摘 要：簡(jiǎn)要回顧了國產(chǎn)先進(jìn)控制軟件的研發(fā)歷程，在此基礎上介紹了國產(chǎn)先進(jìn)控制軟件APC-Suite的功能特點(diǎn)及其在流程工業(yè)企業(yè)的應用情況，最后展望了先進(jìn)控制軟件的發(fā)展前景。

  關(guān)鍵詞：先進(jìn)控制；模型預測控制；軟測量；控制性能監控；流程工業(yè)

   1 引言

   現代流程工業(yè)正朝著(zhù)大型化、高集成度和高效化等方向發(fā)展，其中的物料流、能量流和信息流也日趨復雜多變。在生產(chǎn)單元、裝置乃至流程不斷強化的同時(shí)，過(guò)程控制對象也表現出如下特點(diǎn)：系統復雜性增加、耦合性增強和約束條件增多等。隨著(zhù)人們對工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的安全、高效、優(yōu)質(zhì)、低耗的要求不斷提高，追求著(zhù)更大的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益，因而對控制技術(shù)水平與性能的要求也越來(lái)越高。因此，以單回路PID控制和復雜控制為代表的常規控制策略已面臨著(zhù)多方面的挑戰，必須采用新的控制策略與技術(shù)來(lái)適應復雜工業(yè)過(guò)程多目標優(yōu)化、多層次協(xié)調和多變量控制等要求。

   先進(jìn)控制技術(shù)正是在這個(gè)時(shí)代背景下，通過(guò)大量的過(guò)程控制實(shí)踐，由工業(yè)界和理論界共同推出的，其核心技術(shù)包括：模型預測控制、智能控制、軟測量和控制性能監控等。目前，先進(jìn)控制技術(shù)仍在不斷地發(fā)展和完善中，未來(lái)將更多地引入各種非線(xiàn)性控制技術(shù)、自適應控制技術(shù)和魯棒控制技術(shù)等，同時(shí)將更多地與過(guò)程模擬與優(yōu)化技術(shù)相結合形成優(yōu)化與控制一體化解決方案。

   國外先進(jìn)控制軟件出現于上個(gè)世紀70年代末，經(jīng)過(guò)10多年的發(fā)展，已形成了以DMC、Setpoint、Profimatic和Adersa等專(zhuān)業(yè)公司為代表的先進(jìn)控制軟件供應商和服務(wù)商，并于上個(gè)世紀90年代初進(jìn)入中國市場(chǎng)。以AspenTech收購和整合DMC、Setpoint，Honeywell收購Profimatic為契機，到本世紀初，先進(jìn)控制軟件已得到迅速發(fā)展，全球已有幾十家公司推出了上百種先進(jìn)控制和優(yōu)化軟件產(chǎn)品，形成了一個(gè)強大的流程工業(yè)應用軟件產(chǎn)業(yè)。目前，國外先進(jìn)控制軟件的主流供應商及其產(chǎn)品包括：AspenTech公司的DMCplus和Apollo（非線(xiàn)性預測控制軟件）、Honeywell公司的Profit系列產(chǎn)品、Invensys公司的Connoisseur、Rockwell公司的Process Perfecter（非線(xiàn)性預測控制軟件）以及Yokogawa公司代理的Shell SMOC產(chǎn)品等。此外，還有一些專(zhuān)業(yè)從事先進(jìn)控制與優(yōu)化服務(wù)的顧問(wèn)公司。

   國內先進(jìn)控制軟件的研發(fā)始于上個(gè)世紀90年代中期，在國家科技攻關(guān)項目的支持下，清華大學(xué)、浙江大學(xué)、上海交通大學(xué)、石油大學(xué)（北京）、中國科技大學(xué)等高校的科研團隊分別針對煉油、石化和化工等行業(yè)的具體生產(chǎn)裝置研發(fā)了專(zhuān)用先進(jìn)控制軟件并取得了成功應用。同時(shí)，國內一些專(zhuān)業(yè)的自動(dòng)化公司開(kāi)發(fā)研發(fā)相關(guān)的軟件產(chǎn)品，特別是浙江中控軟件技術(shù)有限公司開(kāi)發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權的領(lǐng)先的先進(jìn)控制和優(yōu)化軟件，對于打破國外產(chǎn)品的壟斷，替代進(jìn)口，具有十分重要的戰略意義。

   本文將簡(jiǎn)要回顧浙江中控軟件技術(shù)有限公司先進(jìn)控制產(chǎn)品APC-Suite的研發(fā)歷程，重點(diǎn)介紹APC-Suite的功能特點(diǎn)及其在流程工業(yè)企業(yè)的應用情況，最后展望先進(jìn)控制軟件的發(fā)展前景。

   2　中控先進(jìn)控制軟件的研發(fā)歷程

   自20世紀90年代開(kāi)始，浙江中控軟件技術(shù)有限公司采用預測控制、智能控制和軟測量等現代控制理論與技術(shù)，開(kāi)展了先進(jìn)控制軟件工程化產(chǎn)品的研發(fā)工作，形成了先進(jìn)控制平臺APC-iSYS、高級多變量預測控制APC-Adcon、智能軟測量軟件APC-Sensor、控制性能評估與監控軟件APC-Watch于一體的先進(jìn)控制軟件APCSuite。以下簡(jiǎn)要回顧一下中控軟件公司先進(jìn)控制軟件的研發(fā)歷程。

   第一階段：工程化。1996年成功研發(fā)RLS辨識算法，隨后形成了先進(jìn)控制產(chǎn)品并推向市場(chǎng)，經(jīng)過(guò)努力，該產(chǎn)品在煉油、石化和化工等多家企業(yè)取得了10多個(gè)應用業(yè)績(jì)，不僅提升了先進(jìn)控制產(chǎn)品的成熟度，而且推動(dòng)了產(chǎn)品更新?lián)Q代。

   第二階段：體系化。在市場(chǎng)和工程兩方面的推動(dòng)下，到2005年，中控軟件公司初步完成了先進(jìn)控制產(chǎn)品體系化工作，形成了以先進(jìn)控制平臺APC-iSYS為支撐，以高級多變量魯棒預測控制軟件APC-Adcon和智能軟測量軟件APC-Sensor為核心模塊的軟件體系架構，實(shí)現了統一的數據服務(wù)、界面與服務(wù)分離、各類(lèi)算法可插件式管理。這期間，APC-Suite產(chǎn)品在煉油、石化行業(yè)的許多裝置化工領(lǐng)域的純堿等行業(yè)取得了首次突破，進(jìn)一步擴大了該產(chǎn)品的市場(chǎng)影響力，同時(shí)對產(chǎn)品可靠性與性能、工程服務(wù)的規范化與標準化提出了更高的要求。

   第三階段：高效化。自2007年以來(lái)，中控軟件公司先后升級了多變量預測控制的核心優(yōu)化算法引擎，實(shí)現了產(chǎn)品完全自主知識產(chǎn)權；集成了一系列基于機理建模的工藝計算模塊以豐富智能軟測量模塊的功能；將子空間辨識等算法等引入多變量過(guò)程辨識中，實(shí)現了辨識軟件的升級；集成了自定義算法編譯調試環(huán)境，并實(shí)現了界面優(yōu)化，從而提高工程實(shí)施效率。迄今，APC-Suite產(chǎn)品在國內流程工業(yè)企業(yè)已推廣應用70余套，不僅實(shí)現了純堿企業(yè)全流程多目標、多層次和多變量協(xié)調優(yōu)化控制，使單個(gè)控制器的變量規模突破500個(gè)，而且首次進(jìn)入大型合資企業(yè)主裝置，使得產(chǎn)品與品牌認可度達到新的高度。

   目前，中控軟件公司正在進(jìn)一步豐富和完善產(chǎn)品體系，繼續發(fā)揮產(chǎn)品簡(jiǎn)單易用、可擴展性強的優(yōu)勢，提升產(chǎn)品在處理特定非線(xiàn)性過(guò)程控制的能力，增強與國外同類(lèi)產(chǎn)品在性能與功能等方面的競爭力，以滿(mǎn)足國內流程工業(yè)企業(yè)對于先進(jìn)控制軟件的采購需求和第三方工程服務(wù)的要求。

   3　先進(jìn)控制軟件APC-Suite的功能特點(diǎn)
 
               
                        圖1 中控先進(jìn)控制產(chǎn)品體系架構   

   圖1給出了中控軟件公司的先進(jìn)控制軟件產(chǎn)品架構及其與流程模擬優(yōu)化的關(guān)系。

   3.1　先進(jìn)控制平臺APC-iSYS

   先進(jìn)控制平臺是一個(gè)模塊化、標準化、開(kāi)放性的數據平臺，可實(shí)現工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程數據的采集、處理、存儲和應用，并支持對生產(chǎn)過(guò)程的監控、先進(jìn)控制與優(yōu)化以及過(guò)程統計管理等，是先進(jìn)控制軟件APC-Suite的基礎平臺。先進(jìn)控制平臺APC-iSYS主要由如下軟件組成：

   （1）APC-iMonitor監控軟件：通過(guò)直觀(guān)、形象的方式反映當前先進(jìn)控制平臺的運行狀態(tài)，是先進(jìn)控制平臺的核心控制臺；

   （2）APC-iConfig組態(tài)軟件：以方便、友好、高效的操作為先進(jìn)控制平臺提供組態(tài)功能，包括服務(wù)器組態(tài)、源位號組態(tài)、虛位號組態(tài)等，并可以編寫(xiě)虛位號處理腳本；

   （3）APC-iTrend趨勢圖軟件：能夠任意添加變量，通過(guò)趨勢曲線(xiàn)進(jìn)行比較分析，更好地掌握生產(chǎn)過(guò)程數據的變化規律；這些組成軟件都有各自獨立的功能，綜合使用這些軟件，能使先進(jìn)控制平臺發(fā)揮出最大的作用。

   3.2　高級多變量預測控制軟件APC-Adcon

   高級多變量預測控制軟件APC-Adcon是先進(jìn)控制軟件APCSuite的核心產(chǎn)品，適用于多變量、強耦合、大時(shí)滯、帶約束的復雜生產(chǎn)過(guò)程的平穩控制和動(dòng)態(tài)優(yōu)化，具有當前主流多變量預測控制軟件的所有主要功能，包括測試建模、控制器設計、離線(xiàn)仿真、系統組態(tài)和在線(xiàn)應用等多個(gè)組件，分為離線(xiàn)軟件和在線(xiàn)軟件兩部分。APC-Adcon的主要功能特點(diǎn)如下：

   （1）實(shí)現定值控制與區域控制：區域控制使控制器在噪聲環(huán)境下更平滑，在變量耦合情況下更魯棒；

   （2）有效抑制可測擾動(dòng)：對可測擾動(dòng)同時(shí)建模，預測擾動(dòng)對過(guò)程的影響，有效地進(jìn)行補償和及時(shí)克服；

   （3）多目標動(dòng)態(tài)優(yōu)化：對操作變量、受控變量和各變量之間的線(xiàn)性組合可以定義理想駐留值（IRV）、極大化和極小化等次優(yōu)化目標，所有次優(yōu)化目標按控制自由度和變量的權重優(yōu)先級依次滿(mǎn)足。

   3.3　智能軟測量軟件APC-Sensor

   智能軟測量軟件APC-Sensor以先進(jìn)控制平臺APC-iSYS為支撐，在一個(gè)開(kāi)放的構架下，實(shí)現了用多種軟測量算法建立軟測量模型、開(kāi)展模型仿真驗證和實(shí)現模型工程應用等功能。APCSensor包括算法選擇、輔助變量選擇、離線(xiàn)建模等部分，并與數據預處理、智能軟測量設計環(huán)境模塊集成，讀取實(shí)時(shí)數據，實(shí)現離線(xiàn)仿真等，進(jìn)而實(shí)現對變量的檢測和估計。軟測量結果可作為APC-Adcon的被控變量或輔助變量使用，從而為多變量預測控制提供有力支持。APC-Sensor的主要功能特點(diǎn)如下：

   （1）采用工藝計算與基于機理模型以豐富軟測量模塊，這些工藝機理模型包括：分餾塔工藝計算、重整裝置芳烴收率和結焦量計算、焦炭塔焦高計算、PTA裝置OD340、4CBA含量計算等；

   （2）采用多種基于數據驅動(dòng)的軟測量算法，這些算法包括部分最小二乘算法、主元分析與回歸算法、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )BP算法、TSKFuzzyNeur算法、OPTFuzzyNeur算法等；

   （3）采用雙重校正技術(shù)來(lái)提高軟測量?jì)x表的精度和有效性，在通常的化驗值校正的基礎上，增加了在線(xiàn)模型滾動(dòng)校正，形成了雙重校正的專(zhuān)利技術(shù)。

   3.4　控制性能評估與監控軟件APC-Watch

   隨著(zhù)先進(jìn)控制軟件APC-Suite應用數量的增多，先進(jìn)控制系統需要由傳統的人工監視、手動(dòng)維護轉向自動(dòng)監視與維護。先進(jìn)控制性能評估與監視軟件APC-Watch可提供如下功能：

   （1）能夠生成先進(jìn)控制性能日報、周報、月報、以及自定義時(shí)間段報告；

   （2）能夠對控制器模型質(zhì)量與失配情況做出評判；

   （3）具備監控先進(jìn)控制軟件應用情況的能力。

   先進(jìn)控制性能評估軟件支持自動(dòng)導入中控的先進(jìn)控制器的組 態(tài)信息，并支持配置第三方控制器；支持制定自定義時(shí)間段的評估計劃，和生成每日、每周、每月的評估報告；支持自動(dòng)從先進(jìn)控制平臺獲取歷史數據，評估控制器性能、統計過(guò)程相關(guān)指標、分析模型質(zhì)量；評估報告生成后，自動(dòng)將相關(guān)數據保存到關(guān)系數據庫；用戶(hù)可以通過(guò)Web瀏覽器查看評估結果和評估報告。

   此外，中控軟件公司還提供了PID控制回路性能評估軟件來(lái)輔助儀控工程師完成對PID控制回路的自動(dòng)評估，為提高先進(jìn)控制軟件的全生命周期應用效果提供必要的支撐。

   4　先進(jìn)控制軟件APC-Suite的工業(yè)應用

   從1996年底開(kāi)始，中控軟件公司的先進(jìn)控制軟件APC-Suite已經(jīng)在中國石化、中國石油和中國海油的下屬煉油、石化企業(yè)以及云天化集團、唐山三友、山東海天等許多大型流程工業(yè)企業(yè)獲得成功應用，取得顯著(zhù)的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益。下面簡(jiǎn)要介紹工業(yè)應用情況。

   （1）煉油企業(yè)先進(jìn)控制應用

   先進(jìn)控制軟件APC-Suite在揚子石化、鎮海煉化、錦州石化、惠州煉油和大榭石化等企業(yè)的煉油裝置上已經(jīng)有超過(guò)連續10年的應用，現已覆蓋常減壓、催化裂化、加氫裂化、加氫精制、延遲焦化、催化重整和氣體分餾等煉油企業(yè)核心裝置。其中包括：惠州煉油的300萬(wàn)噸/年連續重整裝置（目前國內單裝置規模最大），鎮海煉化180萬(wàn)噸/年重油催化裂化裝置和揚子石化200萬(wàn)噸/年高壓加氫裂化裝置和大榭石化600萬(wàn)噸/年常減壓裝置等。

   （2）石化企業(yè)先進(jìn)控制應用

   先進(jìn)控制軟件APC-Suite在揚子石化、金陵石化、鎮海煉化、蘭州石化、洛陽(yáng)石化和齊魯石化等企業(yè)的石化裝置上也已經(jīng)有超過(guò)連續10年的應用，現已覆蓋芳烴系列裝置中的芳烴抽提、吸附分離、二甲苯精餾、甲苯歧化和二甲苯異構化等裝置，乙烯系列裝置的乙烯裂解爐、乙烯精餾和丁二烯等裝置。其中包括：鎮海煉化45萬(wàn)噸/年P(guān)X聯(lián)合裝置（目前國內單系列規模最大），揚子石化兩套PX聯(lián)合裝置、金陵石化PX聯(lián)合裝置、洛陽(yáng)石化PX聯(lián)合裝置、齊魯石化芳烴抽提裝置和丁二烯裝置以及蘭州石化芳烴抽提裝置。此外，先進(jìn)控制軟件APC-Suite還分別在蘭州石化、齊魯石化和茂名石化的苯乙烯裝置中得到成功應用。

   （3）化工企業(yè)先進(jìn)控制應用

   先進(jìn)控制軟件APC-Suite自2000年進(jìn)入儀征化纖以后，先后在中國石化儀征化纖的I套和II套PTA裝置、金陵石化的烷基化裝置和Molex裝置、中國石油大慶油田化工集團的20萬(wàn)噸/年輕烴分餾裝置和5萬(wàn)噸/年戊烷精分裝置（均為國內單套規模最大）、中國海油山東?；膬商准儔A裝置（共300萬(wàn)噸/年產(chǎn)能，目前亞洲產(chǎn)能最大）、唐山三友的230萬(wàn)噸/年純堿裝置（目前全球單套規模最大）、中國石化連云港堿廠(chǎng)的110萬(wàn)噸/年純堿裝置、山東海天的110萬(wàn)噸/年純堿裝置、云天化集團硫酸裝置、磷酸裝置和黃磷裝置、天津堿廠(chǎng)的聚甲醛裝置、浙江新安化工的有機硅裝置和柳化集團造氣爐等30多套裝置中取得成功應用。尤其是在山東海天率先完成了國內首套氨堿法純堿裝置的全流程先進(jìn)控制與優(yōu)化，從整體上解決了聯(lián)合裝置級的控制與優(yōu)化問(wèn)題，不僅在純堿裝置先進(jìn)控制技術(shù)與服務(wù)方面引領(lǐng)國內行業(yè)發(fā)展方向，而且被中國純堿工業(yè)協(xié)會(huì )列為“十二五”期間重點(diǎn)推廣的新技術(shù)。

   （4）其他行業(yè)先進(jìn)控制應用

   先進(jìn)控制軟件APC-Suite不僅在煉油、石化和化工行業(yè)中得到廣泛的應用，而且通過(guò)近年來(lái)的努力，已經(jīng)在邯鋼和天鋼的空分裝置優(yōu)化控制與自動(dòng)變負荷，柳化集團和山東海天的工業(yè)鍋爐優(yōu)化控制，株州硬質(zhì)合金的粉末冶金還原爐優(yōu)化控制等應用中取得了突破性應用，為先進(jìn)控制軟件開(kāi)拓更廣闊的市場(chǎng)空間奠定了良好基礎。HHHH5　發(fā)展展望

   本文在簡(jiǎn)要回顧國產(chǎn)先進(jìn)控制軟件研發(fā)歷程的基礎上，重點(diǎn)介紹APC-Suite的功能特點(diǎn)及其在流程工業(yè)企業(yè)的應用情況，強調了國產(chǎn)先進(jìn)控制軟件的有效性與適應性。

   展望未來(lái)，在激烈的市場(chǎng)競爭中，國產(chǎn)先進(jìn)控制軟件仍然要抓住國內流程企業(yè)生產(chǎn)裝置的特點(diǎn)和要求，提高產(chǎn)品的適應性和魯棒性，增強軟件的開(kāi)放性和易用性，繼續完善產(chǎn)品體系結構，增加產(chǎn)品功能，打造符合中國特色的軟件精品。

   參考文獻：

   [1] 王樹(shù)青,金曉明,榮岡.先進(jìn)控制技術(shù)及應用[J].化工自動(dòng)化及儀表,1999,26(2): 61-65.

   [2] 王樹(shù)青,金曉明,等著(zhù).先進(jìn)控制技術(shù)應用實(shí)例[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

   [3] 薛耀鋒,袁景淇.先進(jìn)過(guò)程控制技術(shù)及應用[J].自動(dòng)化博覽,2004, 12: 5-9.

   [4] 孫德敏,吳剛,薛美盛,等.工業(yè)過(guò)程先進(jìn)控制及優(yōu)化軟件產(chǎn)業(yè)[J].自動(dòng)化博覽,2003(2):5-13.

   [5] 邵惠鶴.流程工業(yè)自動(dòng)化發(fā)展趨向與先進(jìn)控制技術(shù)[J].自動(dòng)化博覽,2002(2): 27-32.

   [6] 王樹(shù)青,等編著(zhù).先進(jìn)控制技術(shù)及應用[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2001.

   [7] 先進(jìn)控制軟件APC-Suite開(kāi)發(fā)文檔[Z].浙江中控軟件技術(shù)有限公司內部資料. 

   摘自《自動(dòng)化博覽》2012年第12期