《APC技术未来发展的趋向(流程工业)约稿.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《APC技术未来发展的趋向(流程工业)约稿.docx（25页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、APC技术未来发展的趋向(流程工业)约稿流程工业约稿APC技术未来发展的趋向中国自动化学会专家咨询工作委员会孙柏林前言：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，很多先进控制技术（APC-Advanced Process Contro）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，AP
2、C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。本文即是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。一、APC技术在流程工业过程中的应用现状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，
3、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
4、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，Honeywell Pro
5、fimatics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 ( Profit Controller) ；ABB代理的STAR ；横河代理的SMOC; FOXBORO 的Connoisseur
6、;ASPEN 的DMC、浙江中控的APCAdcon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等系统已有常规控制的基础上，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
7、提升企业竞争力的突破口。几年来的实践证明了在我国，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
8、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、等等是该领域的佼佼者。二、APC技术在流程工业过程中的应用案例（一）先进控制技术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
9、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化工一部（简称广州石化）的“先进控制技术在丙烯精馏塔控制中的应用”成果，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
10、，“先进控制技术在纯碱生产碳化过程中的应用”，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，“先进控制技术在有机硅装置精馏单元的应用”，浙江新安化工集团股份公司60 kt/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APCAdcon高级多变量鲁棒预测控制软件，
11、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。（二）建立能够满足工业过程优化控制要求的模型随着世界能源危机的到来，以及“十一五”对绿色自动化的倡导，建立合适有效的过程模型，已经成为我国工业过程优化与控制必须解决的关键问题。为在工况变化的同时保证产品质量、减少物耗能耗，需要开发高精度、高实时性、高可用性的模型，以充分反映过程非线性稳态和动态特性，并以此为基础斡旋精确调控、瓶颈分析、操作优化。这一类高端应用对于建模技术提出了新的挑战。复杂工业系统建模研究对于提高企业的经济效益，降低能耗，
12、增加企业的竞争力具有重要意义。我国在工业过程建模方面的研究基本能够紧跟国外的先进水平，但由于工艺条件以及检测设备的缺乏，应用的较少，针对这情况，在研究中应该根据我国工业过程的实际情况，从技术的先进性和工程性方面考虑，建立能够满足工业过程优化控制要求的模型，在我国，鉴于轧钢加热炉的耗能极其巨大，占了整个钢铁企业能耗的很大部分。国内外学者针对这个课题开展了一些相关研究。例如，“面向节能优化的加热钢坯特征参数模型研究”，项目基于钢坯加热的热流密度的概率密度分布关联加热能耗的原理，提出一种建立加热钢坯表面的热流密度的概率密度分布曲面模型的方法，以期将来能通过调节表征加热能耗的热流密度概率密度分布曲面形
13、状特点，使钢坯加热工艺过程能耗调节具有较好的操控性，达到钢坯加热节能控制之目的。该项目利用热流密度的概率密度分布曲面关联加热能耗的关系，提出一个通过炉内钢坯温度值，建立加热钢坯表面的热流密度的概率密度分布曲面模型。通过这个模型，能够真实的反映钢坯加热时的表面热流密度变化情况，并通过调整表征概率密度分布曲面的权值，为节能控制提供控制参数，使钢坯加热控制具有了较好的可操作性，较好的满足钢坯加热节能的要求。冶金自动化研究院针对混合流程工业中存在着大量非线性、大滞后、多变量、不确定性而无法建立精确数学模型的生产过程，采用智能控制技术，研究开发了复杂工业过程智能建模平台、大电机诊断专家系统、高炉专家系统
14、、神经元网络连铸漏钢预报、智能电炉控制系统、智能精炼控制系统、轧钢过程智能优化系统，在宝钢、武钢、攀钢、本钢、沙钢、抚钢、江阴钢厂等厂家推广使用，涉及质量判断、设备诊断、过程优化、先进控制等各个方面，技术经济指标达到国际先进水平，在冶金行业复杂过程建模与优化技术应用方面处于国内领先地位。（三）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
15、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，并且取得良好了经济效益, 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、10万吨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
16、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20吨/小时，双烯收率平均提高0.44；十万吨裂解炉先进控制，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；十万吨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100 mm2/s 降至30 mm2/s，减少排污和蒸汽消耗，使乙烯能耗平均下降35.6公斤标油/(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1 ppm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中等的应用，提高了产量，稳定了生产过程,，提
