趙克勤：石化生產(chǎn)裝置先進控制技術(shù)應(yīng)用

1、2010年3月,趙克勤石化生產(chǎn)裝置先進控制石化生產(chǎn)裝置先進控制技術(shù)應(yīng)用技術(shù)應(yīng)用概述概述n 先進控制（APC-Advanced Process Control）是采用多變量預(yù)測及優(yōu)化技術(shù)、基于過程動態(tài)數(shù)學(xué)模型、與常規(guī)控制相結(jié)合的新型工業(yè)控制系統(tǒng)；n 實施先進控制，裝置被控變量偏差降低、抗干擾能力增強、操作更加平穩(wěn)，發(fā)揮裝置最大潛能，提高產(chǎn)品收率和質(zhì)量，能耗及物耗降低；n Exxon Mobil、Shell、BP Amoco等國外著名石油石化公司早在8090年代就在生產(chǎn)裝置上普及了先進控制技術(shù)的應(yīng)用；概述概述n 中國石化從1996年進行先進控制項目試點和推廣工作，第一批包括常減壓、催化裂化、聚丙烯

2、共12套裝置。而后在總部統(tǒng)一組織和領(lǐng)導(dǎo)下，較大規(guī)模地推廣先進控制技術(shù)的應(yīng)用，在常減壓、催化裂化、焦化、重整、加氫裂化、氣分、芳烴、乙烯、PTA、聚丙烯、聚乙烯等100多套裝置上實施了APC;n 建好、用好APC是一項涉及裝置工藝、設(shè)備、基礎(chǔ)儀表、控制技術(shù)、崗位與考核、操作人員、維護機制等諸多方面的系統(tǒng)工程。概括五大關(guān)鍵要素：實施條件、控制技術(shù)、實施方法、崗位與考核、長期維護機制。實施條件實施條件先進控制先進控制技術(shù)技術(shù)實施方法實施方法崗位與考崗位與考核核長期維護長期維護機制機制概述概述建好、用建好、用好好APC的的五個要素五個要素目錄目錄 實施條件實施條件 先進控制技術(shù) 實施方法 崗位及考核

3、長期維護機制n 生產(chǎn)裝置工藝技術(shù)成熟，設(shè)備穩(wěn)定且故障率較低；n PID常規(guī)控制回路設(shè)計和PID參數(shù)整定合理，特別是與APC緊密關(guān)聯(lián)的PID控制回路，其自控（Auto）投用率較高；n 各檢測儀表完好率、準(zhǔn)確率較高，調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)靈敏并工作在有效工作范圍內(nèi)；n DCS系統(tǒng)CPU、內(nèi)存及外部存儲設(shè)備有充裕容量，可以安全部署APC控制器及其操作界面，滿足其運行速度。當(dāng)APC部署在DCS上位機上，其接口通訊軟件與硬件成熟，并且可以長期、安全可靠運行。實施條件實施條件目錄目錄 實施條件 先進控制技術(shù)先進控制技術(shù) 實施方法 崗位及考核 長期維護機制OPT/APC/PID控制總體架構(gòu)控制總體架構(gòu)n 裝置優(yōu)化控制（

4、OPT）通常是建立全過程嚴格模型，優(yōu)化各操作條件，控制頻率通常為小時級；n 先進控制與常規(guī)控制串級，實現(xiàn)多個被控變量的穩(wěn)定與優(yōu)化控制，控制頻率通常為分鐘級；n PID常規(guī)控制實現(xiàn)單回路的給定點控制，控制頻率較快，通常為秒級。先進控制架構(gòu)先進控制架構(gòu)多變量預(yù)測模型多變量預(yù)測模型n 建立多個被控變量（CV：Controlled Variable）與多個操作變量（MV：Manipulated Variable）的動態(tài)矩陣過程模型；n 模型可以是狀態(tài)方程、傳遞函數(shù)，或者是階躍響應(yīng)、脈沖響應(yīng)等非參數(shù)模型；n 模型建立采取系統(tǒng)辨識技術(shù)，需要在裝置上做擾動試驗。試驗幅度影響模型精度、生產(chǎn)安全，因此，需要AP

5、C實施專家認真設(shè)計試驗，在裝置負責(zé)人確認下穩(wěn)步進行；n 避免擾動試驗，建立動態(tài)數(shù)學(xué)模型，或者采取更先進辨識技術(shù)，充分利用日常操作提降量機會和信息，識別CVs與MVs之間的關(guān)系。軟儀表技術(shù)軟儀表技術(shù)n 一些被控變量很難測量，如：反應(yīng)深度、熔融指數(shù)、漿液濃度等，或可通過在線分析儀測量，但維護工作艱巨，較難保證長期良好運行，即便運行很好，測量與分析時間也在30-40分鐘，很難滿足APC的控制要求。因此，這些被控變量通常采用軟儀表技術(shù)，通過建立關(guān)聯(lián)模型，進行計算而快速得到；n 兩大技術(shù)路線：第一種是通過反應(yīng)動力學(xué)、熱平衡、物料平衡，建立機理模型或簡化嚴格模型，可以是靜態(tài)模型加動態(tài)補償，或直接建立基于狀

6、態(tài)方程的動態(tài)觀測模型；第二種是黑箱建模方法，通過大量歷史數(shù)據(jù)和統(tǒng)計分析，構(gòu)建相關(guān)模型。需要強調(diào)的是這兩種方法都需要不斷地用真實數(shù)據(jù)進行校正。軟儀表技術(shù)軟儀表技術(shù)軟儀表在線校正技巧軟儀表在線校正技巧PI調(diào)節(jié)器Value_BiasSP=0軟儀表計算值化驗分析值 校正值（Value_Bias ）= (1-W)*上一次的校正值（Value_Bias ）+ W * 調(diào)節(jié)器輸出（OP）； 0W0.5校正后軟儀表值（Calculated_Value_Biased）=G*軟儀表值 +校正值（Value_Bias ）；一般地，0.7G1.0(1-W)*Bias , W1 W * OP軟儀表技術(shù)軟儀表技術(shù)n 第一

7、種方法比較復(fù)雜、難度大，但適應(yīng)范圍廣；第二種方法相對簡單、容易實現(xiàn)。第二種方法用到數(shù)學(xué)算法如下： 回歸（Regression）分析及部分最小二乘算法（PLS） 模糊數(shù)學(xué)（Fuzzy） 人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)（ANN，Artificial Neural Network） 遺傳算法（GA，Genetic Algorithms）多變量控制技術(shù)多變量控制技術(shù)多變量控制技術(shù)多變量控制技術(shù)n APC控制策略需要針對工藝過程運行現(xiàn)狀、特點和問題，設(shè)計出真正解決裝置實際問題的控制器。需要深入了解工藝、實際裝置運行和操作情況，科學(xué)設(shè)計被控變量（CVs）、操作變量（MVs）和可測干擾變量（DV）。通常原則：一個CV至少要

8、有一個MV與之相關(guān)；CV之間可平行，但應(yīng)盡量少；MV之間一定不能平行和相關(guān)；n APC控制器比PID調(diào)節(jié)器要復(fù)雜，有很多參數(shù)需要調(diào)整，操作員與APC工程師應(yīng)深刻理解其含義，并根據(jù)實際工況及時調(diào)整。多變量控制技術(shù)多變量控制技術(shù)n 介紹APC控制器幾個重要參數(shù)： 控制性能比 = 閉環(huán)響應(yīng)時間/開環(huán)響應(yīng)時間，在01之間，越小則APC控制器響應(yīng)速度越快，對模型的精度要求也就越高； 被控變量參數(shù)有：線性優(yōu)化系數(shù)和二次優(yōu)化系數(shù)個數(shù)，越大則迭代計算速度越慢；CV理想值；CV軟約束下限值；CV軟約束上限值；CV下限權(quán)重值；CV上限權(quán)重值；CV下限斜坡約束值；CV上限斜坡約束等； 操作變量參數(shù)有：優(yōu)化參數(shù)類似C

9、V，同時，還有MV最大的減少量（Max Move Down）；MV最大的增加量（Max Move Up）；MV權(quán)重（Weight）；設(shè)置MV操作選擇（Man MV Action）等。非線性控制技術(shù)非線性控制技術(shù)n 在一些化工裝置中，如：PP、PE裝置，產(chǎn)品牌號多變，過程增益變化頻繁，存在明顯非線性特性，為此，AspenTech公司開發(fā)了Appolo非線性控制器，Honeywell公司則使用NOVA技術(shù)，開發(fā)了NLC控制器，它們皆在PP、PE等裝置上使用，取得良好效果。目錄目錄 實施條件 先進控制技術(shù) 實施方法實施方法 崗位及考核 長期維護機制實施方法實施方法實施方法實施方法n 初審及預(yù)測試初審

10、及預(yù)測試：通常在實施APC前，APC工程師對裝置進行全面考察，對工藝流程及特點、裝置運行情況、生產(chǎn)瓶頸、各種約束、基礎(chǔ)儀表、DCS及PID自控投用率全面了解和審查，做到心中有數(shù)。在工藝負責(zé)人確認和指導(dǎo)下，進行有針對性的預(yù)測試，發(fā)現(xiàn)裝置哪些關(guān)鍵CV偏差波動大和大致范圍，為后面APC控制策略設(shè)計打下基礎(chǔ)。n 開工會：開工會：通常由工廠負責(zé)生產(chǎn)領(lǐng)導(dǎo)、裝置負責(zé)人、儀表與自控工程師、APC實施專家等各方人員參加的正式開工會。內(nèi)容主要是確立APC的實施目標(biāo)，制定詳細的工作計劃，確定各自分工和責(zé)任。開工會實質(zhì)上是一個確立目標(biāo)、組織落實、分工明確的重要會議。實施方法實施方法n 初步控制策略設(shè)計：初步控制策略設(shè)

11、計：在上述兩個階段完成基礎(chǔ)上，與工廠工藝、自控人員針對本廠裝置特點，進行APC控制策略設(shè)計，確立CV、MV、DV和軟儀表方案，以達到開工會確立的目標(biāo)。n 辨識試驗及詳細設(shè)計：辨識試驗及詳細設(shè)計：確立控制策略后，進行模型辨識試驗，首先要結(jié)合裝置特點和辨識理論精心設(shè)計試驗，平衡少影響裝置與高幅值則可獲得高質(zhì)量模型之間的矛盾。試驗必須在生產(chǎn)裝置負責(zé)人、操作班長確認和嚴格指導(dǎo)下進行。盡量利用有價值的歷史數(shù)據(jù)，同時，確立不可測CV的軟儀表計算和校正方案。對辨識結(jié)果要結(jié)合工藝情況認真分析，排除不符合工藝邏輯和切實沒有關(guān)聯(lián)的子模型。多變量預(yù)測模型確定后，對APC控制器進行組態(tài)，經(jīng)過離線仿真，直到控制器參數(shù)調(diào)

12、節(jié)到最佳。實施方法實施方法n 工廠接受測試（工廠接受測試（FATFAT）：）：APC離線設(shè)計和仿真完成后，在上線前，必須召開正式工廠接受測試（FAT）會，請裝置工藝負責(zé)人、工藝及自控工程師、操作人員等全面觀摩和審核APC的離線仿真結(jié)果，聽取設(shè)計介紹，提出明確意見。如果差距較大，必須返回到設(shè)計階段，重新設(shè)計、辨識和進行APC控制器組態(tài)，這種不斷反饋式的迭代實施方法，可以保證APC實施質(zhì)量，避免后面更大的返工。APC實施專家在確信裝置負責(zé)人沒有異議后，方可進入安裝與上線調(diào)試階段。n 現(xiàn)場安裝及調(diào)試：現(xiàn)場安裝及調(diào)試：APC現(xiàn)場安裝和調(diào)試是個漫長的過程，這主要是APC實施專家必須確認基礎(chǔ)條件已得到改善

13、，裝置已具備了上線條件。如：基礎(chǔ)儀表改造完成，DCS、接口、上位機皆具備上線條件。特別是APC要串級的PID常規(guī)回路的自控投用率必須提高。APC調(diào)試是多次進行，有時甚至需要重新做辨識試驗，更新模型，總之，必須達到開工會既定的目標(biāo)，取得實效。實施方法實施方法n 試運行：試運行：通常APC在驗收前要經(jīng)過一段的試運行，考察APC投用率和運行效果。通常時間為3個月，以便積累一定的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，計算APC投用后各CV的標(biāo)準(zhǔn)方差（Standard Deviation）和減低的幅度，以及通過優(yōu)化和卡邊操作所取得的經(jīng)濟效益。n 驗收及移交運維：驗收及移交運維：上述工作完成后，正式召開APC驗收會，除肯定成績外，最

14、重要的工作是落實APC的長期維護，確立APC工程師崗位和職責(zé)，確立本地維護和遠程服務(wù)支持方案，確保APC長周期運行，做到效益持續(xù)保持（Sustained Benefit），這一點非常重要。目錄目錄 實施條件 先進控制技術(shù) 實施方法 崗位及考核崗位及考核 長期維護機制崗位與考核崗位與考核n 保持APC長期、有效運行，必須從組織、管理體制上給予保障，APC運行必須納入日常操作日志和達標(biāo)考核；n 企業(yè)要設(shè)置APC工程師，負責(zé)日常APC維護和有關(guān)參數(shù)調(diào)整，APC投用率及性能與APC工程師崗位的績效（KPI）考核掛鉤；n APC投用率計算為：APC投用率 = T_apc （APC運行時間）/ T_pla

15、nt（裝置運行時間）；關(guān)鍵被控（CVs）和操作變量（MVs）的投用率計算為：CV_MV_online(被控變量或操作變量投用率) = T_cv_or_mv / T_apcAPC投用率投用率評價評價80%100%較好投用率60%80%一般50%以下投用率差同等百分數(shù)超限計算同等百分數(shù)超限計算APC經(jīng)濟效益經(jīng)濟效益同等百分數(shù)超限計算同等百分數(shù)超限計算APC經(jīng)濟效益經(jīng)濟效益n 計算步驟如下： （1）被控量變量均值為：CV_mean = (CV)/n （2）被控量標(biāo)準(zhǔn)方差為：S (Standard Deviation) = (1/n*(n-1) *(n* CV - (CV) （3）邊際效益移動量為：M

16、argin = CV_new_mean - CV_old_mean，或 Margin = （CV_limit（CV約束） - CV_mean）*(1 - S_new/S_old)，其中：S_old: 先進控制器投用前標(biāo)準(zhǔn)方差S_new: 先進控制器投用后標(biāo)準(zhǔn)方差目錄目錄 實施條件 先進控制技術(shù) 實施方法 崗位及考核 長期維護機制長期維護機制長期維護機制長期維護機制n 為長期用好APC，中國石化總結(jié)了“九五”期間由于沒有專業(yè)化隊伍對已投用APC進行維護，造成一些裝置APC投用不高的教訓(xùn)，采取了兩項主要措施： 一是加強現(xiàn)場運行狀態(tài)的跟蹤考核，組織起草了中國石化先進控制（APC）應(yīng)用管理辦法，落實各層管理人員的職責(zé)； 二是建設(shè)先進控制系統(tǒng)的運行維護技術(shù)支持體系，在石化盈科上海分公司成立了APC支持中心，對已上線的先進控制系統(tǒng)進行維護和技術(shù)支持。實現(xiàn)支持中心在線監(jiān)視APC運行情況，掌握第一手材料，隨時提供維護支持。十五期間，中國石化加強了APC工作組織和領(lǐng)導(dǎo)，統(tǒng)