快速部署多变量控制器策略以适应经济目标不断变化

艾斯本公司 竺建敏

快速部署多变量控制器策略以适应经济目标不断变化

艾斯本公司 竺建敏

Aspen DMC3是艾斯本公司新一代先进控制集成解决方案，它集多变量模型预测控制、多变量控制器实时监控及诊断、自动数据剔除及闭环模型辨识、模型质量在线自动分析、自适应控制、鲁棒控制及多变量控制器智能整定等功能于一体。艾斯本多变量控制器智能整定技术采用新颖的序贯多目标优化算法，通过直接指定优化目标从而消除复杂的整定工作，通过安装向导轻松配置优化器，并可提供可视化的在线多变量控制器策略。

先进控制；自适应控制；多变量控制器智能整定； Aspen DMC3 Abstract: AspenTech new generation advanced process control integrated solution to build and maintain controllers- Aspen DMC3 includes many features, such as: multivariable model predictive control, real-time monitoring and diagnosis, automatic data slicing, closed-loop model identification, online model quality KPI analysis, state of the art adaptive control, robust control and controller Smart Tune etc.. Aspen Smart Tune technology uses a new sequential multi-objective optimizer, eliminates complicated tuning by directly specifying objectives, configures effortlessly the optimizer by setup the wizard, and provides the visual view of the controller strategy online.

随着原料及能源价格的巨大波动，尽快作出相应的经济调整以使资产利润最大化变得至关重要。与时俱进不断满足日益严格的法规要求及制造厂商的生产需求，需要在全厂范围实施更具可持续效率和灵活性的措施。因此，优化不再是企业的可选项，而是企业提高竞争力必需的手段。在不断快速变化的经济环境下，必须同时兼顾营运性能优化和卓越经营。

先进过程控制（APC）的开拓性创新功能可帮助企业优化生产工艺操作，减少损耗，降低整个生产过程中的能源成本、资产效率、产品质量以及改善产率。此外，最新技术创新的APC软件更易使用，即使经验较少的工程师也可参与先进控制应用，并可快速取得先进控制应用成果。

1 快速识别问题

当原油价格在2015年初骤跌至每桶50美元时，下游行业迎来了优化及提高利润的机会。在不考虑经济的情况下，无论是创建新工厂的新兴地区，还是寻求改扩建及延长资产周期的企业，APC技术在帮助这些企业实现利润最大化时发挥着极其重要的作用。

APC可为炼油及石化企业带来显著的运营效益，通过采用精确的模型以创造更高的效益。然而为了应对模型误差，无论是主动还是被动地对多变量控制器进行重新整定，其结果可能会出现过度补偿或者低于最优阈值。在APC运行周期中，工艺装置不断发生变化。多变量控制器会显示与工艺装置实际行为的不同性能。有时，持续多变量控制器性能要比初始多变量控制器应用可能更难一些，但是它对降低成本、节省时间、持续长期运营效益至关重要。

使用改进型的APC自动化软件工具，可大大减少先进控制解决方案的实施时间与实施工作量，更快地获得先进控制带来的效益。APC通过实行更加精确的控制，可以减少产品质量波动（产品质量改善高达50%），增加产率（高达3%），提高产量（平均4%），减少能源成本（高达10%）以及改善资产效率。

由于无法保证在线多变量控制器各操纵变量调节的正确性，以致操作工无法获得足够的指示信息已成为一种普遍情况。由于多变量控制器模型可能无法表征特定工况下的工艺装置行为，如果操作工无法理解多变量控制器的行为，那么可能导致多变量控制器操作有误，操作工可能不得不关闭多变量控制器，严重的情况可能会导致工艺运行在经济目标的范围之外。因此，现有的APC方法需要对工艺装置有深层次的理解，并将它们转换成与多变量控制器相适应的整定参数。多变量控制器整定是一个复杂且耗时的过程，有时需采用迭代一试凑法。由于技能娴熟的APC专业技术人员相当匮乏，因此企业关心的是为确保先进控制系统按工艺要求运行而对专业技能产生的依赖程度。许多经验丰富的APC专业技术人员将在未来5~10年后退休，而进入先进控制应用职场的具有同等高水平行业经验的工程师却人数不足。

2 应对经济目标的变化

为满足不断变化的经济目标，从高成本及高风险的生产运营过程中尽可能获取更多价值是非常重要的。因此，具有灵活、创新、自动化工作流程特点的APC软件及其直观式的界面功能可帮助炼油及石化企业提高绩效，跟上全球环境激烈竞争的步伐。

Aspen DMC3具有“整定”鲁棒性以适应正常工况与不寻常工况之特点。这款新颖软件包含了业务不断创新，例如艾斯本公司推出的开拓性自适应过程控制技术，不但具有自动整定及自动测试功能，而且还具有先进的模型辨识及分析能力。这项专利技术可将APC维护从一个项目转变为持续的后台背景工作，装置测试对正常工艺生产带来的影响更小。随着时间的推移，它可保持多变量控制器一直处于高性能在线运行，提高运营效益。Aspen DMC3带来的核心价值包括：提高多变量控制器的在线投运率，改善APC效益，减少工程师的工作量，降低劳动强度及简化先进控制应用工作流程复杂度。此外，APC集成度高，可为用户提供直观界面，将反映装置绩效的数据（如压力及温度等）合理转换为一目了然的相关图表。

用户不仅可利用Aspen DMC3中新添加的多变量控制器智能整定（Smart Tune）功能直接在多变量控制器中创建并更频繁地更新操作运营目标（如轻柴最大化与汽油最大化之间的优化权衡），而且可轻松消除复杂且繁重的多变量控制优化器整定工作。重要的是，这一创新可帮助工程师让多变量控制器策略快速适应公司不断变化的经济目标，从而使APC应用变得更加灵活、更加有效。多变量控制器智能整定（Smart Tune）具有减少复杂整定的优点，因此工程师只需花费少量精力整定多变量控制器便可满足新的经济指标要求。这一解决方案可使经验不丰富的工程师也能创建及维护多变量控制器。当模型性能呈现衰退或模型需要更新时，这款智能软件无需对多变量控制器再次进行复杂的人工整定便可轻松实施相应的优化策略，而且其直观式的在线界面让多变量控制策略可视化，便于操作工、工程师更好地理解多变量控制器的控制策略及相应的控制器行为。

拥有更为敏捷和更加鲁棒的APC多变量控制器技术，炼油及石化企业可使其工厂运营快速适应不断变化的经济指标或运营需求。此外，企业可快速协调并整合各工艺单元装置的APC多变量控制器、调度及计划，将APC应用的所有权范围扩大至APC运营利益相关者及过程工艺工程师。总的结果表明Aspen DMC3中所新增加的智能整定（Smart Tune）功能在优化能源使用、排放及运营成本方面发挥着巨大的作用。此款软件具有使多变量控制器能按照现有业务及装置状况来进行调整的能力，这对于实现运营目标至关重要。借助其拥有的内置式多变量控制器自动维护功能，企业不但可省去复杂多变量控制器改造项目费用，还可降低新建先进控制应用成本并提高效益。

3 让业务步入正轨

先进控制软件的创新表现在，使用上更为直观，并利用先进控制自适应功能缩短了设计时间。APC自较简易的模型构建阶段起，不断提高模型精度，用一目了然的友好界面显示相关数据分析和控制策略，因此其自动化工作流程具有对正常生产干扰小，对专业技术人员依赖少的显著特点，现在工程师可轻松配置多变量控制器来应对特定事件。拥有新添加的智能整定（Smart Tune）功能的Aspen DMC3可让用户迅速适应不断变化的经济指标，节省工程时间及工作量，提高装置的稳定性、装置性能，快速实现企业运营目标。

配备开拓性的APC软件，炼油及石化企业生产厂商可更为灵活地攀登卓越运营的高峰，增加效益，在不断动荡的市场中提高竞争力。

竺建敏,男，工业自动化专业博士，现任美国AspenTech公司高级资深技术顾问。1993年～1996年在美国休斯敦DMC公司任高级控制工程师；1996年～1999年在美国休斯敦AspenTech公司任先进控制及优化项目高级工程师；1999年～2002年在AspenTech中国的合资企业上海申迪软件工程有限公司任副总经理；2002年起在AspenTech中国区、亚太区任高级资深技术顾问。曾任美国休斯敦华人石油协会仿真、控制及优化专业委员会主任，发表相关论文20余篇。主要研究方向为炼油、石化和化工行业先进控制及闭环实时优化的系统开发和应用。

Quickly Adapting Multivariable Controller to Satisfy Changing Economic Conditions

Advanced process control; Adaptive process control; Smart tune; Aspen DMC3