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1、金岭化工 20 万吨/年苯胺装置先进控制（APC）技术方案金岭化工金岭化工 2020 万吨万吨/ /年年苯胺装置苯胺装置先进控制先进控制（APCAPC）项目项目技术方案书技术方案书浙江中控技术股份有限公司浙江中控技术股份有限公司2017 年年 5 月编制月编制金岭化工 20 万吨/年苯胺装置先进控制（APC）技术方案浙江中控技术股份有限公司第 1页共 28 页目录目录1 公司介绍.11.1 公司简介11.2 中控 APC 行业简介12APC 系统介绍 32.1APC 软件系统. 32.2APC 网络架构. 62.3APC 性能指标. 62.4 术语简称.73 装置运行状况概述.83.1 装置工
2、艺和生产情况.83.2 装置控制系统.94 装置自动化控制提升需求.105APC 系统配置 126APC 项目实施和服务团队配置 147 项目实施范围和建设目标.157.1 实施范围157.2 建设目标158 项目建设内容.168.1APC 安全保护逻辑设计. 168.2 HMI 界面设计.168.3APC 架构和通讯网络. 178.4 过程模型的获取和确认.178.5 预测控制器的调试和投运.188.6 在线优化器的投运.188.7 系统培训199 项目实施计划.2110APC 控制器设计 2211APC 项目实施预计效果.24金岭化工 20 万吨/年苯胺装置先进控制（APC）技术方案浙江中
3、控技术股份有限公司第 2页共 28 页11.1 提升自动化投运率.2411.2 提高控制精度.2411.3 优化操作节能.2411.4 延长装置设备使用寿命.2412 项目指标考核验收的测算方法.2612.1 控制平稳性指标考核.2612.2 自动投运率考核2613 售后服务28金岭化工 20 万吨/年苯胺装置先进控制（APC）技术方案浙江中控技术股份有限公司第 1页共 28 页1 公司介绍公司介绍1.1 公司简介公司简介中控（SUPCON）是中国自动化与信息化技术、产品与解决方案的业界领先者，业务覆盖工业自动化、城市信息化、工程设计咨询、科教仪器、机器人、装备自动化、新能源与节能等领域。公司
4、创建于1993年，总部设在风景如画的中国杭州，全球员工超过4000人。浙江中控技术股份有限公司系中控的核心成员企业，依托深厚的科研积淀，以及强大的自主创新能力，构建了完整的工业自动化整体解决方案及产品体系，包括现场仪表、控制阀、控制系统（DCS、SIS、PLC、RTU、SCADA） 、先进控制与优化（APC） 、制造执行系统（MES）以及企业信息系统（ERP）等。凭借着在工业自动化领域的坚定与执着，中控收获诸多业绩：连续五年蝉联DCS 国内市场占有率第一位；承接诸多亚洲乃至世界最大项目，包括亚洲最大的油气开采自动化 MAC 项目、全球最大甲醇生产装置生产线、全球顶级煤制烯烃 MAV 项目、亚洲
5、顶级大型化肥项目；在2015年，中控实现百万吨级乙烯 DCS国产化零的突破中控秉承“勤于业安于信暖于心”品牌理念，珍视每一个客户，信守承诺，构建完善的服务体系，以诚意温暖客户。在北京、沈阳、成都、广州等国内30个省、市、自治区及印度、南亚、东南亚和中东国家等地均设有区域事业部、分公司、办事处等机构，第一时间响应用户需求，为用户提供优质服务。目前，中控与全球著名的500强企业如英特尔、罗克韦尔、中石化、中石油、中海油等建立了密切的合作伙伴关系， 品牌国际影响力不断提升， 产品远销亚洲、欧洲、非洲、南美洲等国家，深受全球用户的信赖！中控以专业推助生产，以诚意温暖客户，以智慧引领未来！1.2 中控中
6、控 APC 行业简介行业简介APC 在国内企业的应用已开展了十多年，在企业节能降耗方面起到明显效金岭化工 20 万吨/年苯胺装置先进控制（APC）技术方案浙江中控技术股份有限公司第 2页共 28 页果。进入 20 世纪 90 年代以来，国内一些高校和企业如浙江大学，中控集团，中国石油大学等在 APC 的理论研究与实际应用中进行了大量的探索和积累， 已将模型预测控制、模糊控制、专家系统控制、神经网络控制等 APC 技术成功地应用于一些复杂工业生产过程，取得了显著的经济效益和社会效益。中石化、中石油均将 APC 技术视为节能降耗、挖潜提效的关键手段之一。自 1997 以来，中控已成功地将 APC
7、技术应用到化工与石化领域，业绩涵盖合成氨、甲醇、碳酸二甲酯、环氧丙烷/苯乙烯、纯碱、VCM、芳烃、聚烯烃、PTA、PX、催化裂化、常减压、重整、焦化、加氢裂化等 200 多套装置，取得了很好的控制效果，经济效益显著。经过十几年的发展，当前的中控 APC 方案集合了模型辨识、预测控制、软测量、PID 参数整定、稳态优化等成熟功能。同时具备极强的 APC 设计经验与工程实施能力，具备国际上规模最大的工程服务团队，牵头制定了先进控制与优化国际标准 ISO 15746-1。金岭化工 20 万吨/年苯胺装置先进控制（APC）技术方案浙江中控技术股份有限公司第 3页共 28 页2APC 系统介绍系统介绍2
8、.1 APC 软件系统软件系统浙江中控的先进控制（APC）技术方案融合了现代控制理论、过程辨识、数值计算技术，基于对象数学模型实现预估性的最优控制，克服了常规单通道 PID反馈控制能力的不足，特别适合于流程工业中变量多、耦合强、滞后长、非线性严重特性的过程控制，并实施稳态经济优化，提高流程工业的自动化和智能化水平。图图 1APC 软件结构软件结构PCO 为浙江中控技术股份有限公司自主开发的 APC 平台软件，集成了模型辨识、模型预测控制、模型自校正、专家知识库、在线优化器功能组件，可实施在线模型预测控制策略，为工业复杂对象实现更高层面的多变量自动控制，降低装置生产过程的波动。模型辨识模型辨识采
9、用最为先进的基于频域分析的 ASYM 渐进辨识技术，完成多变量对象的高阶 ARX 模型的测算。ASYM 辨识算法包括 2 种应用场景：离线模式与在线模金岭化工 20 万吨/年苯胺装置先进控制（APC）技术方案浙江中控技术股份有限公司第 4页共 28 页式。其中离线辨识支持 csv 标准格式的历史趋势数据，可在 APC 项目实施之前充分利用装置的历史记录进行预辨识，帮助 APC 控制器的设计；在线辨识则是通过软件自动输出小幅激励信号，自动收集数据并进行辨识。相比于传统的时间序列模型辨识算法，ASYM 技术不仅能够更大程度地还原了被控对象的动态特性，而且其测试过程的条件要求更低，具备强大的多变量并
10、行和闭环辨识能力具备强大的多变量并行和闭环辨识能力。在传统 APC 项目实施过程中，为了保证模型获取的有效性，通常采用单变量逐个测试， 测试和模型验证时间占整个项目进程周期的 50%以上， 是制约项目进度的最大瓶颈。在中控 APC 软件的强大功能支撑下，项目实施中采取多变量同时同时进行闭环测试和自动辨识进行闭环测试和自动辨识，大大缩短了项目测试周期大大缩短了项目测试周期。中控 APC 软件能够自动对辨识模型进行有效性评估，获取最佳的模型精度。图图 2APC 软件模型辨识界面软件模型辨识界面模型预测控制模型预测控制采用第四代模型预测控制算法，具有更强的鲁棒性，对工艺对象特性变化的适应性更强。充分
11、考虑 MV 的工艺安全约束、操作幅度/速度约束的前提下，使用多目标非线性动态规划（Multi-objective Nonlinear Dynamic Programming,MNDP）算法，实现最优控制，根据模型预测趋势提前输出控制动作，控制每个CV 使其保持在生产期望区域内，如图 3。该模型预测控制算法能够克服对象的带约束、滞后、惯性、耦合的问题，适应工业现场各类复杂的工艺对象的自控要求。 该控制组件支持多个相对独立的子控制器， 且能够提供控制器参数控制器参数自动整定自动整定功能功能，显著减少了显著减少了 APC 项目实施过程的调试周期项目实施过程的调试周期，降低了控制器调试降低了控制器调试
12、、维护的维护的难度。难度。金岭化工 20 万吨/年苯胺装置先进控制（APC）技术方案浙江中控技术股份有限公司第 5页共 28 页模型自校正模型自校正随着时间的推移，工业对象的设备、执行机构、仪表、物化参数等均可能发生缓慢的变化，从而导致最初辨识得到的模型与实际对象特性的差异较大，降低控制器的效果。中控 APC 采用模型自校正模块，每个控制执行周期均会对模型计算结果与实际测量信号之间进行失配评估， 并采用指数渐消 （exponent-fading）算法对模型进行逐步自动校正和适应， 使控制器模型不断地跟随实际对象特性的变化，长期保持稳定的控制效果。图图 3 模型预测控制算法结构与原理模型预测控制
13、算法结构与原理专家知识库专家知识库在常规基于辨识的黑箱模型之外，引入专家知识的辅助，采用工艺机理模型或者经验知识，实现灰箱模型。针对一些特殊的工业被控对象的控制需求，定制开发辅助性控制功能。中控工程实施团队具备多年的化工、石化行业的工程实施经验， 积累了大量的行业性的自控解决方案， 能够应对各类装置对象的特殊需求。在线优化器在线优化器在模型预测控制器之上，在线优化器实现了在线的经济稳态优化功能，采用了线性规划（linear programming） 、二次规划（quadratic programming）技术，每个 MV 和 CV 都分配了相应的理想配置值（ideal resting valu
14、e） 。在线优化器具备优先级分配功能，在自由度不足的情况下根据优先权进行 CV 分配，若自由度足够则按照权重稳态经济优化，涵盖工业装置各类实际情况的经济优化需求。金岭化工 20 万吨/年苯胺装置先进控制（APC）技术方案浙江中控技术股份有限公司第 6页共 28 页2.2 APC 网络架构网络架构APC 网络架构如图 4 所示，APC 控制器运行于服务器中，经过标准 OPC 通讯协议与 DCS 进行数据读写通讯。DCS 作为 OPC 的服务器（Server） ，而 APC服务器作为 OPC 的客户端（Client） 。图图 4APC 系统网络结构系统网络结构OPC 服务器：属于 DCS 网络，运
15、行 OPC 服务（作为 Server 端） ，通过标准OPC 协议开放 DCS 的数据读写功能。APC 服务器：安装 APC 软件，运行 APC 算法，包括数据采集、模型预测、控制信号计算、模型自校正等功能。作为 OPC 通讯的客户端（Client） ，APC上位机的配置和维护工作也在该服务器上。2.3 APC 性能指标性能指标服务器配置：CPU i3、四核 2.4GHz 以上，4GB 以上 RAM，WindowsXP/Windows 7 操作系统。金岭化工 20 万吨/年苯胺装置先进控制（APC）技术方案浙江中控技术股份有限公司第 7页共 28 页子控制器个数：无限制。单台服务器变量数： 无
16、限制， 根据当前主流硬件配置， 建议 DV+MV100,CV100。2.4 术语简称术语简称APC：先进过程控制CV：被控变量MV：操作变量DV：干扰变量RTO：实时优化HMI：人机界面OPC：应用于过程控制的 OLE 标准，是工业控制领域的通用数据通讯标准DCS：集散控制系统金岭化工 20 万吨/年苯胺装置先进控制（APC）技术方案浙江中控技术股份有限公司第 8页共 28 页3 装置运行状况概述装置运行状况概述3.1 装置工艺和生产情况装置工艺和生产情况金岭化工 20 万吨/年苯胺装置采用硝基苯催化加氢工艺，主要生产流程分为硝基苯与苯胺工段。在硝基苯工段，苯与硝酸、硫酸混合进入硝化反应器，反应生成粗硝基苯；粗硝基苯经过层析、闪蒸、酸洗、碱洗之后，进入精馏单元。精馏单元采用二塔精馏方案，首先经过苯精馏塔 N_301，苯精馏塔为真空精馏，在 26kPa（绝压）的真空状态下，采用 17bar 中压蒸汽通过再沸器加热，将水、苯从塔顶蒸出，经冷凝后进入层析罐，部分作为回流返回苯精馏塔，其余返回苯进料罐。塔底液相流股经过再沸器后部分返回塔下部， 其余
