論文-先進控制技術(shù)與實現(xiàn)

先進控制技術(shù)與應(yīng)用實現(xiàn)Theadvancedcontroltechnologyandimplementations遼陽石化分公司儀表廠雷軍劉春暉大連石化分公司新區(qū)裝置馬昕摘要：近年來國內(nèi)外石油化工行業(yè)以增加產(chǎn)品收率、降低原料和動力消耗，保證生產(chǎn)裝置的優(yōu)化和安全平穩(wěn)運行，提高經(jīng)濟效益為目標，已經(jīng)對裝置的先進控制技術(shù)和控制軟件進行了廣泛研究和工業(yè)化應(yīng)用，給生產(chǎn)裝置帶來顯著的經(jīng)濟效益。本文通過對先進控制技術(shù)理論研究和數(shù)學(xué)模型建立的過程探討，并以美國阿斯本(Aspentech)公司開發(fā)設(shè)計的預(yù)測控制與軟測量技術(shù)應(yīng)用實施過程為實例，介紹先進控制技術(shù)在石油化工生產(chǎn)裝置的應(yīng)用與實現(xiàn)。關(guān)鍵詞：先進控制技術(shù)、數(shù)學(xué)模型、模擬軟件、計算機平臺、工業(yè)化應(yīng)用。Abstract:inrecentyears,domesticandoverseaspetroleumchemicalindustryaimtoincreasetheyieldofproduct,reducerawmaterialandpowerconsumption,ensuretheproductionequipmentand?丄??丄'?t?丄|丄?optimizationofsafetyrunningsmoothly,improvetheeconomicbenefit.Hastheresearchandindustrializationtotheadvancedcontroltechnologyofdevicesandcontrolsoftwarewidelyapplied,whichhasT■/?/"*??t/"*?/"*T"T人人?'?bringsignificanteconomicbenefitsfortheproductionequipment.Thisarticleisdiscussedbasedontheadvancedcontroltechnologytheoryresearchandtheestablishprocessofmathematicmodel.AsanexempleoftheapplicationprocesswhichdevelopmentanddesignedthepredictivecontrolandsoftmeasurementtechnologybythecompanyofAmericanAspentech,introducetheapplicationandrealizationoftheadvancedcontroltechnologyinpetrochemical■g??J一-productionequipment.Keywords:Theadvancedcontroltechnology,themathematicalmodel,?JJ?TT??‘simulationsoftware,computerplatform,industrialapplications一、概述先進控制(APC-AdvancedProcessContro1)技術(shù)是對那些不同于常規(guī)單回路PID控制，并具有比常規(guī)PID控制更好控制效果的控制策略的統(tǒng)稱。與傳統(tǒng)的PID控制不同，先進控制是一種基于模型的控制策略，如模型預(yù)測控制和推斷控制等。先進控制通常用于處理復(fù)雜的多量過程控制問題，如大時滯、多變量耦合、被控變量與控制變量存在著各種約束等。先進控制是建立在常規(guī)單回路控制之上的動態(tài)協(xié)調(diào)約束控制，可使控制系統(tǒng)適應(yīng)實際工業(yè)生產(chǎn)過程動態(tài)特性和操作要求。先進控制技術(shù)的實現(xiàn)，需要建立工業(yè)過程模型和有足夠的計算能力及程序運行能力的設(shè)備作為支持平臺。由于先進控制受控制算法的復(fù)雜性和計算機硬件兩方面因素的影響，早期的先進控制算法通常是在上位機上實施的。隨著DCS功能的不斷增強．更多的先進控制策略可以與基本控制回路一起在DCS上實現(xiàn)。二、先進控制系統(tǒng)的核心內(nèi)容先進控制系統(tǒng)的核心內(nèi)容是數(shù)據(jù)采集處理、數(shù)學(xué)模型建立、先進控制策略和工程實施平臺。數(shù)據(jù)的采集、處理和軟測量技術(shù)利用大量的實測信息是先進控制的優(yōu)勢所在。由于來自工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的過程信息通常帶有噪聲，數(shù)據(jù)采集時應(yīng)作濾波處理，采集到的數(shù)據(jù)還應(yīng)進行過失誤差的檢測與識別和過程數(shù)據(jù)的有效性檢驗及數(shù)據(jù)調(diào)理工作。這是先進控制應(yīng)用的重要保障?；诳蓽y信息和模型，實時計算不可測量的變量，也即軟測量技術(shù)，是先進控制中不可缺少的內(nèi)容，例如，汽油飽和蒸汽壓、粗汽油干點、輕柴油傾點、催化裂化中的反應(yīng)熱、再生器的燒焦狀況、反應(yīng)產(chǎn)品分布和催化劑循環(huán)量以及某些精餾塔的兩端質(zhì)量指標估計等，這些關(guān)系到產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵變量，由于質(zhì)量測量儀表的缺乏或不可靠，無法獲得實時的可靠的在線信息，因此，可采用工藝穩(wěn)態(tài)模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和動態(tài)數(shù)學(xué)模型來推斷估計。（2）多變量動態(tài)過程模型辨識技術(shù)獲取對象的動態(tài)數(shù)學(xué)模型是實施先進控制的基礎(chǔ)。對于復(fù)雜工業(yè)過程，需要強有力的辨識軟件，以便在剔除一些過失虛假數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，把分段有效數(shù)據(jù)有機地組合起來，最終將實際工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境下獲得的現(xiàn)場裝置試驗數(shù)據(jù)，變?yōu)槎噍斎攵噍敵觯∕IMO）動態(tài)數(shù)學(xué)模型。實際工業(yè)過程模型化是一項專門的技術(shù)，它涉及到過程動態(tài)學(xué)、系統(tǒng)辨識、統(tǒng)計學(xué)以及人工智能等多種知識。盡管目前類似模型預(yù)測控制這樣的先進控制策略均采用工業(yè)試驗的方法來獲取控制模型，但是那些準確并可靠的機理模型（firstprinciplemodel）和智能模型建立也有望成為有效的控制模型。（3）先進控制策略先進控制采用了合理的控制目標和控制結(jié)構(gòu)，可更好地適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)過程的需要。先進控制主要解決：個別重要過程變量控制性能的改善，主要采用單變量模型預(yù)測控制與原控制回路構(gòu)成所謂的“透明控制"的方式；解決約束多變量過程的協(xié)調(diào)控制問題，主要采用帶協(xié)調(diào)層的多變量預(yù)測控制策略；推斷質(zhì)量控制，利用軟測量的結(jié)果實現(xiàn)閉環(huán)的質(zhì)量卡邊控制。涉及到的主要控制策略有模型預(yù)測控制、推斷控制、協(xié)調(diào)控制、質(zhì)量卡邊控制、統(tǒng)計過程控制，正在興起與開發(fā)中的有模糊控制、神經(jīng)控制、非線性控制和魯棒控制。（4）先進控制的實施先進控制在實施時需要解決許多具體的工程問題，其中包括：合理地選擇被控的區(qū)域，這不僅意味著系統(tǒng)的平穩(wěn)性，更重要的是它直接決定著先進控制所能獲得的經(jīng)濟效益；正確整定基本PID控制回路和先進控制系統(tǒng)，整定基本回路是為實施先進控制奠定基礎(chǔ)，而整定先進控制則是為在動態(tài)響應(yīng)與魯棒性之間做出權(quán)衡；合理限制控制變量的變化量和變化率，保證控制系統(tǒng)的平穩(wěn)性和對不確定因素的魯棒性；建立先進控制的實施平臺利用DCS系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)進行數(shù)學(xué)模型的建立，在DCS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的先進控制器進行數(shù)學(xué)模型和先進控制程序的編程及運行。在控制站對工藝過程實現(xiàn)控制。在操作站或工程師站建立良好的先進控制人機界面，確保在最常用的流程圖畫面上看得到先進控制的信息，便于投用、維護和操作。三、過程模型的建立先進控制或優(yōu)化控制實現(xiàn)的基礎(chǔ)是建立過程模型，沒有被控過程的模型，就無法進行先進控制和優(yōu)化控制。用于描述方程的模型由各種形式，通常都用數(shù)學(xué)方程的方法來表示，稱為數(shù)學(xué)模型。生產(chǎn)過程模型是用來描述一個過程的輸入向量（包括控制向量和擾動向量）、狀態(tài)向量和輸出向量（通常是被控向量）之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式。1、過程建模原理在工業(yè)生產(chǎn)過程建模中，必須十分強調(diào)建模的一般原理，即質(zhì)量與能量的守恒定理，因為任何工業(yè)生產(chǎn)過程都遵守這一自然規(guī)律。對于一個工業(yè)生產(chǎn)過程的動態(tài)模型，一般都由一個或多個微分方程與一個或多個代數(shù)方程組合在一起來表示。其中微分方程一般是常微分方程[ordinarydifferentialequations（o．d．e）]，有時也用偏微分方程[partialdifferentialequations?,d.e）]來表示，在工程中應(yīng)用的大多數(shù)為常微分方程。工業(yè)過程的動態(tài)模型通常應(yīng)用在非穩(wěn)定狀態(tài)下，用物料與能量的平衡關(guān)系來建立，工業(yè)過程模型中的代數(shù)關(guān)系式通常來自熱力學(xué)與傳遞的關(guān)系，例如流體的粘度是溫度的函數(shù)，傳熱系數(shù)是流體流速的函數(shù)等等。2、過程模型建立步驟用數(shù)學(xué)模型來模擬一個真實的工業(yè)生產(chǎn)過程時，首先要保證所描述的模型方程個數(shù)必須與模型的輸入和輸出關(guān)系相一致，這才能確保模型方程具有唯一的解，也就是說模型中的變量個數(shù)要等于獨立方程個數(shù)。構(gòu)建一個工業(yè)過程的模型，首先要確定模型中哪些量是可由設(shè)備尺寸、物料的物性常數(shù)等來確定的已知常數(shù)或參數(shù)；第二步是確定獨立方程的輸出變量，這些變量將通過求解模型微分方程和代數(shù)方程來得到；第三步確定時間函數(shù)的模型輸入變量。所有這些工作是對該工業(yè)過程及環(huán)境作深入了解與分析的過程。例如過程物料的輸入速率可能就是上游過程單元的輸出。工業(yè)過程動態(tài)模型建立步驟如圖1—1所示。

畫岀建欖過程草圖.標出所有過耗童量圖1—1工業(yè)過程動態(tài)模型建立步驟四、先進控制技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)過程日益向著大型化和連續(xù)化發(fā)展，在整個系統(tǒng)中，一個設(shè)備、一個裝置乃至整個工廠存在著許多變量，它們之間存在著相互關(guān)聯(lián)，如何在這諸多變量中求取某個合適的組合，使生產(chǎn)過程具有最大的收益，這就是先進控制技術(shù)工業(yè)應(yīng)用的最終目的。概括起來，生產(chǎn)過程最優(yōu)化的基本思想是爭取達到優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低消耗及安全生產(chǎn)。因此，先進控制技術(shù)在石油化工等行業(yè)的工業(yè)化應(yīng)用越來越廣泛。近年來國內(nèi)外很多自動化工程公司和科研院所及大學(xué)，以提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低原料和能耗，增加裝置的經(jīng)濟效益為目標，對工業(yè)生產(chǎn)過程的先進控制技術(shù)和控制軟件進行了廣泛研究，許多先進控制技術(shù)已經(jīng)商品化，給企業(yè)帶來顯著的經(jīng)濟效益。比如，美國Simeon公司開發(fā)的乙烯裝置計算機先進控制技術(shù)軟件包(OPSO)、美國Setpoint公司開發(fā)研制的多變量控制技術(shù)軟件包(IDCOM),美國AspenTech公司的先進過程工程系統(tǒng)軟件系列等。國內(nèi)華東理工大學(xué)采用軟測量技術(shù)開發(fā)設(shè)計的4-CBA雜質(zhì)含量在線監(jiān)測、酮含量在線測量等先進控制技術(shù)應(yīng)用項目，實現(xiàn)了流程工業(yè)生產(chǎn)過程中介質(zhì)含量的在線實時監(jiān)測。北京化工大學(xué)開發(fā)的裝置優(yōu)化與參數(shù)整定項目是基于現(xiàn)代控制理論預(yù)測和內(nèi)?？刂频姆椒ㄅcPID相結(jié)合的控制器優(yōu)化軟件。在控制系統(tǒng)中采用預(yù)測-PID、內(nèi)模-PID技術(shù)去優(yōu)選PID參數(shù)的控制形式，使控制對象穩(wěn)定、響應(yīng)速度快、控制精度高，實現(xiàn)了裝置優(yōu)化運行。美國AspenTech公司在先進控制開發(fā)研制方面形成了一整套的先進過程工程系統(tǒng)軟件，如ASPENPLUS靜態(tài)過程模擬軟件、ASPENDYNAMICS動態(tài)過程模擬軟件、ASPENCUSTOMMODELER動態(tài)模型開發(fā)軟件、ASPENPINCH系統(tǒng)節(jié)能軟件、BATCHPLUS間歇過程模擬軟件、BATCHFRAC間歇精餾模擬軟件、POLYMERSPLUS聚合物過程模擬軟件、SPLIT精餾系統(tǒng)優(yōu)化軟件、RATEFRAC速率型精餾塔模擬軟件、B-JAC換熱器設(shè)計軟件、ASPENZYQAD工藝設(shè)計平臺、ASPENONLINE在線實施模擬的應(yīng)用工具等。AspenTech先進控制軟件在石油化工行業(yè)應(yīng)用十分廣泛，特別是在乙烯生產(chǎn)裝置中利用過程建模和控制器的參數(shù)整定及軟測量技術(shù)的綜合應(yīng)用，實現(xiàn)了乙烯裝置平穩(wěn)運行，在一定的約束條件下使產(chǎn)量最大化、產(chǎn)品質(zhì)量大幅度提高。Aspentech在乙烯裝置先進控制的應(yīng)用，主要采用Aspentech目前先進的Apollo控制器設(shè)計概念，進行控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計?？刂品桨赴▋蓚€Apollo控制器和IQ軟儀表協(xié)同工作。控制器采用采用雙層結(jié)構(gòu)。上層為質(zhì)量控制器，任務(wù)是利用氫氣乙烯比和共聚單體進料比完成對于熔融指數(shù)和密度的控制。下層為產(chǎn)率控制器，任務(wù)是利用氫氣進料，乙烯進料，母液和己烷進料等調(diào)節(jié)手段實現(xiàn)產(chǎn)率，氫氣乙烯比，壓力、攪拌電流、漿液濃度等變量的控制。產(chǎn)率控制器的目標是穩(wěn)定生產(chǎn)，提高抗干擾能力，減少波動，在一定的約束條件下，實現(xiàn)產(chǎn)量的最大化。產(chǎn)率提高涉及到各方面因素有很多，同時從安全方面考慮，主要有以下因素：溫度控制，壓力控制，催化劑進料控制，循環(huán)氣量控制，乙烯進料控制，共聚單體和氫氣進料控制，漿液濃度控制，冷卻換熱系統(tǒng)，離心機電流和閃蒸罐液位控制，母液、己烷進料，母液返回比例控制，Al/Ti比控制等等。Apollo控制器閉環(huán)控制優(yōu)化的原理如圖1—2所示：圖1—2Apollo控制器運行原理圖Apollo模型預(yù)測控制系統(tǒng)主要核心包括預(yù)測、優(yōu)化和動態(tài)控制三個階段。預(yù)測利用過去時刻操作變量的變化量預(yù)測被控變量將來變化的軌跡即為預(yù)測模塊要解決的問題。在控制器執(zhí)行的每一周期，預(yù)測功能都要運行。運行分為三步：?利用當前操作變量的測量值，更新對被控變量的預(yù)測值；?將預(yù)測的被控變量的數(shù)值與當前被控變量的測量值進行對比，并進行校正（即反饋校正過程）；根據(jù)時間，平移預(yù)測數(shù)據(jù)。穩(wěn)態(tài)優(yōu)化Apollo穩(wěn)態(tài)優(yōu)化是約束條件下的多變量函數(shù)尋優(yōu)問題，穩(wěn)態(tài)優(yōu)化分為兩個階段：根據(jù)經(jīng)濟性優(yōu)化階段在此階段優(yōu)化問題的目標函數(shù)可歸納：0=P-F-U式中0—目標函數(shù)；P—產(chǎn)品銷售收入；F—原料成本；U—公用工程消耗。?可行性判斷階段根據(jù)各項經(jīng)濟指標，在此階段利用線性規(guī)劃或二次規(guī)劃尋優(yōu)原理進行目標函數(shù)的優(yōu)化處理。動態(tài)控制基于過去時刻操作變量的變化量，Apollo控制器推測出被控變量在將來時刻的動態(tài)變化軌跡偏離了設(shè)定值。為了避免被控變量偏離設(shè)定值，Apollo將調(diào)整操縱變量，利用動態(tài)軌跡的鏡像調(diào)節(jié)技術(shù)，實現(xiàn)被控變量實際變化軌跡與預(yù)測軌跡之間的殘差的最小化。質(zhì)量和產(chǎn)率兩層控制器是串級關(guān)系，其中質(zhì)量控制器將氫氣乙烯比或共聚單體進料比的目標值寫到產(chǎn)率控制器上，而產(chǎn)率控制器則調(diào)節(jié)相應(yīng)的氫氣進料或共聚單體進料的設(shè)定值或閥門輸出來達到所要求的目標值。IQ的任務(wù)是連續(xù)的計算當前釜內(nèi)的熔融指數(shù)和密度。IQ采用的是ASPENIQ推理傳感器建模和實施軟件包，ASPENIQ具有功能強大的離線及在線模塊，它的模塊化體系結(jié)構(gòu)提供給用戶各種靈活的方式以用于在各種集散控制系統(tǒng)和計算機平臺上高效地開發(fā)軟儀表。ASPENIQ對生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵性質(zhì)的變量是通過預(yù)測推理實現(xiàn)測量。IQ根據(jù)從現(xiàn)場讀到的參數(shù)(如氫氣乙烯比等)計算出當前的熔融指數(shù)，這個計算結(jié)果被送到質(zhì)量控制器。質(zhì)量控制器內(nèi)含有氫氣乙烯比對熔融指數(shù)的模型，它會根據(jù)當前的熔融指數(shù)計算出氫氣乙烯比調(diào)整的方向，并把氫氣乙烯比的設(shè)定值傳給下層即產(chǎn)率控制器。由產(chǎn)率控制器根據(jù)當前乙烯、催化劑的進料來調(diào)整氫氣達到要求的設(shè)定值oIQ可以獨立工作，其計算結(jié)果可以供操作員參考，也可以同控制器一起工作，實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量的閉環(huán)控制。五、先進控制技術(shù)實施平臺目前，先進控制技術(shù)實施平臺大多數(shù)是在DCS控制系統(tǒng)實現(xiàn)的，如HoneywellTPS系統(tǒng)的APP應(yīng)用處理平臺、橫河CS3000系統(tǒng)的APCS高級過程控制站等。他們的特點是都具有高級運算功能和先進優(yōu)化控制功能，具有與控制系統(tǒng)內(nèi)部和外部設(shè)備通信功能，為用戶和第三方開發(fā)自己的應(yīng)用提供安全、標準的控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)訪問工具和先進控制技術(shù)應(yīng)用平臺。1.APP應(yīng)用處理平臺APP(ApplicationProcessPlatform)是Honeywell全廠一體化系統(tǒng)TPS中一個功能強大的，開放的應(yīng)用軟件平臺。APP應(yīng)用處理平臺是基于AM的TPS節(jié)點。它又是TPS系統(tǒng)中基于WindowsNT的開放式應(yīng)用上位機。使用開放系統(tǒng)的標準技術(shù)，例如分布式組成對象模型DC0M(DistributedComponentObjectModel)、對象鏈接和嵌入OLE(ObjectLinkingandEmbedding)、面向過程控制的對象鏈接和嵌入OPC(OLEforProcessControl)等，APP將AM的全部功能提升到開放式的操作環(huán)境。APP控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如1—3圖所示。CUNLCN圖CUNLCN圖1—3APP控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖(1)APP應(yīng)用處理平臺硬件和軟件配置APP同GUS(GlobalUserStation)全局用戶操作站、PHD(ProcessHistoryDatabase)過程歷史數(shù)據(jù)庫等TPS系統(tǒng)中的節(jié)點一樣，也常用雙處理器結(jié)構(gòu)設(shè)計,其硬件平臺的配置也與GUS相同。它具有兩個功能強大的處理器，即IntelXeon和LCNP4。它的操作系統(tǒng)為微軟的WINDOWS2003服務(wù)器版。APP節(jié)點通過LCNP4直接與TPS網(wǎng)絡(luò)進行通訊。APP軟件包括：基本軟件(inAPP)和可選軟件?；拒浖匦裕?支持現(xiàn)有的AM的全部功能；?現(xiàn)有的AMcheckpoint可以轉(zhuǎn)換成APP中AM端的可執(zhí)行程序；?獨立于Windows操作系統(tǒng)；?可以直接與HoneywellUniformancePHD數(shù)據(jù)庫直接相連。APP開放應(yīng)用軟件包選項提供開放式網(wǎng)絡(luò)中的開放式應(yīng)用平臺；與基本軟件提供的AM功能并行處理，為網(wǎng)絡(luò)中的基于OPC,HCI的應(yīng)用提供實時TPN數(shù)據(jù)。包括的軟件為：TPNServer-OPC/HCIreal-timedataserverSystemInfrastructure-Providessecurityand“systemness”FileTransfer-AllowstransferoffilesbetweenPCandTPN(2)APP應(yīng)用處理平臺主要功能APP的基本功能是基于AM的CL程序，除了與管理網(wǎng)通訊的功能外，APP可以擔負高級先進控制和優(yōu)化的功能，APP是一專多能。AM通信功能AM是LCN網(wǎng)上的節(jié)點，它能與TDC—3000系統(tǒng)的兩種網(wǎng)絡(luò)LCN、UCN上的所有節(jié)點進行通信。AM能夠讀、寫TDC3000上的所有裝置。AM讀、寫HPM的必要條件如下：a．UCN控制狀態(tài)為FULLIc．AM點的輸入連接狀態(tài)必須是ACTIVE；b.HPM控制狀態(tài)為FULLId.AM點的狀態(tài)