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作者：王立國，山東海化股份有限公司純堿廠 發表時間：2007-03-05
在介紹基於模型預測控製策略的先進控製軟件包APC-Adcon的實現原理、基本框架和特點的基礎上，給出了該先進控製軟件在山東海化股份有限公司純堿廠的實際應用情況。
先(xian)進(jin)控(kong)製(zhi)是(shi)現(xian)代(dai)流(liu)程(cheng)工(gong)業(ye)生(sheng)產(chan)過(guo)程(cheng)中(zhong)最(zui)重(zhong)要(yao)的(de)自(zi)動(dong)化(hua)技(ji)術(shu)之(zhi)一(yi)。采(cai)用(yong)先(xian)進(jin)控(kong)製(zhi)，可(ke)以(yi)解(jie)決(jue)常(chang)規(gui)控(kong)製(zhi)中(zhong)不(bu)能(neng)解(jie)決(jue)的(de)各(ge)種(zhong)難(nan)題(ti)，以(yi)滿(man)足(zu)人(ren)們(men)對(dui)生(sheng)產(chan)過(guo)程(cheng)的(de)安(an)全(quan)、高效、優質、低耗的要求，使用戶以較小的投入獲得較大的經濟效益。據有關資料統計，先進控製軟件包在全球範圍內已有6000套以上的應用，國外的著名供應商正在加緊搶占國內的先進控製市場。國內的許多高校、研究機構和大型石化企業自上世紀80年nian末mo開kai始shi研yan究jiu並bing實shi踐jian先xian進jin控kong製zhi技ji術shu，在zai一yi些xie複fu雜za工gong業ye過guo程cheng上shang取qu得de了le應ying用yong成cheng果guo並bing積ji累lei相xiang關guan技ji術shu經jing驗yan。浙zhe江jiang中zhong控kong軟ruan件jian技ji術shu有you限xian公gong司si所suo研yan發fa的de高gao級ji多duo變bian量liang魯lu棒bang預yu測ce控kong製zhi軟ruan件jianAPC-Adcon是國內具有較大影響力的先進控製軟件包，已在大型煉油、石化和化工裝置中成功應用40多套。
圖1：APC-Adcon 先進控製軟件結構原理
純堿即碳酸鈉（Na 2CO 3），是重要的基本工業原料，被稱為“化工之母”，其(qi)產(chan)量(liang)和(he)消(xiao)費(fei)量(liang)通(tong)常(chang)被(bei)作(zuo)為(wei)衡(heng)量(liang)一(yi)個(ge)國(guo)家(jia)工(gong)業(ye)發(fa)展(zhan)水(shui)平(ping)的(de)標(biao)誌(zhi)之(zhi)一(yi)。山(shan)東(dong)海(hai)化(hua)股(gu)份(fen)有(you)限(xian)公(gong)司(si)純(chun)堿(jian)廠(chang)是(shi)目(mu)前(qian)國(guo)內(nei)最(zui)大(da)的(de)純(chun)堿(jian)生(sheng)產(chan)企(qi)業(ye)，生(sheng)產(chan)崗(gang)位(wei)全(quan)部(bu)實(shi)現(xian)了(le)DCS控製。由於純堿生產過程工藝流程長，連續性強，而且處理的物料為氣、液、固三相物質，部分裝置如 碳化塔、石灰窯等具有較強的變量關聯和耦合特性，常規的單變量控製難以有效地解決這類複雜工業過程控製問題。 我廠於2004年6月通過招標，在國內外眾多供應商中選擇“浙大中控”的APC-Adcon先進控製產品，雙方共同合作在國內純堿裝置上實施了第一個先進控製項目，經過近1年的努力，項目組結合純堿生產裝置的生產工藝特點和實際的工藝操作經驗，開發了純堿裝置先進控製 係統，提ti高gao了le裝zhuang置zhi操cao作zuo平ping穩wen性xing和he控kong製zhi性xing能neng，降jiang低di了le能neng耗hao，減jian少shao了le操cao作zuo人ren員yuan的de勞lao動dong強qiang度du。先xian進jin控kong製zhi技ji術shu極ji大da地di提ti升sheng了le純chun堿jian生sheng產chan過guo程cheng控kong製zhi效xiao果guo，引yin起qi了le純chun堿jian行xing業ye和he社she會hui各ge界jie的de廣guang泛fan關guan注zhu。 先進控製軟件包體係結構
高級多變量預測控製軟件包APC-Adcon是shi浙zhe江jiang中zhong控kong軟ruan件jian技ji術shu有you限xian公gong司si開kai發fa的de麵mian向xiang工gong業ye過guo程cheng的de多duo變bian量liang預yu測ce控kong製zhi軟ruan件jian包bao，特te別bie適shi合he於yu需xu要yao采cai用yong多duo種zhong控kong製zhi策ce略lve和he控kong製zhi結jie構gou的de複fu雜za多duo變bian量liang過guo程cheng。它ta可ke以yi方fang便bian的de集ji成cheng到dao任ren何heDCS或PLC控製係統中工作。其基本功能是：在被控變量和操縱變量滿足位置和速度硬約束的前提下，每個被控變量可以按照指定的閉環性能達到設定值；對可測擾動實現前饋控製；可完成局部優化等。APC-Adcon還充分考慮了實際控製係統中的各種要求，可以集成各種專家智能控製策略，進一步保證了控製性能和控製係統魯棒性。 APC-Adcon在結構體係上采用先進的分布式多層組件化應用體係，提供分布式軟件結構和分布式應用結構，基於COM的組件化先進控製軟件的結構如圖1所示。 從圖1keyikanchu，xianjinkongzhiqidemeiyigegongnengmokuaizuoweikongzhiqidebiaozhunjian，fenbiebaozhuangbutongdexianjinkongzhisuanfahegongneng，qieyuchengxushejiyuyanwuguan，keyishixianjichajiyong。zujianhuakuangjiabujinjianhualebiancheng，erqiejidazengjialeruanjiandewendingxing。 APC-Adcon采用的控製結構具有較強的可操作性，可以是固定的，也可以由用戶在線修改。APC-Adcon控製器結構如圖2所示。 
圖2：APC-Adcon 控製器結構
控製器結構中包括如下描述： 1）操縱變量 ■約束：最小、最大和速度 ■理想滯留值（IRV）：數值和趨向IRV值的速率 ■最大化（或最小化）：數值和趨向最大（或最小）值的速率 2）被控變量（輔助變量） ■約束：最小、最大和速度 ■設定值控製：閉環時間響應 ■區域設定值控製：設定值區域邊界，邊界內及邊界外閉環時間響應 ■理想滯留值（IRV）：數值和趨向IRV值的速率 ■最大化（或最小化）：數值和趨向最大（或最小）值的速率 3）容錯控製功能 不bu同tong的de工gong作zuo條tiao件jian及ji操cao作zuo模mo式shi下xia控kong製zhi目mu標biao可ke能neng不bu同tong，各ge種zhong變bian量liang的de具ju體ti要yao求qiu也ye可ke能neng不bu同tong。當dang傳chuan感gan器qi或huo執zhi行xing器qi失shi效xiao，控kong製zhi對dui象xiang將jiang發fa生sheng改gai變bian。對dui於yu這zhe種zhong意yi外wai情qing況kuang，APC-Adcon提供安全的解決方案，包括：改變被控變量和操縱變量集，實時調度控製結構等。 APC-Adcon在山東海化純堿生產過程中的應用
工藝流程簡介
shandonghaihuachunjianchangcaiyonganjianfazhijian，qigongyiyuanlishijiangyuanyanjingzhichengbaoheyanshuihou，xianxingchenganyanshui，anyanshuiyuduanshaoshihuishichanshengdeeryanghuatanqizaiqingxitaneifanyingshengchengyutanhuaye，yutanhuayezaitanhuataneiyugaonongdudeCO2氣進行碳酸化反應（俗稱碳化）生成的碳酸氫鈉懸浮液，經過濾得到的碳酸氫鈉結晶在煆燒爐內煆燒獲得純堿產品和高濃度CO2氣，CO2氣經冷卻、壓縮後通入碳化塔參與碳化反應。把濾去碳酸氫鈉的製堿母液加熱蒸餾回收其中的氨。氨堿法生產工藝的主要工序有：化鹽和鹽水精製、氨鹽水的製備、碳化和重堿過濾、重堿的煆燒、氨的回收以及石灰石的煆燒等。 目前，我廠純堿裝置的各 生產工序已全部實現了DCS 控製，因此生產效率明顯提高，產品次品率大大降低。但常規的單回路控製不能很好的適應純堿生產過程的一些複雜特性，例如：純堿生產的核心單元―― 碳化工序，該工序包括多個碳化塔組，每個碳化塔不僅具有“製堿”和“清洗”兩種運行狀態，而且隨製堿周期的不同具有時變性，存在著大純滯後、多變量關聯和耦合特性，塔底壓力、出堿液溫度、中部溫度分布等重要工藝過程參數需要操作人員手動控製。另外，碳化生產所需的下段氣、中段氣、清洗氣總流量和壓力主要依靠人工聯係調整，存在調節不及時、調節幅度不合適等問題，因此碳化生產過程的運行參數和產品質量得不到保證，勞動強度大，消耗高。 為進一步提高自動化控製水平，山東海化純堿廠選擇純堿裝置的重要工序――石灰窯工序、碳化工序、壓縮工序實施了 先進控製與優化。 先進控製與優化方案
先進控製 係統的總體框架如圖3所示。 
圖3：先進控製係統總體框架
先進控製係統首先針對上述三個工序分別設計了獨立的APC-Adcon子
控製器以滿足這些工序平穩控製的要求，其中，碳化工序子控製器以預測控製策略為核心，用APC-Adcon的標準算法實現整個工序2組14座碳化塔兩種工作模式“製堿”和“清洗”過程的平穩控製以及產量與質量的協調優化；石灰工序子控製器將預測控製策略和智能控製策略相結合，在APC-Adcon標準算法的基礎上增加自定義控製算法實現了過程控製和機電控製有效結合，既穩定了石灰窯出灰溫度，又實現石灰窯自動出灰、自動配料等功能；壓縮工序子控製器則在壓縮機轉速自動控製的基礎上，按照碳化工序實際生產對清洗氣、中段氣、下段氣總流量的需求實時改變壓縮機轉速，從而實現壓縮工序的優化。各個子控製器之間的聯係通過物料平衡、工藝計算等來體現。針對裝置的特殊要求，基於智能控製技術為石灰窯、碳化塔和壓縮機裝置製定了特殊的控製和優化策略。
通過先進控製技術的應用，碳化塔中部溫度、碳化塔塔底壓力、碳化塔出堿溫度和石灰窯出灰溫度等主要工藝參數得到了有效控製，提高工藝操作的平穩性；在此基礎上，進一步實現了石灰窯、碳化塔和壓縮機的生產負荷分配和工況平衡等優化控製。
先進控製係統通訊實現
山東海化純堿廠純堿生產裝置先進控製係統是在Siemens PCS7集散控製係統平台上實施的，先進控製軟件APC-Adcon運行於DCS係統的上位機上，並以配套的先進控製軟件平台ESP-iSYS-A作為支撐。ESP-iSYS-A可以以客戶端方式與DCS係統WinCC軟件的OPC Server實現數據雙向通訊，從而保證先進控製係統的數據集成和實時控製。
應用效果
下麵簡要說明純堿生產過程三個先進控製子係統投用前後控製效果對比。
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a) 先進控製係統投運前
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圖4：石灰窯窯底溫度控製效果
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圖5：碳化塔塔底壓力控製效果
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圖6：壓縮機中段氣流量設定值與實際值
（1）石灰窯係統
石灰窯窯底溫度是石灰窯係統的重要控製參數，是反映石灰窯運行狀況的主要指標，圖4給出了先進控製投用前後石灰窯窯底溫度控製效果的對比。
（2）碳化塔係統
碳化塔的塔底壓力、zhongbuwendushitanhuacaozuodezhongyaozhibiao，zhexiecanshuzhijiefanyingchutanhuatadeyunxingshifoupingwen，zhuanhualvshifoudadaoyaoqiu。yinci，kongzhihaozhexieyunxingzhibiaoshiyouzhigaochandeqianti。tu5給出了先進控製投用前後碳化塔塔底壓力控製效果的對比。
（3）壓縮機係統
壓縮機先進控製係統通過實時調節壓縮機的轉速來實時調整清洗氣、中段氣、下段氣總流量，滿足碳化工序對三段氣各自總流量的需求變化，實現了氣量平衡。圖6給出了先進控製係統投運前後的中段氣變化情況的對比。
總之，山東海化純堿廠純堿生產裝置先進控製係統―石灰窯先進控製、碳化過程先進控製和壓縮機先進控製應用效果十分顯著，主要表現在如下幾方麵：
■先進控製係統根據設定目標值實時自動調節相關參數，降低了操作人員的勞動強度，並大大減少了人為調節所帶來的幹擾；
■先進控製係統使各裝置的運行參數趨向平穩，波動範圍減小；
■先進控製係統根據並聯生產裝置的運行工況進行生產負荷協調，既充分發揮出各裝置的潛力又平衡了各裝置的工況；
■先進控製係統通過平穩裝置的各項運行指標，使石灰石有效分解率、窯氣濃度及碳化轉化率保持在較高的水平。
■先進控製係統通過實時調節壓縮機的轉速，滿足碳化工序對清洗氣、中段氣、下段氣的實時需求，降低了勞動強度，平穩了生產。
結論
山東海化純堿廠在國內首次實施了純堿裝置 碳化、石灰和壓縮工序 先進控製和優化後，解決了常規控製中不能解決的各種難題，有效的克服了幹擾和滯後影響，穩定了裝置工藝參數的平穩性；大提高了裝置的自動化程度，統一了操作人員的操作方法，降低了操作人員的勞動強度；在保證裝置工況良好的情況下，實現產量最大化，品質最優化。 先進控製 係統操作簡單，控製效果良好，深受工藝技術人員和操作人員的歡迎。進一步滿足企業對 生產過程的安全、高效、優質、低耗的要求，取得了可觀的經濟效益。經過測試分析，實施先進控製後，一年可獲得584萬元的直接效益。
來源：Control Engineering China
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