HAPC优化控制系统在合成氨装置上的应用

田育奇，李兆崇，崔　敏（杭州和利时自动化有限公司，渐江　杭州　310018）

HAPC优化控制系统在合成氨装置上的应用

田育奇，李兆崇，崔敏（杭州和利时自动化有限公司，渐江杭州310018）

1　引言

随着科学技术的飞速发展，世界各国对工业生产提出了不同的战略，比如德国的工业4.0，中国的两化融合、《中国制造2025》[1]，这些战略促使工业各个领域进行重大变化。促使流程工业朝着大型化、高集成度和高效化等方向发展，要求实现减少能源消耗，提高生产质量。这就导致了生产单元、装置乃至流程中所涉及的系统、过程控制对象，更加复杂、强耦合和更多约束条件，更多的目标优化，而且不断提高对工业生产过程的安全、高效、优质、低耗等方面的要求，以追求着更大的经济效益和社会效益，对控制技术水平与性能的要求也越来越高。因此，以单回路PID控制和串级控制策略为代表的常规控制策略已面临着多方面的挑战，必须采用新的控制策略与技术来适应复杂工业过程多目标优化、多层次协调和多变量控制等要求。需要先进过程控制APC（Advanced Process Control）和实时优化RTO（Real-Time Optimization），通过动态优化来解决复杂控制的难题，同时，提供更加优化的稳态运行设定值、优化运行工况，实现工厂的利润最大化和成本最小化，已经成为自动化领域一个重要的研究课题和新的发展方向[5]。

在优化控制软件开发上，国外先进控制软件出现于20世纪70年代末，经过几十年的发展，已经形成了一个强大的流程工业应用软件产业。目前，国外先进控制软件的主流供应商及其产品包括：AspenTech公司的DMCplus和Apollo（非线性预测控制软件）、Invensys公司的Connoisseur、Rockwell公司的Process Perfecter（非线性预测控制软件）、Honeywell公司的Profit系列产品以及Yokogawa公司代理的Shell SMOC产品等[6]。

国内先进控制软件的研发起步晚，始于20世纪90年代中期，在国家科技攻关项目的支持下，清华大学、浙江大学、上海交通大学、石油大学（北京）、中国科技大学、北京化工大学等高校的科研团队分别针对炼油、石化和化工等行业的具体生产装置研发了专用先进控制软件并取得了成功应用[4]。国内的许多自动化企业也研究和开发了一系列的优化控制软件包，经过20多年的飞速发展，已迎头赶上，与国外的先进控制软件差距越来越小，甚至一些团队开发的先进控制软件的性能已经达到世界先进水平。例如，和利时集团开发的HOLLiAS-APC Suit软件包[7]已成功应用于化工，电力、水泥等行业，为客户提高了装置运行效率，减少了能源消耗，提高了产品品质。

在化工领域，氨是重要的无机化工产品之一，它可以应用于军事、农业等很多领域，尤其是现代农业领域，氨是生产尿素等化肥的主要原料，因此氨的工业生产，也是决定一个国家经济发展的一个重要因素。合成氨工艺装置是一种典型的化工装置，具有复杂过程工业所具备的一切特点[2]。而且在实际生产中，许多采用单纯的PID控制回路无法实现对被控对象良好的控制，这是导致能源及原料消耗大、氨的纯度低等现象的重要原因。

而接下来，将介绍和利时开发的HOLLiAS-APC Suit优化控制软件包用于合成氨部分重点控制回路的优化方案。

2　合成氨工艺说明

这里的合成氨工艺装置[3]是国内某厂的实际生产工艺流程，主要原料是天然气，然后通过压缩、脱硫、一段转化、二段转化、高低温变换、脱碳、甲烷化、压缩、合成等工序，得到氨，其主要流程如图1所示。

图1　合成氨工艺流程图

合成氨的纯度受反应炉温度、合成气比例、催化剂等因素的影响。在其他因素稳定的条件下，保持反应炉温度在一定范围内（430℃～450℃），可获得满意的氨纯度。开工加热炉（R1801）的温度受氨气、氮气混合气体温度、合成氨反应程度的影响。开始反应时，需要提高加热炉的床入温度，以促进反应的进行。氨合成是放热反应，随着反应的进行，需要降低床入温度以保持加热炉温度在合理区间。进入开工加热炉的氨氮混合气体分为三个支路：两路顶部进气和一路底部进气。顶部的床入温度调节阀（TV_1814）通过压缩机的作用调节合成气体的温度， 阀门开度越小，进入开工加热炉的合成气温度越高。底部进口合成气手动调节阀（HV_1802）开度越大，进入开工加热炉的合成气温度越高。顶部进口合成气手动调节阀（HV_1803）开度越小，进入开工加热炉的合成气温度越高。其装置图如图2所示。

图2　合成氨开工加热炉控制对象说明

3　和利时HOLLiAS-APC Suit优化控制软件介绍

和利时（HollySys）始创于1993年，是中国领先的自动化与信息技术解决方案提供商。经过这20多年的发展，在自动化领域积累了深厚的技术基础与丰富的现场经验。而随着国家工业控制软件国产化战略的提出，和利时公司开发了一系列适合于过程自动化等领域的工业控制产品软件，并拥有实现产业化的丰富经验，提高了公司业务在国内市场占有率，而且已将业务拓展至国外，公司产值在逐渐增加。和利时基于现场丰富的项目经验以及实际需求，增加和利时工控软件的附加值及服务，以及打破国外产品的垄断，替代进口，开发了具有自主产权的优化控制系统软件包HOLLiAS-APC Suit。图3所示是和利时优化控制软件包中HAPC软件的运行架构。

图3　HAPC优化控制系统架构

和利时HOLLiAS-APC Suit优化控制系统软件包由HOLLiASSAP数据采集软件、HOLLiAS-SysID模型辨识软件、HOLLiASAPC软件三部分组成。

3.1HOLLiAS-SAP数据采集

数据采集软件主要实现了对现场设备中的实际数据点进行数据采集的功能，采集的数据供后面系统辨识使用。其主要特点有：

（1）采用了工业中标准的OPC通讯协议技术，可以用于任何支持OPC通讯接口的自动化产品；

（2）能够采集任意对象任意时刻的实时数据；

（3）添加了激励功能，能够根据需求进行扰动激励，获取有效数据；

（4）能够随意启停保存数据。

3.2HOLLiAS-SysID模型辨识

系统辨识软件主要实现对现场采集的过程对象输入输出数据进行一系列的数学运算与处理，获取能够反映被控对象输入输出对应关系的数学模型，并保存为相应的模型文件，供后续的分析和控制所用。其主要特点有：

（1）采用了现代控制理论状态模型结构；

（2）可以进行任意输入输出模型之间的模型辨识；

（3）可以进行多输入、多输出模型的辨识；

（4）添加了辨识模型验证功能，可以对辨识模型进行有效的判断；

（5）可以进行多组辨识结果模型对比，选择其最优模型；

（6）添加了模型任意输入、任意输出模型组合。

3.3HOLLiAS-APC优化控制

优化控制软件是面向工业过程的先进控制软件，能够处理工业过程中多变量、强耦合、大时滞、带约束等复杂的过程控制问题。其主要特点：

（1）基于多变量预测控制技术，可以进行多变量、强耦合、大时滞、带约束的复杂生产过程的平稳控制和动态优化；

（2）灵活的功能组态：有方案组态、MPC控制器组组态、MPC控制器组态、模糊控制器组态，实现了不同工况、不同需求的控制器实时无扰动切换；

（3）控制器组态时，建立了扰动模型，克服强烈干扰；

（4）多种控制器模块：根据实际需求，可以采用不同的控制器模块进行优化控制；

（5）分段控制功能：可以根据被控对象，在不同阶段、不同特性条件下，创建不同的控制器，用于优化控制；

（6）逻辑控制：适用于应对条件变化问题；

（7）死区机制：允许被控量存在误差；

（8）动态限幅机制：动态限制控制量输出值。

4　开工加热炉床入温度对象APC优化控制

4.1床入温度APC控制方案

分析开工加热炉工艺特征，制定了开工加热炉的床入温度控制方案。床入温度控制回路如图4所示。

图4　床入温度控制方案图

根据其控制方案，可以看出这是一个双输入单输出的被控对象，而且还有一个扰动对象。

4.2APC控制组态

该控制器方案的采用，是在床入温度的控制范围比较小时，其控制方案中被控对象、控制量、扰动量参数说明如表1所示。

表1　床入温度APC控制方案中被控对象、控制量、扰动量参数说明

根据其被控量对象、控制量对象、扰动量对象，进行APC优化控制方案的组态。其APC控制器组态界面如图5所示，其被控量及控制量参数设置如表2所示。

图5　床入温度MPC控制器参数界面图

表2　HAPC中床入温度APC控制器参数设置列表

在HAPC优化软件上组态好控制方案后，则要在DCS系统中进行APC控制切换界面组态及APC优化控制与常规PID控制方案的投运切换逻辑组态。图6所示为DCS系统中组态的APC优化控制投运界面。

图6　DCS系统中APC优化控制投运界面

在DCS系统中组态好APC优化控制切换组态画面及切换逻辑，根据APC优化控制软件运行架构安装OPC通讯服务器，进行通讯点配置后，运行整个优化控制系统，在DCS系统中投运APC控制。

4.3HAPC投运效果

投运APC控制系统后，DCS系统开始采用HAPC控制系统进行被控量的控制，其控制结果如图7所示。

图7　氨合成塔床入温度APC控制曲线

5　结语

本文主要是将和利时开发的HOLLiAS-APC Suit优化控制系统软件包用于合成氨工艺中开工加热炉床入温度的优化控制。通过分析合开工加热炉装置的运行原理，确定对床入温度对象有影响的控制量，以及扰动量，确定APC优化控制方案。然后通过数据采集、模型辨识阶段，获取数学模型，利用HOLLiAS-APC优化控制软件创建控制方案及多变量预测模型控制器，然后投运，实现了对床入温度的多输入单输出控制，以及对床入温度有影响的扰动对象的控制。投运HAPC优化控制系统后，其控制效果明显。

[1] 贺正楚, 潘红玉. 德国“工业4.0”与“中国制造2025”[J]. 长沙理工大学学报 (社会科学版), 2015 (3) : 103 - 110.

[2] 张运陶, 付伟忠, 张明荣, 等. 合成氨工艺参数优化技术开发及应用[J]. 计算机与应用化学, 2011, 28 (8) : 1030 - 1034.

[3] 蒋德军. 合成氨工艺技术的现状及其发展趋势[J]. 现代化工, 2005, 25 (8) : 9 - 14.

[4] 浙江中控软件技术有限公司. 国产先进控制软件的开发、应用与前景展望[J]. 自动化博览, 2012 (12) : 34 - 37.

[5] 邵惠鹤. 流程工业自动化发展趋向与先进控制技术[J]. 自动化博览, 2002, 19 (2) : 27 - 32.

[6] 孙德敏, 吴刚, 薛美盛, 等. 工业过程先进控制及优化软件产业[J]. 自动化博览, 2003 (2) : 5 - 13.

[7] 杭州和利时自动化有限公司. 和利时先进控制软件HOLLiAS - APC Suite开发文档[Z].

Application of HOLLiAS-APC Optimization Control System in the Synthetic Ammonia Process Device

本文主要是基于合成氨工艺装置，实现HAPC优化控制系统的应用。合成氨工艺是化工领域比较典型的工艺装置，但实际中有些控制回路采用传统的PID控制器及简单控制方案难以实现所要求的控制目标。基于和利时在自动化领域20多年的技术积累及工程经验开发的HOLLiAS APC Suit优化控制软件包来实现目标的优化控制，将HOLLiAS APC Suit软件包用于该装置的一些重要控制回路，对于提高控制品质，减少能源消耗、提高企业效益，有着重要的意义。

HOLLiAS APC Suit；合成氨工艺；模型预测控制

This paper applies the HOLLiAS-APC Optimization Control System to the synthetic ammonia device to achieve the control objectives during the process, which is a typical chemical engineering unit. Required objectives are difficult to be realized using some control circuits, built up with traditional PID controllers and simple control schemes. In order to make up the disadvantage of traditional control, Hollysys developed the HOLLiAS-APC Suit optimization control software based on over 20 years’ accumulation and engineeringexperience in Industrial automatic, and it provides the possibility for some important control loops in the synthetic ammonia process device to improve control quality, reduce energy consumption, and to improve the enterprise benefit.

HOLLiAS APC Suit; Synthetic ammonia process; Model predictive control

B

1003-0492(2016)11-0092-04

TP273+.1

田育奇（1989-），男，甘肃武威人，工程师，硕士，现就职于杭州和利时自动化有限公司，主要研究方向为优化控制以及PID控制器参数整定。

李兆崇（1981-），男，河南平顶山人，工程师，本科，现就职于杭州和利时自动化有限公司主要研究方向为优化控制与仿真模拟。

崔敏（1986-） ，男，山西临汾人，工程师，硕士，现就职于杭州和利时自动化有限公司，主要研究方向为优化控制与仿真模拟。