1 引言

　　先進(jìn)控制是現代流程工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中最重要的自動(dòng)化技術(shù)之一。采用先進(jìn)控制，可以解決常規控制中不能解決的各種難題，以滿(mǎn)足人們對生產(chǎn)過(guò)程的安全、高效、優(yōu)質(zhì)、低耗的要求，使用戶(hù)以較小的投入獲得較大的經(jīng)濟效益。據有關(guān)資料統計，先進(jìn)控制軟件包在全球范圍內已有6000套以上的應用，國外的著(zhù)名供應商正在加緊搶占國內的先進(jìn)控制市場(chǎng)。國內的許多高校、研究機構和大型石化企業(yè)自上世紀80年末開(kāi)始研究并實(shí)踐先進(jìn)控制技術(shù)，在一些復雜工業(yè)過(guò)程上取得了應用成果并積累相關(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測控制軟件APC-Adcon是國內具有較大影響力的先進(jìn)控制軟件包，已在大型煉油、石化和化工裝置中成功應用40多套。

　　純堿即碳酸鈉（Na2CO3），是重要的基本工業(yè)原料，被稱(chēng)為“化工之母”，其產(chǎn)量和消費量通常被作為衡量一個(gè)國家工業(yè)發(fā)展水平的標志之一。山東?；煞萦邢薰炯儔A廠(chǎng)是目前國內最大的純堿生產(chǎn)企業(yè)，生產(chǎn)崗位全部實(shí)現了DCS控制。由于純堿生產(chǎn)過(guò)程工藝流程長(cháng)，連續性強，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，常規的單變量控制難以有效地解決這類(lèi)復雜工業(yè)過(guò)程控制問(wèn)題。

　　我廠(chǎng)于2004年6月通過(guò)招標，在國內外眾多供應商中選擇中控的APC-Adcon先進(jìn)控制產(chǎn)品，雙方共同合作在國內純堿裝置上實(shí)施了第一個(gè)先進(jìn)控制項目，經(jīng)過(guò)近1年的努力，項目組結合純堿生產(chǎn)裝置的生產(chǎn)工藝特點(diǎn)和實(shí)際的工藝操作經(jīng)驗，開(kāi)發(fā)了純堿裝置先進(jìn)控制系統，提高了裝置操作平穩性和控制性能，降低了能耗，減少了操作人員的勞動(dòng)強度。先進(jìn)控制技術(shù)極大地提升了純堿生產(chǎn)過(guò)程控制效果，引起了純堿行業(yè)和社會(huì )各界的廣泛關(guān)注。

    2 先進(jìn)控制軟件包體系結構

　　高級多變量預測控制軟件包APC-Adcon是浙江中控軟件技術(shù)有限公司開(kāi)發(fā)的面向工業(yè)過(guò)程的多變量預測控制軟件包，特別適合于需要采用多種控制策略和控制結構的復雜多變量過(guò)程。它可以方便的集成到任何DCS或PLC控制系統中工作。其基本功能是：在被控變量和操縱變量滿(mǎn)足位置和速度硬約束的前提下，每個(gè)被控變量可以按照指定的閉環(huán)性能達到設定值;對可測擾動(dòng)實(shí)現前饋控制;可完成局部?jì)?yōu)化等。APC-Adcon還充分考慮了實(shí)際控制系統中的各種要求，可以集成各種專(zhuān)家智能控制策略，進(jìn)一步保證了控制性能和控制系統魯棒性。

　　APC-Adcon在結構體系上采用先進(jìn)的分布式多層組件化應用體系，提供分布式軟件結構和分布式應用結構，基于COM的組件化先進(jìn)控制軟件的結構如圖1所示。

圖1 APC-Adcon先進(jìn)控制軟件結構原理

　　從圖1可以看出，先進(jìn)控制器的每一個(gè)功能模塊作為控制器的標準件，分別包裝不同的先進(jìn)控制算法和功能，且與程序設計語(yǔ)言無(wú)關(guān)，可以實(shí)現即插即用。組件化框架不僅簡(jiǎn)化了編程，而且極大增加了軟件的穩定性。

　　APC-Adcon采用的控制結構具有較強的可操作性，可以是固定的，也可以由用戶(hù)在線(xiàn)修改。APC-Adcon控制器結構如圖2所示。

　　控制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?。┲档乃俾?/P>

圖2 APC-Adcon控制器結構

　　2）被控變量（輔助變量）

　　·約束：最小、最大和速度

　　·設定值控制：閉環(huán)時(shí)間響應

　　·區域設定值控制：設定值區域邊界，邊界內及邊界外閉環(huán)時(shí)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?。┲档乃俾?/P>

　　3）容錯控制功能

　　不同的工作條件及操作模式下控制目標可能不同，各種變量的具體要求也可能不同。當傳感器或執行器失效，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(shí)時(shí)調度控制結構等。

    3 APC-Adcon在山東?；儔A生產(chǎn)過(guò)程中的應用

　　3.1 工藝流程簡(jiǎn)介

　　山東?；儔A廠(chǎng)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)生的二氧化碳氣在清洗塔內反應生成預碳化液，預碳化液在碳化塔內與高濃度的CO2氣進(jìn)行碳酸化反應（俗稱(chēng)碳化）生成的碳酸氫鈉懸浮液，經(jīng)過(guò)濾得到的碳酸氫鈉結晶在煅燒爐內煅燒獲得純堿產(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。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(guò)濾、重堿的煅燒、氨的回收以及石灰石的煅燒等。

　　目前，我廠(chǎng)純堿裝置的各生產(chǎn)工序已全部實(shí)現了DCS控制，因此生產(chǎn)效率明顯提高，產(chǎn)品次品率大大降低。但常規的單回路控制不能很好的適應純堿生產(chǎn)過(guò)程的一些復雜特性，例如：純堿生產(chǎn)的核心單元——碳化工序，該工序包括多個(gè)碳化塔組，每個(gè)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(shí)變性，存在著(zhù)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(guò)程參數需要操作人員手動(dòng)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)系調整，存在調節不及時(shí)、調節幅度不合適等問(wèn)題，因此碳化生產(chǎn)過(guò)程的運行參數和產(chǎn)品質(zhì)量得不到保證，勞動(dòng)強度大，消耗高。

　　為進(jìn)一步提高自動(dòng)化控制水平，山東?；儔A廠(chǎng)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(shí)施了先進(jìn)控制與優(yōu)化。

　　3.2 先進(jìn)控制與優(yōu)化方案

　　先進(jìn)控制系統的總體框架如圖3所示。

圖3 先進(jìn)控制系統總體框架

　　先進(jìn)控制系統首先針對上述三個(gè)工序分別設計了獨立的APC-Adcon子控制器以滿(mǎn)足這些工序平穩控制的要求，其中，碳化工序子控制器以預測控制策略為核心，用APC-Adcon的標準算法實(shí)現整個(gè)工序2組14座碳化塔兩種工作模式“制堿”和“清洗”過(guò)程的平穩控制以及產(chǎn)量與質(zhì)量的協(xié)調優(yōu)化;石灰工序子控制器將預測控制策略和智能控制策略相結合，在A(yíng)PC-Adcon標準算法的基礎上增加自定義控制算法實(shí)現了過(guò)程控制和機電控制有效結合，既穩定了石灰窯出灰溫度，又實(shí)現石灰窯自動(dòng)出灰、自動(dòng)配料等功能;壓縮工序子控制器則在壓縮機轉速自動(dòng)控制的基礎上，按照碳化工序實(shí)際生產(chǎn)對清洗氣、中段氣、下段氣總流量的需求實(shí)時(shí)改變壓縮機轉速，從而實(shí)現壓縮工序的優(yōu)化。各個(gè)子控制器之間的聯(lián)系通過(guò)物料平衡、工藝計算等來(lái)體現。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(guò)先進(jìn)控制技術(shù)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制，提高工藝操作的平穩性;在此基礎上，進(jìn)一步實(shí)現了石灰窯、碳化塔和壓縮機的生產(chǎn)負荷分配和工況平衡等優(yōu)化控制。

　　3.3先進(jìn)控制系統通訊實(shí)現

　　山東?；儔A廠(chǎng)純堿生產(chǎn)裝置先進(jìn)控制系統是在Simens PCS7集散控制系統平臺上實(shí)施的，先進(jìn)控制軟件APC-Adcon運行于DCS系統的上位機上，并以配套的先進(jìn)控制軟件平臺ESP-iSYS-A作為支撐。ESP-iSYS-A可以以客戶(hù)端方式與DCS系統WinCC軟件的OPC Server實(shí)現數據雙向通訊，從而保證先進(jìn)控制系統的數據集成和實(shí)時(shí)控制。

　　3.4 應用效果

　　下面要說(shuō)明純堿生產(chǎn)過(guò)程三個(gè)先進(jìn)控制子系統投用前后控制效果對比。

　?。?）石灰窯系統

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

a） 先進(jìn)控制系統投運前

b） 先進(jìn)控制系統投運后

圖4 石灰窯窯底溫度控制效果

　?。?）碳化塔系統

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

a） 先進(jìn)控制系統投運前

b） 先進(jìn)控制系統投運后

圖5 碳化塔塔底壓力控制效果

　?。?）壓縮機系統

　　壓縮機先進(jìn)控制系統通過(guò)實(shí)時(shí)調節壓縮機的轉速來(lái)實(shí)時(shí)調整清洗氣、中段氣、下段氣總流量，滿(mǎn)足碳化工序對三段氣各自總流量的需求變化，實(shí)現了氣量平衡。圖6給出了先進(jìn)控制系統投運前后的中段氣變化情況的對比。

a） 先進(jìn)控制系統投運前

b） 先進(jìn)控制系統投運后

圖6 壓縮機中段氣流量設定值與實(shí)際值

　　總之，山東?；儔A廠(chǎng)純堿生產(chǎn)裝置先進(jìn)控制系統——石灰窯先進(jìn)控制、碳化過(guò)程先進(jìn)控制和壓縮機先進(jìn)控制應用效果十分顯著(zhù)，主要表現在如下幾方面：

　　先進(jìn)控制系統根據設定目標值實(shí)時(shí)自動(dòng)調節相關(guān)參數，降低了操作人員的勞動(dòng)強度，并大大減少了人為調節所帶來(lái)的干擾;

　　先進(jìn)控制系統使各裝置的運行參數趨向平穩，波動(dòng)范圍減小;

　　先進(jìn)控制系統根據并聯(lián)生產(chǎn)裝置的運行工況進(jìn)行生產(chǎn)負荷協(xié)調，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(jìn)控制系統通過(guò)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(jìn)控制系統通過(guò)實(shí)時(shí)調節壓縮機的轉速，滿(mǎn)足碳化工序對清洗氣、中段氣、下段氣的實(shí)時(shí)需求，降低了勞動(dòng)強度，平穩了生產(chǎn)。

    4 結束語(yǔ)

　　山東?；儔A廠(chǎng)在國內首次實(shí)施了純堿裝置碳化、石灰和壓縮工序先進(jìn)控制和優(yōu)化后，解決了常規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，穩定了裝置工藝參數的平穩性;大提高了裝置的自動(dòng)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(dòng)強度;在保證裝置工況良好的情況下，實(shí)現產(chǎn)量最大化，品質(zhì)最優(yōu)化。

　　先進(jìn)控制系統操作簡(jiǎn)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(jìn)一步滿(mǎn)足企業(yè)對生產(chǎn)過(guò)程的安全、高效、優(yōu)質(zhì)、低耗的要求，取得了可觀(guān)的經(jīng)濟效益。經(jīng)過(guò)測試分析，實(shí)施先進(jìn)控制后，一年可獲得584萬(wàn)元的直接效益。

    參考文獻

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

　　[2] 王樹(shù)青等，先進(jìn)控制技術(shù)及應用，北京：化學(xué)工業(yè)出版社， 2001.7

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