APC系统在化工装置中的应用

王晓光(陕煤集团榆林化学有限责任公司，陕西 榆林 719000)

0 引言

利用先进控制软件APC对各装置实施先进控制，提高各生产装置的综合自动化水平，降低操作劳动强度；全面提升装置的抗干扰能力，改善主要工艺指标的平稳性；实现各生产装置的精细化控制，克服负荷波动干扰，改善反应、分离效果，稳定产品品质，确保排放气达标，满足环保要求；通过“卡边”优化，提高装置目标产品的收率，降低装置单位产品的物耗、能耗；真正实现“安、稳、长、满、优”运行。

1 APC系统简述

随着过程工业日益走向大型化、集成化、连续化、复杂化，对过程控制的品质提出了更高的要求，控制的目标已不再局限于对某一个变量，或几个变量的平稳操作，而是越来越多地加入了以经济效益为代表的其他控制要求，然而传统的以单变量技术为基础的控制技术已无法满足这些需求。在这种大的背景下，较为先进或高级控制系统积极开发和普及应用成为必然趋势。

高级过程控制(advanced process control，APC)，同优化控制系统，其主要通过对被控对象运行过程中产生的大量实时数据、历史数据进行数据挖掘与分析，建立系统运行模型，利用系统模型进行多变量实时优化控制。APC以集散控制系统(DCS)硬件和软件为基础平台。

APC软件的核心部件主要多变量模型辨识、多变量预测控制、智能软测量三部分组成。

2 在装置中的主要应用

装置采用国产化APC控制系统，先进控制软件集先进控制平台APC-iSYS、多变量预测控制软件APC-Adcon、智能软测量软件APC-Sensor和在线性能监测与评估软件APC-Watch为一体。所有优化控制软件均基于统一的先进控制平台，通过软件不同组合方式，满足企业各类装置的优化控制需求。

APC先进控制在项目中主要应用包括：空分、气化炉、净化、H2/CO分离、乙二醇、、悬浮床加氢装置。

各装置先进控制目标如下：(1)提高主装置综合自动化水平，降低操作劳动强度。(2)提高主装置运行平稳性，各关键工艺参数的标准偏差降低30%以上。(3)在满足工艺安全约束条件下，稳定产品组成，并基于平稳操作，“卡边”优化相关工艺参数，挖掘装置潜力，提高产品效率。(4)实现精细化控制，克服负荷波动干扰，保证气化效果。(5)先进控制系统的投用率达到95%以上。(6)增加利润空间，同时提高安全和环保操作。

先进控制软件包由一系列用于基础自动化、先进控制和控制性能监控的软件构成，涵盖了从DCS基础控制回路到生产装置等多个层面需求的优化控制软件产品，包括：用于多变量过程的多变量预测控制软件、用于提高质量在线预测的智能软测量软件、用于先进控制系统性能维护的APC性能监控软件及用于实现特殊控制需求的自定义控制器软件，所有优化控制软件均基于统一的先进控制平台，通过软件不同组合方式，满足各装置的优化控制目标[1]。

3 APC应用的特点

3.1 全面性

APC-Suite产品提供了特有的图形化组态工具，支持高级语言编程，通过二次开发，提供各种智能控制策略以及复杂逻辑控制、事件型干扰处理和设备性能监控等先进控制辅助功能提供了有效的实现平台。模型辨识软件支持多种数据导入方式，包括Excel模板数据整体导入、文本文件导入、直接从实时数据库导入等。先进控制软件支持OPC通讯协议，并提供基于OPC协议的OPC服务器接口，便于第三方软件访问。

3.2 易集成

软件集优化、控制为一体。多变量预测控制技术采用双层结构多变量预测控制技术，上层稳态优化层以线性优化、二次优化为基础，求解过程最优稳态目标，下层动态控制层以动态矩阵控制为核心，将过程逐步推向最优稳态目标。稳态优化层主要实现：以MV、CV卡边优化为目标的经济自优化，以及MV、CV设定点为目标的设定点跟踪，并通过优先级技术对控制系统多目标进行协调。该经济自优化行为，可根据相关变量经济价值、成本信息自动优化计算出MV、CV的最优卡边目标，完成单个子系统的优化控制。

3.3 开放性

先进控制软件具有良好的开放性和整合能力，提供多种方式与第三方软件交互，支持OLE接口、API接口。流程模拟软件(如：Aspen Plus、PROII等)和先进控制软件均支持与微软EXCEL进行数据交互，从而实现先进控制软件与大部分流程模拟软件直接集成。为现场工程师提供开放的软件环境，具有模块化、开放性的数据平台，可以结合工艺、控制、优化等相关的经验，通过编写脚本的方式，对回路进行测试，并利用先控平台软件对开放的功能块进行自定义开发维护；可以选择性的对模型进行更新或对控制器参数进行调整，方便APC系统投用后的持续改进和运维[2]。

3.4 易用性

APC系统具有良好的易用性，先控实施人员在DCS上制作先进控制画面，现场操作人员主要在操作画面上对先控系统进行操作，先进控制画面主要以表格形式集中了先进控制系统相关的信息，便于操作人员对先进控制系统进行查阅与操作，操作人员能通过以上操作界面调整先进控制系统各种状态，以适应装置运行状况的改变。

3.5 性能监控与诊断

用于先进控制系统性能维护的APC性能监控软件APCCPA，能够根据需求设置的评估目标(方差、标准差、累加和、求和等)，按预设评估周期(日、周、月、年)进行统计分析，生成评估报告，提供建议的解决方案，监控控制器状态，模型KPI，并通过Web页面、邮件等形式进行发布；软件能自动监控控制器相关回路控制及通信接口性能，当性能偏离预设范围、通信异常、工况变化时，通过报警、邮件形式进行告知。确保项目投用后系统能够始终处于良好的监控、健康运行状态。

4 技术优势

4.1 自适应控制和建模

通过APC监控软件监控APC的实施性能；性能下降时，自动提醒将控制器切换至自动测试模式，该模式下，控制器能保证基本控制性能，同时控制器将根据当前过程约束条件，优化生成最优测试信号，并予以实施。当测试要求满足时，控制器将自动停止测试，并能方便切换至控制模式。利用该测试数据，可辨识得到控制器模型，并选择下载至控制器中，完成控制器整定过程。

4.2 可视界面

支持可视化多变量控制器多优化目标处理，软件通过矩阵型优化目标排布方式进行展示，可清晰、直观、便捷地进行操作变量与被控变量约束边界、设定点目标配置，提高控制器设计的快速性与准确性。

4.3 全局优化

高效的线性优化技术能够全方位地对上下游工艺装置进行全局优化，将上下游各装置控制器约束条件纳入全局优化。各控制器之间通过组合控制器配置方式，进行控制器级联，实现全局优化与上下游控制器之间的相容性，实现全局优化效益。

4.4 软测量模块

APC-Sensor智能软测量以神经网络、工艺机理建模等技术方法为核心，集数据预处理、辅助变量选择、离线建模与仿真、在线运行等功能为一体，是生产操作和先进控制的重要辅助软件，可提供以下功能：提供生产过程关键工艺参数及时、可靠和准确的计算值；提供炼油、化工过程特定工艺对象的机理计算模型；提供数据驱动、机理模型及数据驱动与机理模型相结合的模型；采用独特的在线模型滚动校正和化验室数据偏差校正的双重校正技术，提高在线预测精度。

4.5 自定义管理

用于先进控制系统性能监控与维护的APC性能监控软件APC-CPA，提供一些标准的实时数据表格、定期或不定期的数据报表、运行参数趋势图、不同时间段的数据统计及对比等功能，只需要配置相应的位号，及设置相应的参数。当软件提供的标准模块不能满足操作需求时，通过自行无限制且便利的开发、组态的方式，并通过参数组态，从而实现对装置管理的特殊需求。APC-CPA软件能与先进控制平台APC-iSYS、实时数据库无缝连接，实现在线运行，使先进控制系统与实际生产控制需求结合更加紧密。结合对装置管理的要求，实现自定义的管理目标，从而延伸先进控制的管理功能。

4.6 等级划分

通过可视化方式进行控制器内部控制结构划分，实现控制器内部结构解耦，避免因为变量误差权重大小设置不合理引起的变量解耦不彻底问题。通过这种处理，参数设置变得简单，控制效果更佳平稳。支持控制单元优先级排序，可将不同MV按重要性进行排序，实现MV等级划分，提高控制的精细程度，更好的满足控制需求。

4.7 安全性

APC-Security先进控制权限管理软件以岗位权限为权限管理模型，以远程和本地验证模式，实现对操作系统与先进控制、优化控制、性能监控等系统的操作权限验证。

先进控制软件充分考虑了系统安全性，在先进控制服务器端，先进控制系统监控每个先进控制器状态，当先进控制器出现异常，先进控制系统将根据严重程度采取措施，停止先进控制器运行或将异常部分切除先进控制；先进控制器服务器出现故障时，当服务器未在既定时间内恢复(看门狗时间)，APC软件开关自动切除，并自动将控制权移交至DCS侧，并对回路操作点进行跟踪；如果服务器故障恢复，控制器将自动通过热启动方式，预测被控对象的未来行为，并计算出正确的控制动作，实现APC与常规回路间的无扰切换。

在DCS端，通过建立通讯安全保护逻辑和控制回路安全保护逻辑。当先进控制服务器出现异常或故障时，通讯安全逻辑自动切除先进控制，将回路控制权从APC控制模式自动切换到DCS操作员控制模式，并给出报警提示；控制回路安全保护逻辑实时监视回路投运状态及优化控制状态，当出现先进控制器输出量不合理、回路状态异常或不满足投运条件时，逻辑程序切除回路的先进控制，将控制权从APC控制模式自动切换到DCS操作员控制模式，并给出报警提示便于操作人员及时处理。

5 结语

APC优化进控制系统在处于实施阶段，在部分装置上已取得了一定的应用效果，提高了装置的稳定性，减轻了操作强度，做到卡边优化。但是因为工艺复杂、开发难度大等诸多原因，先过控制的优化、效益的提升需要长期积累，需长时间多方人员参与和支持，才能真正做优化控制，节以高效，为企业的挖潜增效做出贡献。