摘 要：本文介紹了基于模型預(yù)測控制策略的先進控制軟件包APC-Adcon的實現(xiàn)原理、基本框架和特點，并在此基礎(chǔ)上給出了該先進控制軟件在山東海化股份有限公司純堿廠的實際應(yīng)用情況。

關(guān)鍵詞：先進控制，模型預(yù)測控制，純堿

1 引言

　　先進控制是現(xiàn)代流程工業(yè)生產(chǎn)過程中最重要的自動化技術(shù)之一。采用先進控制，可以解決常規(guī)控制中不能解決的各種難題，以滿足人們對生產(chǎn)過程的安全、高效、優(yōu)質(zhì)、低耗的要求，使用戶以較小的投入獲得較大的經(jīng)濟效益。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計，先進控制軟件包在全球范圍內(nèi)已有6000套以上的應(yīng)用，國外的著名供應(yīng)商正在加緊搶占國內(nèi)的先進控制市場。國內(nèi)的許多高校、研究機構(gòu)和大型石化企業(yè)自上世紀(jì)80年末開始研究并實踐先進控制技術(shù)，在一些復(fù)雜工業(yè)過程上取得了應(yīng)用成果并積累相關(guān)技術(shù)經(jīng)驗。浙江中控軟件技術(shù)有限公司所研發(fā)的高級多變量魯棒預(yù)測控制軟件APC-Adcon是國內(nèi)具有較大影響力的先進控制軟件包，已在大型煉油、石化和化工裝置中成功應(yīng)用40多套。

　　純堿即碳酸鈉（Na2CO3），是重要的基本工業(yè)原料，被稱為“化工之母”，其產(chǎn)量和消費量通常被作為衡量一個國家工業(yè)發(fā)展水平的標(biāo)志之一。山東海化股份有限公司純堿廠是目前國內(nèi)最大的純堿生產(chǎn)企業(yè)，生產(chǎn)崗位全部實現(xiàn)了DCS控制。由于純堿生產(chǎn)過程工藝流程長，連續(xù)性強，而且處理的物料為氣、液、固三相物質(zhì)，部分裝置如碳化塔、石灰窯等具有較強的變量關(guān)聯(lián)和耦合特性，常規(guī)的單變量控制難以有效地解決這類復(fù)雜工業(yè)過程控制問題。

　　我廠于2004年6月通過招標(biāo)，在國內(nèi)外眾多供應(yīng)商中選擇中控的APC-Adcon先進控制產(chǎn)品，雙方共同合作在國內(nèi)純堿裝置上實施了第一個先進控制項目，經(jīng)過近1年的努力，項目組結(jié)合純堿生產(chǎn)裝置的生產(chǎn)工藝特點和實際的工藝操作經(jīng)驗，開發(fā)了純堿裝置先進控制系統(tǒng)，提高了裝置操作平穩(wěn)性和控制性能，降低了能耗，減少了操作人員的勞動強度。先進控制技術(shù)極大地提升了純堿生產(chǎn)過程控制效果，引起了純堿行業(yè)和社會各界的廣泛關(guān)注。

2 先進控制軟件包體系結(jié)構(gòu)

　　高級多變量預(yù)測控制軟件包APC-Adcon是浙江中控軟件技術(shù)有限公司開發(fā)的面向工業(yè)過程的多變量預(yù)測控制軟件包，特別適合于需要采用多種控制策略和控制結(jié)構(gòu)的復(fù)雜多變量過程。它可以方便的集成到任何DCS或PLC控制系統(tǒng)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(huán)性能達(dá)到設(shè)定值;對可測擾動實現(xiàn)前饋控制;可完成局部優(yōu)化等。APC-Adcon還充分考慮了實際控制系統(tǒng)中的各種要求，可以集成各種專家智能控制策略，進一步保證了控制性能和控制系統(tǒng)魯棒性。

　　APC-Adcon在結(jié)構(gòu)體系上采用先進的分布式多層組件化應(yīng)用體系，提供分布式軟件結(jié)構(gòu)和分布式應(yīng)用結(jié)構(gòu)，基于COM的組件化先進控制軟件的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　從圖1可以看出，先進控制器的每一個功能模塊作為控制器的標(biāo)準(zhǔn)件，分別包裝不同的先進控制算法和功能，且與程序設(shè)計語言無關(guān)，可以實現(xiàn)即插即用。組件化框架不僅簡化了編程，而且極大增加了軟件的穩(wěn)定性。

　　APC-Adcon采用的控制結(jié)構(gòu)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控制器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　控制器結(jié)構(gòu)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(shù)值和趨向IRV 值的速率

　　·最大化（或最小化）：數(shù)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(shè)定值控制：閉環(huán)時間響應(yīng)

　　·區(qū)域設(shè)定值控制：設(shè)定值區(qū)域邊界，邊界內(nèi)及邊界外閉環(huán)時間響應(yīng)

　　·理想滯留值（IRV）：數(shù)值和趨向IRV 值的速率

　　·最大化（或最小化）：數(shù)值和趨向最大（或最小）值的速率

　　3）容錯控制功能

　　不同的工作條件及操作模式下控制目標(biāo)可能不同，各種變量的具體要求也可能不同。當(dāng)傳感器或執(zhí)行器失效，控制對象將發(fā)生改變。對于這種意外情況，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(diào)度控制結(jié)構(gòu)等。

3 APC-Adcon在山東海化純堿生產(chǎn)過程中的應(yīng)用

　　3.1 工藝流程簡介

　　山東海化純堿廠采用氨堿法制堿，其工藝原理是將原鹽精制成飽和鹽水后，吸氨形成氨鹽水，氨鹽水與煅燒石灰石產(chǎn)生的二氧化碳?xì)庠谇逑此?nèi)反應(yīng)生成預(yù)碳化液，預(yù)碳化液在碳化塔內(nèi)與高濃度的CO2氣進行碳酸化反應(yīng)（俗稱碳化）生成的碳酸氫鈉懸浮液，經(jīng)過濾得到的碳酸氫鈉結(jié)晶在煅燒爐內(nèi)煅燒獲得純堿產(chǎn)品和高濃度CO2氣，CO2氣經(jīng)冷卻、壓縮后通入碳化塔參與碳化反應(yīng)。把濾去碳酸氫鈉的制堿母液加熱蒸餾回收其中的氨。氨堿法生產(chǎn)工藝的主要工序有：化鹽和鹽水精制、氨鹽水的制備、碳化和重堿過濾、重堿的煅燒、氨的回收以及石灰石的煅燒等。

　　目前，我廠純堿裝置的各生產(chǎn)工序已全部實現(xiàn)了DCS控制，因此生產(chǎn)效率明顯提高，產(chǎn)品次品率大大降低。但常規(guī)的單回路控制不能很好的適應(yīng)純堿生產(chǎn)過程的一些復(fù)雜特性，例如：純堿生產(chǎn)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“制堿”和“清洗”兩種運行狀態(tài)，而且隨制堿周期的不同具有時變性，存在著大純滯后、多變量關(guān)聯(lián)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(shù)需要操作人員手動控制。另外，碳化生產(chǎn)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(lián)系調(diào)整，存在調(diào)節(jié)不及時、調(diào)節(jié)幅度不合適等問題，因此碳化生產(chǎn)過程的運行參數(shù)和產(chǎn)品質(zhì)量得不到保證，勞動強度大，消耗高。

　　為進一步提高自動化控制水平，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?qū)嵤┝讼冗M控制與優(yōu)化。

　　3.2 先進控制與優(yōu)化方案

　　先進控制系統(tǒng)的總體框架如圖3所示。

　　先進控制系統(tǒng)首先針對上述三個工序分別設(shè)計了獨立的APC-Adcon子控制器以滿足這些工序平穩(wěn)控制的要求，其中，碳化工序子控制器以預(yù)測控制策略為核心，用APC-Adcon的標(biāo)準(zhǔn)算法實現(xiàn)整個工序2組14座碳化塔兩種工作模式“制堿”和“清洗”過程的平穩(wěn)控制以及產(chǎn)量與質(zhì)量的協(xié)調(diào)優(yōu)化;石灰工序子控制器將預(yù)測控制策略和智能控制策略相結(jié)合，在APC-Adcon標(biāo)準(zhǔn)算法的基礎(chǔ)上增加自定義控制算法實現(xiàn)了過程控制和機電控制有效結(jié)合，既穩(wěn)定了石灰窯出灰溫度，又實現(xiàn)石灰窯自動出灰、自動配料等功能;壓縮工序子控制器則在壓縮機轉(zhuǎn)速自動控制的基礎(chǔ)上，按照碳化工序?qū)嶋H生產(chǎn)對清洗氣、中段氣、下段氣總流量的需求實時改變壓縮機轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)壓縮工序的優(yōu)化。各個子控制器之間的聯(lián)系通過物料平衡、工藝計算等來體現(xiàn)。針對裝置的特殊要求，基于智能控制技術(shù)為石灰窯、碳化塔和壓縮機裝置制定了特殊的控制和優(yōu)化策略。

　　通過先進控制技術(shù)的應(yīng)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(shù)得到了有效控制，提高工藝操作的平穩(wěn)性;在此基礎(chǔ)上，進一步實現(xiàn)了石灰窯、碳化塔和壓縮機的生產(chǎn)負(fù)荷分配和工況平衡等優(yōu)化控制。

　　3.3先進控制系統(tǒng)通訊實現(xiàn)

　　山東海化純堿廠純堿生產(chǎn)裝置先進控制系統(tǒng)是在Simens PCS7集散控制系統(tǒng)平臺上實施的，先進控制軟件APC-Adcon運行于DCS系統(tǒng)的上位機上，并以配套的先進控制軟件平臺ESP-iSYS-A作為支撐。ESP-iSYS-A可以以客戶端方式與DCS系統(tǒng)WinCC軟件的OPC Server實現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向通訊，從而保證先進控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成和實時控制。

　　3.4 應(yīng)用效果

　　下面要說明純堿生產(chǎn)過程三個先進控制子系統(tǒng)投用前后控制效果對比。

　　（1）石灰窯系統(tǒng)

　　石灰窯窯底溫度是石灰窯系統(tǒng)的重要控制參數(shù)，是反映石灰窯運行狀況的主要指標(biāo)，圖4給出了先進控制投用前后石灰窯窯底溫度控制效果的對比。

　　（2）碳化塔系統(tǒng)

　　碳化塔的塔底壓力、中部溫度是碳化操作的重要指標(biāo)，這些參數(shù)直接反映出碳化塔的運行是否平穩(wěn)，轉(zhuǎn)化率是否達(dá)到要求。因此，控制好這些運行指標(biāo)是優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的前提。圖5給出了先進控制投用前后碳化塔塔底壓力控制效果的對比。

　　（3）壓縮機系統(tǒng)

　　壓縮機先進控制系統(tǒng)通過實時調(diào)節(jié)壓縮機的轉(zhuǎn)速來實時調(diào)整清洗氣、中段氣、下段氣總流量，滿足碳化工序?qū)θ螝飧髯钥偭髁康男枨笞兓瑢崿F(xiàn)了氣量平衡。圖6給出了先進控制系統(tǒng)投運前后的中段氣變化情況的對比。

　　總之，山東海化純堿廠純堿生產(chǎn)裝置先進控制系統(tǒng)——石灰窯先進控制、碳化過程先進控制和壓縮機先進控制應(yīng)用效果十分顯著，主要表現(xiàn)在如下幾方面：

　　先進控制系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定目標(biāo)值實時自動調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù)，降低了操作人員的勞動強度，并大大減少了人為調(diào)節(jié)所帶來的干擾;

　　先進控制系統(tǒng)使各裝置的運行參數(shù)趨向平穩(wěn)，波動范圍減小;

　　先進控制系統(tǒng)根據(jù)并聯(lián)生產(chǎn)裝置的運行工況進行生產(chǎn)負(fù)荷協(xié)調(diào)，既充分發(fā)揮出各裝置的潛力又平衡了各裝置的工況;

　　先進控制系統(tǒng)通過平穩(wěn)裝置的各項運行指標(biāo)，使石灰石有效分解率、窯氣濃度及碳化轉(zhuǎn)化率保持在較高的水平。

　　先進控制系統(tǒng)通過實時調(diào)節(jié)壓縮機的轉(zhuǎn)速，滿足碳化工序?qū)η逑礆狻⒅卸螝狻⑾露螝獾膶崟r需求，降低了勞動強度，平穩(wěn)了生產(chǎn)。

4 結(jié)束語

　　山東海化純堿廠在國內(nèi)首次實施了純堿裝置碳化、石灰和壓縮工序先進控制和優(yōu)化后，解決了常規(guī)控制中不能解決的各種難題，有效的克服了干擾和滯后影響，穩(wěn)定了裝置工藝參數(shù)的平穩(wěn)性;大提高了裝置的自動化程度，統(tǒng)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(xiàn)產(chǎn)量最大化，品質(zhì)最優(yōu)化。

　　先進控制系統(tǒng)操作簡單，控制效果良好，深受工藝技術(shù)人員和操作人員的歡迎。進一步滿足企業(yè)對生產(chǎn)過程的安全、高效、優(yōu)質(zhì)、低耗的要求，取得了可觀的經(jīng)濟效益。經(jīng)過測試分析，實施先進控制后，一年可獲得584萬元的直接效益。

參考文獻

　　[1] 大連化工研究設(shè)計院主編，純堿工學(xué)（第二版），北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.4

　　[2] 王樹青等，先進控制技術(shù)及應(yīng)用，北京：化學(xué)工業(yè)出版社， 2001.7

　　[3] 王楚主編，純堿生產(chǎn)工藝與設(shè)備計算，北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1995.6