沈紅彥，李 宏

（1.撫順石化公司石油二廠科技信息部，遼寧撫順113004；2.中國寰球工程公司遼寧分公司，遼寧撫順113006）

石油化工過程先進(jìn)控制和實(shí)時(shí)優(yōu)化技術(shù)*

沈紅彥1，李 宏2

（1.撫順石化公司石油二廠科技信息部，遼寧撫順113004；2.中國寰球工程公司遼寧分公司，遼寧撫順113006）

通過石油化工生產(chǎn)過程處理量大、連續(xù)生產(chǎn)、多變量互相關(guān)聯(lián)影響、動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性復(fù)雜、具有多重變時(shí)滯的特點(diǎn)以及在煉油化工企業(yè)計(jì)算機(jī)的先進(jìn)控制主要方法自適應(yīng)控制、多參數(shù)預(yù)估控制、組分推斷控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制、最佳控制及故障診斷系統(tǒng)等的介紹，對先進(jìn)控制技術(shù)的核心——控制器以及影響控制器效果的因數(shù)-所建模型和所采用的算法做了具體分析。

狀態(tài)變量；多參數(shù)預(yù)估；被控變量；干擾變量；分散控制系統(tǒng)；多參數(shù)預(yù)估控制

在工業(yè)生產(chǎn)過程中，有一系列非常重要的因素（參數(shù)）需要隨時(shí)監(jiān)視和控制，否則就無法確保產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)過程的正常進(jìn)行。在石油化工生產(chǎn)中，這些參數(shù)是時(shí)間、溫度、壓力、壓差、流量閥位、液位、體積等。這些參數(shù)的變化靠人巡回檢測監(jiān)視難以實(shí)現(xiàn)如前饋、大滯后、非線性等復(fù)雜的控制；另外，生產(chǎn)過程的過程信息和控制功能由各種儀表、熱電偶、變送器、記錄器、控制器等進(jìn)行檢測、顯示、傳遞和控制來完成的話，則每個(gè)調(diào)節(jié)點(diǎn)即每一個(gè)控制方案和另一個(gè)控制方案之間是相互獨(dú)立的，不能協(xié)調(diào)。

20世紀(jì)50年代出現(xiàn)的集中控制系統(tǒng)不僅成本高，而且有一個(gè)致命的缺點(diǎn)，即一旦計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障，整個(gè)系統(tǒng)就會(huì)癱瘓。70年代以微處理機(jī)為基礎(chǔ)的集中分散型控制系統(tǒng)（DCS）的出現(xiàn)，徹底解決了這些問題，它采用集中管理、分散控制對裝置實(shí)行計(jì)算機(jī)過程管理、過程控制、實(shí)行工況的實(shí)時(shí)檢測、歷史工況的綜合分析、未來工況的趨勢預(yù)報(bào)、工藝核算等，使整個(gè)生產(chǎn)過程的水平大大提高，DCS的可靠性滿足了裝置安全生產(chǎn)、穩(wěn)定、長周期運(yùn)行的要求[1]。

為了進(jìn)一步提高其控制水平、開發(fā)控制系統(tǒng)的先進(jìn)功能，隨著計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用的迅速發(fā)展，國外大型石化公司在生產(chǎn)裝置上已普遍采用了先進(jìn)控制技術(shù)。國內(nèi)一些石化公司如茂名、揚(yáng)子、濟(jì)南等煉油廠已經(jīng)應(yīng)用了先進(jìn)技術(shù)，并且?guī)砹丝捎^的經(jīng)濟(jì)效益。

1 石油化工生產(chǎn)過程的特點(diǎn)

根據(jù)石油化工生產(chǎn)過程的特點(diǎn)：處理量大、連續(xù)生產(chǎn)、多變量互相關(guān)聯(lián)影響、動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性復(fù)雜、具有多重變時(shí)滯，許多重要變量的變化情況不能實(shí)時(shí)測量得到，尤其是在市場經(jīng)濟(jì)條件下，原料量及其性質(zhì)，產(chǎn)品品種及其質(zhì)量指標(biāo)，均隨市場環(huán)境變化，生產(chǎn)過程的特性也隨之變化，要維持生產(chǎn)過程處于優(yōu)化，單靠人工經(jīng)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)是很困難的[2]。所以一般先進(jìn)控制和實(shí)時(shí)優(yōu)化系統(tǒng)采用數(shù)學(xué)模型，通過以過去的過程行為檢測為基礎(chǔ)的動(dòng)態(tài)過程運(yùn)用多變量先進(jìn)控制技術(shù)來預(yù)測未來的過程行為。通過這個(gè)模塊使控制器能夠計(jì)算出最適宜的操作變量運(yùn)作，受物理約束影響，最小化實(shí)際和想要的過程行為的差值，進(jìn)一步，通過這個(gè)模塊計(jì)算出最適宜的操作點(diǎn)，把生產(chǎn)過程放到這個(gè)點(diǎn)上，達(dá)到優(yōu)化。

2 幾種優(yōu)化控制方法

在煉油化工企業(yè)計(jì)算機(jī)的先進(jìn)控制方法主要有自適應(yīng)控制、多參數(shù)預(yù)估控制、組分推斷控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制、最佳控制及故障診斷系統(tǒng)等。采用先進(jìn)控制可提高系統(tǒng)的控制適應(yīng)能力，克服由于系統(tǒng)本身的時(shí)變性、非線性、不穩(wěn)定性、外部擾動(dòng)的隨機(jī)性及不可檢測等帶來的問題[3]。國外已有18家公司共有120多種先進(jìn)的控制軟件，逐步向標(biāo)準(zhǔn)化、工程化、商品化發(fā)展。這些軟件已應(yīng)用于煉油裝置、乙烯、芳烴生產(chǎn)等，也有的用于工廠蒸汽系統(tǒng)、油品調(diào)合、油品儲運(yùn)以及全廠綜合控制系統(tǒng)。另外，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)已實(shí)用化。特別是預(yù)估控制技術(shù)、組分推斷控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自適應(yīng)控制、故障診斷等的應(yīng)用已取得較好效果。

2.1 組分推斷控制

為了保證塔的產(chǎn)品質(zhì)量，一般采用在線分析儀進(jìn)行反饋控制，組分推斷控制可不用在線分析儀，是根據(jù)塔的進(jìn)料量、壓力和溫度等參數(shù)由計(jì)算機(jī)快速計(jì)算出每一種產(chǎn)品的餾程95%點(diǎn)、90%點(diǎn)和10%點(diǎn)，可精確地進(jìn)行反饋控制。

大連七廠、錦西煉廠已采用組分推斷控制，這種控制與中段回流節(jié)能控制組成實(shí)用的優(yōu)化軟件，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

2.2 多參數(shù)預(yù)估控制

多參數(shù)預(yù)估控制（IDCOM）是運(yùn)用現(xiàn)代化控制理論的一種先進(jìn)控制，主要用于塔及反應(yīng)器溫度控制，和處理難度較大的溫度影響動(dòng)態(tài)特性問題。多輸入多輸出的（IDCOM）控制方法是使塔穩(wěn)定操作的有效方法，這種方法可采用脈沖響應(yīng)模型為過程內(nèi)部動(dòng)態(tài)模型。

石油一廠催化裝置采用了這種方法，不僅對提高生產(chǎn)效益發(fā)揮了重要作用，并提高了裝置生產(chǎn)的自動(dòng)化程度，方便了操作，減輕了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

2.3 模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

自20世紀(jì)90年代初模糊控制的熱潮波及到歐洲后，德國工程師就致力于研究工業(yè)自動(dòng)化方面應(yīng)用模糊控制，他們認(rèn)為模糊控制技術(shù)是一種關(guān)鍵技術(shù)。模糊控制技術(shù)主要用于滯后大、非線性的石油化工對象?，F(xiàn)已有商用軟件。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可用于質(zhì)量預(yù)測，與模糊控制技術(shù)相結(jié)合可用于控制石油化工非線性對象，常規(guī)儀表是不能完成這樣的控制任務(wù)的。

由上所訴可得出結(jié)論采用多參數(shù)預(yù)估控制、模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合是最好的。

3 實(shí)施過程

先進(jìn)控制技術(shù)的核心是控制器，其控制效果取決于所建的模型和所采用的算法。下面討論一下建立生產(chǎn)過程系統(tǒng)模型，先從變量參數(shù)說起。

對各變量按其特性進(jìn)行劃分，是操作控制的基本依據(jù)?？蓜澐譃橐韵聨追N：

（1）狀態(tài)變量：反映生產(chǎn)過程狀態(tài)的變量，如：溫度、壓力、組分、液位等，這些變量對時(shí)間的導(dǎo)數(shù)與系統(tǒng)中儲存的能量或物料量的變化率成正比。因此，他們都不會(huì)發(fā)生跳躍，而總是有一個(gè)隨時(shí)間的變化過程（測量值中的噪聲并不是狀態(tài)變量的真正變化）。

（2）被控變量：要求控制在一定數(shù)值的變量。

（3）操作變量：要使被控變量達(dá)到要求，可進(jìn)行操作的變量，如閥門開度，流量控制系統(tǒng)的給定值等。

（4）干擾變量：導(dǎo)致被控變量偏離要求的變量。

通常認(rèn)為操作變量和干擾變量是自行變化的，稱為“獨(dú)立”變量或“自變量”，更科學(xué)的稱為系統(tǒng)的輸入變量，他們是導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生變化的原因，而不受本系統(tǒng)狀態(tài)變量和被控變量的影響。要使系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生變化，需要調(diào)整操作變量，不可能“直接”使其變化。

被控變量通常是狀態(tài)變量的函數(shù)，或者就是狀態(tài)變量的一部分。通常，一個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)變量多于被控變量。從概念上說，系統(tǒng)的輸入變量首先使?fàn)顟B(tài)變量發(fā)生變化，然后引起被控變量發(fā)生變化。有時(shí)，被控變量除受狀態(tài)變量影響外，也受輸入變量影響。因此，狀態(tài)變量和被控變量也被稱為“因變量”。

對變量的劃分告訴我們：狀態(tài)變量可提供系統(tǒng)的全面信息，對操作變量和干擾變量的響應(yīng)常常較被控變量為快，因此，利用狀態(tài)變量可改善系統(tǒng)的性能，是現(xiàn)代控制理論的一個(gè)主要貢獻(xiàn)。問題是：常有一些狀態(tài)變量是不可實(shí)測的，無法提供實(shí)時(shí)信息。

操作控制特性的另一方面是上述各變量間的定量關(guān)系。由于任何操作控制必引起系統(tǒng)存儲能量或物料量的變化，物料和能量的傳送需要時(shí)間，因而，系統(tǒng)的輸入（操作）變量變化后，狀態(tài)變量和輸出（被控）變量常常會(huì)有一個(gè)無響應(yīng)的時(shí)間（滯后時(shí)間），響應(yīng)后有一個(gè)隨時(shí)間的變化過程；只有到達(dá)穩(wěn)定后，才有穩(wěn)態(tài)模型給出的輸入與輸出間固定的對應(yīng)關(guān)系?？刂频姆答?zhàn)饔糜衷黾恿烁髯兞康幕ハ嘤绊?，也影響穩(wěn)態(tài)時(shí)輸入輸出間的固定關(guān)系。變量隨時(shí)間的變化形式，因輸入隨時(shí)間的變化和歷史狀態(tài)（數(shù)學(xué)上稱為初值）而異，并不是固定的，表現(xiàn)在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，對同一變量，也很難找隨時(shí)間變化完全一樣的變化趨勢。

操作控制必須適應(yīng)生產(chǎn)過程各變量隨時(shí)間的變化。適應(yīng)其變化規(guī)律，才能使生產(chǎn)過程運(yùn)行達(dá)到滿意的結(jié)果。因此，建立各變量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，也就是生產(chǎn)過程（系統(tǒng)）的模型，實(shí)現(xiàn)基于模型的計(jì)算和控制，是當(dāng)前先進(jìn)控制技術(shù)的一個(gè)主要特點(diǎn)。

描述各變量隨時(shí)間的變化，需用建立狀態(tài)變量對時(shí)間的導(dǎo)數(shù)和各變量間的微分方程。建立控制用數(shù)學(xué)模型可概括為以下兩種方法：

3.1 對系統(tǒng)施加測試信號

由實(shí)測的過程輸入輸出變量建立系統(tǒng)模型（系統(tǒng)辨識）；由于狀態(tài)變量不完全可測，即使可測，由實(shí)測數(shù)據(jù)建立其模型較為困難，目前工程中大多采用輸入輸出數(shù)據(jù)建立輸入輸出間的關(guān)系。

3.2 通過機(jī)理分析建立模型

前者常被稱為“黑箱”模型，因其不能給出系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)變量關(guān)系，只有“外表”；后者被稱為“白箱”模型，可全面給出系統(tǒng)的特性。前者在技術(shù)上較為容易，但要干擾生產(chǎn)，當(dāng)有不可測輸入或過程有變化時(shí)難以適應(yīng)；后者要求建模者對系統(tǒng)（生產(chǎn)過程）有深入的了解，技術(shù)要求高，但正是由于它對系統(tǒng)的全面描述，提供全面信息，在應(yīng)用中會(huì)帶來很多效益。

一般實(shí)時(shí)優(yōu)化指的是生產(chǎn)工藝的優(yōu)化。運(yùn)用模式識別（即離線優(yōu)化）、現(xiàn)代模型預(yù)估控制技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)等方法，采用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，建立模型，此模型將用于計(jì)算所需的控制器目標(biāo)函數(shù)中的工藝目標(biāo)條件，然后控制器會(huì)將在保證要求的約束條件下將操作點(diǎn)移到最佳點(diǎn)上。這就要求根據(jù)約束條件和優(yōu)化操作條件的不同，創(chuàng)建不同的模型，需要控制器適合不同的模型，并且不需要重新初始化就更好了。

4 結(jié)束語

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展做為強(qiáng)有力的工具，在進(jìn)入21世紀(jì)的今天，系統(tǒng)理論和生產(chǎn)過程技術(shù)的發(fā)展與結(jié)合，為更深入、更廣泛的適應(yīng)生產(chǎn)過程特性，發(fā)展先進(jìn)控制和實(shí)時(shí)優(yōu)化技術(shù)，為企業(yè)創(chuàng)造了更大的效益，這是必然的發(fā)展趨勢。

[1]黃德先.先進(jìn)控制和實(shí)時(shí)優(yōu)化技術(shù)在石油企業(yè)的應(yīng)用[J].圣金橋信息技術(shù)通訊，2002（6）：5-8.

[2]郭慶方.化工行業(yè)發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)的有效途徑[J].化學(xué)工業(yè)，2007（11）：23-26.

[3]黃德先.化工過程先進(jìn)控制[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

Introduction to Advanced Control and Real-time Optimization Technology Used in Petrochemical Process

SHEN Hong-yan1，LI Hong2
（1.Fushun No.2 Refinery CNPC，Liaoning Fushun 113004，China；2.China Huanqiu Contracting&Engineering Corporation Liaoning Branch Company，Liaoning Fushun 113006，China）

The core of the advanced control technology including the controller and the factors（establishing model and algorism）which can affect the controller was analyzed by introducing characteristics of the petrochemical production process，such as large processing capacity，continuous production，multivariable interaction，complicated dynamic response and multivariable delay，and the advanced control methods in the petroleum and chemical enterprises，such as self-adapting control，multi-parameter predictive control，component inference control，neural network，fuzzy control，optimum control and fault diagnosis system.

State variable；multi-parameter estimation；controlled variable；disturbance variable；DCS；IDCOM

TP 273

A

1671-0460（2010）02-0153-03

2010-03-02

沈紅彥（1974-），女，工程師，1996年畢業(yè)于撫順石油學(xué)院計(jì)算機(jī)系計(jì)算機(jī)軟件專業(yè)，從事計(jì)算機(jī)系統(tǒng)管理工作。E-mail：yan_shy@sina.com。