鮑魁（中國(guó)石化股份有限公司安慶分公司信息中心，安徽安慶　246001）

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先進(jìn)控制技術(shù)（APC）在石化煉油裝置的應(yīng)用

鮑魁
（中國(guó)石化股份有限公司安慶分公司信息中心，安徽安慶246001）

摘要：國(guó)內(nèi)石化行業(yè)的工業(yè)控制大多是以引進(jìn)DCS或FCS為基礎(chǔ)的常規(guī)PID控制。先進(jìn)過(guò)程控制（簡(jiǎn)稱APC）與常規(guī)控制方法相比，能在苛刻的裝置多重約束條件下，解決常規(guī)控制難以解決的復(fù)雜工業(yè)控制問(wèn)題，保證裝置生產(chǎn)的安全平穩(wěn)，協(xié)調(diào)優(yōu)化整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程，提高生產(chǎn)裝置的加工能力及產(chǎn)品收率，降低生產(chǎn)成本并減少環(huán)境污染。先進(jìn)控制系統(tǒng)也是煉化企業(yè)實(shí)現(xiàn)管控一體化的基礎(chǔ)，是實(shí)現(xiàn)信息化與自動(dòng)化融合的重要手段，對(duì)于企業(yè)提升信息化技術(shù)與工業(yè)控制的融合應(yīng)用水平起到關(guān)鍵作用。

關(guān)鍵詞：先進(jìn)控制；PID控制；DCS集散控制

1　前言

先進(jìn)控制技術(shù)（Advanced Process Control，簡(jiǎn)稱APC）是信息化技術(shù)與PID常規(guī)控制技術(shù)融合升級(jí)的應(yīng)用技術(shù)，其在工業(yè)生產(chǎn)裝置的過(guò)程控制中的應(yīng)用非常廣泛，實(shí)現(xiàn)了石油化工生產(chǎn)過(guò)程控制的革命性變革。工業(yè)過(guò)程控制由單回路單點(diǎn)的常規(guī)PID控制升級(jí)到多變量多回路的模型預(yù)估控制，采用先進(jìn)、科學(xué)的控制理論與控制方法，對(duì)生產(chǎn)工藝進(jìn)行分析并建立生產(chǎn)過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，以企業(yè)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)和企業(yè)信息管理網(wǎng)絡(luò)為數(shù)據(jù)控制流載體，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)工藝多變量相互約束的協(xié)調(diào)優(yōu)化控制，進(jìn)一步提升了DCS集散控制系統(tǒng)和常規(guī)PID控制系統(tǒng)的控制能力，解決常規(guī)PID控制系統(tǒng)對(duì)復(fù)雜工業(yè)過(guò)程控制的效果問(wèn)題，降低生產(chǎn)裝置的過(guò)程能耗，實(shí)現(xiàn)裝置工藝條件的卡邊操作，使工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的穩(wěn)定性和安全性得到進(jìn)一步加強(qiáng)，達(dá)到被控生產(chǎn)裝置能長(zhǎng)周期運(yùn)行在最佳工藝狀態(tài)的目標(biāo)，取得經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益的最大化。APC技術(shù)的深化應(yīng)用不僅提升了工業(yè)裝置的過(guò)程工藝控制和能耗控制水平，也提升了企業(yè)的行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

2　先進(jìn)控制技術(shù)（APC）功能特點(diǎn)

2.1先進(jìn)控制技術(shù)（APC）簡(jiǎn)介

先進(jìn)控制技術(shù)（APC）不是針對(duì)裝置生產(chǎn)中工藝環(huán)節(jié)上的某一個(gè)具體被控對(duì)象的控制系統(tǒng)，與在工業(yè)過(guò)程控制中普遍采用的常規(guī)單回路PID控制系統(tǒng)相比較，具有更好的控制效果，作用對(duì)象為工藝生產(chǎn)裝置，原有DCS集散控制系統(tǒng)作為APC技術(shù)的動(dòng)作及執(zhí)行部分，通過(guò)控制網(wǎng)絡(luò)的上位機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)裝置的閉環(huán)控制操作。APC直接對(duì)生產(chǎn)裝置實(shí)施優(yōu)化控制，將裝置的效益目標(biāo)直接體現(xiàn)在生產(chǎn)過(guò)程工藝中每道閥門(mén)的控制點(diǎn)上，是對(duì)裝置精細(xì)化管控造作、挖潛增效的實(shí)際手段，其有效處理了常規(guī)PID控制系統(tǒng)無(wú)法避免的延遲、耦合等問(wèn)題，通過(guò)預(yù)測(cè)控制可以消除系統(tǒng)原料變化和干擾造成的擾動(dòng)，使裝置操作平穩(wěn)，減少波動(dòng)，節(jié)能降耗。在此基礎(chǔ)上通過(guò)工藝指標(biāo)的優(yōu)化和卡邊控制有效提高高附加值產(chǎn)品的收率，降低消耗。APC是一種針對(duì)區(qū)域工藝指標(biāo)為被控對(duì)象的更加科學(xué)及先進(jìn)的控制策略的統(tǒng)稱。目前工業(yè)控制領(lǐng)域先進(jìn)控制技術(shù)的系統(tǒng)產(chǎn)品主要包括Aspen 的DMC、Honeywell的Profit Cont roller、ABB的STAR、橫河的SMOC以及浙江中控的APC-Adcon等，其中Aspen公司AspenONE先進(jìn)控制和優(yōu)化集成系統(tǒng)較為典型。AspenONE先進(jìn)控制和優(yōu)化集成系統(tǒng)是以Aspen DMCplus為核心的先進(jìn)過(guò)程控制和優(yōu)化集成控制系統(tǒng)。

2.2先進(jìn)控制技術(shù)（APC）的功能

APC所用的工具軟件為多變量預(yù)估控制器，其功能可分為兩大部分：一部分是控制過(guò)程的動(dòng)態(tài)，它依賴于過(guò)程的動(dòng)態(tài)模型，預(yù)測(cè)在今后若干步中受控變量（CV）的軌跡，用多變量解耦和前饋手段，優(yōu)化各步中各操作變量（MV）的動(dòng)作，從而使過(guò)程的CV控制在合理的范圍內(nèi)。為了克服模型的誤差，動(dòng)態(tài)過(guò)程控制中設(shè)有反饋機(jī)制，每執(zhí)行一步后將預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值作比較，作為控制器的反饋，從而修正CV的預(yù)測(cè)值，使控制器動(dòng)態(tài)控制的可靠性大大提高；另一部分是用線性規(guī)劃（LP）的功能，尋找過(guò)程的最優(yōu)穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)，指導(dǎo)動(dòng)態(tài)控制從當(dāng)前狀態(tài)緩慢、平穩(wěn)地過(guò)渡到優(yōu)化狀態(tài)。

從操作的角度講，APC控制與PID控制及DCS集散控制最明顯差異在于：PID控制及DCS集散控制是建立在單回路的給定點(diǎn)控制的方式，而APC控制是面向于裝置區(qū)域（合理的上下限范圍）的控制，工藝操作人員的日常操作內(nèi)容是設(shè)置受控變量（CV）和操作變量（MV）的范圍，而不是去設(shè)定受控變量（CV）的給定點(diǎn)。從過(guò)程動(dòng)態(tài)角度說(shuō)，只要CV在設(shè)定范圍內(nèi)，且預(yù)測(cè)值表明，在不遠(yuǎn)的未來(lái)也沒(méi)有超界的可能，則控制器的動(dòng)作會(huì)很小，以避免頻繁調(diào)整。更重要的是，當(dāng)某些MV沒(méi)有自由度時(shí)（例如閥位飽和），多變量控制可以用其余的MV進(jìn)行調(diào)整，而采用給定點(diǎn)控制時(shí)，若某些變量飽和，就不得不降低產(chǎn)量等，影響裝置的經(jīng)濟(jì)效益。從過(guò)程穩(wěn)態(tài)角度說(shuō)，只有將控制對(duì)象在一定的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，控制器才能有動(dòng)作的余地，從而達(dá)到穩(wěn)態(tài)點(diǎn)優(yōu)化的目的。

3　先進(jìn)控制技術(shù)（APC）在煉油裝置中的應(yīng)用

在國(guó)內(nèi)石油化工領(lǐng)域，通過(guò)APC技術(shù)的深化應(yīng)用來(lái)提升生產(chǎn)裝置的處理能力和高附加值產(chǎn)品的收率，是目前國(guó)內(nèi)石油煉化企業(yè)行之有效的控制技術(shù)和方法，已經(jīng)逐漸成為工業(yè)過(guò)程控制的發(fā)展方向。作為中石化企業(yè)的安慶石化，依據(jù)行業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)壓力及企業(yè)自身發(fā)展的需求，循序漸進(jìn)地對(duì)煉油各套裝置分批次進(jìn)行APC控制技術(shù)的實(shí)施及應(yīng)用，現(xiàn)以I套氣體分餾裝置為例，闡述先進(jìn)控制技術(shù)在煉油裝置的應(yīng)用工作。

3.1先進(jìn)控制技術(shù)（APC）在煉油裝置的方案確定

安慶石化I套氣體分餾裝置規(guī)模為30萬(wàn)噸/年，該裝置以催化裂化和延遲焦化液化石油氣經(jīng)過(guò)精制后的混合液化氣為原料，采用常規(guī)氣體分餾工藝，主要產(chǎn)品為純度大于99.0%的丙烯。采用脫丙烷塔、脫乙烷塔、丙烯塔三塔常規(guī)流程，其中丙烯塔為兩塔串聯(lián)，DCS系統(tǒng)采用和利時(shí)公司的MACS- V集散控制系統(tǒng)。常規(guī)PID控制在單輸入、單輸出對(duì)象基礎(chǔ)上難以較好地解決，無(wú)法兼顧協(xié)調(diào)控制多變量影響及有約束邊界強(qiáng)耦合的復(fù)雜工業(yè)過(guò)程。例如在I套氣體分餾裝置中對(duì)反應(yīng)塔控制品質(zhì)的要求，僅依靠常規(guī)單回路PID控制系統(tǒng)的條件，難以實(shí)現(xiàn)在大擾動(dòng)及多約束干擾條件下工藝控制的需求，會(huì)對(duì)生產(chǎn)裝置提高產(chǎn)品質(zhì)量和收率造成瓶頸。而采用多變量預(yù)測(cè)控制技術(shù)能有效解決這一問(wèn)題，根據(jù)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和效益目標(biāo)需求來(lái)制定最優(yōu)控制方案，實(shí)現(xiàn)裝置安全、平穩(wěn)、長(zhǎng)周期、滿負(fù)荷的運(yùn)行。

氣體分餾裝置的工藝控制目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)裝置生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益和安全穩(wěn)定的社會(huì)效益的最佳化，不僅是優(yōu)化控制裝置產(chǎn)品的處理能力、產(chǎn)品的質(zhì)量品質(zhì)及能耗的技經(jīng)指標(biāo)等問(wèn)題，還要兼顧裝置的安全運(yùn)行、環(huán)保排放等各個(gè)方面的問(wèn)題。然而，在裝置的實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，各方面的影響因素又是相互影響、相互耦合，需要進(jìn)行在裝置區(qū)域范圍內(nèi)的統(tǒng)一籌劃及優(yōu)化考慮，才能解決各方面的矛盾問(wèn)題。在制定裝置的先進(jìn)控制方案前，深入理解氣體分餾裝置的工藝過(guò)程并對(duì)工藝流程進(jìn)行詳細(xì)分析，包括各變量間相互關(guān)系、過(guò)程的重要約束以及擺脫約束的手段等。根據(jù)裝置實(shí)際情況，并結(jié)合Aspen DMC plus先進(jìn)控制技術(shù)中多變量預(yù)測(cè)控制技術(shù)的特點(diǎn)，制定了針對(duì)該裝置的多變量子控制器設(shè)計(jì)的控制策略和方案，Aspen DMC plus的多變量預(yù)測(cè)控制技術(shù)對(duì)于因各種工藝干擾及其它環(huán)境等因素所導(dǎo)致的控制器模型與裝置實(shí)際模型之間的誤差，能自行進(jìn)行修復(fù)及適應(yīng)，以確保生產(chǎn)裝置能平穩(wěn)運(yùn)行在卡邊操作邊界，實(shí)現(xiàn)各種優(yōu)化目標(biāo)。通過(guò)DMCplus控制器設(shè)計(jì)子控制器的方式，將大型單一控制器分割為邏輯過(guò)程單元控制器，在不改變先進(jìn)控制系統(tǒng)的總體優(yōu)化協(xié)調(diào)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，使得先進(jìn)控制系統(tǒng)的操縱更加簡(jiǎn)單靈活，可以同步開(kāi)啟或者關(guān)閉一組有關(guān)的操作變量（MV）和被控變量（CV）。通過(guò)統(tǒng)籌考慮和優(yōu)化，對(duì)該裝置的過(guò)程數(shù)據(jù)、化驗(yàn)分析數(shù)據(jù)進(jìn)行采集分析，最終對(duì)于I套氣體分餾裝置的先進(jìn)控制方案，采用脫丙烷塔子控制器、脫乙烷塔子控制器和丙烯精餾塔子控制器的三個(gè)子控制器模塊的方式。圖1為安慶石化煉油I套氣體分餾裝置APC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

圖1　煉油I套氣體分餾裝置先進(jìn)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3.2先進(jìn)控制技術(shù)（APC）在煉油裝置上的實(shí)施

APC技術(shù)是以DCS集散控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)的先進(jìn)控制系統(tǒng)，因此在APC技術(shù)的實(shí)施中，需要采用對(duì)應(yīng)的安全策略，確保APC先進(jìn)控制系統(tǒng)與常規(guī)PID控制系統(tǒng)及DCS集散控制系統(tǒng)之間的安全切換及投用。具體安全策略方案為：在DCS集散控制系統(tǒng)中組態(tài)新建通訊監(jiān)控程序，對(duì)工業(yè)控制網(wǎng)與信息管理網(wǎng)間的控制數(shù)據(jù)流進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)APC系統(tǒng)上位機(jī)與DCS集散控制系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)流的穩(wěn)定傳輸。一旦APC系統(tǒng)或是DCS集散控制系統(tǒng)出現(xiàn)涉及到工藝安全等問(wèn)題時(shí)，該監(jiān)控程序自動(dòng)進(jìn)行APC系統(tǒng)控制方式、DCS集散系統(tǒng)控制方式或手動(dòng)控制方式間的安全切換，并自動(dòng)在系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行通訊異常故障報(bào)警，告知相關(guān)系統(tǒng)的運(yùn)維人員進(jìn)行故障排除。通訊監(jiān)控程序的功能實(shí)現(xiàn)具體流程為：APC系統(tǒng)上位機(jī)定時(shí)向DCS中的通訊檢測(cè)位號(hào)置0，而DCS系統(tǒng)則對(duì)該位號(hào)每秒累計(jì)加1，定時(shí)巡查該位號(hào)并實(shí)時(shí)核查該位號(hào)值。通過(guò)對(duì)該位號(hào)的系統(tǒng)值與系統(tǒng)設(shè)置的閥值進(jìn)行比對(duì)，若小于設(shè)定閥值，則說(shuō)明通訊暢通，并輸出指示數(shù)據(jù)通訊正常信息；若大于設(shè)定閥值，則說(shuō)明先進(jìn)控制系統(tǒng)上位機(jī)與DCS集散控制系統(tǒng)間的控制流數(shù)據(jù)通訊產(chǎn)生傳輸阻塞或是中斷。為確保裝置安全，立即切除整個(gè)先進(jìn)控制系統(tǒng)的投入狀態(tài)（將所有控制器開(kāi)關(guān)位號(hào)置零），從而使裝置的控制狀態(tài)保持在當(dāng)前穩(wěn)態(tài)，同時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)輸出報(bào)警。圖2為通訊監(jiān)控程序邏輯圖。

圖2　通訊監(jiān)控程序邏輯圖

I套氣體分餾裝置的APC系統(tǒng)是在利時(shí)公司的MACS- V集散控制系統(tǒng)平臺(tái)上實(shí)施的，采用APC系統(tǒng)上位機(jī)方式實(shí)現(xiàn)。依據(jù)DCS集散控制系統(tǒng)及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸方式，按照統(tǒng)一的數(shù)據(jù)訪問(wèn)機(jī)制原則，采用基于OPC技術(shù)的APC系統(tǒng)與常規(guī)DCS集散控制系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)通訊方式，建立與DCS控制站的數(shù)據(jù)傳送物理鏈接，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間控制數(shù)據(jù)的安全傳輸。APC系統(tǒng)的硬件配置系統(tǒng)及APC系統(tǒng)軟件通訊配置系統(tǒng)詳見(jiàn)圖3和圖4。

圖3　煉油I套氣體分餾裝置先進(jìn)控制系統(tǒng)的硬件配置系統(tǒng)圖

圖4　煉油I套氣體分餾裝置先進(jìn)控制系統(tǒng)軟件通訊配置系統(tǒng)圖

3.3先進(jìn)控制技術(shù)（APC）在煉油裝置上的應(yīng)用成效

安慶分公司I套氣體分餾裝置先進(jìn)控制系統(tǒng)投運(yùn)后，裝置運(yùn)行的各個(gè)關(guān)鍵工藝指標(biāo)的平穩(wěn)性得到明顯改善。各反應(yīng)塔的工藝技術(shù)指標(biāo)的平穩(wěn)性在投運(yùn)APC系統(tǒng)后較之前有了很大程度的提升。在正常生產(chǎn)情況下，可以保持較長(zhǎng)一段時(shí)間不進(jìn)行任何人工操作而平穩(wěn)運(yùn)行，勞動(dòng)強(qiáng)度大大降低，同時(shí)對(duì)于因一定程度的外界干擾、前后變量的關(guān)聯(lián)耦合等也具有一定的克服或抑制能力。先進(jìn)控制系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)裝置平穩(wěn)控制的基礎(chǔ)上，結(jié)合工藝及產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量的要求，通過(guò)逐步優(yōu)化工藝指標(biāo)的目標(biāo)值，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量和產(chǎn)量的卡邊控制，同時(shí)也盡可能保持低能耗，提高經(jīng)濟(jì)效益。先進(jìn)控制系統(tǒng)經(jīng)過(guò)逐步細(xì)化改進(jìn)，目前已取得良好的控制效果。圖5為塔頂溫度、進(jìn)料溫度和靈敏板溫度數(shù)據(jù)在先進(jìn)控制系統(tǒng)投用前后的比對(duì)，圖6為塔頂回流罐液位和塔釜液位數(shù)據(jù)在先進(jìn)控制系統(tǒng)投用前后的比對(duì)，比對(duì)數(shù)據(jù)的采集時(shí)間周期為7天。

4　結(jié)束語(yǔ)

安慶石化煉油I套氣體分餾裝置通過(guò)投用先進(jìn)控制系統(tǒng)以來(lái)，對(duì)于各類(lèi)影響裝置工藝干擾的因素，具有很強(qiáng)的適應(yīng)控制能力，裝置的各項(xiàng)關(guān)鍵工藝控制指標(biāo)均能保持在很高的水平，優(yōu)化了煉化企業(yè)煉油裝置的生產(chǎn)過(guò)程，穩(wěn)定裝置工藝操作，工藝過(guò)程的波動(dòng)得到顯著改善。裝置的加工能力、高附加值產(chǎn)品的增產(chǎn)能力、產(chǎn)品收率的提高能力均得到大幅提升。生產(chǎn)裝置的加工能力得到進(jìn)一步深度挖掘，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)裝置長(zhǎng)周期的卡邊操作，降低單位產(chǎn)品原材料單耗。先進(jìn)控制系統(tǒng)的投用也是對(duì)企業(yè)現(xiàn)有DCS集散控制系統(tǒng)等常規(guī)控制資源的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和深化利用。

隨著國(guó)內(nèi)煉化企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日趨激烈，利用先進(jìn)控制系統(tǒng)提升企業(yè)的信息化應(yīng)用水平、自動(dòng)化控制水平和業(yè)務(wù)管理水平已經(jīng)成為一種大趨勢(shì)，同時(shí)也是提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的重要及有效措施。安慶石化利用先進(jìn)控制系統(tǒng)的投用，積極打造企業(yè)信息化環(huán)境下的優(yōu)化生產(chǎn)提質(zhì)增效的新型能力，為實(shí)現(xiàn)企業(yè)的裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)合理、資源利用充分、安全環(huán)保達(dá)標(biāo)奠定了基礎(chǔ)，提升了企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力，也全面激發(fā)了企業(yè)的活力?！?/p>

圖5　塔頂溫度、進(jìn)料溫度和靈敏板溫度數(shù)據(jù)比對(duì)（左邊為系統(tǒng)投運(yùn)前，右邊為系統(tǒng)投運(yùn)后）

圖6　塔頂回流罐液位和塔釜液位數(shù)據(jù)比對(duì)（左邊為系統(tǒng)投運(yùn)前，右邊為系統(tǒng)投運(yùn)后）

doi：10.3969/j.issn.1008- 553X.2016.03.022

中圖分類(lèi)號(hào)：TE19；TB21

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1008- 553X（2016）03- 0061- 04

收稿日期：2016- 03- 06

作者簡(jiǎn)介：鮑魁（1975-），男，畢業(yè)于安慶師范學(xué)院，工程師，從事企業(yè)生產(chǎn)信息化建設(shè)及信息系統(tǒng)運(yùn)維工作，0556- 5376432，18955639096，baokui.aqsh@sinopec.com。