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作者：王立國，山東�；煞萦邢薰炯儔A廠 發(fā)表時(shí)間：2007-03-05
在介紹基于模型預(yù)測控制策略的先進(jìn)控制軟件包APC-Adcon的實(shí)現(xiàn)原理、基本框架和特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，給出了該先進(jìn)控制軟件在山東海化股份有限公司純堿廠的實(shí)際應(yīng)用情況。
先進(jìn)控制是現(xiàn)代流程工業(yè)生產(chǎn)過程中最重要的自動化技術(shù)之一。采用先進(jìn)控制，可以解決常規(guī)控制中不能解決的各種難題，以滿足人們對生產(chǎn)過程的安全、高效、優(yōu)質(zhì)、低耗的要求，使用戶以較小的投入獲得較大的經(jīng)濟(jì)效益。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，先進(jìn)控制軟件包在全球范圍內(nèi)已有6000套以上的應(yīng)用，國外的著名供應(yīng)商正在加緊搶占國內(nèi)的先進(jìn)控制市場。國內(nèi)的許多高校、研究機(jī)構(gòu)和大型石化企業(yè)自上世紀(jì)80年末開始研究并實(shí)踐先進(jìn)控制技術(shù)，在一些復(fù)雜工業(yè)過程上取得了應(yīng)用成果并積累相關(guān)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。浙江中控軟件技術(shù)有限公司所研發(fā)的高級多變量魯棒預(yù)測控制軟件APC-Adcon是國內(nèi)具有較大影響力的先進(jìn)控制軟件包，已在大型煉油、石化和化工裝置中成功應(yīng)用40多套。
圖1：APC-Adcon 先進(jìn)控制軟件結(jié)構(gòu)原理
純堿即碳酸鈉（Na 2CO 3），是重要的基本工業(yè)原料，被稱為“化工之母”，其產(chǎn)量和消費(fèi)量通常被作為衡量一個(gè)國家工業(yè)發(fā)展水平的標(biāo)志之一。山東�；煞萦邢薰炯儔A廠是目前國內(nèi)最大的純堿生產(chǎn)企業(yè)，生產(chǎn)崗位全部實(shí)現(xiàn)了DCS控制。由于純堿生產(chǎn)過程工藝流程長，連續(xù)性強(qiáng)，而且處理的物料為氣、液、固三相物質(zhì)，部分裝置如 碳化塔、石灰窯等具有較強(qiáng)的變量關(guān)聯(lián)和耦合特性，常規(guī)的單變量控制難以有效地解決這類復(fù)雜工業(yè)過程控制問題。 我廠于2004年6月通過招標(biāo)，在國內(nèi)外眾多供應(yīng)商中選擇“浙大中控”的APC-Adcon先進(jìn)控制產(chǎn)品，雙方共同合作在國內(nèi)純堿裝置上實(shí)施了第一個(gè)先進(jìn)控制項(xiàng)目，經(jīng)過近1年的努力，項(xiàng)目組結(jié)合純堿生產(chǎn)裝置的生產(chǎn)工藝特點(diǎn)和實(shí)際的工藝操作經(jīng)驗(yàn)，開發(fā)了純堿裝置先進(jìn)控制 系統(tǒng)，提高了裝置操作平穩(wěn)性和控制性能，降低了能耗，減少了操作人員的勞動強(qiáng)度。先進(jìn)控制技術(shù)極大地提升了純堿生產(chǎn)過程控制效果，引起了純堿行業(yè)和社會各界的廣泛關(guān)注。 先進(jìn)控制軟件包體系結(jié)構(gòu)
高級多變量預(yù)測控制軟件包APC-Adcon是浙江中控軟件技術(shù)有限公司開發(fā)的面向工業(yè)過程的多變量預(yù)測控制軟件包，特別適合于需要采用多種控制策略和控制結(jié)構(gòu)的復(fù)雜多變量過程。它可以方便的集成到任何DCS或PLC控制系統(tǒng)中工作。其基本功能是：在被控變量和操縱變量滿足位置和速度硬約束的前提下，每個(gè)被控變量可以按照指定的閉環(huán)性能達(dá)到設(shè)定值；對可測擾動實(shí)現(xiàn)前饋控制；可完成局部優(yōu)化等。APC-Adcon還充分考慮了實(shí)際控制系統(tǒng)中的各種要求，可以集成各種專家智能控制策略，進(jìn)一步保證了控制性能和控制系統(tǒng)魯棒性。 APC-Adcon在結(jié)構(gòu)體系上采用先進(jìn)的分布式多層組件化應(yīng)用體系，提供分布式軟件結(jié)構(gòu)和分布式應(yīng)用結(jié)構(gòu)，基于COM的組件化先進(jìn)控制軟件的結(jié)構(gòu)如圖1所示。 從圖1可以看出，先進(jìn)控制器的每一個(gè)功能模塊作為控制器的標(biāo)準(zhǔn)件，分別包裝不同的先進(jìn)控制算法和功能，且與程序設(shè)計(jì)語言無關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)即插即用。組件化框架不僅簡化了編程，而且極大增加了軟件的穩(wěn)定性。 APC-Adcon采用的控制結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的可操作性，可以是固定的，也可以由用戶在線修改。APC-Adcon控制器結(jié)構(gòu)如圖2所示。 
圖2：APC-Adcon 控制器結(jié)構(gòu)
控制器結(jié)構(gòu)中包括如下描述： 1）操縱變量 ■約束：最小、最大和速度 ■理想滯留值（IRV）：數(shù)值和趨向IRV值的速率 ■最大化（或最小化）：數(shù)值和趨向最大（或最�。┲档乃俾� 2）被控變量（輔助變量） ■約束：最小、最大和速度 ■設(shè)定值控制：閉環(huán)時(shí)間響應(yīng) ■區(qū)域設(shè)定值控制：設(shè)定值區(qū)域邊界，邊界內(nèi)及邊界外閉環(huán)時(shí)間響應(yīng) ■理想滯留值（IRV）：數(shù)值和趨向IRV值的速率 ■最大化（或最小化）：數(shù)值和趨向最大（或最�。┲档乃俾� 3）容錯(cuò)控制功能 不同的工作條件及操作模式下控制目標(biāo)可能不同，各種變量的具體要求也可能不同。當(dāng)傳感器或執(zhí)行器失效，控制對象將發(fā)生改變。對于這種意外情況，APC-Adcon提供安全的解決方案，包括：改變被控變量和操縱變量集，實(shí)時(shí)調(diào)度控制結(jié)構(gòu)等。 APC-Adcon在山東海化純堿生產(chǎn)過程中的應(yīng)用
工藝流程簡介
山東�；儔A廠采用氨堿法制堿，其工藝原理是將原鹽精制成飽和鹽水后，吸氨形成氨鹽水，氨鹽水與煅燒石灰石產(chǎn)生的二氧化碳?xì)庠谇逑此䞍?nèi)反應(yīng)生成預(yù)碳化液，預(yù)碳化液在碳化塔內(nèi)與高濃度的CO2氣進(jìn)行碳酸化反應(yīng)（俗稱碳化）生成的碳酸氫鈉懸浮液，經(jīng)過濾得到的碳酸氫鈉結(jié)晶在煅燒爐內(nèi)煅燒獲得純堿產(chǎn)品和高濃度CO2氣，CO2氣經(jīng)冷卻、壓縮后通入碳化塔參與碳化反應(yīng)。把濾去碳酸氫鈉的制堿母液加熱蒸餾回收其中的氨。氨堿法生產(chǎn)工藝的主要工序有：化鹽和鹽水精制、氨鹽水的制備、碳化和重堿過濾、重堿的煅燒、氨的回收以及石灰石的煅燒等。 目前，我廠純堿裝置的各 生產(chǎn)工序已全部實(shí)現(xiàn)了DCS 控制，因此生產(chǎn)效率明顯提高，產(chǎn)品次品率大大降低。但常規(guī)的單回路控制不能很好的適應(yīng)純堿生產(chǎn)過程的一些復(fù)雜特性，例如：純堿生產(chǎn)的核心單元—— 碳化工序，該工序包括多個(gè)碳化塔組，每個(gè)碳化塔不僅具有“制堿”和“清洗”兩種運(yùn)行狀態(tài)，而且隨制堿周期的不同具有時(shí)變性，存在著大純滯后、多變量關(guān)聯(lián)和耦合特性，塔底壓力、出堿液溫度、中部溫度分布等重要工藝過程參數(shù)需要操作人員手動控制。另外，碳化生產(chǎn)所需的下段氣、中段氣、清洗氣總流量和壓力主要依靠人工聯(lián)系調(diào)整，存在調(diào)節(jié)不及時(shí)、調(diào)節(jié)幅度不合適等問題，因此碳化生產(chǎn)過程的運(yùn)行參數(shù)和產(chǎn)品質(zhì)量得不到保證，勞動強(qiáng)度大，消耗高。 為進(jìn)一步提高自動化控制水平，山東�；儔A廠選擇純堿裝置的重要工序——石灰窯工序、碳化工序、壓縮工序?qū)嵤┝?A title=先進(jìn) > 先進(jìn)控制與優(yōu)化。 先進(jìn)控制與優(yōu)化方案
先進(jìn)控制 系統(tǒng)的總體框架如圖3所示。 
圖3：先進(jìn)控制系統(tǒng)總體框架
先進(jìn)控制系統(tǒng)首先針對上述三個(gè)工序分別設(shè)計(jì)了獨(dú)立的APC-Adcon子
控制器以滿足這些工序平穩(wěn)控制的要求，其中，碳化工序子控制器以預(yù)測控制策略為核心，用APC-Adcon的標(biāo)準(zhǔn)算法實(shí)現(xiàn)整個(gè)工序2組14座碳化塔兩種工作模式“制堿”和“清洗”過程的平穩(wěn)控制以及產(chǎn)量與質(zhì)量的協(xié)調(diào)優(yōu)化；石灰工序子控制器將預(yù)測控制策略和智能控制策略相結(jié)合，在APC-Adcon標(biāo)準(zhǔn)算法的基礎(chǔ)上增加自定義控制算法實(shí)現(xiàn)了過程控制和機(jī)電控制有效結(jié)合，既穩(wěn)定了石灰窯出灰溫度，又實(shí)現(xiàn)石灰窯自動出灰、自動配料等功能；壓縮工序子控制器則在壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速自動控制的基礎(chǔ)上，按照碳化工序?qū)嶋H生產(chǎn)對清洗氣、中段氣、下段氣總流量的需求實(shí)時(shí)改變壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)壓縮工序的優(yōu)化。各個(gè)子控制器之間的聯(lián)系通過物料平衡、工藝計(jì)算等來體現(xiàn)。針對裝置的特殊要求，基于智能控制技術(shù)為石灰窯、碳化塔和壓縮機(jī)裝置制定了特殊的控制和優(yōu)化策略。
通過先進(jìn)控制技術(shù)的應(yīng)用，碳化塔中部溫度、碳化塔塔底壓力、碳化塔出堿溫度和石灰窯出灰溫度等主要工藝參數(shù)得到了有效控制，提高工藝操作的平穩(wěn)性；在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了石灰窯、碳化塔和壓縮機(jī)的生產(chǎn)負(fù)荷分配和工況平衡等優(yōu)化控制。
先進(jìn)控制系統(tǒng)通訊實(shí)現(xiàn)
山東�；儔A廠純堿生產(chǎn)裝置先進(jìn)控制系統(tǒng)是在Siemens PCS7集散控制系統(tǒng)平臺上實(shí)施的，先進(jìn)控制軟件APC-Adcon運(yùn)行于DCS系統(tǒng)的上位機(jī)上，并以配套的先進(jìn)控制軟件平臺ESP-iSYS-A作為支撐。ESP-iSYS-A可以以客戶端方式與DCS系統(tǒng)WinCC軟件的OPC Server實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向通訊，從而保證先進(jìn)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成和實(shí)時(shí)控制。
應(yīng)用效果
下面簡要說明純堿生產(chǎn)過程三個(gè)先進(jìn)控制子系統(tǒng)投用前后控制效果對比。
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a) 先進(jìn)控制系統(tǒng)投運(yùn)前
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圖4：石灰窯窯底溫度控制效果
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圖5：碳化塔塔底壓力控制效果
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圖6：壓縮機(jī)中段氣流量設(shè)定值與實(shí)際值
�。�1）石灰窯系統(tǒng)
石灰窯窯底溫度是石灰窯系統(tǒng)的重要控制參數(shù)，是反映石灰窯運(yùn)行狀況的主要指標(biāo)，圖4給出了先進(jìn)控制投用前后石灰窯窯底溫度控制效果的對比。
�。�2）碳化塔系統(tǒng)
碳化塔的塔底壓力、中部溫度是碳化操作的重要指標(biāo)，這些參數(shù)直接反映出碳化塔的運(yùn)行是否平穩(wěn)，轉(zhuǎn)化率是否達(dá)到要求。因此，控制好這些運(yùn)行指標(biāo)是優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的前提。圖5給出了先進(jìn)控制投用前后碳化塔塔底壓力控制效果的對比。
�。�3）壓縮機(jī)系統(tǒng)
壓縮機(jī)先進(jìn)控制系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速來實(shí)時(shí)調(diào)整清洗氣、中段氣、下段氣總流量，滿足碳化工序?qū)θ螝飧髯钥偭髁康男枨笞兓�，�?shí)現(xiàn)了氣量平衡。圖6給出了先進(jìn)控制系統(tǒng)投運(yùn)前后的中段氣變化情況的對比。
總之，山東�；儔A廠純堿生產(chǎn)裝置先進(jìn)控制系統(tǒng)—石灰窯先進(jìn)控制、碳化過程先進(jìn)控制和壓縮機(jī)先進(jìn)控制應(yīng)用效果十分顯著，主要表現(xiàn)在如下幾方面：
■先進(jìn)控制系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定目標(biāo)值實(shí)時(shí)自動調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù)，降低了操作人員的勞動強(qiáng)度，并大大減少了人為調(diào)節(jié)所帶來的干擾；
■先進(jìn)控制系統(tǒng)使各裝置的運(yùn)行參數(shù)趨向平穩(wěn)，波動范圍減��；
■先進(jìn)控制系統(tǒng)根據(jù)并聯(lián)生產(chǎn)裝置的運(yùn)行工況進(jìn)行生產(chǎn)負(fù)荷協(xié)調(diào)，既充分發(fā)揮出各裝置的潛力又平衡了各裝置的工況；
■先進(jìn)控制系統(tǒng)通過平穩(wěn)裝置的各項(xiàng)運(yùn)行指標(biāo)，使石灰石有效分解率、窯氣濃度及碳化轉(zhuǎn)化率保持在較高的水平。
■先進(jìn)控制系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速，滿足碳化工序?qū)η逑礆�、中段氣、下段氣的�?shí)時(shí)需求，降低了勞動強(qiáng)度，平穩(wěn)了生產(chǎn)。
結(jié)論
山東�；儔A廠在國內(nèi)首次實(shí)施了純堿裝置 碳化、石灰和壓縮工序 先進(jìn)控制和優(yōu)化后，解決了常規(guī)控制中不能解決的各種難題，有效的克服了干擾和滯后影響，穩(wěn)定了裝置工藝參數(shù)的平穩(wěn)性；大提高了裝置的自動化程度，統(tǒng)一了操作人員的操作方法，降低了操作人員的勞動強(qiáng)度；在保證裝置工況良好的情況下，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量最大化，品質(zhì)最優(yōu)化。 先進(jìn)控制 系統(tǒng)操作簡單，控制效果良好，深受工藝技術(shù)人員和操作人員的歡迎。進(jìn)一步滿足企業(yè)對 生產(chǎn)過程的安全、高效、優(yōu)質(zhì)、低耗的要求，取得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。經(jīng)過測試分析，實(shí)施先進(jìn)控制后，一年可獲得584萬元的直接效益。
來源：Control Engineering China
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