赵克勤：石化生产装置先进控制技术应用

2010年3月,赵克勤石化生产装置先进控制技术应用概述先进控制（APC-AdvancedProcessControl）是采用多变量预测及优化技术、基于过程动态数学模型、与常规控制相结合的新型工业控制系统；实施先进控制，装置被控变量偏差降低、抗干扰能力增强、操作更加平稳，发挥装置最大潜能，提高产品收率和质量，能耗及物耗降低；ExxonMobil、Shell、BPAmoco等国外著名石油石化公司早在8090年代就在生产装置上普及了先进控制技术的应用；概述中国石化从1996年进行先进控制项目试点和推广工作，第一批包括常减压、催化裂化、聚丙烯共12套装置。而后在总部统一组织和领导下，较大规模地推广先进控制技术的应用，在常减压、催化裂化、焦化、重整、加氢裂化、气分、芳烃、乙烯、PTA、聚丙烯、聚乙烯等100多套装置上实施了APC;建好、用好APC是一项涉及装置工艺、设备、基础仪表、控制技术、岗位与考核、操作人员、维护机制等诸多方面的系统工程。概括五大关键要素：实施条件、控制技术、实施方法、岗位与考核、长期维护机制。实施条件先进控制技术实施方法岗位与考核长期维护机制概述建好、用好APC的五个要素目录•实施条件•先进控制技术•实施方法•岗位及考核•长期维护机制生产装置工艺技术成熟，设备稳定且故障率较低；PID常规控制回路设计和PID参数整定合理，特别是与APC紧密关联的PID控制回路，其自控（Auto）投用率较高；各检测仪表完好率、准确率较高，调节阀调节灵敏并工作在有效工作范围内；DCS系统CPU、内存及外部存储设备有充裕容量，可以安全部署APC控制器及其操作界面，满足其运行速度。当APC部署在DCS上位机上，其接口通讯软件与硬件成熟，并且可以长期、安全可靠运行。实施条件目录•实施条件•先进控制技术•实施方法•岗位及考核•长期维护机制OPT/APC/PID控制总体架构优化控制（OPT）先进控制（APC）DCS–PID常规控制FC秒分钟小时PCTCLC装置优化控制（OPT）通常是建立全过程严格模型，优化各操作条件，控制频率通常为小时级；先进控制与常规控制串级，实现多个被控变量的稳定与优化控制，控制频率通常为分钟级；PID常规控制实现单回路的给定点控制，控制频率较快，通常为秒级。先进控制架构预测模型多变量控制器DCS/PID常规控制可测CV可测DV操作变量MVCV及MV上下限、稳态目标值、权重控制器维护操作人员APC控制工程师软仪表在线质量表/化验分析计算CV可测关联变量多变量预测模型建立多个被控变量（CV：ControlledVariable）与多个操作变量（MV：ManipulatedVariable）的动态矩阵过程模型；模型可以是状态方程、传递函数，或者是阶跃响应、脉冲响应等非参数模型；模型建立采取系统辨识技术，需要在装置上做扰动试验。试验幅度影响模型精度、生产安全，因此，需要APC实施专家认真设计试验，在装置负责人确认下稳步进行；避免扰动试验，建立动态数学模型，或者采取更先进辨识技术，充分利用日常操作提降量机会和信息，识别CVs与MVs之间的关系。软仪表技术一些被控变量很难测量，如：反应深度、熔融指数、浆液浓度等，或可通过在线分析仪测量，但维护工作艰巨，较难保证长期良好运行，即便运行很好，测量与分析时间也在30-40分钟，很难满足APC的控制要求。因此，这些被控变量通常采用软仪表技术，通过建立关联模型，进行计算而快速得到；两大技术路线：第一种是通过反应动力学、热平衡、物料平衡，建立机理模型或简化严格模型，可以是静态模型加动态补偿，或直接建立基于状态方程的动态观测模型；第二种是黑箱建模方法，通过大量历史数据和统计分析，构建相关模型。需要强调的是这两种方法都需要不断地用真实数据进行校正。黑箱建模线性回归方法非线性回归方法神经元网络模糊建模混合建模方法以PLS、PCA算法为代表各种经验回归模型多项式模型，样条插值BP神经元网络RBF神经元网络以上各种方法组合，如：FNN、FPLS、FPCA等机理建模软仪表建模静态严格模型加动态补偿状态方程动态观测软仪表技术软仪表在线校正技巧PI调节器Value_BiasSP=0软仪表计算值化验分析值校正值（Value_Bias）=(1-W)*上一次的校正值（Value_Bias’）+W*调节器输出（OP）；0W1一般地，W0.5校正后软仪表值（Calculated_Value_Biased）=G*软仪表值+校正值（Value_Bias）；一般地，0.7G1.0(1-W)*Bias’,W1W*OP软仪表技术第一种方法比较复杂、难度大，但适应范围广；第二种方法相对简单、容易实现。第二种方法用到数学算法如下：回归（Regression）分析及部分最小二乘算法（PLS）模糊数学（Fuzzy）人工神经元网络（ANN，ArtificialNeuralNetwork）遗传算法（GA，GeneticAlgorithms）多变量控制技术校正后的预测稳态优化动态控制过程模型模型预测偏差MVsCVs+-CV/MV目标值模型预测CV测量值MV上下限CV上下限多变量控制技术APC控制策略需要针对工艺过程运行现状、特点和问题，设计出真正解决装置实际问题的控制器。需要深入了解工艺、实际装置运行和操作情况，科学设计被控变量（CVs）、操作变量（MVs）和可测干扰变量（DV）。通常原则：一个CV至少要有一个MV与之相关；CV之间可平行，但应尽量少；MV之间一定不能平行和相关；APC控制器比PID调节器要复杂，有很多参数需要调整，操作员与APC工程师应深刻理解其含义，并根据实际工况及时调整。多变量控制技术介绍APC控制器几个重要参数：控制性能比=闭环响应时间/开环响应时间，在01之间，越小则APC控制器响应速度越快，对模型的精度要求也就越高；被控变量参数有：线性优化系数和二次优化系数个数，越大则迭代计算速度越慢；CV理想值；CV软约束下限值；CV软约束上限值；CV下限权重值；CV上限权重值；CV下限斜坡约束值；CV上限斜坡约束等；操作变量参数有：优化参数类似CV，同时，还有MV最大的减少量（MaxMoveDown）；MV最大的增加量（MaxMoveUp）；MV权重（Weight）；设置MV操作选择（ManMVAction）等。非线性控制技术在一些化工装置中，如：PP、PE装置，产品牌号多变，过程增益变化频繁，存在明显非线性特性，为此，AspenTech公司开发了Appolo非线性控制器，Honeywell公司则使用NOVA技术，开发了NLC控制器，它们皆在PP、PE等装置上使用，取得良好效果。目录•实施条件•先进控制技术•实施方法•岗位及考核•长期维护机制实施方法初审及预测试开工会初步控制策略设计详细设计（辨识试验）工厂接受测试（FAT）现场安装与调试APC试运行验收与移交运维通过不通过实施方法初审及预测试：通常在实施APC前，APC工程师对装置进行全面考察，对工艺流程及特点、装置运行情况、生产瓶颈、各种约束、基础仪表、DCS及PID自控投用率全面了解和审查，做到心中有数。在工艺负责人确认和指导下，进行有针对性的预测试，发现装置哪些关键CV偏差波动大和大致范围，为后面APC控制策略设计打下基础。开工会：通常由工厂负责生产领导、装置负责人、仪表与自控工程师、APC实施专家等各方人员参加的正式开工会。内容主要是确立APC的实施目标，制定详细的工作计划，确定各自分工和责任。开工会实质上是一个确立目标、组织落实、分工明确的重要会议。实施方法初步控制策略设计：在上述两个阶段完成基础上，与工厂工艺、自控人员针对本厂装置特点，进行APC控制策略设计，确立CV、MV、DV和软仪表方案，以达到开工会确立的目标。辨识试验及详细设计：确立控制策略后，进行模型辨识试验，首先要结合装置特点和辨识理论精心设计试验，平衡少影响装置与高幅值则可获得高质量模型之间的矛盾。试验必须在生产装置负责人、操作班长确认和严格指导下进行。尽量利用有价值的历史数据，同时，确立不可测CV的软仪表计算和校正方案。对辨识结果要结合工艺情况认真分析，排除不符合工艺逻辑和切实没有关联的子模型。多变量预测模型确定后，对APC控制器进行组态，经过离线仿真，直到控制器参数调节到最佳。实施方法工厂接受测试（FAT）：APC离线设计和仿真完成后，在上线前，必须召开正式工厂接受测试（FAT）会，请装置工艺负责人、工艺及自控工程师、操作人员等全面观摩和审核APC的离线仿真结果，听取设计介绍，提出明确意见。如果差距较大，必须返回到设计阶段，重新设计、辨识和进行APC控制器组态，这种不断反馈式的迭代实施方法，可以保证APC实施质量，避免后面更大的返工。APC实施专家在确信装置负责人没有异议后，方可进入安装与上线调试阶段。现场安装及调试：APC现场安装和调试是个漫长的过程，这主要是APC实施专家必须确认基础条件已得到改善，装置已具备了上线条件。如：基础仪表改造完成，DCS、接口、上位机皆具备上线条件。特别是APC要串级的PID常规回路的自控投用率必须提高。APC调试是多次进行，有时甚至需要重新做辨识试验，更新模型，总之，必须达到开工会既定的目标，取得实效。实施方法试运行：通常APC在验收前要经过一段的试运行，考察APC投用率和运行效果。通常时间为3个月，以便积累一定的生产数据，计算APC投用后各CV的标准方差（StandardDeviation）和减低的幅度，以及通过优化和卡边操作所取得的经济效益。验收及移交运维：上述工作完成后，正式召开APC验收会，除肯定成绩外，最重要的工作是落实APC的长期维护，确立APC工程师岗位和职责，确立本地维护和远程服务支持方案，确保APC长周期运行，做到效益持续保持（SustainedBenefit），这一点非常重要。目录•实施条件•先进控制技术•实施方法•岗位及考核•长期维护机制岗位与考核保持APC长期、有效运行，必须从组织、管理体制上给予保障，APC运行必须纳入日常操作日志和达标考核；企业要设置APC工程师，负责日常APC维护和有关参数调整，APC投用率及性能与APC工程师岗位的绩效（KPI）考核挂钩；APC投用率计算为：APC投用率=T_apc（APC运行时间）/T_plant（装置运行时间）；关键被控（CVs）和操作变量（MVs）的投用率计算为：CV_MV_online(被控变量或操作变量投用率)=T_cv_or_mv/T_apcAPC投用率评价80%100%较好投用率60%80%一般50%以下投用率差同等百分数超限计算APC经济效益CVConstraintED_oldED_new同等百分数超限原理计算APC效益ED_old:CVErrorDistributionbeforeAPCED_new:CVErrorDistributionafterAPCSame5%ViolationPre/PostAPCMargin同等百分数超限计算APC经济效益计算步骤如下：（1）被控量变量均值为：CV_mean=(CV)/n（2）被控量标准方差为：S(StandardDeviation)=(1/n*(n-1))*(n*CV²-(CV)²)½（3）边际效益移动量为：Margin=CV_new_mean-CV_old_mean，或Margin=（CV_limit（CV约束）-CV_mean）*(1-S_new/S_old)，其中：S_old:先进控制器投用前标准方差S_new:先进控制器投用后标准方差目录•实施条件•先进控制技术•实施方法•岗位及考核•长期维护机制长期维护机制为长期用好APC，中国石化总结了“九五”期间由于没有专业化队伍对已投用APC进行维护，造成一些装置APC投用不高的教训，采取了两项主要措施：一是加强现场运行状态的跟踪考核，组织起草了《中国石化先进控制（APC）应用管理办法》，落实各层管理人员的职责；二是建设先进控制系统的运行维护技术支持体系，