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先进控制技术——企业增产增效的“加速器”
来源: ceasia-china.com作者: Kenny Fu时间:2020-01-06 10:43:39点击:3295

当前先进控制与优化控制软件的二次开发量较大,从设计,测试,仿真研究,到实际工业装置投运周期较长。为此今后应开发一些二次开发量较少的先进控制与优化控制软件,以适应市场需要。同时,还将进一步开发鲁棒性强,适应性宽(操作条件、原料性质等),性能价格比优的商品化先进控制与优化控制软件,适应国内大中型企业需要。

流程工业过程是一个复杂的工业过程,具有大量的不确定性、非线性、多变量耦合、大滞后和状态不完全性等特点。因而,流程工业过程的控制系统的设计存在着极大的困难,而传统的PID控制算法则难以满足其控制质量与效益要求。随着现代计算机技术、人工智能、网络技术以及优化技术的发展,先进控制技术(APCAdvancedProcessControl)在流程工业过程中得到了应用,并取得了成功,极大地促进了流程工业的生产操作水平的提高,并有效地实现了节能减排。全世界投用的APC已有数千项,APC的投入产出效益已被公认,一般投资回报率为10美元/1美元,优化技术的经济效益更大,投资偿还期不到1年。本文对先进控制技术在流程工业过程中的应用现状进行阐述,并对应用案例及其发展前景进行了概略地介绍。

APC技术企业增产增效的加速器

20世纪70年代以来,随着计算机技术的广泛应用,自动控制技术有了很大的发展,先进过程控制应运而生。先进控制内容丰富、涵盖面广,包括自适应控制、鲁棒控制、预测控制、智能控制和软测量技术等。先进控制技术是对那些不同于常规单回路控制,并比常规PID控制有更好控制效果的控制策略的统称。

在复杂工业生产过程中,一个良好的控制系统不但要保护系统的稳定性和整个生产的安全,满足一定约束条件,而且应该带来一定的经济效益和社会效益。然而设计这样的控制系统会遇到许多困难,特别是复杂工业过程往往具有不确定性(环境结构和参数的未知性、时变性、随机性、突变性)、非线性、变量间的关联性以及信息的不完全性和大纯滞后性等,要想获得精确的数学模型十分困难。现代复杂的工业生产过程,通过实施先进控制,可以大大提高工业生产过程操作和控制的稳定性,改善工业生产过程的动态性能,减少关键变量的运行波动幅度,使其更接近于优化目标值,从而将工业生产过程推向更接近装置约束边界条件下运行,最终达到增强工业生产过程的稳定性和安全性,保证产品质量的均匀性,提高目标产品的收率,提高生产装置的处理能力,降低生产过程运行成本以及减少环境污染等目的。

近年来,先进控制技术在流程工业过程中不断地推广应用,取得良好的效果。目前国内以石油化工行业为代表的各大企业纷纷启用先进控制技术。凭借改善过程动态控制的性能、减少过程变量的波动幅度、使生产装置在接近其约束边界的条件下运行(卡边操作)等优势,先进控制技术在石油化工、电力等行业获得广泛应用,大量工业装置在已有DCS的基础上配备了先进控制系统,大规模的模型预估控制和用于优化的非线性预估控制技术得到极大完善。由于先进控制软件包可以为企业带来可观的经济效益,我国已引进IDCOM-M、SMCA、DMCplus等先进控制软件,并已投入使用。另外,HoneywellProfimatics公司已经与中国石化总公司合作,在石化行业推广他们的RMPCT软件,部分已投入使用。在国内,越来越多的石油化工企业也开始尝试先进控制的运用,如茂名、扬子、济南等炼油厂已经应用了先进控制技术,并且都实现了良好的应用效果与经济效益。但是,我们也不能回避一些先进控制在应用中实际存在的问题。

目前先进控制技术不但在理论上不断推出新的成果,而且在实际生产应用中也取得了令人瞩目的成绩。现在国内外已有很多优秀的产品供选择:如Honeywell高技术执行部的PC(ProfitController);ABB代理的STAR;横河代理的SMOC;FOXBORO的Connoisseur;ASPEN的DMC、浙江中控的APC-Adcon等。目前,世界上先进的石化企业绝大多数生产装置都采用了先进控制技术,据ARC调查的数据显示,美国的普及率已经达到60%以上,重点装置更是达到了90%的比例。在某种程度上,先进控制技术更像是企业增产增效的加速器。先进控制技术通常是在DCS、FCS等系统的基础上,采用多变量预测控制、智能软测量和工艺计算等策略实现以下目标:提高装置运行的稳定性和安全性、保证产品质量的一致性、提高目标产品收率、增加装置处理量、降低运行成本、减少环境污染等。因此,越来越多的企业开始运用先进控制技术来实现节能增效,同时这些行业用户也将先进控制技术作为提升企业竞争力的突破口。

几年来的实践证明,在我国先进控制方法的推广工作并非一帆风顺,而是遇到了不少困难和问题。尽管先进控制系统效益明显,但国内企业先进控制建设和应用情况与国外始终存在差距。系统开发企业在开发应用过程中能够保证系统正常运行,但同时,先进控制系统的维护者是用户企业的信息技术人员,他们既要熟悉先进控制技术本身,同时要掌握计算机控制系统以及工艺过程等技术。因此,用户企业自身由于缺乏足够的技术力量,先进控制系统的长期维护问题日益明显。

应当说,我国的控制理论界与工控企业界都在不同程度上在APC技术的应用研究上取得许多成功。其中,清华大学、浙江大学、上海交通大学、华东理工大学、中南大学、华北电力大学、中国石油大学、北京化工大学、北京科技大学、浙大中控公司、浙江正泰中自控制公司、和利时公司、冶金自动化研究院、北京金自天正智能公司、北京三博公司等都是该领域的佼佼者。

APC技术在流程工业过程中的应用

在化工自动化的应用

长期以来,我国化学工业技术水平较低,导致能耗物耗高,限制了化学工业的发展。要改变这种局面,根本的出路就是走科技进步的道路,采用先进实用的技术改造传统产业。随着化学工业日益朝着集成化、大型化方向发展,系统的复杂性不断增加,表现为过程具有强耦合性、不确定性、非线性、信息不完全性和大滞后性等特征,并存在着苛刻的约束条件,控制目标多元化,变量数目增多且相关性增强,在这种情况下,传统的控制策略已不能满足要求,必须应用先进控制。

例如,中国石油化工股份有限公司广州分公司(简称广州石化)在丙烯精馏塔控制中应用先进控制技术,并取得良好的效果。广州石化于2007年开始与华东理工大学合作,应用精馏塔先进控制技术,结合广州石化丙烯精馏塔系统的生产工艺特点,基于集散控制系统(DCS)平台,实施了丙烯精馏塔先进控制系统改造项目。该项目在对丙烯精馏塔的实际操作性能以及先前控制方案特点进行准确有效评估的基础上,对丙烯精馏塔的产品质量和塔釜采出中贵重组分的含量等实施先进控制技术,从而提高丙烯精馏塔的操作稳定性,减少丙烯损失,进而达到提高装置总体效益的最终目的。

又如,浙江大学工业控制技术国家重点实验室和先进控制研究所以某纯碱厂碳化系统为背景,将模型预测控制软件应用于5组共25座碳化塔中,开发了一个包含上百个被控变量、操纵变量和干扰变量的多变量预测控制器来解决该碳化系统的约束多变量控制问题。工业应用结果表明:模型预测控制软件能够确保碳化系统长期在最佳状态运行,进而降低物料消耗、改善产品质量和节省操作费用,使生产效益得到优化。

再如,浙江新安化工集团股份公司60kt/a有机硅精馏装置的过程控制难点,利用浙江中控软件技术有限公司的APC-Adcon高级多变量鲁棒预测控制软件,研究开发一套先进控制系统,获得了成功应用,并取得了预期控制效果。其关键产品一甲基三氯硅烷、二甲基二氯硅烷的优等率提高到90%以上,单位产品能耗降低了8%以上。

大型乙烯装置优化运行项目

随着我国石油化工工业日益朝着集成化、大型化方向发展,系统的复杂性不断增加,表现为过程具有强耦合性、不确定性、非线性、信息不完全性和大纯滞后性等特征,并存在着苛刻的约束条件,控制目标多元化,变量数目增多且相关性增强。在这种情况下,传统的控制策略已不能完全满足要求,必须应用先进控制。乙烯装置是石化工业的核心和发展标志,尽管我国现有乙烯产能居世界第二,装备已经国产化,但优化运行却仍主要依靠引进技术,生产运行过程的精细化操作以及控制与优化水平与国外先进水平相比还存在差距。在诸多的先进控制技术中,多变量预测控制技术和软测量技术目前在乙烯装置上应用较多,并且取得了良好的经济效益,已形成相应的商品化软件。国内由华东理工大学与中国石油化工有限公司共同研发的大型乙烯装置优化运行项目,开发了裂解过程工艺研究与优化、反应过程模拟与优化、10万t裂解炉温度控制与负荷先进优化等关键课题的研究。取得了很好的研究成果。

该项成果优化运行技术实施后,主要技术经济指标达到或超过同类装置国际先进水平。其中液化气裂解技术实施后,与裂解石脑油相比,可使三烯总收率提高2.95%,炉子运行周期提高40%;液相烃裂解反应过程优化,能减少中压蒸汽消耗20t/h,双烯收率平均提高0.44%;10万t裂解炉先进控制,使炉出口平均温度和各炉管温差控制在±1℃以内,负荷控制在±0.5%以内,双烯收率平均提高0.35%;10万t裂解炉燃烧过程优化,使炉子热效率提高1%以上,燃料气节省0.94%以上;急冷油减粘工艺技术,使急冷油粘度从100mm2/s降至30mm2/s,减少排污和蒸汽消耗,使乙烯能耗平均下降35.6kg标油/(吨.乙烯);裂解气负荷优化配置技术,使乙烯能耗下降,乙烯产能提高1.3%;碳二加氢反应过程优化,能保证反应器出口乙炔含量控制在1ppm之内,反应选择性提高40%;乙烯精馏控制与优化,使丙烯压缩机一段负荷降低4.24%等。

还如,先进控制技术在乙烯装置分离单元与乙烯精馏塔等中的应用,提高了产量,稳定了生产过程,提高了精馏塔的分离效果,延长了反应器的运行周期,并降低了能耗,减少了生产的波动,缓解了操作人员的劳动强度,提高了装置的自动化水平。先进控制技术已被越来越多的装置所采用,且无需进行装置扩容改造,便能实现提高产量、降低能耗的目标。

福建炼油厂化工有限公司与浙江大学合作开发催化裂化装置先进控制系统;洛阳石油化工总厂与石油大学、洛阳石化公司共同开发催化裂化装置;茂名石化炼油厂与石油大学联合开发催化裂化装置先进控制与实时优化系统;上海交通大学开发研制的多变量约束控制软件包MCC是一个处理约束的多变量、多目标、多控制模式和基于模型预测的最优控制器,已成功应用于石家庄炼油化工股份有限公司催化裂化装置,取得了明显经济效益;还有浙江大学开发APC-Hiecon,APC-PFC先进控制软件在国内许多工业装置得到了应等。

APC技术的发展前景

先进控制技术的发展前景如何?首先来看智能控制研究的发展趋势。智能控制在国际上是一个发展较快的新兴学科,其理论与应用研究显示出旺盛的生命力。进一步发展将会是:

寻找与建立新的智能控制机理,为智能控制的进一步发展奠定稳固的理论基础;

实现控制器的智能化;

联合更多学科,进行集成;

开发更成熟的应用方法等。

据专家分析,模糊推理、神经网络、遗传算法均具有模拟人类思维的特点,因而,将三者有机地结合起来,发挥各自优势,将是智能控制研究的主要方向。

其次是看先进控制应用研究的发展趋势。进一步发展将会是:

智能控制在电力系统调度、发电机励磁控制、风电场功率预测等方面的应用研究,特别是开展混杂控制理论的研究等。

对于带钢高速连续轧制控制理论的应用研究,迫切需要开展高性能嵌入式系统的研究;基于数据驱动的建模与控制方法研究等。

新一代现场总线控制应用研究。必须加大EPA技术(EthernetforPlantAutomation:以太网工厂自动化)的产品化和应用力度。目前,已经从传统的现场总线向现场总线、工业以太网、工业无线方面包容和融合,并将成为控制系统未来发展的重点方向之一。

需求发展趋势包括以下几个方面:

适应绿色化工的需求

随着社会和经济的发展,绿色化工的概念被越来越频繁的提到,节能降耗、绿色环保等新的准则对自动化技术也提出了更高层次的要求。传统的自动化较少关注节能与环保问题,随着社会和经济的发展,绿色电厂、绿色楼宇以及绿色化工等与节能环保相关概念被提出,节能能源、减少原材料消耗以及绿色环保等新的约束对自动化技术提出了更高的要求。在十二五科技发展规划的大力培育和发展战略性新兴产业章节里,把节能环保放在了首位。并提出:大力发展高效节能、先进环保和循环应用等关键技术、装备及系统。实施半导体照明、煤炭清洁高效利用、蓝天工程、废物资源化等科技产业化工程。加强技术的集成和推广应用,快速提高我国节能环保领域整体技术能力及产业竞争力。

新型控制理论和算法的需求

先进控制方法大多数都要求有相应的数学模型,而建立相应的可用的数学模型却并不容易。从控制工程和实际应用的角度来看,研究出一类兼有现代控制理论与经典PID的优点,不依赖被控对象的数学模型,保证系统闭环稳定性,控制效果良好,算法简单的新型控制理论和算法,是当前自动控制理论研究的一个重要课题。目前在工业过程现场,基本被控环节的控制即基础控制所用的控制手段90%以上仍是PID控制。半个世纪的实践证明PID控制器是一个很好的控制器,它在系统控制中功劳卓著。对一般的线性环节的控制,PID控制器使用方便,鲁棒性强,效果良好。但随着科学技术的发展,生产装置愈来愈大型化、复杂化,而且技术水平越来越高。在生产过程中出现了非线性、时变、大时滞、强耦合等环节,而且大的干扰还经常发生。实践证明,对付这样的被控对象,PID调节器就显得无能为力了。可见,研究出一类兼有现代控制理论与经典PID的优点,不依赖被控对象的数学模型,保证系统闭环稳定性,控制效果良好,算法简单的新型控制理论和算法,是当前自动控制理论研究的一个重要课题。从控制工程和实际应用的角度来看,新的控制方法必须满足一系列要求,即它必须有一系列的控制功能。这些功能包括:抗干扰功能、自适应功能、快速收敛功能、强制稳定功能、解耦功能克服大时滞功能等。

网络化控制系统的需求

工业控制系统已经沿着基地式仪表控制、模拟集中控制、计算机集中控制、集散式控制、现场总线控制,发展到网络化控制的新阶段。当前,随着工业控制系统规模的扩大、控制对象的复杂化和地理分散化、控制性能要求的提高,以及计算机技术、网络通信技术在控制领域应用的日益广泛深入,网络化工业控制系统由此应运而生。

世界各国在加强建模理论、辨识技术、优化控制、最优控制、高级过程控制等方面进行研究,推出了从实际工业过程特点出发,寻求对模型要求不高,在线计算方便,对过程和环境的不确定性有一定适应能力的控制策略和方法,如自适应控制系统、预测控制系统、鲁棒控制系统、智能控制系统等先进控制系统。对于含有大量不确定性和难于建模的复杂系统,基于知识的专家系统、模糊控制、人工神经网络控制、学习控制和基于信息论的智能控制等应运而生,它们在许多领域都开始得到了应用,成为自动控制的前沿学科之一。由于变量间的关联,使系统不能正常平稳运行,出现各类解耦控制系统。对于大纯滞后系统自史密斯提出预估补偿器以来,由于预估补偿器对参数变化灵敏度极高,又相继出现了各种改进预估补偿方法,如观测补偿器控制方案、内模控制、双控制器、达林控制箅法、纯滞后对象采样控制等,但均尚未完全真正解决,人们还在继续努力想方设法寻求解决办法。针对信息不完全性出现了推断控制系统和软测量技术。本文就目前应用较多、且取得经济效益的预测控制、软测量技术发展及应用作一些介绍,以推动先进控制技术的应用。在工业生产过程中,一个良好的控制系统不但要保护系统的稳定性和整个生产的安全,满足一定约束条件,而且应该带来一定的经济效益和社会效益。然而设计这样的控制系统会遇到许多困难,特别是复杂工业过程往往具有不确定性(环境结构和参数的未知性、时变性、随机性、突变性)、非线性、变量间的关联性以及信息的不完全性和大纯滞后性等,要想获得精确的数学模型十分困难。因此,对于过程控制系统的设计,已不能采用单一基于定量的数学模型的传统控制理论和控制技术,必须进一步开发高级的过程控制系统,研究先进的过程控制规律,以及将现有的控制理论和方法向过程控制领域移植和改造等方面越来越受到控制界的关注。

今后,还要进一步开发鲁棒性强,适应性宽(操作条件、原料性质等),性价比优的商品化先进控制与优化控制软件,适应国内大中型企业需要。当前先进控制与优化控制软件的二次开发量较大,从设计,测试,仿真研究,到实际工业装置投运周期较长,为此今后应开发一些二次开发量较少的先进控制与优化控制软件,以适应市场需要。随着人工智能的迅速发展和控制理与其他学科的交叉渗透,先进控制技术将会得到更深入的发展,应用更加广泛,产生更大的经济效益和社会效益。

我国处在工业化、信息化、城镇化、市场化、国际化深入发展的重要时期。为了加快现代化建设的步伐,国家出台的《高新技术产业化及其环境建设十二五专项规划》提出:十二五时期,高新技术产业化及其环境建设的总体目标大力培育和发展战略性新兴产业,推动传统产业升级,加快发展现代服务业,全面提升高新技术产业竞争力,在体制机制创新和环境建设方面取得关键性突破。在加强关键核心技术研发,培育战略性新兴产业中,都有智能制造与系统控制技术等提升我国制造业创新能力的要求。因而,国家将会进一步加大对于先进控制技术的支持力度。

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