APC技术未来发展的趋向流程工业约稿Word下载.docx
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最终达到增强工业生产过程的稳定性和安全性,保证产品质量的均匀性,提高Ll标产品的收率,提高生产装置的处理能力,降低生产过程运行成本以及减少环境污染等目的。
近年来,先进控制技术在流程工业过程中不断地推广应用,取得良好的效果。
U前国内以石油化Ll行业为代表的各大企业纷纷启用先进控制技术。
凭借改善过程动态控制的性能、减少过程变量的波动幅度、使生产装置在接近其约束边界的条件下运行(卡边操作)等优势,先进控制技术在石油化工、电力等行业获得广泛应用,大量工业装置在已有DCS的基础上配备了先进控制系统,大规模的模型预估控制和用于优化的非线性预估控制技术得到极大完善。
山于先进控制软件包可以为企业带来可观的经济效益,我国已引进IDCOM-M.SMCA.DMCPlUS等先进控制软件,并已投入使用。
Y^hHoneyvveIlProfimatics公司已经与中国石化总公司合作,在石化行业推广他们的RMPCT软件,部分已投入使用。
在国内,越来越多的石油化工企业也开始尝试先进控制的运用,如茂名、扬子、济南等炼油厂已经应用了先进控制技术,并且都实现了良好的应用效果与经济效益。
但是,我们也不能回避一些先进控制在应用中实际存在的问题。
IJ前先进控制技术不但在理论上不断推出新的成果,而且在实际生产应用中也取得了令人瞩Ll的成绩。
现在国内外已有很多优秀的产品供选择:
如HoneyWeIl高技术执行部的PC(PrOfitCOntrOIIer);
ABB代理的STAR;
横河代理的SMOC;
FOXBORO的COnnOiSSeUr;
ASPEN的DMC、浙江中控的APC-Adeon等。
目前,世界上先进的石化企业绝大多数生产装置都采用了先进控制技术,据ARC调查的数据显示,美国的普及率已经达到60%以上,重点装置更是达到了90%的比例。
在某种程度上,先进控制技术更像是企业增产增效的“加速器S先进控制技术通常是在DCS、FCS等系统已有常规控制的基础上,采用多变量预测控制、智能软测量和丄艺讣算等策略实现以下Ll标:
提高装置运行的稳定性和安全性、保证产品质量的一致性、提高IJ标产品收率.增加装置处理量、降低运行成本、减少环境污染等。
因此,越来越多的企业开始运用先进控制技术来实现"
节能增效”,同时这些行业用户也将先进控制技术作为提升企业竞争力的突破口。
儿年来的实践证明了在我国,先进控制方法的推广工作并非一帆风顺,而是遇到了不少困难和问题。
尽管先进控制系统效益明显,但国内企业先进控制建设和应用情况与国外始终存在差距。
系统开发企业在开发应用过程中能够保证系统正常运行;
(旦同时,先进控制系统的维护者是用户企业的信息技术人员,他们既要熟悉先进控制技术本身,同时要掌握计算机控制系统以及工艺过程等技术。
因此,用户企业自身山于缺乏足够的技术力量,先进控制系统的长期维护问题日益明显。
应当说,我国的控制理论界与工控企业界都在不同程度上在APC技术的应用研究上取得许多成功。
其中,清华大学、浙江大学、上海交通大学、华东理工大学、中南大学、华北电力大学、中国石油大学、北京化工大学、北京科技大学、浙大中控公司、浙江正泰中自控制公司、和利时公司.冶金自动化研究院、北京金自天正智能公司、北京三博公司等等是该领域的佼佼者。
二、APC技术在流程工业过程中的应用案例
(一)先进控制技术在化工自动化的应用
长期以来,我国化学工业技术水平较低,导致能耗物耗高,限制了化学工业的发展。
要改变这种局面,根本的出路就是走科技进步的道路,采用先进实用的技术改造传统产业。
随着化学工业日益朝着集成化、大型化方向发展,系统的复杂性不断增加,表现为过程具有强耦合性、不确定性、非线性、信息不完全性和大滞后性等特征,并存在着苛刻的约束条件,控制Ll标多元化,变量数Ll增多且相关性增强,在这种情况下,传统的控制策略已不能满足要求,必须应用先进控制。
例如,中国石油化工股份有限公司广州分公司化工一部(简称广州石化)的
“先进控制技术在丙烯精憎塔控制中的应用”成果门广州石化于2007年开始与华东理工大学合作,应用精憎塔先进控制技术,结合广州石化丙烯精憎塔系统的生产工艺特点,基于集散控制系统(DCS)平台,实施了丙烯精懈塔先进控制系统改造项Ll。
该项LI在对丙烯精镭塔的实际操作性能以及先前控制方案特点进行准确有效评估的基础上,对丙烯精憎塔的产品质量和塔釜采出中贵重组分的含量等实施先进控制技术,从而提高丙烯精係塔的操作稳定性,减少丙烯损失,进而达到提高装置总体效益的最终目的。
乂如,“先进控制技术在纯碱生产碳化过程中的应用S浙江大学工业控制技术国家重点实验室和先进控制研究所以某纯碱厂碳化系统为背景,将模型预测控制软件应用于5组共25座碳化塔中,开发了一个包含上口个被控变量、操纵变量和干扰变量的多变量预测控制器来解决该碳化系统的约束多变量控制问题。
丄业应用结果表明:
模型预测控制软件能够确保碳化系统K期在最佳状态运行,进而降低物料消耗、改善产品质量和节省操作费用,使生产效益得到优化。
再如,“先进控制技术在有机硅装置精镭单元的应用S浙江新安化工集团股份公司60kt/a有机硅精憎装置的过程控制难点,利用浙江中控软件技术有限公司的APC-AdCOn高级多变量鲁棒预测控制软件,研究开发一套先进控制系统,获得了成功应用,并取得了预期控制效果。
其关键产品一屮基三氯硅烷、二甲基二氯硅烷的优等率提高到90%以上,单位产品能耗降低了8%以上。
(2)建立能够满足工业过程优化控制要求的模型
随着世界能源危机的到来,以及“十一五”对绿色自动化的倡导,建立合适有效的过程模型,已经成为我国工业过程优化与控制必须解决的关键问题。
为在工况变化的同时保证产品质量、减少物耗能耗,需要开发高精度、高实时性、高可用性的模型,以充分反映过程非线性稳态和动态特性,并以此为基础斡旋精确调控、瓶颈分析、操作优化。
这一类高端应用对于建模技术提出了新的挑战。
复杂工业系统建模研究对于提高企业的经济效益,降低能耗,增加企业的竞争力具有重要意义。
我国在工业过程建模方面的研究基本能够紧跟国外的先进水平,但山于工艺条件以及检测设备的缺乏,应用的较少,针对这情况,在硏究中应该根据我国工业过程的实际情况,从技术的先进性和匸程性方面考虑,建立能够满足工业过程优化控制要求的模型,
在我国,鉴于轧钢加热炉的耗能极其巨大,占了整个钢铁企业能耗的很大部分。
国内外学者针对这个课题开展了一些相关研究。
例如面向节能优化的加热钢坯特征参数模型研究S项U基于钢坯加热的热流密度的概率密度分布关联加热能耗的原理,提出一种建立加热钢坯表面的热流密度的概率密度分布曲面模型的方法,以期将来能通过调节表征加热能耗的热流密度概率密度分布曲面形状特点/吏钢坯加热工艺过程能耗调节具有较好的操控性,达到钢坯加热节能控制之Ll的。
该项H利用热流密度的概率密度分布曲面关联加热能耗的关系,提出一个通过炉内钢坯温度值,建立加热钢坯表面的热流密度的概率密度分布曲面模型。
通过这个模型,能够真实的反映钢坯加热时的表面热流密度变化情况,并通过调整表征概率密度分布曲面的权值,为节能控制提供控制参数,使钢坯加热控制具有了较好的可操作性,较好的满足钢坯加热节能的要求。
冶金自动化研究院针对混合流程工业中存在着大量非线性、大滞后、多变量、不确定性而无法建立精确数学模型的生产过程,采用智能控制技术,研究开发了复杂工业过程智能建模平台、大电机诊断专家系统、高炉专家系统、神经元网络连铸漏钢预报、智能电炉控制系统、智能精炼控制系统、轧钢过程智能优化系统,在宝钢、武钢、攀钢、本钢、沙钢、抚钢、江阴钢厂等厂家推广使用,涉及质量判断、设备诊断、过程优化、先进控制等各个方面,技术经济指标达到国际先进水平,在冶金行业复杂过程建模与优化技术应用方面处于国内领先地位。
(三)大型乙烯装置优化运行项目
随着我国石油化工工业日益朝着集成化、大型化方向发展,系统的复朵性不断增加,表现为过程具有强耦合性、不确定性、非线性、信息不完全性和大纯滞后性等特征,并存在着苛刻的约束条件,控制IJ标多元化,变量数目增多且相关性增强,在这种情况下,传统的控制策略已不能完全满足要求,必须应用先进控制。
乙烯装置是石化工业的核心和发展标志,尽管我国现有乙烯产能居世界第二,装备已经国产化,但优化运行却仍主要依幕引进技术,生产运行过程的精细化操作以及控制与优化水平与国外先进水平相比还存在差距。
在诸多的先进控制技术中,多变量预测控制技术和软测量技术U前在乙烯装置上应用较多,并且取得良好了经济效益,已形成相应的商品化软件。
国内由华东理工大学与中国石油化工有限公司共同研发的大型乙烯装置优化运行项U,开发了裂解过程工艺研究与优化、反应过程模拟与优化、10万吨裂解炉温度控制与负荷先进优化等关键课题的研究。
取得了很好的研究成果。
该项成果优化运行技术实施后,主要技术经济指标达到或超过同类装置国际先进水平。
其中:
液化气裂解技术实施后,与裂解石脑油相比,可使三烯,总收率提高2.95%,炉子运行周期提高40%;
液相烧裂解反应过程优化,能减少中压蒸汽消耗20吨/小时,π双烯“收率平均提高0.44%;
十万吨裂解炉先进控制/吏炉出口平均温度和各炉管温差控制在±
1C以内,负荷控制在±
0.5%以内,”双烯“收率平均提高0・35%;
十万吨裂解炉燃烧过程优化/吏炉子热效率提高1%以上,燃料气节省0.94%以上;
急冷油减粘工艺技术,使急冷油粘度从100mm^/s降至30mm"
s,减少排污和蒸汽消耗,使乙烯能耗平均下降35.6公斤标油/(吨.乙烯);
裂解气负荷优化配置技术,使乙烯能耗下降,乙烯产能提高1.3%;
碳二加氢反应过程优化,能保证反应器出口乙烘含量控制在IPPm之内,反应选择性提高40%;
乙烯精懈控制与优化,使丙烯压缩机一段负荷降低4・24%等。
还如,先进控制技术在乙烯装置分离单元与乙烯精憎塔中等的应用,提高了产量,稳定了生产过程〃提高了精憎塔的分离效果八延长了反应器的运行周期八并降低了能耗,减少了生产的波动,缓解了操作人员的劳动强度门提高了装置的自动化水平。
先进控制技术已被越来越多的装置所釆用,且无需进行装置扩容改造,便能实现提高产量、降低能耗的目标。
福建炼油厂化工有限公司与浙江大学合作开发催化裂化装置先进控制系统;
洛阳石油化工总厂与石油大学.洛阳石化公司共同开发催化裂化装置;
茂名石化炼油厂与石油大学联合开发催化裂化装置先进控制与实时优化系统;
上海交通大学开发研制的多变量约束控制软件包MCC是一个处理约束的多变量、多LJ标、多控制模式和基于模型预测的最优控制器,已成功应用于石家庄炼油化工股份有限公司催化裂化装置,取得明显经济效益;
还有浙江大学开发APC-HiecOnzAPC-PFC先进控制软件在国内许多工业装置得到了应等等。
(四)先进控制技术在电力系统中的应用
电力工业是资源密集型产业。
无论电源或电网,在建设和生产运营中都需要占用和消费大量的资源,包括土地、水资源、环境容量以及煤炭、石油、燃气等各类能源。
电力工业资源节约主要是提高能源转换效率,包括节煤、节油、节地、节电、节汽(气),降低输送损耗,消除跑、冒、滴、漏等。
常言道:
工欲善其事,必先利其器!
电源建设在设计时,就应当将节能思想或理念贯穿整个设计过程。
据估计,电力企业在“十二五”为节能减排达标而进行的技术改造成本,将高达“十一五”的2・3倍,而实现途径继续以依靠技术节能为主、结构节能为辅的模式。
而采用先进控制技术是其重要的选择。
例如非线性鲁棒电力系统稳定器NR-PSS在白山3OOMW水轮发电机组上的应用SCl山电站是中国东北地区最大的水电站,华北电力大学利用非线性鲁棒控制理论研究的新一代大型发电机组非线性鲁棒电力系统稳定器NR∙PSS在口山电厂3OOMW发电机组上成功投入运行。
Izl前现有的控制策略:
比例积分微分控制(PlD).电力系统稳定器(PSS)、线性最优励磁控制(LOEC)、非线性最优励磁控制(NOEC)等控制方式在建模时无一例外地采用具有固定结构和参数的模型,从而忽略了系统固有的非线性特性。
为了克服现有励磁控制技术的不足,应用非线性鲁棒控制理论设讣的大型发电机组非线性鲁棒电力系统稳定器,即NR-PSS应运而生。
清华大学电力系统国家重点实验室开发非线性鲁棒电力系统稳定器(NR-PSS)已经分别在吉林省白山水电站和丰满水电站投入运行。
专家说,NR-PSS的投入运行,应当属于国际先进水平。
乂如:
沈阳工程学院的“先进控制策略”在火电厂循环水处理系统中的应用技术已经成功用于辽宇华电铁岭有限公司,使该企业循环水浓缩倍率山3.0提高到5.5,单机循环水平均排污量下降90T∕Ho该研究成果解决了火电厂循环水联合处理中控制策略的升级问题,同时也为节水和保护环境资源做岀了一定的贡献。
山于排污量大幅度减少,减少二次污染,对保护电厂周围的生态环境具有重大意义。
再如:
“基于灰色预估PID控制的过热汽温控制”研究工作,针对火电厂过热蒸汽温度被控对象具有大惯性,大迟延的特性,提出了一种基于灰色预估算法的PID控制策略。
利用灰色预估算法能够有效地辨识出系统不确定部分的模型、估计出系统扰动参数,并对PID控制进行补偿。
仿真结果研究表明:
与传统的PID控制策略相比,在各种扰动情况下,新的控制策略不仅具有常规PID控制的特性,并且具有更高的控制品质,更强的抗干扰能力。
等等。
(五)钢铁工业的节能减排的新理念
节能减排是当今世界关注的热点,也是我国高度重视的政治和经济任务,在“十二五”期间,更是钢铁工业生存和发展面临的紧迫的历史使命。
目前节能工作已经进入到一个新的阶段。
以徳国为例,德国拥有全球最先进的钢铁工业。
徳国多年钢铁工业的发展历程显示,在上世纪90年代之后,技术对节能的贡献率呈现越来越低的趋势。
欧盟许多国家棋至认为,技术对节能的贡献率已经趋近于零,要节能,必须转变思路,重新寻找可能的方式和方法。
钢铁工业的专家强调了“系统节能”的概念。
指出,旧企业的改造,传统工业的振兴,不要局限于本身行业的小圈子。
对钢铁工业的节能减排来说,很重要的一点就是不要局限于行业本身,而是要实现跨行业的运用。
要有一种大系统的观念,跳出本行业的束缚,实现资源与能源的整合利用。
以前我们只习惯于在自己的圈子里考虑问题,连墙都出不去。
现在形势是,只有跳岀墙外才能寻找到新方法。
我们应该鼓励钢铁企业跨行业、跨企业合作,鼓励工业与社会结合的用能理念和方式的推行。
我国的钢铁工业IJ前正处于“混合阶段”,一方面三分之一的产能正在使用国际先进技术,另一方面仍有四分之一处于淘汰边缘的落后产能。
其次还应当注意工艺节能和管理节能。
“完全更新现有工艺、简化流程,这些工作国内都正在进行。
这也是钢铁工业节能减排的重要路径之一「依靠科学先进的管理节能,有可能挖掘5%的节能潜力。
“对于国际上先进的动态管理,我国还有许多工作要做/
与“十一五”相比,“十二五”期间,国家的环保法律法规将更加严格,节能减排任务更艰巨,钢铁行业的压力也更大。
在“十二五”规划纲要提出的钢铁行业发展重点方向中,与节能减排相关的内容占据了大多数:
支持非高炉炼铁、洁净钢生产、资源综合利用等技术开发;
重点推广能源管控系统技术和高温高压干熄焦、余热综合利用、烧结烟气脱硫等节能减排技术。
再如,同济大学的“面向节能减排的钢铁企业能源管理系统设讣与实现”等项H,通过对钢铁企业能源管理系统发展过程的分析,结合我国大型钢铁企业面临的实际问题,设计了基于C/S架构某钢铁企业的能源管理系统,并采用.NET架构和OraCIe数据库完成了系统的开发与实现。
与“十一五”相比,“十二五”钢铁工业面临节能减排任务更加艰巨,法律法规要求更加严格,钢铁生产的环保成本将进一步加大,钢铁生产低碳化趋势不可逆转。
每一个企业,都要积极开发应用有利于节约能源资源、保护生态环境和促进循环经济发展的技术和产品,加快节能降耗技术改造,严格执行环境法律法规和污染排放标准,完善和落实突发环境事件的应急预案。
(六)APC技术在轻工行业的应用
轻工行业也属于流程工业领域,因而,应用先进控制技术的企业也比较多。
先进控制技术在制浆造纸过程中的应用就是一个比较典型示范。
山于制浆造纸过程是一个复杂的工业过程,具有高度不确定性、非线性、多变量耦合.大滞后和状态不完全性等特点,对造纸过程的控制系统设计造成很大困难,而且传统的PID控制算法难以满足其控制质量要求。
随着现代讣算机技术、网络技术以及优化技术的发展,先进控制技术在造纸工业过程中得到了应用推广,并取得了成功,极大地促进了造纸工业的生产操作水平的提高,有效实现节能减排。
以下说明之:
1,自适应控制:
自适应控制可以看作是一个能根据环境变化智能调节自身特性的反馈控制系统以使系统能按照一些设定的标准工作在最优状态。
龙毅教授提出了无模型自适应控制(IVlFA),根据蒸煮过程是极其复杂的非线性的过程和很难用精确的数学模型来描述的特点,采用鲁棒MFA控制器控制反应温度和配置窗口(设定反应器温度的上下限)来实现对蒸煮时间和蒸煮温度的控制,并最终控制蒸煮终点。
并实现了伯卡值在蒸煮过程中测量。
李刚阳等人采用遗传算法对神经元增益在线自适应调整,在每个时间间隔内都有一个稳定的增益值输岀,并递增地向最优方向发展,克服了遗传算法收敛慢和每个釆样周期输出的随机性。
2,鲁棒控制:
针对造纸过程中的大时滞时变的特点,李向阳等人提出了一种基于鲁棒PlD控制自动调节反转控制技术,运用这种技术,可以将闭环不确定控制系统的鲁棒性能,克服时滞给控制带来的影响,消除系统干扰,改善系统的静态和动态性能,并在造纸过程间歇蒸煮工段中显示良好控制性能。
针对实际工业控制过程中的不确定性,肖冬荣等人将鲁棒控制和自适应控制相结合,提出一种改进的基于定常线性模型的鲁棒GMC控制。
其设计过程包括:
不考虑实际过程的时变和不确定性,设计一个标称控制器,对标称的线性模型获得预期的控制效果;
再运用强跟踪滤波器在线估计得到输入等价干扰来补偿时变和非线性等不确定对闭环控制系统性能的影响。
3,预测控制:
周福恩等人针对造纸过程中复杂影响因素多、影响因数多、难以建立精确的数学模型等特点,引入动态矩阵预测控制算法进行控制,并针对工业控制模型利用MTALAB/SIMULINK对该过程进行了计算机的仿真和探讨。
针对造纸过程中纸张定量水分控制系统存在的大惯性、大时滞和强耦合问题,周强等则提出了一种控制方法,使用静态解耦的方法使得系统分解成水分和定量两个独立的控制回路,将卡耳曼预测器引入控制回路,利用其进行水分、定量值和控制输出量最优预测控制估讣,用以抑制大惯性、大时滞环节对生产过程中造成的影响,基于卡耳曼预测器的预测控制方法对于纸机水分定量控制取得良好的控制效果。
赵江等提出了基于一阶加纯滞后对象的多变量预测控制算法。
通过优化多变量指标求得控制率,并参考Smith预测思想对滞后时间进行补偿,定量水分的仿真结果表明该方法有较好的仿真效果。
4,智能控制与专家系统:
郭永锋等针对造纸过程中的复杂性工艺特点及其要求,提出了模糊控制和专家控制相结合的控制方法,通过控制决策压力模糊控制器设计确定模糊关系生成模糊控制表确定输出控制量来完成控制方法设计,最后完成硬件和软件的设计。
5,模糊控制:
赵艳等考虑到造纸过程的非线性或时变系统,将普通的PID控制和模糊控制相结合,提出了利用SUgenO模糊推理实现PID分层控制器的思想,通过选取模糊输入输出量确定论域选取模糊子集确定隶属度确定模糊规则来实现模糊PID分层控制器的设计。
刘美俊等则根据造纸过程中纸张张力的特点及控制要求’建立控制的数学模型,提出了一种具有自适应能力的模糊PlD控制,该控制器具有较强的克服动态干扰和消除静态余差的能力。
6,神经网络控制:
根据工业传统造纸过程中存在的精确度低的问题,张久政等提出了利用人工神经元网络实现预测控制的方法。
研究人工神经网络用于蒸煮工段的卡伯值估计预测;
纸浆卡伯的H因子控制;
预测纸张翘曲;
诊断纸机断纸;
纸张定量控制等儿方面应用问题。
实际表明:
这种基于一种神经网络的模型和自适应的反馈策略,具有较强的鲁棒性抗干扰性和自适应性。
乙软测量技术:
王孟效等就近年来国内外软测量技术在造纸制浆中的应用做了详细的综述,蒸煮过程中卡伯值的软测量技术;
打浆过程中打浆度软测量技术;
黑液波美度的在线软测量技术和纸张水分软测量。
李明辉等则针对国内在制浆造纸丄业中打浆度无法在线测量的难题,分析了打浆浓度进浆浓度进浆流量进浆压力打浆消耗的电功率打浆前•后的温差,打浆时间和原打浆参数的关系,提出了基于FBP算法打浆度的软测量技术,实现了打浆度的在线软测量’并将此方法成功应用于打浆度的最优控制中。
先进控制技术在制浆造纸过程中的应用,提高了该行业的生产操作控制水平,在推进行业技术进步水平方面发挥着积极的作用。
造纸过程先进控制技术的研究仍然是该领域的一个热点问题。
近年来,人们在不断地研究开发新的技术,常常釆用多项技术的集成,智能控制技术与小波理论的有机结合将会是一个新方向,利用小波提取Ll标信号特征,结合模糊识别技术,可实现U标信号的灵活、准确判断。
通过将神经网络、模糊计算与专家系统与小波理论有机融合,以建立在混沌状态下具有实时性和开放性的智能信息处理系统,其必将为其造纸过程应用带来新的发展。
随着人匸智能理论的突破性发展和控制理论和其它学科的交义渗
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