如何用好APC技术 [探讨先进控制技术的应用与发展]
如何用好APC技术[探讨先进控制技术的应用与发展]作者：郭宁 文章来源：PS《流程工业》先进控制技术（APC）作为信息化在生产装置级的应用,不仅提高了装置的控制能力和管理水平,而且还为企业创造了可观的经济效益.
参与嘉宾http://img.vogel.com.cn/2013/0531/1154036908.jpghttp://img.vogel.com.cn/2013/0531/1154134965.jpghttp://img.vogel.com.cn/2013/0531/1154237837.jpghttp://img.vogel.com.cn/2013/0531/1154341146.jpg王树青：具有比常规单回路PID控制更好控制效果的控制策略统称为先进控制技术，通常称为APC（Advanced Process Control）。APC可分三大类：①经典的先进控制技术：变增益控制、时滞补偿控制、解耦控制、选择性控制等；②现今流行的先进控制技术：模型预测控制（MPC）、统计质量控制（SQC）、内模控制（IMC）、自适控制、专家控制、神经控制器、模糊控制、最优控制等；③发展中的先进控制：非线性控制以及鲁棒控制等。首先要问，APC的优点是什么？而模型预测控制方法，可实现高品质、高稳定的多变量控制。其生产过程的稳定性高，抗扰动能力强。一般而言这种先进控制方法，与单回路PID控制相比，生产过程被控变量的方差可减少20%以上。方差降低，可使过程被控变量实现卡边操作与控制，这样就可实现节能、降耗和提高生产过程经济效益的目的。另外，对单元操作或整个生产过程的控制，都可用多变量控制器来完成，使整个生产过程都处在稳定的工况下运行。先进控制是对被控对象（如反应器、分馏塔等）进行多变量控制而不是单回路控制，而且被控变量也在传统的温度、压力、流量和液位四大参数的基础上进行了拓展，增加了诸如产品质量指标和设备负荷等工艺生产所需要的变量，大大提高了整个装置的稳定性，实现了产品质量的卡边操作，为挖潜增效创造了条件。单回路控制一般是基于误差的控制，其关注对单个点的控制，或对非常有限的局部的控制（基于单回路调节的复杂回路控制，例如比值控制、串级控制、前馈控制、均匀控制、分程控制等等）；先进控制是基于模型的多变量控制，其关注的往往是对一组工艺变量或一段工艺过程的整体控制，并在稳定控制的前提下，利用预定的、有效的操作手段，依据内置的线性或非线性规划优化算法的结果，将工艺过程推向优化操作点，并稳定在优化操作点。基于此，先进控制能降低操作成本，包括降低能耗、提高产品质量、提高产量、提前识别和预防操作问题、以较低的成本可持续效益和更好地利用技术资源。APC技术采用先进的多变量控制理论和控制工程方法，以工艺装置多变量动态数学模型及优化控制计算为核心，以工厂DCS和网络为信息载体，充分发挥常规控制系统DCS的潜力，保证生产装置在稳定装置操作前提下，始终在最优卡边状态运行，以获取最大挖潜增效。APC已成为实现工艺装置卓越运营一个必须拥有的技术，保持控制精度、提高产品质量、降低成本和提高资产效益；ARC认为，能够有条不紊地实施，使用和维护的APC应用以最低的成本和产生最高价值在其生命周期的企业将有明显的竞争优势。与单回路控制器相比，APC更适合于处理过程的大滞后、强耦合特性、并能有效地解决过程可测干扰，从而使控制系统具有更强的适应能力和鲁棒性；APC技术适用于哪些工艺类型？苏耀东：APC技术主要适用于流程工业企业，如炼油化工装置。炼油装置应用APC较多的是催化裂化、加氢裂化、常减压、延迟焦化、连续重整、加氢精制、重油加氢、气分等，化工装置应用较多的是芳烃、聚丙烯、聚乙烯、乙烯、PTA等。竺建敏：艾斯本先进控制系统能够增强装置生产的抗干扰能力和工艺约束处理能力，增强生产的稳定性,降低生产的波动，降低操作人员对生产的监测和干预强度，充分挖掘装置的工艺和设备能力，实现卡边操作，得到可观的经济效益回报。原则上,APC技术可适用于以连续生产为主的任何工艺流程。艾斯本先进控制DMCplus解决方案已广泛地应用于常减压、催化裂化、延迟焦化、加氢裂化、加氢精制、连续重整、气体分馏、烷基化、异构化、润滑油等炼油装置；乙烯、芳烃、丁二烯、苯乙烯、乙二醇、对二甲苯、对苯二甲酸、丙烯睛、醋酸、甲醇、合成氨、尿素、空分等化工工艺装置。http://img.vogel.com.cn/2013/0531/1154527159.jpg苏耀东：APC使用过程中的难点首先是软仪表计算的准确性，如果计算不准确就会造成质量指标很难卡边操作，得不到应有的效益；第二是调节不及时，操作人员不能及时根据工况调整上下限，维护人员不能及时调节优化参数，使APC不能发挥最佳作用；第三是在线质量仪表的维护问题，出现问题维护不及时，另外在线质量仪表投资也较大；第四是阶跃测试，主要是阶跃信号的幅度和长度在选择上有误差，没有进行充分激励，阶跃测试是将装置操作在其正常的工作点上，在保证装置其他操纵变量不作调整的前提下，改变某一操纵变量MV的设定值，以观察各相关的受控变量CV与该操纵变量间的影响关系，收集其数据，通过系统辩识的方法找出它们之间的模型关系，；第五是模型不准，在建模时由于数据出现误差或者仿真做得不够严谨；第六是APC与DCS的数据通信，特别是对于老的DCS系统，在调试时会出现通信不稳定等现象。图1根据统计数据列出了APC上线率低的主要原因，也体现了目前APC使用过程中的难点所在。具体的说，就是要确定先进控制系统哪些是被控制变量（CV）、哪些是操纵变量（MV）和哪些是可测量的或不可测量的扰动变量（DV）。竺建敏：在工艺装置上实施APC技术需要既精通生产工艺、又熟悉先进控制理论及控制工程，同时还需要了解仪表、DCS和信息网络的复合型人才。先进控制项目工程实施方法主要包括APC项目前期可行性分析及效益评估、多变量控制器基础方案设计、预测试 (包括常规控制系统的参数校整等)、装置测试、软仪表开发及多变量动态数学模型开发，详细设计（模型评估与审核）、APC现场投用以及先进控制日常运维等。金晓明：APC控制方案设计需要符合生产过程的工艺特点和过程控制要求，必须解决过程运行中存在的问题。APC实施中，需要严格执行测试建模计划，结合过程机理，熟练掌握模型辩识工具的使用；APC应用过程中，需要控制性能监控及时掌握APC控制性能，适时对APC系统进行维护。苏耀东：主要有以下几方面要求：对APC的质量数据通过LIMS数据进行及时校正；对先进控制系统运行状况进行日常检查，能够及时处理出现的异常情况，通过预知维护保证系统运行正常；王树青：APC控制是控制理论与工艺知识密切结合的一种先进控制理念和技术。因此对操作人员和维护人员的要求比单回路控制高的多。先进控制的维护人员，主要是指企业的控制工程师和帮助企业实施先进控制项目的软件公司的工程师。作为企业维护工程师，他们的工作是随时考察先进控制系统的运行状况，其中包括：先进控制系统的投运率是否在95%以上；先进控制品质是否保持在投运验收时的指标上；在实施先进控制的工程师的帮助下，对多变量控制系统性能进行实时评估，并适当调整多变量控制器的参数。竺建敏：APC技术是一项专业技术性非常强的跨学科综合性技术，通过APC项目实施过程中客户化强化培训及技术转移，努力培养和造就一批高素质、高水平既精通生产工艺，又熟悉先进控制、DCS和信息技术的复合型APC运行维护人才，即先进控制超级用户（APC Super User），尽可能确保装置应有专职的持证上岗APC运维工程师。APC项目长期运行的关键因素包括：APC日常管理；装置改造及时更新APC应用；APC配套基础控制；APC维护人员稳定性及技能培训 ；采用APC配套维护支持工具远程实时监控APC性能 （Aspen Watch)和及时更新控制器（Aspen Smartstep及Aspen Adaptive Modeling)。维护人员需要熟练掌握APC系统的软硬件结构和APC软件的安装与使用方法；熟悉DCS系统与APC系统的数据通信连接；熟悉工业对象的工艺特点和过程控制需求；深入了解APC控制策略，并熟练掌握建模和控制器设计方法；掌握APC控制器参数设置原则及调整方法。苏耀东：APC的经济效益，通常有以下几个方面。APC投用后，可以降低主要被控参数运行波动的标准偏差，提高装置操作平稳性，降低产品质量不合格率，获得间接经济效益。可以从以下几方面准确说明：产品名称、能耗物耗品种；质量指标（或能耗物耗流量及性能指标）运行波动的标准偏差对比数据，以及平均值对比数据。可从以下几方面说明：APC改进了装置或局部工艺过程的控制，实现了哪几个方面的自动闭环协调控制（从而降低了操作人员的劳动强度）；在哪些方面提供了操作指导（例如，在线实时计算出某些关键指标/参数）。对于大多数炼油、化工装置，APC均可以在提高产品质量平稳率的基础上，通过卡边操作，提高高价值产品收率或降低物料消耗，获取直接经济效益。APC项目经济效益进行定量分析核算时，只核算主要两个方面的经济效益：提高高价值产品收率和降低辅助物料消耗；节约能耗。（2）对于企业自产的燃料气，由于相关装置的操作波动（例如焦化的切塔、装置抢修等），会造成燃料气的热值波动较大，热值数据难以准确获得。此时，可以换一个角度计算燃料气的消耗：实际热负荷 = 被加热介质流量×进出炉温差×比热/热效率燃料气消耗 = 实际热负荷/燃料气热值APC应用效益怎么计算？有时工艺工程师们在计算APC效益时，往往会提出这是工艺改进的结果，而不单是APC的效益。例如：炼油工业中的关键单元催化裂化装置，如果催化反应温度适当提高，使掺渣比提高，即可多加工渣油使之变成高附加值的产品汽油和柴油。但是，渣油增加，重组份增加，催化裂化反应时，在催化剂表面上结的残碳增多，加重了催化剂再生器烧焦的负荷。为了去除催化剂表面的残碳，只好提高再生器的烧焦温度，然而烧焦温度过高，要损坏催化剂的性能，其烧焦的上限温度必须严格控制。在催化裂化装置上采用多变量先进控制系统后，使整个反应再生过程的温度变量运行十分平稳，然后，适当提高反应温度和再生温度，就可增加渣油处理量，可提高整个装置的经济效益。因此，这个效益应算给先进控制系统。金晓明：APC技术在应用中的效益主要包括以下几方面：提高关键工艺参数的平稳性，改善产品质量，提高产品收率，降低能耗（如精馏塔收率提高和节能优化等）；在流程模拟的支撑下，实现过程操作条件优化（优化反应条件，实现成本最小化等）。据不完全统计，目前在全球范围内艾斯本的DMCplus已有6000多个应用；Aspen Watch已有2900多个应用；Aspen SmartStep已有1800多个应用；闭环实时优化AspenPlus Optimizer（RTO) 已有100多个应用。对于聚合生产过程，艾斯本整体解决方案包括以Apollo非线性多变量预估控制为核心聚合生产控制技术，配方管理和牌号自动切换系统。据不完全统计，艾斯本近几年来，已成功地实施70多条聚合生产线的先进过程控制。在国内，艾斯本曾在上海石化环管工艺聚丙烯3PP、燕山石化Innovene工艺聚丙烯3PP及三井Hypol 工艺聚丙烯装置2PP、广州石化UNIPOL工艺聚乙烯等聚乙烯、聚丙烯装置成功实施了聚合生产装置先进控制应用，取得了显著的效益。以上海石化3PP聚丙烯APC项目为例，通过减小生产工艺条件和产率波动，实施“卡边”操作，有效地提升了装置的台时产量；装置平均产能提升3.4%，产品主要质量指标的波动减少18％以上。结合运用产品配方管理系统和牌号自动切换程序缩短了产品牌号切换的过渡时间和过渡产品量。通过标准化的自动切换程序，可以减少近50％的切换过渡时间，大幅降低了过渡产品的总量。王树青：从两个方面来讨论发展方向。APC技术近20年的推广应用，事实证明这是现代控制理论——模型预测控制，成功在现代流程工业中广泛应用的一个典范。但是因为这项技术要想能在实际流程工业中应用，必须要有流程工业的工艺知识。2.APC技术自身的发展过程性能评估与监控技术：如果说把偏离优化生产过程操作点称为事故的话，那么也可称为故障检测与诊断技术。这一技术是保证流程工业安全和优化生产的重要措施。非线性过程的先进控制技术：严格地说许多流程工业生产过程都是属于非线性系统，目前，采用线性系统来近似非线性系统，然后用线性控制理论的方法来实现先进控制。然而，用统一的方法来描述非线性系统的特性，存在许多困难。因此，许多研究者想用人工智能的方法，如专家系统、神经元网络、模糊算法等来建立非线性系统模型，再来设计相应的先进控制系统。苏耀东：先进控制技术（简称APC）的应用是信息化在生产装置级的应用。它使石油化工生产过程控制实现革命性的突破，由原来的常规控制过渡到多变量模型预估控制，工艺生产控制更加合理、优化。先进控制技术采用科学、先进的控制理论和控制方法，以工艺过程分析和数学模型计算为核心，以工厂控制网络和管理网络为信息载体，充分发挥DCS和常规控制系统的潜力，保障生产装置始终运转在最佳状态，通过多变量协调和约束控制降低装置能耗，卡边操作，以获取最大的经济利益。竺建敏：APC技术未来的发展方向包括针对工艺动态特性变化的在线自适应多变量控制、精确机理模型及闭环实时优化与APC更紧密相结合实现装置的卓越运营。开发含线性、非线性、软仪表、先进控制性能监控、智能自动测试、自适应建模和精确机理模型及闭环实时优化集成平台。此外, 开发间歇过程的先进控制也是未来的方向。齐鲁石化140万t/a延迟焦化装置的APC效益情况自APC投用以后，如加热炉的烟气氧含量、4个支路各个炉管的最大管壁温度等主要被控参数，其波动明显降低。4个支路各个炉管的最大管壁温度波动的降低，减少了炉管的结焦强度，提高了焦化装置的开工周期。同时由于加热炉AB路和CD路的烟气氧含量波动的减少和平均值的降低，从而提高了加热炉的燃烧效率，最终增加了装置的经济效益。自APC投用以后，分馏塔的操作平稳，轻柴油抽出温度、分馏塔和回炼油液面标准方差比以前大大减少，同时轻柴油抽出温度的均值比以前从274.6℃增到277.1℃，升高了2.1℃，相应的柴油95%点有一定幅度程度的提高。APC控制器投用后，质量指标卡边操作，提高了装置的轻油收率，增加了装置的经济效益。通过统计5个月投用APC的装置轻油收率，和未投用APC的数据作对比，结果表明：投用APC控制器后，装置的轻收平均提高约0.86个百分点。若剔除原料性质的变化和其它因素，按照该统计数据的50%计算，投用APC控制器后可提高装置轻油收率约0.43个百分点，装置轻收的提高能够满足合同增加0.3个百分点的指标，每年可增加经济效益约240万元。根据该焦化装置的技术月报，对投用先进控制前、后各一年的燃气总量进行统计，通过折算成相同的加工量后，再剔除设备原因和其他因素，投用APC后，每年减少燃料气用量约1080t。由此降低了装置的能耗。若燃料气的价格按照2000元/吨，每年增加经济效益约216万元。3#延迟装置投用先进控制后，实现了装置的更平稳操作，减轻了操作工的劳动强度，操作工更愿意投用先进控制。
不错，以后是趋势，就是软件有些贵
先进控制技术（APC）作为信息化在生产装置级的应用,不仅提高了装置的控制能力和管理水平,而且还为企业创造了可观的经济效益.
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好文章，学习了！ 谢谢楼主的分享！ 大伙，APC第阀门和测量仪表要求精度高吗？
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