2010年 3 月 , 赵克勤

石化生产装置先进控制技术应用

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 8090年代就在生产装置上普及了先进控制技术的应用；

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

建好、用好APC 的五

个要素

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

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

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

OPT/APC/PID 控制总体架构

优化控制（OPT）

先进控制（APC）

DCS – PID常规控制

FC

秒

分钟

小时

PC TC LC

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。

先进控制架构

预测模型 多变量控制器

DCS / PID常规控制

可测CV可测DV

操作变量MV

CV及MV上下限、稳态目标值、权重控制器维护

操作人员 APC控制工程师

软仪表

在线质量表/化验分析

计算CV

可测关联变量

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。

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。

黑箱建模

线性回归方法

非线性回归方法

神经元网络

模糊建模

混合建模方法

以PLS、PCA算法为代表

各种经验回归模型

多项式模型，样条插值

BP神经元网络

RBF神经元网络

以上各种方法组合，如：FNN、FPLS、FPCA等

机理建模

软仪表建模

静态严格模型加动态补偿

状态方程动态观测

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<W<1 一般地，W>0.5

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<G<1.0

(1-W)*Bias ’, W<1

W * OP

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）

多变量控制技术

校正后的预测

稳态优化

动态控制 过程

模型

模型预测偏差

MVs

CVs

+

-

CV/MV 目标值

模型预测

CV测量值

MV 上下限CV上下限

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 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 01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。

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。

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

实施方法

初审及预测试

开工会

初步控制策略设计

详细设计（辨识试验）

工厂接受测试（FAT）

现场安装与调试

APC试运行

验收与移交运维

通过

不通过

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 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 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。

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

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

同等百分数超限计算 APC 经济效益

CV ConstraintED_old ED_new

同等百分数超限原理计算APC效益

ED_old: CV Error Distribution before APC

ED_new: CV Error Distribution after APC

Same 5% Violation Pre/Post APC

Margin

同等百分数超限计算 APC 经济效益

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

长期维护机制 为长期用好 APC，中国石化总结了“九五”期间由于没有专业化队伍对已投用 APC进行维护，造成一些装置 APC投用不高的教训，采取了两项主要措施： 一是加强现场运行状态的跟踪考核，组织起草了《中国石化先进控制（ APC）应用管理办法》，落实各层管理人员的职责；

二是建设先进控制系统的运行维护技术支持体系，在石化盈科上海分公司成立了 APC支持中心，对已上线的先进控制系统进行维护和技术支持。实现支持中心在线监视 APC运行情况，掌握第一手材料，随时提供维护支持。十五期间，中国石化加强了 APC工作组织和领导，统一制定 APC的实施计划和运维工作，使 APC上一套、成一套、长期保持一套，使企业长期受益。

结束语

成功实施先进控制和长期保持良好运行是一项涉及多方面的工作，装置稳定运行、基础仪表、人员素质、管理体制、实施人员与现场工程师密切配合等都影响 APC的良好应用。因此，先进控制需要操作人员、工艺工程师、自控人员、 APC实施专家和管理人员通力合作，以高度责任感和激情努力工作，使生产装置不仅成功实施 APC，而且能够长期使用好它，使我们的装置真正达到国际同类装置的操作水平，使我们企业的综合实力及竞争力得以提高。

谢 谢 ！