邵惠鶴

一  流程工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展趨向
流程工業(yè)指主要生產(chǎn)過(guò)程為連續生產(chǎn)（或較長(cháng)一段時(shí)間連續生產(chǎn)）的工業(yè)。包括了石化、冶金、電力、輕工、制藥、環(huán)保等在國民經(jīng)濟中占主導地位的行業(yè)，全球500強行業(yè)中，流程工業(yè)企業(yè)有70余家，占15%，其營(yíng)業(yè)收入占總收入的16.5%。我國流程企業(yè)年產(chǎn)值占全國企業(yè)年總產(chǎn)值的66%，流程工業(yè)的發(fā)展狀況直接影響國家的經(jīng)濟基礎，是國家的重要基礎支柱產(chǎn)業(yè)。
1  “現代集成制造系統”（CIMS）是發(fā)展趨向
流程工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展趨勢是實(shí)現“現代集成制造系統”。它是將先進(jìn)的工藝制造技術(shù)、現代管理技術(shù)和以先進(jìn)控制技術(shù)為代表的信息技術(shù)相結合，將企業(yè)的經(jīng)營(yíng)管理，生產(chǎn)過(guò)程的控制、運行與管理作為一個(gè)整體進(jìn)行控制與管理，實(shí)現企業(yè)的優(yōu)化運行、優(yōu)化控制與優(yōu)化管理，從而成為提高企業(yè)競爭力的重要技術(shù)。
流程工業(yè)的自動(dòng)化技術(shù)，特別是CIMS技術(shù)受到發(fā)達國家的高度重視，被列入這些國家的重點(diǎn)高新技術(shù)發(fā)展計劃，國際著(zhù)名的鋼鐵企業(yè)日本新日鐵、石化企業(yè)美國?？松疽呀?jīng)實(shí)現了全廠(chǎng)自動(dòng)化和CIMS，并獲得了顯著(zhù)的經(jīng)濟效益。
2  建立基于BPS/MES/PCS三級結構，以MES為關(guān)鍵
流程工業(yè)的CIMS體系結構主要有美國的Purdue模型。如圖1所示，在Purdue模型中，是自下而上從功能上被分為了過(guò)程控制、過(guò)程優(yōu)化、生產(chǎn)調度、企業(yè)管理和經(jīng)營(yíng)決策五個(gè)層次，將生產(chǎn)過(guò)程和管理過(guò)程明顯分開(kāi)。雖然這種體系框架在流程工業(yè)CIMS 的發(fā)展過(guò)程中起過(guò)很大的推動(dòng)作用，但它忽視了生產(chǎn)過(guò)程中的物耗、能耗及設備在線(xiàn)控制與管理，層次多、結構復雜、實(shí)現CIMS成本高、不便形成平臺技術(shù)，難以推廣。隨著(zhù)研究與開(kāi)發(fā)的深入，在CIMS系統的設計和應用實(shí)踐中遇到了較大問(wèn)題。在流程企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)中，除了底層的過(guò)程控制和頂層的經(jīng)營(yíng)決策外，中間層次是很難將生產(chǎn)行為與管理行為截然分開(kāi)的。因此，在牽涉到大量既有生產(chǎn)性質(zhì)又有管理性質(zhì)的信息時(shí)，根據五層結構模型就很難明確應該歸于CIMS的哪一層次，造成了流程工業(yè)CIMS研究與開(kāi)發(fā)過(guò)程中概念的混亂和標準的難以統一。

圖1  Purdue模型圖

目前針對上述問(wèn)題提出將BPS（Business Planning System）/MES（Manufacturing Execution System）/PCS（Process Control System）三級結構應用于流程企業(yè)。它是以提高企業(yè)競爭力為目標，以企業(yè)“兩個(gè)中心”（生產(chǎn)成本控制中心，生產(chǎn)指揮中心）為重點(diǎn)，建立基于BPS/MES/PCS三級結構，以MES為關(guān)鍵，其結構如圖2所示。

圖2  流程工業(yè)三層結構CIMS及其MES體系結構圖

這一結構將流程工業(yè)CIMS分為：
―   PCS級 單純考慮生產(chǎn)過(guò)程問(wèn)題的過(guò)程控制系統，即基礎控制系統。
―   BPS級 單純考慮企業(yè)經(jīng)營(yíng)管理問(wèn)題的企業(yè)資源規劃(ERP)，主要利用以財務(wù)分析決策為核心的整體資源優(yōu)化技術(shù)。
―   MES級 考慮生產(chǎn)與管理結合問(wèn)題的中間層制造執行系統，主要利用以產(chǎn)品質(zhì)量和工藝要求為指標的先進(jìn)控制技術(shù)和以生產(chǎn)綜合指標為目標的生產(chǎn)過(guò)程優(yōu)化運行、優(yōu)化控制與優(yōu)化管理技術(shù)，使流程工業(yè)CIMS中原本難以處理的具有生產(chǎn)與管理雙重性質(zhì)的信息問(wèn)題得到了解決。
在流程工業(yè)CIMS中，MES起著(zhù)將從生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)生的信息和從經(jīng)營(yíng)管理活動(dòng)中產(chǎn)生的信息，以及生產(chǎn)管理活動(dòng)中產(chǎn)生的信息進(jìn)行轉換、加工、傳遞的作用，是生產(chǎn)活動(dòng)與管理活動(dòng)信息集成的重要橋梁和紐帶。
據美國MESA1996年調查統計結果，在采用以BPS/MES/PCS三級結構為基礎的MES技術(shù)后，效果顯著(zhù)：生產(chǎn)周期時(shí)間縮短率為35%、數據輸入時(shí)間縮短率為36%、在制品削減率為32%、文書(shū)工作削減率為67%、交貨期縮短率為22%、不合格產(chǎn)品減低率為22%、文書(shū)丟失減少率為55%。
據美國ARC公司（Automation Research Corp.）調查，在采用以BPS/MES/PCS三級結構為基礎的MES技術(shù)后，可獲得的效益為：質(zhì)量提高19.2%，勞動(dòng)生產(chǎn)率提高13.5%，產(chǎn)量提高11.5%。1999年，美國“財富”雜志發(fā)表文章稱(chēng)MES是“ERP市場(chǎng)的挑戰者”。該文介紹年產(chǎn)值16億美元的美國化纖企業(yè)Unifi公司，其下屬Yadkinville廠(chǎng)應用MES軟件后，效益增加69%，實(shí)際增效1600萬(wàn)美元。
據MESA調查，美國MES軟件市場(chǎng)規模的為1.5億美元，1994年和1995年年增長(cháng)率為30%，1996年達到8.65億美元，1998年10.1億美元。預見(jiàn)2003年將增加三倍。
3  流程工業(yè)三層結構的集成支持系統（如圖3所示）

圖3  流程工業(yè)三層結構的集成支持系統圖

二  流程工業(yè)先進(jìn)控制的提出與特點(diǎn)
1  流程工業(yè)先進(jìn)控制的重要性
由于流程工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程日趨大型化、連續化、高速度和高質(zhì)量，因此對生產(chǎn)過(guò)程中工藝的操作控制、異常工況的監視及安全保護，必須依靠自動(dòng)化系統。
信息技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)自動(dòng)化已由基礎階段的生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化發(fā)展到生產(chǎn)管理自動(dòng)化，并進(jìn)入企業(yè)綜合自動(dòng)化階段。目前，最重要的是推進(jìn)先進(jìn)控制與優(yōu)化?！肮I(yè)過(guò)程先進(jìn)控制與優(yōu)化軟件”是具有前瞻性和帶動(dòng)性，對國民經(jīng)濟發(fā)展有重大影響，有廣闊市場(chǎng)容量的高技術(shù)自動(dòng)化軟件產(chǎn)品。
據調查，國外石油化工企業(yè)每年至少要降低3%的成本才能保持盈利。在過(guò)程控制中采用先進(jìn)的控制方案，可平均降低15%的制造成本。美國杜邦公司通過(guò)改進(jìn)控制方案，一年估計節省5億美元。人們開(kāi)始認識到采用先進(jìn)控制與優(yōu)化能比采用DCS帶來(lái)更顯著(zhù)的經(jīng)濟效益。因此，目前工業(yè)自動(dòng)化已從對單一生產(chǎn)設備、單一生產(chǎn)流程的控制，發(fā)展到對整個(gè)生產(chǎn)線(xiàn)的先進(jìn)控制與優(yōu)化控制。
隨著(zhù)計算機技術(shù)、工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )通訊技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)管理和控制中的廣泛應用，向先進(jìn)控制要效益，向過(guò)程優(yōu)化要效益，向生產(chǎn)管理要效益，已成為企業(yè)工程技術(shù)人員和經(jīng)營(yíng)管理人員的共識。

表1  著(zhù)名先進(jìn)控制軟件包應用情況一覽表

國外從70年代末就開(kāi)始了先進(jìn)控制技術(shù)的商品化軟件的開(kāi)發(fā)及應用，在DCS的基礎上實(shí)現優(yōu)化控制和先進(jìn)過(guò)程控制。在控制算法上，將控制理論研究的新成果，如多變量約束控制、各種預測控制、推斷控制和估計、人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò )控制和軟測量技術(shù)等應用于工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程，取得了明顯的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益。目前國外，特別是美國、加拿大、歐洲等國已有Setpoint、DMC、Honeywell Profimatics、Adersa、AspenTech、Treiber Controls等多家從事先進(jìn)控制和優(yōu)化的軟件公司開(kāi)發(fā)出適合于實(shí)時(shí)控制與優(yōu)化的多變量先進(jìn)控制和實(shí)時(shí)在線(xiàn)優(yōu)化的商品化工程軟件產(chǎn)品，大量推向市場(chǎng)，在上千家大型石化、化工、煉油、冶金等企業(yè)獲得成功應用，取得了巨額利潤。據有關(guān)資料統計，國外比較著(zhù)名的先進(jìn)控制軟件包已有2233套得到應用，目前正在搶占我們國內的市場(chǎng)，相關(guān)情況參見(jiàn)表1。
雖然國外先進(jìn)控制軟件能帶來(lái)可觀(guān)的經(jīng)濟效益，但其價(jià)格非常昂貴，而且國外廠(chǎng)商對其核心技術(shù)嚴格保密，因此，應及早開(kāi)發(fā)我國自己的先進(jìn)控制軟件產(chǎn)品，才能打破引進(jìn)的局面。為推動(dòng)我國工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化水平的發(fā)展，節省外匯支出，對現有國內開(kāi)發(fā)的先進(jìn)控制軟件進(jìn)行商品化，形成自己的先進(jìn)控制軟件產(chǎn)業(yè)化，已成當務(wù)之急。為此，應確立自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)作為信息產(chǎn)業(yè)的重要組成部分的地位，并重點(diǎn)扶植幾家有發(fā)展潛力的高新技術(shù)企業(yè)，使其在自動(dòng)化儀表、先進(jìn)控制與優(yōu)化軟件、工控軟件及自動(dòng)化系統集成三大部分都處于國內龍頭地位，形成一批有較強自我開(kāi)發(fā)能力的企業(yè)和一批有知識產(chǎn)權的名牌產(chǎn)品，能與國外公司建立既合作又競爭的關(guān)系。
2  流程工業(yè)先進(jìn)控制的提出
― 流程工業(yè)一般規模龐大，結構復雜，且具有不確定性、非線(xiàn)性、強耦合性等特性，以產(chǎn)品質(zhì)量和工藝要求為指標的控制，常規控制難以勝任；
― 實(shí)現安全、平穩、高效生產(chǎn)的需要；
―  提高企業(yè)經(jīng)濟效益和增強競爭力的重要對策；
―  先進(jìn)控制與在線(xiàn)優(yōu)化在工廠(chǎng)綜合優(yōu)化控制中起著(zhù)承上啟下的重要作用。
3  流程工業(yè)先進(jìn)控制的發(fā)展現狀
―  基于模型控制的理論體系已基本形成，出現了許多約束模型預測控制的工程化軟件包，如AspenTech的DMCplus是應用廣泛和最有前途的先進(jìn)控制策略；
―  專(zhuān)家控制系統：過(guò)程故障診斷，監督控制，檢測儀表和控制回路有效性；
―  神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )：非線(xiàn)性過(guò)程的建模，軟測量，控制系統的設計；
―  模糊系統：模糊控制理論基礎，表達不確定性知識；
― 非線(xiàn)性控制：開(kāi)發(fā)中，應用不多；
―  先進(jìn)控制還包括：內?？刂?、自適應控制、增益調整、解耦控制、時(shí)滯補償等；
―  魯棒控制：是研究熱點(diǎn)，但理論性太強，實(shí)際應用需做大量的改進(jìn)和簡(jiǎn)化；使先進(jìn)控制具備魯棒性是重要的發(fā)展方向。
三  多變量約束控制軟件包MCC（Multivari-able Constrained Controller）
多變量約束控制是帶有約束的多變量、多目標、多控制模式和基于模型預測的最優(yōu)控制器。它能在滿(mǎn)足工藝約束條件下，對整個(gè)生產(chǎn)裝置實(shí)現多變量閉環(huán)控制，以使生產(chǎn)平穩、高效、低耗，以獲得顯著(zhù)的經(jīng)濟效益。與常規控制是輸入和輸出變量一一配對來(lái)構成單回路控制相比，本控制軟件包最大特點(diǎn)是從多變量觀(guān)點(diǎn)來(lái)設計，因此，可自動(dòng)解決復雜系統的耦合，同時(shí)可實(shí)現穩態(tài)優(yōu)化與動(dòng)態(tài)優(yōu)化。因此，MCC是目前應用最廣、效果最好、最實(shí)用的流程工業(yè)先進(jìn)控制。它適用于煉油、化工、石化、制藥、造紙、生化、冶金、熱電、輕工和食品等行業(yè)。
1  基本特點(diǎn)
―  綜合利用過(guò)去、現在和將來(lái)的信息――決定控制策略模型預測將來(lái)輸出（PID只利用過(guò)去和現在的信息）；
―  對模型要求低：反饋校正(現代控制理論要求模型精度高)；
―  滾動(dòng)優(yōu)化：每個(gè)控制周期不斷進(jìn)行優(yōu)化計算（現代控制一次優(yōu)化）；
―  穩態(tài)優(yōu)化與動(dòng)態(tài)優(yōu)化相結合；
―  多變量系統（PID是一對一控制）；
―  CV和MV可受約束。
―  主要功能
―  實(shí)現基于模型的多變量預測控制的動(dòng)態(tài)優(yōu)化；
―  在整個(gè)動(dòng)態(tài)響應區間內考慮CV與MV的約束；
―  應用線(xiàn)性規劃原理實(shí)現CV與MV的穩態(tài)約束及經(jīng)濟性能指標穩態(tài)優(yōu)化；
―  采用CV與MV動(dòng)態(tài)加權原理實(shí)現CV與MV的動(dòng)態(tài)約束；
―  控制系統可控性在線(xiàn)分析和系統病態(tài)的自動(dòng)處理；
―  多變量控制結構的自動(dòng)重構，以適應各種不同情況；
―  能自動(dòng)識別與處理胖系統(自由度>0)、瘦系統(自由度<0)以及方系統(自由度=0)；
―  具有動(dòng)態(tài)加權和控制器參數的在線(xiàn)整定功能；
―  系統的動(dòng)態(tài)閉環(huán)仿真。
3  基本特征
―  從多變量控制的觀(guān)點(diǎn)來(lái)設計整個(gè)生產(chǎn)裝置控制；
―  將動(dòng)態(tài)滾動(dòng)優(yōu)化與經(jīng)濟目標的穩態(tài)優(yōu)化相結合；
―  由子控制器與組合線(xiàn)性規劃CLP構成大型控制器，能有效處理大規模多變量復雜控制對象；
―  采用設定值控制和區域控制二種控制模式；
―  MV也具有設定值(理想穩態(tài)值IRV)控制(自由度>0時(shí))。
4  MCC的系統總體結構（如圖4所示）

圖4  多變量約束控制（MCC）系統總體結構圖

5  MCC軟件包的組成
―  MCPC，基于模型預測的多變量約束控制軟件包；
―  MCCI，過(guò)程模型辨識和參數在線(xiàn)校正軟件包；
―  MCC Config，組態(tài)軟件包；
―  MCCSIM，系統動(dòng)態(tài)仿真軟件包；
―  MCCIO，MCC與各類(lèi)DCS的接口軟件包；
―  NMCPC，非線(xiàn)性多變量預測。
6  經(jīng)濟效益
―  生產(chǎn)裝置經(jīng)濟效益的最大關(guān)鍵是使生產(chǎn)過(guò)程時(shí)刻處于最優(yōu)約束邊界上操作。
―  實(shí)現多變量MCC能減少過(guò)程干擾的影響；在約束條件下最優(yōu)卡邊操作；動(dòng)態(tài)最優(yōu)化使生產(chǎn)過(guò)程連續平穩與優(yōu)化操作；局部穩態(tài)優(yōu)化使生產(chǎn)過(guò)程實(shí)現經(jīng)濟性能最優(yōu)化。
―  實(shí)現全裝置在線(xiàn)穩態(tài)優(yōu)化：基于過(guò)程穩態(tài)模型，不斷修正約束條件，不斷更新模型，在線(xiàn)求過(guò)程的最優(yōu)設定值（最優(yōu)操作條件）。
―  大量工程實(shí)踐表明，具有投資少，見(jiàn)效快等特點(diǎn)。通常在原有基礎上，可增加3%～6%經(jīng)濟效益。
四  MCC在大型催化裂化裝置中的應用
1  大型催化裂化裝置工藝流程
催化裂化裝置是煉油工業(yè)發(fā)展最迅速的二次加工裝置之一。整個(gè)裝置主要包括反應再生系統、分餾系統和吸收穩定系統等子系統，主要生產(chǎn)汽油、柴油、液化氣等，是煉油加工過(guò)程中重要的二次加工過(guò)程。它的操作直接關(guān)系到石油煉制過(guò)程中輕質(zhì)油的收率，從而影響整個(gè)煉廠(chǎng)的經(jīng)濟效益。其工藝流程參考圖5。

圖5  催化裂化裝置工藝流程簡(jiǎn)圖

2  大型催化裂化裝置MCC的控制目標
MCC的控制目標是在滿(mǎn)足產(chǎn)品質(zhì)量合格的條件下，使輕質(zhì)油(液態(tài)烴)收率盡可能最高；裝置的總處理量盡可能最大；能耗盡可能最小。
―  靈活滿(mǎn)足不同的生產(chǎn)方案：在保證汽油收率的基礎上，提高液化氣收率；在保證液化氣收率的基礎上，提高汽油收率；在保證輕油總收率的基礎上，提高輕柴油收率。
―  提高處理量
―  節約能耗
3  大型催化裂化裝置多變量約束控制MCC控制的構架（如圖6所示）

圖6  催化裂化裝置多變量約束控制系統構架

4  大型催化裂化裝置多變量約束控制的設計
(1)  被控變量和操縱變量的設計
催化裂化裝置的多變量約束控制器，可設計為17個(gè)被控變量，14個(gè)操縱變量的多變量約束控制器，如表2所示。

表2  催化裂化裝置多變量約束控制器變量說(shuō)明

(2)  系統結構（如圖7所示）

圖7  系統結構圖

(3)  反應再生系統的階躍模型（如圖8所示）

圖8  反應再生系統階躍模型動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)圖

(4)  反應再生系統多變量約束控制結構示意圖（如圖9所示）

圖9  反應再生系統多變量約束控制結構示意圖

5  催化裂化多變量約束控制在線(xiàn)運行情況
(1)  多變量控制，最大限度地保證了所有被控變量的控制要求，克服了常規單變量控制顧此失彼的本質(zhì)缺陷。
(2)  平穩操作，特別是穩定氧含量，保證裝置的安全、穩定運轉，減少事故隱患。
多變量約束控制的實(shí)質(zhì)在于保證約束的滿(mǎn)足，同時(shí)協(xié)調各種約束集之間的關(guān)系。每個(gè)采樣周期的控制動(dòng)作都將使控制對象更好地滿(mǎn)足約束集，使整個(gè)工況更趨平緩。
多變量約束控制器用在催化裂化裝置后的一個(gè)明顯表現就是氧含量變化明顯平緩得多，即使在流化狀況不理想的情況下，氧含量仍然能保證控制在較小的范圍之內。而氧含量是整個(gè)裝置運行情況的一個(gè)綜合指標，它的平穩很大程度上意味著(zhù)整個(gè)工況的平穩，取得了較好的控制效果。投運后氧含量變化比投運前明顯平穩，特別是氧含量的超限次數明顯減少和超限幅度也較?。ㄑ鹾康目刂浦笜艘话銥?1％）。
(3)  穩態(tài)優(yōu)化保證了裝置的全局優(yōu)化生產(chǎn)和操作。多變量約束控制器中的優(yōu)化系數直接體現了經(jīng)濟優(yōu)化目標，MCC將自動(dòng)根據確定的目標函數在每個(gè)控制周期找到當前時(shí)刻的最佳操作方向，而且通過(guò)改變多變量約束控制器中的優(yōu)化系數，就可以方便地體現生產(chǎn)方案的改變。
(4)  增加處理量，最大限度地發(fā)揮裝置的生產(chǎn)能力。采用MCC后，處理量可卡上限操作，在最大程度上提高了處理量。投運后裝置的處理量明顯增大，而且進(jìn)料量的變化也相對平穩得多。處理量的增加將為企業(yè)帶來(lái)豐厚的利潤，國外某公司的經(jīng)驗表明，實(shí)施先進(jìn)控制后，企業(yè)增加利潤的70％將來(lái)自于處理量的提高。
(5)  軟測量技術(shù)的應用。不但減少了企業(yè)在昂貴的分析儀表上的資金投入，更重要的是為企業(yè)生產(chǎn)提供了產(chǎn)品質(zhì)量在線(xiàn)跟蹤手段以及產(chǎn)品結構實(shí)時(shí)觀(guān)測方法，對于優(yōu)化生產(chǎn)具有不可估量的重要意義。
FCCU裝置在多變量約束控制與優(yōu)化項目投運后，效益的提高是十分明顯的。表3中列出了投運前后車(chē)間的效益核算數據（當時(shí)的生產(chǎn)采用汽油方案）?？梢钥闯?，投運后經(jīng)濟效益明顯提高。首先，裝置的總處理量（冷渣＋熱常渣＋總蠟）有較大提高；其次，產(chǎn)品的分布有較大的改善，汽油收率提高了2.33％，液化氣收率提高了1％。另外，每噸原料利潤也提高了4.8%。綜合上述幾個(gè)因素，若按一年300天計，投運后每年所獲得的經(jīng)濟效益將在1730萬(wàn)元以上。

表3  投運前后一聯(lián)合催化裂化車(chē)間效益核算數據對照表