论文-先进控制技术与实现

先进控制技术与应用实现Theadvancedcontroltechnologyandimplementations辽阳石化分公司仪表厂雷军刘春晖大连石化分公司新区装置马昕摘要：近年来国内外石油化工行业以增加产品收率、降低原料和动力消耗，保证生产装置的优化和安全平稳运行，提高经济效益为目标，已经对装置的先进控制技术和控制软件进行了广泛研究和工业化应用，给生产装置带来显著的经济效益。本文通过对先进控制技术理论研究和数学模型建立的过程探讨，并以美国阿斯本(Aspentech)公司开发设计的预测控制与软测量技术应用实施过程为实例，介绍先进控制技术在石油化工生产装置的应用与实现。关键词：先进控制技术、数学模型、模拟软件、计算机平台、工业化应用。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、概述先进控制(APC-AdvancedProcessContro1)技术是对那些不同于常规单回路PID控制，并具有比常规PID控制更好控制效果的控制策略的统称。与传统的PID控制不同，先进控制是一种基于模型的控制策略，如模型预测控制和推断控制等。先进控制通常用于处理复杂的多量过程控制问题，如大时滞、多变量耦合、被控变量与控制变量存在着各种约束等。先进控制是建立在常规单回路控制之上的动态协调约束控制，可使控制系统适应实际工业生产过程动态特性和操作要求。先进控制技术的实现，需要建立工业过程模型和有足够的计算能力及程序运行能力的设备作为支持平台。由于先进控制受控制算法的复杂性和计算机硬件两方面因素的影响，早期的先进控制算法通常是在上位机上实施的。随着DCS功能的不断增强．更多的先进控制策略可以与基本控制回路一起在DCS上实现。二、先进控制系统的核心内容先进控制系统的核心内容是数据采集处理、数学模型建立、先进控制策略和工程实施平台。数据的采集、处理和软测量技术利用大量的实测信息是先进控制的优势所在。由于来自工业生产现场的过程信息通常带有噪声，数据采集时应作滤波处理，采集到的数据还应进行过失误差的检测与识别和过程数据的有效性检验及数据调理工作。这是先进控制应用的重要保障。基于可测信息和模型，实时计算不可测量的变量，也即软测量技术，是先进控制中不可缺少的内容，例如，汽油饱和蒸汽压、粗汽油干点、轻柴油倾点、催化裂化中的反应热、再生器的烧焦状况、反应产品分布和催化剂循环量以及某些精馏塔的两端质量指标估计等，这些关系到产品质量的关键变量，由于质量测量仪表的缺乏或不可靠，无法获得实时的可靠的在线信息，因此，可采用工艺稳态模型、神经网络模型和动态数学模型来推断估计。（2）多变量动态过程模型辨识技术获取对象的动态数学模型是实施先进控制的基础。对于复杂工业过程，需要强有力的辨识软件，以便在剔除一些过失虚假数据的基础上，把分段有效数据有机地组合起来，最终将实际工业生产环境下获得的现场装置试验数据，变为多输入多输出（MIMO）动态数学模型。实际工业过程模型化是一项专门的技术，它涉及到过程动态学、系统辨识、统计学以及人工智能等多种知识。尽管目前类似模型预测控制这样的先进控制策略均采用工业试验的方法来获取控制模型，但是那些准确并可靠的机理模型（firstprinciplemodel）和智能模型建立也有望成为有效的控制模型。（3）先进控制策略先进控制采用了合理的控制目标和控制结构，可更好地适应工业生产过程的需要。先进控制主要解决：个别重要过程变量控制性能的改善，主要采用单变量模型预测控制与原控制回路构成所谓的“透明控制"的方式；解决约束多变量过程的协调控制问题，主要采用带协调层的多变量预测控制策略；推断质量控制，利用软测量的结果实现闭环的质量卡边控制。涉及到的主要控制策略有模型预测控制、推断控制、协调控制、质量卡边控制、统计过程控制，正在兴起与开发中的有模糊控制、神经控制、非线性控制和鲁棒控制。（4）先进控制的实施先进控制在实施时需要解决许多具体的工程问题，其中包括：合理地选择被控的区域，这不仅意味着系统的平稳性，更重要的是它直接决定着先进控制所能获得的经济效益；正确整定基本PID控制回路和先进控制系统，整定基本回路是为实施先进控制奠定基础，而整定先进控制则是为在动态响应与鲁棒性之间做出权衡；合理限制控制变量的变化量和变化率，保证控制系统的平稳性和对不确定因素的鲁棒性；建立先进控制的实施平台利用DCS系统的实时数据进行数学模型的建立，在DCS系统网络中的先进控制器进行数学模型和先进控制程序的编程及运行。在控制站对工艺过程实现控制。在操作站或工程师站建立良好的先进控制人机界面，确保在最常用的流程图画面上看得到先进控制的信息，便于投用、维护和操作。三、过程模型的建立先进控制或优化控制实现的基础是建立过程模型，没有被控过程的模型，就无法进行先进控制和优化控制。用于描述方程的模型由各种形式，通常都用数学方程的方法来表示，称为数学模型。生产过程模型是用来描述一个过程的输入向量（包括控制向量和扰动向量）、状态向量和输出向量（通常是被控向量）之间的数学关系式。1、过程建模原理在工业生产过程建模中，必须十分强调建模的一般原理，即质量与能量的守恒定理，因为任何工业生产过程都遵守这一自然规律。对于一个工业生产过程的动态模型，一般都由一个或多个微分方程与一个或多个代数方程组合在一起来表示。其中微分方程一般是常微分方程[ordinarydifferentialequations（o．d．e）]，有时也用偏微分方程[partialdifferentialequations©,d.e）]来表示，在工程中应用的大多数为常微分方程。工业过程的动态模型通常应用在非稳定状态下，用物料与能量的平衡关系来建立，工业过程模型中的代数关系式通常来自热力学与传递的关系，例如流体的粘度是温度的函数，传热系数是流体流速的函数等等。2、过程模型建立步骤用数学模型来模拟一个真实的工业生产过程时，首先要保证所描述的模型方程个数必须与模型的输入和输出关系相一致，这才能确保模型方程具有唯一的解，也就是说模型中的变量个数要等于独立方程个数。构建一个工业过程的模型，首先要确定模型中哪些量是可由设备尺寸、物料的物性常数等来确定的已知常数或参数；第二步是确定独立方程的输出变量，这些变量将通过求解模型微分方程和代数方程来得到；第三步确定时间函数的模型输入变量。所有这些工作是对该工业过程及环境作深入了解与分析的过程。例如过程物料的输入速率可能就是上游过程单元的输出。工业过程动态模型建立步骤如图1—1所示。

画岀建榄过程草图.标出所有过耗童量图1—1工业过程动态模型建立步骤四、先进控制技术工业化应用现代化工业生产过程日益向着大型化和连续化发展，在整个系统中，一个设备、一个装置乃至整个工厂存在着许多变量，它们之间存在着相互关联，如何在这诸多变量中求取某个合适的组合，使生产过程具有最大的收益，这就是先进控制技术工业应用的最终目的。概括起来，生产过程最优化的基本思想是争取达到优质、高产、低消耗及安全生产。因此，先进控制技术在石油化工等行业的工业化应用越来越广泛。近年来国内外很多自动化工程公司和科研院所及大学，以提高产品质量，降低原料和能耗，增加装置的经济效益为目标，对工业生产过程的先进控制技术和控制软件进行了广泛研究，许多先进控制技术已经商品化，给企业带来显著的经济效益。比如，美国Simeon公司开发的乙烯装置计算机先进控制技术软件包(OPSO)、美国Setpoint公司开发研制的多变量控制技术软件包(IDCOM),美国AspenTech公司的先进过程工程系统软件系列等。国内华东理工大学采用软测量技术开发设计的4-CBA杂质含量在线监测、酮含量在线测量等先进控制技术应用项目，实现了流程工业生产过程中介质含量的在线实时监测。北京化工大学开发的装置优化与参数整定项目是基于现代控制理论预测和内模控制的方法与PID相结合的控制器优化软件。在控制系统中采用预测-PID、内模-PID技术去优选PID参数的控制形式，使控制对象稳定、响应速度快、控制精度高，实现了装置优化运行。美国AspenTech公司在先进控制开发研制方面形成了一整套的先进过程工程系统软件，如ASPENPLUS静态过程模拟软件、ASPENDYNAMICS动态过程模拟软件、ASPENCUSTOMMODELER动态模型开发软件、ASPENPINCH系统节能软件、BATCHPLUS间歇过程模拟软件、BATCHFRAC间歇精馏模拟软件、POLYMERSPLUS聚合物过程模拟软件、SPLIT精馏系统优化软件、RATEFRAC速率型精馏塔模拟软件、B-JAC换热器设计软件、ASPENZYQAD工艺设计平台、ASPENONLINE在线实施模拟的应用工具等。AspenTech先进控制软件在石油化工行业应用十分广泛，特别是在乙烯生产装置中利用过程建模和控制器的参数整定及软测量技术的综合应用，实现了乙烯装置平稳运行，在一定的约束条件下使产量最大化、产品质量大幅度提高。Aspentech在乙烯装置先进控制的应用，主要采用Aspentech目前先进的Apollo控制器设计概念，进行控制系统结构的设计。控制方案包括两个Apollo控制器和IQ软仪表协同工作。控制器采用采用双层结构。上层为质量控制器，任务是利用氢气乙烯比和共聚单体进料比完成对于熔融指数和密度的控制。下层为产率控制器，任务是利用氢气进料，乙烯进料，母液和己烷进料等调节手段实现产率，氢气乙烯比，压力、搅拌电流、浆液浓度等变量的控制。产率控制器的目标是稳定生产，提高抗干扰能力，减少波动，在一定的约束条件下，实现产量的最大化。产率提高涉及到各方面因素有很多，同时从安全方面考虑，主要有以下因素：温度控制，压力控制，催化剂进料控制，循环气量控制，乙烯进料控制，共聚单体和氢气进料控制，浆液浓度控制，冷却换热系统，离心机电流和闪蒸罐液位控制，母液、己烷进料，母液返回比例控制，Al/Ti比控制等等。Apollo控制器闭环控制优化的原理如图1—2所示：图1—2Apollo控制器运行原理图Apollo模型预测控制系统主要核心包括预测、优化和动态控制三个阶段。预测利用过去时刻操作变量的变化量预测被控变量将来变化的轨迹即为预测模块要解决的问题。在控制器执行的每一周期，预测功能都要运行。运行分为三步：•利用当前操作变量的测量值，更新对被控变量的预测值；•将预测的被控变量的数值与当前被控变量的测量值进行对比，并进行校正（即反馈校正过程）；根据时间，平移预测数据。稳态优化Apollo稳态优化是约束条件下的多变量函数寻优问题，稳态优化分为两个阶段：根据经济性优化阶段在此阶段优化问题的目标函数可归纳：0=P-F-U式中0—目标函数；P—产品销售收入；F—原料成本；U—公用工程消耗。•可行性判断阶段根据各项经济指标，在此阶段利用线性规划或二次规划寻优原理进行目标函数的优化处理。动态控制基于过去时刻操作变量的变化量，Apollo控制器推测出被控变量在将来时刻的动态变化轨迹偏离了设定值。为了避免被控变量偏离设定值，Apollo将调整操纵变量，利用动态轨迹的镜像调节技术，实现被控变量实际变化轨迹与预测轨迹之间的残差的最小化。质量和产率两层控制器是串级关系，其中质量控制器将氢气乙烯比或共聚单体进料比的目标值写到产率控制器上，而产率控制器则调节相应的氢气进料或共聚单体进料的设定值或阀门输出来达到所要求的目标值。IQ的任务是连续的计算当前釜内的熔融指数和密度。IQ采用的是ASPENIQ推理传感器建模和实施软件包，ASPENIQ具有功能强大的离线及在线模块，它的模块化体系结构提供给用户各种灵活的方式以用于在各种集散控制系统和计算机平台上高效地开发软仪表。ASPENIQ对生产过程中的关键性质的变量是通过预测推理实现测量。IQ根据从现场读到的参数(如氢气乙烯比等)计算出当前的熔融指数，这个计算结果被送到质量控制器。质量控制器内含有氢气乙烯比对熔融指数的模型，它会根据当前的熔融指数计算出氢气乙烯比调整的方向，并把氢气乙烯比的设定值传给下层即产率控制器。由产率控制器根据当前乙烯、催化剂的进料来调整氢气达到要求的设定值oIQ可以独立工作，其计算结果可以供操作员参考，也可以同控制器一起工作，实现产品质量的闭环控制。五、先进控制技术实施平台目前，先进控制技术实施平台大多数是在DCS控制系统实现的，如HoneywellTPS系统的APP应用处理平台、横河CS3000系统的APCS高级过程控制站等。他们的特点是都具有高级运算功能和先进优化控制功能，具有与控制系统内部和外部设备通信功能，为用户和第三方开发自己的应用提供安全、标准的控制系统数据访问工具和先进控制技术应用平台。1.APP应用处理平台APP(ApplicationProcessPlatform)是Honeywell全厂一体化系统TPS中一个功能强大的，开放的应用软件平台。APP应用处理平台是基于AM的TPS节点。它又是TPS系统中基于WindowsNT的开放式应用上位机。使用开放系统的标准技术，例如分布式组成对象模型DC0M(DistributedComponentObjectModel)、对象链接和嵌入OLE(ObjectLinkingandEmbedding)、面向过程控制的对象链接和嵌入OPC(OLEforProcessControl)等，APP将AM的全部功能提升到开放式的操作环境。APP控制系统网络结构如1—3图所示。CUNLCN图CUNLCN图1—3APP控制系统网络结构图(1)APP应用处理平台硬件和软件配置APP同GUS(GlobalUserStation)全局用户操作站、PHD(ProcessHistoryDatabase)过程历史数据库等TPS系统中的节点一样，也常用双处理器结构设计,其硬件平台的配置也与GUS相同。它具有两个功能强大的处理器，即IntelXeon和LCNP4。它的操作系统为微软的WINDOWS2003服务器版。APP节点通过LCNP4直接与TPS网络进行通讯。APP软件包括：基本软件(inAPP)和可选软件。基本软件特性：•支持现有的AM的全部功能；•现有的AMcheckpoint可以转换成APP中AM端的可执行程序；•独立于Windows操作系统；•可以直接与HoneywellUniformancePHD数据库直接相连。APP开放应用软件包选项提供开放式网络中的开放式应用平台；与基本软件提供的AM功能并行处理，为网络中的基于OPC,HCI的应用提供实时TPN数据。包括的软件为：TPNServer-OPC/HCIreal-timedataserverSystemInfrastructure-Providessecurityand“systemness”FileTransfer-AllowstransferoffilesbetweenPCandTPN(2)APP应用处理平台主要功能APP的基本功能是基于AM的CL程序，除了与管理网通讯的功能外，APP可以担负高级先进控制和优化的功能，APP是一专多能。AM通信功能AM是LCN网上的节点，它能与TDC—3000系统的两种网络LCN、UCN上的所有节点进行通信。AM能够读、写TDC3000上的所有装置。AM读、写HPM的必要条件如下：a．UCN控制状态为FULLIc．AM点的输入连接状态必须是ACTIVE；b.HPM控制状态为FULLId.AM点的状态