APC系統在化工裝置中的應用

王曉光(陜煤集團榆林化學有限責任公司，陜西 榆林 719000)

0 引言

利用先進控制軟件APC對各裝置實施先進控制，提高各生產裝置的綜合自動化水平，降低操作勞動強度；全面提升裝置的抗干擾能力，改善主要工藝指標的平穩性；實現各生產裝置的精細化控制，克服負荷波動干擾，改善反應、分離效果，穩定產品品質，確保排放氣達標，滿足環保要求；通過“卡邊”優化，提高裝置目標產品的收率，降低裝置單位產品的物耗、能耗；真正實現“安、穩、長、滿、優”運行。

1 APC系統簡述

隨著過程工業日益走向大型化、集成化、連續化、復雜化，對過程控制的品質提出了更高的要求，控制的目標已不再局限于對某一個變量，或幾個變量的平穩操作，而是越來越多地加入了以經濟效益為代表的其他控制要求，然而傳統的以單變量技術為基礎的控制技術已無法滿足這些需求。在這種大的背景下，較為先進或高級控制系統積極開發和普及應用成為必然趨勢。

高級過程控制(advanced process control，APC)，同優化控制系統，其主要通過對被控對象運行過程中產生的大量實時數據、歷史數據進行數據挖掘與分析，建立系統運行模型，利用系統模型進行多變量實時優化控制。APC以集散控制系統(DCS)硬件和軟件為基礎平臺。

APC軟件的核心部件主要多變量模型辨識、多變量預測控制、智能軟測量三部分組成。

2 在裝置中的主要應用

裝置采用國產化APC控制系統，先進控制軟件集先進控制平臺APC-iSYS、多變量預測控制軟件APC-Adcon、智能軟測量軟件APC-Sensor和在線性能監測與評估軟件APC-Watch為一體。所有優化控制軟件均基于統一的先進控制平臺，通過軟件不同組合方式，滿足企業各類裝置的優化控制需求。

APC先進控制在項目中主要應用包括：空分、氣化爐、凈化、H2/CO分離、乙二醇、、懸浮床加氫裝置。

各裝置先進控制目標如下：(1)提高主裝置綜合自動化水平，降低操作勞動強度。(2)提高主裝置運行平穩性，各關鍵工藝參數的標準偏差降低30%以上。(3)在滿足工藝安全約束條件下，穩定產品組成，并基于平穩操作，“卡邊”優化相關工藝參數，挖掘裝置潛力，提高產品效率。(4)實現精細化控制，克服負荷波動干擾，保證氣化效果。(5)先進控制系統的投用率達到95%以上。(6)增加利潤空間，同時提高安全和環保操作。

先進控制軟件包由一系列用于基礎自動化、先進控制和控制性能監控的軟件構成，涵蓋了從DCS基礎控制回路到生產裝置等多個層面需求的優化控制軟件產品，包括：用于多變量過程的多變量預測控制軟件、用于提高質量在線預測的智能軟測量軟件、用于先進控制系統性能維護的APC性能監控軟件及用于實現特殊控制需求的自定義控制器軟件，所有優化控制軟件均基于統一的先進控制平臺，通過軟件不同組合方式，滿足各裝置的優化控制目標[1]。

3 APC應用的特點

3.1 全面性

APC-Suite產品提供了特有的圖形化組態工具，支持高級語言編程，通過二次開發，提供各種智能控制策略以及復雜邏輯控制、事件型干擾處理和設備性能監控等先進控制輔助功能提供了有效的實現平臺。模型辨識軟件支持多種數據導入方式，包括Excel模板數據整體導入、文本文件導入、直接從實時數據庫導入等。先進控制軟件支持OPC通訊協議，并提供基于OPC協議的OPC服務器接口，便于第三方軟件訪問。

3.2 易集成

軟件集優化、控制為一體。多變量預測控制技術采用雙層結構多變量預測控制技術，上層穩態優化層以線性優化、二次優化為基礎，求解過程最優穩態目標，下層動態控制層以動態矩陣控制為核心，將過程逐步推向最優穩態目標。穩態優化層主要實現：以MV、CV卡邊優化為目標的經濟自優化，以及MV、CV設定點為目標的設定點跟蹤，并通過優先級技術對控制系統多目標進行協調。該經濟自優化行為，可根據相關變量經濟價值、成本信息自動優化計算出MV、CV的最優卡邊目標，完成單個子系統的優化控制。

3.3 開放性

先進控制軟件具有良好的開放性和整合能力，提供多種方式與第三方軟件交互，支持OLE接口、API接口。流程模擬軟件(如：Aspen Plus、PROII等)和先進控制軟件均支持與微軟EXCEL進行數據交互，從而實現先進控制軟件與大部分流程模擬軟件直接集成。為現場工程師提供開放的軟件環境，具有模塊化、開放性的數據平臺，可以結合工藝、控制、優化等相關的經驗，通過編寫腳本的方式，對回路進行測試，并利用先控平臺軟件對開放的功能塊進行自定義開發維護；可以選擇性的對模型進行更新或對控制器參數進行調整，方便APC系統投用后的持續改進和運維[2]。

3.4 易用性

APC系統具有良好的易用性，先控實施人員在DCS上制作先進控制畫面，現場操作人員主要在操作畫面上對先控系統進行操作，先進控制畫面主要以表格形式集中了先進控制系統相關的信息，便于操作人員對先進控制系統進行查閱與操作，操作人員能通過以上操作界面調整先進控制系統各種狀態，以適應裝置運行狀況的改變。

3.5 性能監控與診斷

用于先進控制系統性能維護的APC性能監控軟件APCCPA，能夠根據需求設置的評估目標(方差、標準差、累加和、求和等)，按預設評估周期(日、周、月、年)進行統計分析，生成評估報告，提供建議的解決方案，監控控制器狀態，模型KPI，并通過Web頁面、郵件等形式進行發布；軟件能自動監控控制器相關回路控制及通信接口性能，當性能偏離預設范圍、通信異常、工況變化時，通過報警、郵件形式進行告知。確保項目投用后系統能夠始終處于良好的監控、健康運行狀態。

4 技術優勢

4.1 自適應控制和建模

通過APC監控軟件監控APC的實施性能；性能下降時，自動提醒將控制器切換至自動測試模式，該模式下，控制器能保證基本控制性能，同時控制器將根據當前過程約束條件，優化生成最優測試信號，并予以實施。當測試要求滿足時，控制器將自動停止測試，并能方便切換至控制模式。利用該測試數據，可辨識得到控制器模型，并選擇下載至控制器中，完成控制器整定過程。

4.2 可視界面

支持可視化多變量控制器多優化目標處理，軟件通過矩陣型優化目標排布方式進行展示，可清晰、直觀、便捷地進行操作變量與被控變量約束邊界、設定點目標配置，提高控制器設計的快速性與準確性。

4.3 全局優化

高效的線性優化技術能夠全方位地對上下游工藝裝置進行全局優化，將上下游各裝置控制器約束條件納入全局優化。各控制器之間通過組合控制器配置方式，進行控制器級聯，實現全局優化與上下游控制器之間的相容性，實現全局優化效益。

4.4 軟測量模塊

APC-Sensor智能軟測量以神經網絡、工藝機理建模等技術方法為核心，集數據預處理、輔助變量選擇、離線建模與仿真、在線運行等功能為一體，是生產操作和先進控制的重要輔助軟件，可提供以下功能：提供生產過程關鍵工藝參數及時、可靠和準確的計算值；提供煉油、化工過程特定工藝對象的機理計算模型；提供數據驅動、機理模型及數據驅動與機理模型相結合的模型；采用獨特的在線模型滾動校正和化驗室數據偏差校正的雙重校正技術，提高在線預測精度。

4.5 自定義管理

用于先進控制系統性能監控與維護的APC性能監控軟件APC-CPA，提供一些標準的實時數據表格、定期或不定期的數據報表、運行參數趨勢圖、不同時間段的數據統計及對比等功能，只需要配置相應的位號，及設置相應的參數。當軟件提供的標準模塊不能滿足操作需求時，通過自行無限制且便利的開發、組態的方式，并通過參數組態，從而實現對裝置管理的特殊需求。APC-CPA軟件能與先進控制平臺APC-iSYS、實時數據庫無縫連接，實現在線運行，使先進控制系統與實際生產控制需求結合更加緊密。結合對裝置管理的要求，實現自定義的管理目標，從而延伸先進控制的管理功能。

4.6 等級劃分

通過可視化方式進行控制器內部控制結構劃分，實現控制器內部結構解耦，避免因為變量誤差權重大小設置不合理引起的變量解耦不徹底問題。通過這種處理，參數設置變得簡單，控制效果更佳平穩。支持控制單元優先級排序，可將不同MV按重要性進行排序，實現MV等級劃分，提高控制的精細程度，更好的滿足控制需求。

4.7 安全性

APC-Security先進控制權限管理軟件以崗位權限為權限管理模型，以遠程和本地驗證模式，實現對操作系統與先進控制、優化控制、性能監控等系統的操作權限驗證。

先進控制軟件充分考慮了系統安全性，在先進控制服務器端，先進控制系統監控每個先進控制器狀態，當先進控制器出現異常，先進控制系統將根據嚴重程度采取措施，停止先進控制器運行或將異常部分切除先進控制；先進控制器服務器出現故障時，當服務器未在既定時間內恢復(看門狗時間)，APC軟件開關自動切除，并自動將控制權移交至DCS側，并對回路操作點進行跟蹤；如果服務器故障恢復，控制器將自動通過熱啟動方式，預測被控對象的未來行為，并計算出正確的控制動作，實現APC與常規回路間的無擾切換。

在DCS端，通過建立通訊安全保護邏輯和控制回路安全保護邏輯。當先進控制服務器出現異?；蚬收蠒r，通訊安全邏輯自動切除先進控制，將回路控制權從APC控制模式自動切換到DCS操作員控制模式，并給出報警提示；控制回路安全保護邏輯實時監視回路投運狀態及優化控制狀態，當出現先進控制器輸出量不合理、回路狀態異?；虿粷M足投運條件時，邏輯程序切除回路的先進控制，將控制權從APC控制模式自動切換到DCS操作員控制模式，并給出報警提示便于操作人員及時處理。

5 結語

APC優化進控制系統在處于實施階段，在部分裝置上已取得了一定的應用效果，提高了裝置的穩定性，減輕了操作強度，做到卡邊優化。但是因為工藝復雜、開發難度大等諸多原因，先過控制的優化、效益的提升需要長期積累，需長時間多方人員參與和支持，才能真正做優化控制，節以高效，為企業的挖潛增效做出貢獻。