利的。对现场设备,比如变送器和流程分析仪进行持续的监控,及时修复设备功能,也是非常重要的工作。

必须要注意保证集成控制在“自动模式”的比例保持在100%(或者非常接近),必要的时候必须要有指定的技术团队对APC控制整定非常了解。操作人员应该保证APC有80%甚至更长的运行时间。

问:一般最终用户会在APC选型、设计和实施过程中犯哪些错误?

答:APC应用周密的计划和执行对于从项目中取得预期的回报都是非常关键的。一个主要需要避免的问题就是运营目标选择不当。让我们考虑这样一个常见的例子,在原油提炼的过程中,需要尽量减少蒸馏塔顶部的重质部分,与尽量增加底部的轻质部分是完全不同的工作。

另外一个陷阱是签订合同的时候企业往往关注的是出价最低的方法,但是通常这种方法没有很强的技术竞争力。我们已经知道有很多项目都是因为合同变更而遭受损失,不可避免的出现成本成倍攀升。

如前所述,最终用户应该在APC项目完成之后一直瞪大双眼。对于现场设备和基础层控制的持续关注,可以保证APC应用的效果。这些工作必须贯彻项目的始终,否则,系统就可能如同一个黑箱,没有人能够进行维护。因此,最终用户必须要经过合理的培训,保证系统维护和业务持续。操作员的重要作用也决不能忽视。

APC应用没有一个尽善尽美的方法,每一次实施都是独特的。关键问题是选择与技术经验匹配的合适运营目标。企业必须要抵制项目重启这类事件的发生。当你及早了解其他人成功和失败的教训,你就可以积累自己的经验,(希望可以)避免错误的发生。

问:站在行业的角度,你如何看待APC的未来?

答:行业领导者一定是能够持续解决问题的厂商。未来需要学习型组织,可以看到先进过程控制应用的巨大潜力和价值。一个主要的挑战,是在仪表、网络技术、多核计算机和最高级的软件的环境,保证自己始终能够站在领跑者的位置。在可以预见的未来,我们将拥有基于神经网络和专家系统的先进控制方案,并与当前基于模型的先进过程控制和优化应用紧密结合。

流程经验和知识将会是成功项目实施的关键。挑战是如何缩小即将退休的技术骨干与新生力量之间知识的差距。

 

Chikezie Nwaoha是一名石油工程师,也是《亚洲控制工程》的特约编辑。


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提升工厂利润率

一家韩国炼油企业采用先进过程控制,提升产能、降低能耗。

双龙公司是亚太地区最具竞争力的一家炼油企业,是韩国国内石油市场的领导者。该公司于1976年成立于韩国首尔,主要生产石油及润滑油产品。

公司希望在未来可以持续增长,因而寻找可以在炼油环节中最大化流程效率的方法,尤其是提升产能、理顺生产过程,同时降低能耗。

“我们希望保证能够利用每一个机会提高流程效率,而且我们已经认识到先进过程控制解决方案是实现我们目标的最佳工具。APC符合我们公司不断努力提高效率、尽量减少对环境影响的理念,”双龙公司能源技术/管理团队Soon-Cheol Chang博士说道。

双龙公司重点关注产能提升和能源效率,并开始为其昂山炼油基地寻找一款先进过程控制解决方案。该公司之前拥有一套APC解决方案,但是只是在一套氢化分裂器机组上使用。现在公司决定了解多家供应商,确保可以为整个生产基地的先进过程控制找到最佳的方案。

在比较了几家供应商之后,双龙公司选择了霍尼韦尔,因为其丰富的经验、强大的工程技术能力、系统易于维护,并且霍尼韦尔的韩国高技术解决方案团队在当地也有着良好的口碑,可以使用霍尼韦尔全球的APC工程师资源。

达到极限

霍尼韦尔的解决方案Profit Suite基于先进过程控制技术,可以强化工厂集散控制系统(DCS)的功能。

DCS可以保持单个控制器的设置,而Profit Suite则可以持续的分析大量流程信息,确定如何提升工厂的总体运营水平。接下来,它还可以在操作员的职责范围内调整DCS的设置点实现经济目标。在Profit Suite内部,Profit控制器是一个面向复杂与强耦合工业过程的多变量控制与优化应用,采用专利性的稳健多变量预估控制技术(RMPCT)。

除此之外,它还使用专利性域控制算法(RCA),在确定最小流程变化以满足控制与优化目标的同时,使得模型的不确定性影响最小。

在昂山生产基地,公司使用Profit控制器推动工厂达到运营极限,同时在不需要操作员额外工作的情况下节约燃料。自从先进控制实施以来,双龙公司已经提升了产能,理顺了生产流程,降低了能耗,同时提高了总体效率。

从成本的角度来说,收益也是巨大的。燃料方面的节约还可以帮助公司实现减少排放,满足环保要求的目标。

 

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