石化生产装置先进控制,技术应用,石化生产装置先进控制,概述,先进控制（,APC-Advanced Process Control,）是采用多变量预测及优化技术、基于过程动态数学模型、与常规控制相结合的新型工业控制系统；,实施先进控制，装置被控变量偏差降低、抗干扰能力增强、操作更加平稳，发挥装置最大潜能，提高产品收率和质量，能耗及物耗降低；,Exxon Mobil,、,Shell,、,BP Amoco,等国外著名石油石化公司早在,80,90,年代就在生产装置上普及了先进控制技术的应用；,概述先进控制（APC-Advanced Process Co,概述,中国石化从,1996,年进行先进控制项目试点和推广工作，第一批包括常减压、催化裂化、聚丙烯共,12,套装置。而后在总部统一组织和领导下，较大规模地推广先进控制技术的应用，在常减压、催化裂化、焦化、重整、加氢裂化、气分、芳烃、乙烯、,PTA,、聚丙烯、聚乙烯等,100,多套装置上实施了,APC;,建好、用好,APC,是一项涉及装置工艺、设备、基础仪表、控制技术、岗位与考核、操作人员、维护机制等诸多方面的系统工程。概括五大关键要素：实施条件、控制技术、实施方法、岗位与考核、长期维护机制。,概述中国石化从1996年进行先进控制项目试点和推广工作，第一,实施条件,先进控制技术,实施方法,岗位与考核,长期维护机制,概述,建好、用好,APC,的五个要素,实施条件先进控制技术实施方法岗位与考核长期维护机制概述建好、,目录,实施条件,先进控制技术,实施方法,岗位及考核,长期维护机制,目录实施条件,生产装置工艺技术成熟，设备稳定且故障率较低；,PID,常规控制回路设计和,PID,参数整定合理，特别是与,APC,紧密关联的,PID,控制回路，其自控（,Auto,）投用率较高；,各检测仪表完好率、准确率较高，调节阀调节灵敏并工作在有效工作范围内；,DCS,系统,CPU,、内存及外部存储设备有充裕容量，可以安全部署,APC,控制器及其操作界面，满足其运行速度。当,APC,部署在,DCS,上位机上，其接口通讯软件与硬件成熟，并且可以长期、安全可靠运行。,实施条件,生产装置工艺技术成熟，设备稳定且故障率较低；实施条件,目录,实施条件,先进控制技术,实施方法,岗位及考核,长期维护机制,目录实施条件,OPT/APC/PID,控制总体架构,装置优化控制（,OPT,）通常是建立全过程严格模型，优化各操作条件，控制频率通常为小时级；,先进控制与常规控制串级，实现多个被控变量的稳定与优化控制，控制频率通常为分钟级；,PID,常规控制实现单回路的给定点控制，控制频率较快，通常为秒级。,OPT/APC/PID控制总体架构装置优化控制（OPT）通常,先进控制架构,先进控制架构,多变量预测模型,建立多个被控变量（,CV,：,Controlled Variable,）与多个操作变量（,MV,：,Manipulated Variable,）的动态矩阵过程模型；,模型可以是状态方程、传递函数，或者是阶跃响应、脉冲响应等非参数模型；,模型建立采取系统辨识技术，需要在装置上做扰动试验。试验幅度影响模型精度、生产安全，因此，需要,APC,实施专家认真设计试验，在装置负责人确认下稳步进行；,避免扰动试验，建立动态数学模型，或者采取更先进辨识技术，充分利用日常操作提降量机会和信息，识别,CVs,与,MVs,之间的关系。,多变量预测模型建立多个被控变量（CV：Controlled,软仪表技术,一些被控变量很难测量，如：反应深度、熔融指数、浆液浓度等，或可通过在线分析仪测量，但维护工作艰巨，较难保证长期良好运行，即便运行很好，测量与分析时间也在,30-40,分钟，很难满足,APC,的控制要求。因此，这些被控变量通常采用软仪表技术，通过建立关联模型，进行计算而快速得到；,两大技术路线：第一种是通过反应动力学、热平衡、物料平衡，建立机理模型或简化严格模型，可以是静态模型加动态补偿，或直接建立基于状态方程的动态观测模型；第二种是黑箱建模方法，通过大量历史数据和统计分析，构建相关模型。需要强调的是这两种方法都需要不断地用真实数据进行校正。,软仪表技术一些被控变量很难测量，如：反应深度、熔融指数、浆液,软仪表技术,软仪表技术,软仪表在线校正技巧,PI,调节器,Value_Bias,SP=0,软仪表计算值,化验分析值,校正值（,Value_Bias,）,=,(1-W)*,上一次的校正值（,Value_Bias,）,+W,*,调节器输出（,OP,）；,0,W0.5,校正后软仪表值（,Calculated_Value_Biased,）,=,G,*,软仪表值,+,校正值,（,Value_Bias,）；一般地，0.7,G1.0,(1-W)*Bias,W1,W,*,OP,软仪表在线校正技巧Value_BiasSP=0软仪表计算,软仪表技术,第一种方法比较复杂、难度大，但适应范围广；第二种方法相对简单、容易实现。第二种方法用到数学算法如下：,回归（,Regression,）分析及部分最小二乘算法（,PLS,）,模糊数学（,Fuzzy,）,人工神经元网络（,ANN,，,Artificial Neural Network,）,遗传算法（,GA,，,Genetic Algorithms,）,软仪表技术第一种方法比较复杂、难度大，但适应范围广；第二种方,多变量控制技术,多变量控制技术,多变量控制技术,APC,控制策略需要针对工艺过程运行现状、特点和问题，设计出真正解决装置实际问题的控制器。需要深入了解工艺、实际装置运行和操作情况，科学设计被控变量（,CVs,）、操作变量（,MVs,）和可测干扰变量（,DV,）。通常原则：一个,CV,至少要有一个,MV,与之相关；,CV,之间可平行，但应尽量少；,MV,之间一定不能平行和相关；,APC,控制器比,PID,调节器要复杂，有很多参数需要调整，操作员与,APC,工程师应深刻理解其含义，并根据实际工况及时调整。,多变量控制技术APC控制策略需要针对工艺过程运行现状、特点和,多变量控制技术,介绍,APC,控制器几个重要参数：,控制性能比,=,闭环响应时间,/,开环响应时间，在,0,1,之间，越小则,APC,控制器响应速度越快，对模型的精度要求也就越高；,被控变量参数有：线性优化系数和二次优化系数个数，越大则迭代计算速度越慢；,CV,理想值；,CV,软约束下限值；,CV,软约束上限值；,CV,下限权重值；,CV,上限权重值；,CV,下限斜坡约束值；,CV,上限斜坡约束等；,操作变量参数有：优化参数类似,CV,，同时，还有,MV,最大的减少量（,Max Move Down,）；,MV,最大的增加量（,Max Move Up,）；,MV,权重（,Weight,）；设置,MV,操作选择（,Man MV Action,）等。,多变量控制技术介绍APC控制器几个重要参数：,非线性控制技术,在一些化工装置中，如：,PP,、,PE,装置，产品牌号多变，过程增益变化频繁，存在明显非线性特性，为此，,AspenTech,公司开发了,Appolo,非线性控制器，,Honeywell,公司则使用,NOVA,技术，开发了,NLC,控制器，它们皆在,PP,、,PE,等装置上使用，取得良好效果。,非线性控制技术在一些化工装置中，如：PP、PE装置，产品牌号,目录,实施条件,先进控制技术,实施方法,岗位及考核,长期维护机制,目录实施条件,实施方法,实施方法,实施方法,初审及预测试,：通常在实施,APC,前，,APC,工程师对装置进行全面考察，对工艺流程及特点、装置运行情况、生产瓶颈、各种约束、基础仪表、,DCS,及,PID,自控投用率全面了解和审查，做到心中有数。在工艺负责人确认和指导下，进行有针对性的预测试，发现装置哪些关键,CV,偏差波动大和大致范围，为后面,APC,控制策略设计打下基础。,开工会：,通常由工厂负责生产领导、装置负责人、仪表与自控工程师、,APC,实施专家等各方人员参加的正式开工会。内容主要是确立,APC,的实施目标，制定详细的工作计划，确定各自分工和责任。开工会实质上是一个确立目标、组织落实、分工明确的重要会议。,实施方法初审及预测试：通常在实施APC前，APC工程师对装置,实施方法,初步控制策略设计：,在上述两个阶段完成基础上，与工厂工艺、自控人员针对本厂装置特点，进行,APC,控制策略设计，确立,CV,、,MV,、,DV,和软仪表方案，以达到开工会确立的目标。,辨识试验及详细设计：,确立控制策略后，进行模型辨识试验，首先要结合装置特点和辨识理论精心设计试验，平衡少影响装置与高幅值则可获得高质量模型之间的矛盾。试验必须在生产装置负责人、操作班长确认和严格指导下进行。尽量利用有价值的历史数据，同时，确立不可测,CV,的软仪表计算和校正方案。对辨识结果要结合工艺情况认真分析，排除不符合工艺逻辑和切实没有关联的子模型。多变量预测模型确定后，对,APC,控制器进行组态，经过离线仿真，直到控制器参数调节到最佳。,实施方法初步控制策略设计：在上述两个阶段完成基础上，与工厂工,实施方法,工厂接受测试（,FAT,）：,APC,离线设计和仿真完成后，在上线前，必须召开正式工厂接受测试（,FAT,）会，请装置工艺负责人、工艺及自控工程师、操作人员等全面观摩和审核,APC,的离线仿真结果，听取设计介绍，提出明确意见。如果差距较大，必须返回到设计阶段，重新设计、辨识和进行,APC,控制器组态，这种不断反馈式的迭代实施方法，可以保证,APC,实施质量，避免后面更大的返工。,APC,实施专家在确信装置负责人没有异议后，方可进入安装与上线调试阶段。,现场安装及调试：,APC,现场安装和调试是个漫长的过程，这主要是,APC,实施专家必须确认基础条件已得到改善，装置已具备了上线条件。如：基础仪表改造完成，,DCS,、接口、上位机皆具备上线条件。特别是,APC,要串级的,PID,常规回路的自控投用率必须提高。,APC,调试是多次进行，有时甚至需要重新做辨识试验，更新模型，总之，必须达到开工会既定的目标，取得实效。,实施方法工厂接受测试（FAT）：APC离线设计和仿真完成后，,实施方法,试运行：,通常,APC,在验收前要经过一段的试运行，考察,APC,投用率和运行效果。通常时间为,3,个月，以便积累一定的生产数据，计算,APC,投用后各,CV,的标准方差（,Standard Deviation,）和减低的幅度，以及通过优化和卡边操作所取得的经济效益。,验收及移交运维：,上述工作完成后，正式召开,APC,验收会，除肯定成绩外，最重要的工作是落实,APC,的长期维护，确立,APC,工程师岗位和职责，确立本地维护和远程服务支持方案，确保,APC,长周期运行，做到效益持续保持（,Sustained Benefit,），这一点非常重要。,实施方法试运行：通常APC在验收前要经过一段的试运行，考察A,目录,实施条件,先进控制技术,实施方法,岗位及考核,长期维护机制,目录实施条件,岗位与考核,保持,APC,长期、有效运行，必须从组织、管理体制上给予保障，,APC,运行必须纳入日常操作日志和达标考核；,企业要设置,APC,工程师，负责日常,APC,维护和有关参数调整，,APC,投用率及性能与,APC,工程师岗位的绩效（,KPI,）考核挂钩；,APC,投用率计算为：,APC,投用率,=T_apc,（,APC,运行时间）,/T_plant,（装置运行时间）；关键被控（,CVs,）和操作变量（,MVs,）的投用率计算为：,CV_MV_online(,被控变量或操作变量投用率,)=T_cv_or_mv /T_apc,APC,投用率,评价,80%,100%,较好投用率,60%,80%,一般,50%,以下,投用率差,岗位与考核保持APC长期、有效运行，必须从组织、管理体制上给,同等百分数超限计算,APC,经济效益,同等百分数超限计算APC经济效益,同等百分数超限计算,APC,经济效益,计算步骤如