AspenTech 流程工業(yè)自動化解決方案

美國AspenTech公司 竺建敏

1 aspenONE? 流程工業(yè)集成優(yōu)化解決方案簡述

艾斯本公司（AspenTech）作為流程工業(yè)優(yōu)化軟件的廠商，其解決方案主要用于設(shè)計和改進工廠和工藝流程、優(yōu)化生產(chǎn)操作和供應(yīng)鏈計劃。艾斯本公司aspenONE?統(tǒng)一、可擴展的流程工業(yè)解決方案套件軟件和相關(guān)咨詢服務(wù)主要應(yīng)用于石油、石化、化工、制藥以及工程公司等行業(yè)。

艾斯本公司的客戶應(yīng)用AspenTech的流程工業(yè)自動化解決方案提高了生產(chǎn)能力及生產(chǎn)效率，降低了運行成本，提高了資金的效率，降低資金的需求，從而提高了其競爭能力及盈利水平。

全球已有1500多家流程工業(yè)企業(yè)采用AspenTech的流程工業(yè)優(yōu)化軟件，這些企業(yè)涵蓋了能源行業(yè)、化工行業(yè)、制藥行業(yè)、消費品行業(yè)、電力冶金及采礦、造紙行業(yè)、生物燃料行業(yè)以及幫助設(shè)計流程工業(yè)生產(chǎn)制造工廠的工程建設(shè)企業(yè)。截止到2010年6月20日，全球最大20家石油公司中的19家，全部20家最大化工公司，及最大20家制藥企業(yè)中的15家在使用AspenTech公司的軟件。

aspenONE?流程工業(yè)集成優(yōu)化解決方案包含了我們30余年流程行業(yè)深度的專業(yè)經(jīng)驗以及生產(chǎn)制造和計劃方面的專用模型，包括計劃和調(diào)度、先進過程控制和閉環(huán)實時優(yōu)化、生產(chǎn)管理和執(zhí)行以及過程工程。

以烯烴生產(chǎn)廠商為例，烯烴生產(chǎn)廠商面臨的業(yè)務(wù)挑戰(zhàn)通常包括：（1）確保新建烯烴生產(chǎn)能力的最優(yōu)化設(shè)計，加快新建裝置投產(chǎn)；（2）采用行業(yè)最佳實踐的業(yè)務(wù)決策支持工具，及時作出最佳的業(yè)務(wù)決策，以捕捉市場變化所帶來的機遇；（3）采用先進的生產(chǎn)控制優(yōu)化解決方案，獲得生產(chǎn)優(yōu)化的最大潛力，確保競爭力；（4）采用績效評價與改進體系、遵從行業(yè)環(huán)境法規(guī)。

AspenTech的烯烴廠運營優(yōu)化自動化解決方案主要包括如圖1所示的生產(chǎn)計劃優(yōu)化(Aspen PIMS)、調(diào)度優(yōu)化(Aspen Olefins Scheduler)、閉環(huán)實時優(yōu)化(AspenPlus Optimizer)以及先進控制(Aspen DMCplus and DMCplus Composite)集成解決方案，該解決方案通過以下措施來實現(xiàn)工廠利潤的最大化：

? 在裝置的實際約束條件下優(yōu)化原料選擇和調(diào)度；

? 對產(chǎn)量、收率和能耗進行綜合考慮和平衡，優(yōu)化裝置績效，減少過程波動，實現(xiàn)最優(yōu)卡邊操作；

? 在保證生產(chǎn)在最優(yōu)水平運行的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)生產(chǎn)工作流程的標(biāo)準(zhǔn)化，確保高質(zhì)量和高收率；

? 通過優(yōu)化資產(chǎn)利用率，提高資本效率。

AspenTech在烯烴行業(yè)集成優(yōu)化解決方案的業(yè)績包括全球65%烯烴廠采用Aspen PIMS計劃排產(chǎn)工具、100多套乙烯裝置采用Aspen DMCplus和DMCplus Composite (CLP)先進控制（APC）解決方案， 40余套乙烯裝置采用AspenPlus Optimizer閉環(huán)實時優(yōu)化RTO解決方案、眾多烯烴廠商采用Aspen Olefins Scheduler調(diào)度優(yōu)化，全球95% 的乙烯廠采用AspenTech流程模擬軟件，100多個工廠 / 2000多個 用戶使用AspenTech工廠信息系統(tǒng)。

圖1 烯烴廠運營優(yōu)化解決方案

2 aspenONE? 先進控制集成解決方案

先進控制（APC）本質(zhì)上集前饋(多變量模型預(yù)測)、反饋及優(yōu)化于一體，通過減少關(guān)鍵工藝變量的波動，進而優(yōu)化工藝裝置操作，實現(xiàn)卡邊控制。APC技術(shù)采用先進的多變量控制理論和控制工程方法，以工藝裝置多變量動態(tài)數(shù)學(xué)模型及優(yōu)化控制計算為核心，以工廠上位機、DCS和網(wǎng)絡(luò)為信息載體，充分發(fā)揮常規(guī)控制系統(tǒng)DCS的潛力，保證生產(chǎn)裝置在穩(wěn)定裝置操作前提下，始終運行在最優(yōu)卡邊工藝狀態(tài)，以獲取最大挖潛增效。

aspenONE?先進控制（APC）自動化軟件解決方案，是一套功能強大、完善的集成化套件，產(chǎn)品包括多變量模型預(yù)估控制軟件DMCplus，軟儀表開發(fā)及實施軟件 Aspen IQ，多變量控制器在線監(jiān)控軟件Aspen Watch，智能化自動測試軟件Aspen SmartStep 、在線自適應(yīng)建模技術(shù)模塊Adaptive Modeling以及閉環(huán)實時優(yōu)化AspenPlus Optimizer等集成解決方案 。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前在全球范圍內(nèi)AspenTech先進控制DMCplus已有6000 多個應(yīng)用， Aspen Watch已有2900 多個應(yīng)用， Aspen SmartStep已有1800多個應(yīng)用，閉環(huán)實時優(yōu)化AspenPlus Optimizer（RTO)已有100多個應(yīng)用。

AspenTech先進控制系統(tǒng)能夠增強裝置生產(chǎn)的抗干擾能力和約束處理能力，降低生產(chǎn)的波動，充分挖掘裝置的工藝和設(shè)備能力，進而實現(xiàn)卡邊操作，得到可觀的經(jīng)濟效益回報。通過對生產(chǎn)過程中所有被控變量進行監(jiān)測和控制，DMCplus控制系統(tǒng)能夠增強生產(chǎn)的穩(wěn)定性，降低操作人員對生產(chǎn)的監(jiān)測和干預(yù)強度。艾斯本先進控制解決方案已應(yīng)用于常減壓、催化裂化、延遲焦化、連續(xù)重整、加氫裂化、加氫精制、氣體分餾、烷基化、異構(gòu)化、潤滑油等煉油裝置；乙烯、芳烴、丁二烯、苯乙烯、PTA、EOEG、甲醇、合成氨、尿素等化工裝置。此外， 對于聚合生產(chǎn)過程，AspenTech整體解決方案包括以Apollo非線性多變量預(yù)估控制為核心聚合生產(chǎn)控制技術(shù)，以及配方管理和牌號自動切換系統(tǒng)，近幾年來，AspenTech在全球范圍內(nèi)已成功地實施了70多條聚合生產(chǎn)線的先進過程控制。

AspenTech一直致力于先進控制技術(shù)的創(chuàng)新，這幾年主要技術(shù)創(chuàng)新包括：

（1）開發(fā)了子空間辨識改進算法(Subspace Identi fi cation)[1]，可同時用于多變量控制系統(tǒng)閉環(huán)模型辨識及開環(huán)模型辨識; 該增強版算法具有真正的MIMO結(jié)構(gòu)、模型收斂速度快等特點。

（2）開發(fā)了模型辨識數(shù)據(jù)預(yù)處理系統(tǒng)， 用于建模前消除手工清理數(shù)據(jù)的工作量 ， 由于采用一致的數(shù)據(jù)異常檢測和清理數(shù)據(jù)規(guī)則， 可自動清理諸如PID回路控制閥飽和、在線分析儀故障，不正常的尖峰測量值等數(shù)據(jù)， 從而提高了多變量動態(tài)控制模型建模效率。

（3）通過在智能化裝置自動測試軟件Aspen SmartStep中引入智能配對操縱變量測試， 提高了裝置測試效率及改善RGA的收斂性。

（4）通過引入多變量控制器算法中最優(yōu)穩(wěn)態(tài)目標(biāo)函數(shù)松弛機制以及操縱變量(MV)效益因子排序機制， 可更好地實現(xiàn)多變量魯棒控制。

（5）開發(fā)模型質(zhì)量分析工具， 在線確定需要重新測試及更新模型; 開發(fā)SmartAudit工具， 用于RGA分析和修復(fù)。

（6）在線自適應(yīng)建模技術(shù)-校準(zhǔn)模式（calibrate mode）。校準(zhǔn)模式新功能能在確保DMCplus多變量控制器經(jīng)濟效益的前提下，通過操縱變量MV小幅度變化， 完成用于“校準(zhǔn)模式” 下的裝置自動階躍測試；進而實現(xiàn)模型自校正。該新技術(shù)特別適合于煉油石化企業(yè)同時并行實施多套先進控制項目， 可大大減低新上APC項目實施費用，提高先進控制實施效率; 也非常適合于煉油石化企業(yè)先進控制應(yīng)用長周期運維， 進而維持基于模型預(yù)測控制的APC峰值性能，提高先進控制運維效率。

其它開發(fā)新功能還包括網(wǎng)頁瀏覽器界面上辨識模型，新辨識的模型可以直接在網(wǎng)頁瀏覽器進行控制器模擬，可以從模擬器直接部署新模型/進行控制優(yōu)化設(shè)置。基于網(wǎng)頁瀏覽器的Aspen Watch基線確定和數(shù)據(jù)切片， Aspen Watch多變量控制器性能監(jiān)控KPI庫等。

3 AspenTech在線自適應(yīng)建模技術(shù)

國內(nèi)外過程優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用實踐表明，在流程工業(yè)主要生產(chǎn)裝置上實施先進控制，對于穩(wěn)定裝置操作， 減輕操作負(fù)荷、提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高高價位產(chǎn)品收率、增加產(chǎn)量、節(jié)能降耗、進一步挖潛增效、提高控制及管理水平，提升了企業(yè)的競爭能力具有顯著的經(jīng)濟效益。

然而導(dǎo)致多變量控制器性能下降的潛在因素包括：（1）過程工藝變化， 可能會影響多變量控制器性能， 催化劑變化、換熱器結(jié)垢等也會，來模型與實際裝置之間誤差，從而影響多變量控制器性能，迫切需要在線自適應(yīng)建模；（2）經(jīng)濟性能指標(biāo)的變化， 將直接影響穩(wěn)態(tài)優(yōu)化解；如果先進控制系統(tǒng)無法識別并適應(yīng)這些變化，控制器性能將下降，控制器無法獲得潛在的最大效益；（3）員工流動性，新員工可能需要經(jīng)過大量培訓(xùn)方可理解并支持APC應(yīng)用。

一般來說，APC實施及運維最佳實踐應(yīng)具有以下特性：自動化并簡化維護工作，建立適當(dāng)?shù)幕€、使用KPI 和自動報表，持續(xù)跟蹤性能、 快速檢測性能變化、監(jiān)控控制器和模型性能KPI、使用診斷規(guī)則，來盡快找到性能下降的根本原因、快速評估問題、使用自動裝置測試，快速生成優(yōu)質(zhì)數(shù)據(jù)，以便改進模型和提高模型精度、 預(yù)先處理的規(guī)則有助于自動化數(shù)據(jù)清理任務(wù)，盡可能減少手動數(shù)據(jù)清理工作、自動生成新模型、建立模型快速評估規(guī)則、 快速評估改進模型等。圖2為AspenTech先進控制性能監(jiān)視及模型質(zhì)量評估分析、自動階躍測試、閉環(huán)辯識、在線自適應(yīng)建模集成解決方案工作流程圖[1]。

圖2 先進控制集成解決方案

3.1 校準(zhǔn)模式基本原理

AspenTech開發(fā)的在線自適應(yīng)建模技術(shù)-校準(zhǔn)模式最大優(yōu)勢在于即使在模型與實際裝置存在很大差異情況下， 通過操縱變量MV小幅度階梯狀變化來穩(wěn)定工藝過程， 從而避免LP穩(wěn)態(tài)優(yōu)化目標(biāo)值來回振蕩，避免需要MV大幅變化來換取很小經(jīng)濟指標(biāo)效益， 在線自適應(yīng)建模技術(shù)-校準(zhǔn)模式多變量魯棒控制特性能使工藝裝置可靠地運行在非常接近最優(yōu)操作點。

校準(zhǔn)模式（calibrate mode）基本原理是按照用戶定義的校準(zhǔn)比例系數(shù)（calibrate ratio，CR），對應(yīng)于相應(yīng)的最優(yōu)穩(wěn)態(tài)目標(biāo)函數(shù)松弛“等高線或等高剖面”區(qū)域，亦即操縱變量在“校準(zhǔn)模式” 下的小幅度階梯狀變化的“測試”區(qū)域（圖3藍(lán)色三角形區(qū)域內(nèi)）；其獨到之處在于先進控制引擎同時計算傳統(tǒng)意義下DMCplus穩(wěn)態(tài)線性規(guī)劃(LP) 化化目標(biāo)函數(shù)以及操縱變量穩(wěn)態(tài)目標(biāo)最小變化模式下（只考慮工藝約束控制， 不考慮經(jīng)濟性能指標(biāo)）的目標(biāo)函數(shù) ；通過比較兩個目標(biāo)函數(shù)，實現(xiàn)新穎的切換控制算法。若兩個目標(biāo)函數(shù)差值大于用戶設(shè)定校準(zhǔn)比例系數(shù)CR所對應(yīng)的允許差值ΔJtol，將按傳統(tǒng)意義下DMCplus穩(wěn)態(tài)線性規(guī)劃(LP)計算得出MV穩(wěn)態(tài)優(yōu)化目標(biāo)值及CV穩(wěn)態(tài)優(yōu)化目標(biāo)值，計算新的DMCplus動態(tài)控制、并且實施DMCplus多變量模型預(yù)測控制；反之若 ΔJ = Joptimal - Jcurrent <= ΔJtol ，兩個目標(biāo)函數(shù)差值ΔJ小于等于用戶設(shè)定CR所對應(yīng)的允許差值ΔJtol (圖3藍(lán)色三角形區(qū)域內(nèi))， 則“自動旁路”DMCplus動態(tài)控制， 實施“校準(zhǔn)模式” 下的操縱變量MV小幅階梯狀變化-自動裝置測試。綜上所述，在每一個先進控制運行周期(通常為每一分鐘)， DMCplus校準(zhǔn)模式切換控制算法可歸納如下:

（1）若 ΔJ = Joptimal - Jcurrent > ΔJtol ，閉環(huán)DMCplus控制模式， 跟蹤CV穩(wěn)態(tài)優(yōu)化目標(biāo)值， 通過DMCplus動態(tài)控制，向新的最優(yōu)穩(wěn)態(tài)優(yōu)化目標(biāo)值逼近;

（2）若ΔJ = Joptimal - Jcurrent ≤ ΔJtol，開環(huán)DMCplus控制模式， 產(chǎn)生在滿足相應(yīng)工藝及目標(biāo)函數(shù)約束條件下的自動測試信號， 即多重操縱變量MV在校準(zhǔn)模式下小幅階梯狀變化。

如圖3所示，被控變量CV1和CV2為兩個工藝約束變量，MV1和MV2為兩個操縱變量， 假定用戶設(shè)定校準(zhǔn)比例系數(shù)CR為0.1，對應(yīng)于CR 0.1的額外經(jīng)濟性指標(biāo)目標(biāo)函數(shù)約束條件為0.9 * Joptimal(等高線)，在線自適應(yīng)建模-校準(zhǔn)模式技術(shù)能確保把工藝推至藍(lán)色三角形區(qū)域內(nèi)， 也即ΔJ小于10%Joptimal。

圖3 在線自適應(yīng)建模-校準(zhǔn)模式原理示意圖

由圖4所示， 隨著校準(zhǔn)比例系數(shù)CR增加， 相應(yīng)的操縱變量MV變化幅度及被控變量CV變化幅度也隨之增加，工程師可在經(jīng)濟性能目標(biāo)函數(shù)與裝置階躍測試數(shù)據(jù)質(zhì)量之間作出優(yōu)化權(quán)衡。

圖4 校準(zhǔn)比例系數(shù)CR與操縱變量MV變化幅度及被控變量CV變化幅度示意圖

通過在“校準(zhǔn)模式”下獲得的裝置測試數(shù)據(jù)，采用AspenTech新穎的閉環(huán)子空間辨識算法， 以及數(shù)據(jù)預(yù)處理，數(shù)據(jù)自動剔除技術(shù)， 可在網(wǎng)頁瀏覽器界面上自動生成新模型， 通過可在網(wǎng)頁瀏覽器界面上在線模型質(zhì)量分析及在線模擬后， 在經(jīng)工程師確認(rèn)后可在線直接從網(wǎng)頁瀏覽器界面上在線更新多變量動態(tài)控制模型及相應(yīng)的多變量控制器，進而維持基于模型預(yù)測控制的APC峰值性能。與傳統(tǒng)裝置階躍測試相比，在線自適應(yīng)建模技術(shù)-校準(zhǔn)模式可避免在常規(guī)裝置測試過程中的產(chǎn)品質(zhì)量過剩以及對裝置可能產(chǎn)生干擾。用戶可在經(jīng)濟性能優(yōu)化指標(biāo)與裝置階躍測試的速度作出優(yōu)化權(quán)衡。該切換控制算法一方面能保持先進控制效益優(yōu)勢，另一方面又能逐步完善多變量動態(tài)控制模型精度; 由于在線DMCplus“保駕護航”， 在線自適應(yīng)建模-校準(zhǔn)模式具有使當(dāng)前被控變量(CV)運行在工藝約束限或接近于工藝約束限、能克服干擾、能按工藝上下限變化進行控制以及立即考慮前饋變量變化和線性規(guī)劃(LP) 優(yōu)化成本函數(shù)的變化，通過操縱變量MV小幅度變化完成裝置“測試”等特點。DMCplus校準(zhǔn)模式每個運行周期基于ΔJ變化相應(yīng)切換控制算法示意圖如圖5所示。此外，校準(zhǔn)模式通過引入校準(zhǔn)比例系數(shù)（最優(yōu)穩(wěn)態(tài)目標(biāo)函數(shù)松弛機制）， 可進一步實現(xiàn)多變量魯棒控制。

圖5 DMCplus校準(zhǔn)模式切換控制算法運行示意圖

綜上所述，目前 aspenONE APC運行DMCplus應(yīng)用有三種模式。（1）DMCplus控制器模式：傳統(tǒng) DMCplus 先進控制模式 ；（2）Smart Step 模式：完全忽略裝置的經(jīng)濟性指標(biāo)，時間很短的裝置階躍測試；（3）校準(zhǔn)模式： 運行在接近最優(yōu)多重工藝卡邊操作集的良性控制外加自動階躍測試，時間可能為幾個星期。

3.2 基于校準(zhǔn)模式先進控制項目實施及運維新方法

在線自適應(yīng)建模-校準(zhǔn)模式（calibrate mode）技術(shù)具有顯著優(yōu)勢，第一是通過“種子”模型的部署，可顯著減少新上APC項目實施部署費用， 用戶可高效、并行地快速實施多裝置先進控制應(yīng)用， 從而為實現(xiàn)大規(guī)模先進控制應(yīng)用推廣提供了可能性；通過對工藝裝置相關(guān)輸入變量與輸出變量關(guān)系生產(chǎn)操作歷史數(shù)據(jù)的分析或先進控制項目預(yù)測試階段數(shù)據(jù)采集，可快速建立“種子”模型，從而盡早獲得部署先進控制解決方案的效益，該模型可以不斷實現(xiàn)模型自動校準(zhǔn)及不斷完善，通過模型預(yù)測控制，實現(xiàn)先進控制對工藝裝置的卡邊操作。第二是解決了隨工藝工況、原料變化等變動帶來的模型維護工作的挑戰(zhàn)，可顯著減少先進控制維護費用， 應(yīng)用在線自適應(yīng)建模-校準(zhǔn)模式可以隨著工藝工況的變化自動校準(zhǔn)模型，使先進控制一直運行于代表實際工藝工況的最優(yōu)狀態(tài)，使用戶不必?fù)?dān)心由于無法及時維護先進控制模型，從而無法長久獲得先進控制效益的挑戰(zhàn)。第三是在線自適應(yīng)建模-校準(zhǔn)模式通過引入多變量控制器算法中最優(yōu)穩(wěn)態(tài)目標(biāo)函數(shù)松弛機制， 可更好地實現(xiàn)多變量魯棒控制。圖6為采用在線自適應(yīng)建模技術(shù)校準(zhǔn)模式APC控制器可持續(xù)效益生命周期示意圖。

圖6 APC可持續(xù)效益生命周期示意圖

aspenONE先進控制在線自適應(yīng)建模-校準(zhǔn)模式技術(shù)為實施先進控制項目和先進控制可持續(xù)效益提供了嶄新的自動化解決方法。

3.3 先進控制技術(shù)未來的發(fā)展方向

先進控制技術(shù)未來的發(fā)展方向包括針對工藝動態(tài)特性變化的在線自適應(yīng)多變量控制、精確機理模型及閉環(huán)實時優(yōu)化(RTO)與先進控制(APC)更緊密相結(jié)合實現(xiàn)裝置的卓越運營。開發(fā)含線性、非線性、軟儀表、先進控制性能監(jiān)控、智能自動測試、自適應(yīng)建模和精確機理模型及閉環(huán)實時優(yōu)化等集成平臺， 以及開發(fā)適合于間歇過程的多變量控制系統(tǒng)等。

[1] Hong Zhao, Michael Harmse, Quinn Zheng, John Campbell. Improved Closed-Loop Subspace Identi fi cation Technology For Adaptive Modeling and APC Sustained Value, April 1-5, 2012 AIChE Spring Meeting, Houston, Texas.

[2] AspenTech, APC Technology and Innovation Forum, August 30, 2012,Beijing, China.

[3] Jack Adair, and Allan Tremblay. Valero Energy Corporation, Experiences with Aspen DMCplus Calibrate Mode, AspenTech ACO WUG meeting, August 2012, Houston, Texas.