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案例頻道 摘 要：簡要回顧了國產先進控制軟件的研發歷程，在此基礎上介紹了國產先進控制軟件APC-Suite的功能特點及其在流程工業企業的應用情況，最后展望了先進控制軟件的發展前景。
關鍵詞：先進控制；模型預測控制；軟測量；控制性能監控；流程工業
1 引言
現代流程工業正朝著大型化、高集成度和高效化等方向發展，其中的物料流、能量流和信息流也日趨復雜多變。在生產單元、裝置乃至流程不斷強化的同時，過程控制對象也表現出如下特點：系統復雜性增加、耦合性增強和約束條件增多等。隨著人們對工業生產過程的安全、高效、優質、低耗的要求不斷提高，追求著更大的經濟效益和社會效益，因而對控制技術水平與性能的要求也越來越高。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多方面的挑戰，必須采用新的控制策略與技術來適應復雜工業過程多目標優化、多層次協調和多變量控制等要求。
先進控制技術正是在這個時代背景下，通過大量的過程控制實踐，由工業界和理論界共同推出的，其核心技術包括：模型預測控制、智能控制、軟測量和控制性能監控等。目前，先進控制技術仍在不斷地發展和完善中，未來將更多地引入各種非線性控制技術、自適應控制技術和魯棒控制技術等，同時將更多地與過程模擬與優化技術相結合形成優化與控制一體化解決方案。
國外先進控制軟件出現于上個世紀70年代末，經過10多年的發展，已形成了以DMC、Setpoint、Profimatic和Adersa等專業公司為代表的先進控制軟件供應商和服務商，并于上個世紀90年代初進入中國市場。以AspenTech收購和整合DMC、Setpoint，Honeywell收購Profimatic為契機，到本世紀初，先進控制軟件已得到迅速發展，全球已有幾十家公司推出了上百種先進控制和優化軟件產品，形成了一個強大的流程工業應用軟件產業。目前，國外先進控制軟件的主流供應商及其產品包括：AspenTech公司的DMCplus和Apollo（非線性預測控制軟件）、Honeywell公司的Profit系列產品、Invensys公司的Connoisseur、Rockwell公司的Process Perfecter（非線性預測控制軟件）以及Yokogawa公司代理的Shell SMOC產品等。此外，還有一些專業從事先進控制與優化服務的顧問公司。
國內先進控制軟件的研發始于上個世紀90年代中期，在國家科技攻關項目的支持下，清華大學、浙江大學、上海交通大學、石油大學（北京）、中國科技大學等高校的科研團隊分別針對煉油、石化和化工等行業的具體生產裝置研發了專用先進控制軟件并取得了成功應用。同時，國內一些專業的自動化公司開發研發相關的軟件產品，特別是浙江中控軟件技術有限公司開發了具有自主知識產權的領先的先進控制和優化軟件，對于打破國外產品的壟斷，替代進口，具有十分重要的戰略意義。
本文將簡要回顧浙江中控軟件技術有限公司先進控制產品APC-Suite的研發歷程，重點介紹APC-Suite的功能特點及其在流程工業企業的應用情況，最后展望先進控制軟件的發展前景。
2 中控先進控制軟件的研發歷程
自20世紀90年代開始，浙江中控軟件技術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，開展了先進控制軟件工程化產品的研發工作，形成了先進控制平臺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于一體的先進控制軟件APCSuite。以下簡要回顧一下中控軟件公司先進控制軟件的研發歷程。
第一階段：工程化。1996年成功研發RLS辨識算法，隨后形成了先進控制產品并推向市場，經過努力，該產品在煉油、石化和化工等多家企業取得了10多個應用業績，不僅提升了先進控制產品的成熟度，而且推動了產品更新換代。
第二階段：體系化。在市場和工程兩方面的推動下，到2005年，中控軟件公司初步完成了先進控制產品體系化工作，形成了以先進控制平臺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，實現了統一的數據服務、界面與服務分離、各類算法可插件式管理。這期間，APC-Suite產品在煉油、石化行業的許多裝置化工領域的純堿等行業取得了首次突破，進一步擴大了該產品的市場影響力，同時對產品可靠性與性能、工程服務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，中控軟件公司先后升級了多變量預測控制的核心優化算法引擎，實現了產品完全自主知識產權；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程辨識中，實現了辨識軟件的升級；集成了自定義算法編譯調試環境，并實現了界面優化，從而提高工程實施效率。迄今，APC-Suite產品在國內流程工業企業已推廣應用70余套，不僅實現了純堿企業全流程多目標、多層次和多變量協調優化控制，使單個控制器的變量規模突破500個，而且首次進入大型合資企業主裝置，使得產品與品牌認可度達到新的高度。
目前，中控軟件公司正在進一步豐富和完善產品體系，繼續發揮產品簡單易用、可擴展性強的優勢，提升產品在處理特定非線性過程控制的能力，增強與國外同類產品在性能與功能等方面的競爭力，以滿足國內流程工業企業對于先進控制軟件的采購需求和第三方工程服務的要求。
3 先進控制軟件APC-Suite的功能特點
圖1 中控先進控制產品體系架構
圖1給出了中控軟件公司的先進控制軟件產品架構及其與流程模擬優化的關系。
3.1 先進控制平臺APC-iSYS
先進控制平臺是一個模塊化、標準化、開放性的數據平臺，可實現工業生產過程數據的采集、處理、存儲和應用，并支持對生產過程的監控、先進控制與優化以及過程統計管理等，是先進控制軟件APC-Suite的基礎平臺。先進控制平臺APC-iSYS主要由如下軟件組成：
（1）APC-iMonitor監控軟件：通過直觀、形象的方式反映當前先進控制平臺的運行狀態，是先進控制平臺的核心控制臺；
（2）APC-iConfig組態軟件：以方便、友好、高效的操作為先進控制平臺提供組態功能，包括服務器組態、源位號組態、虛位號組態等，并可以編寫虛位號處理腳本；
（3）APC-iTrend趨勢圖軟件：能夠任意添加變量，通過趨勢曲線進行比較分析，更好地掌握生產過程數據的變化規律；這些組成軟件都有各自獨立的功能，綜合使用這些軟件，能使先進控制平臺發揮出最大的作用。
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是先進控制軟件APCSuite的核心產品，適用于多變量、強耦合、大時滯、帶約束的復雜生產過程的平穩控制和動態優化，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、離線仿真、系統組態和在線應用等多個組件，分為離線軟件和在線軟件兩部分。APC-Adcon的主要功能特點如下：
（1）實現定值控制與區域控制：區域控制使控制器在噪聲環境下更平滑，在變量耦合情況下更魯棒；
（2）有效抑制可測擾動：對可測擾動同時建模，預測擾動對過程的影響，有效地進行補償和及時克服；
（3）多目標動態優化：對操作變量、受控變量和各變量之間的線性組合可以定義理想駐留值（IRV）、極大化和極小化等次優化目標，所有次優化目標按控制自由度和變量的權重優先級依次滿足。
3.3 智能軟測量軟件APC-Sensor
智能軟測量軟件APC-Sensor以先進控制平臺APC-iSYS為支撐，在一個開放的構架下，實現了用多種軟測量算法建立軟測量模型、開展模型仿真驗證和實現模型工程應用等功能。APCSensor包括算法選擇、輔助變量選擇、離線建模等部分，并與數據預處理、智能軟測量設計環境模塊集成，讀取實時數據，實現離線仿真等，進而實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、模糊神經網絡算法、神經網絡BP算法、TSKFuzzyNeur算法、OPTFuzzyNeur算法等；
（3）采用雙重校正技術來提高軟測量儀表的精度和有效性，在通常的化驗值校正的基礎上，增加了在線模型滾動校正，形成了雙重校正的專利技術。
3.4 控制性能評估與監控軟件APC-Watch
隨著先進控制軟件APC-Suite應用數量的增多，先進控制系統需要由傳統的人工監視、手動維護轉向自動監視與維護。先進控制性能評估與監視軟件APC-Watch可提供如下功能：
（1）能夠生成先進控制性能日報、周報、月報、以及自定義時間段報告；
（2）能夠對控制器模型質量與失配情況做出評判；
（3）具備監控先進控制軟件應用情況的能力。
先進控制性能評估軟件支持自動導入中控的先進控制器的組 態信息，并支持配置第三方控制器；支持制定自定義時間段的評估計劃，和生成每日、每周、每月的評估報告；支持自動從先進控制平臺獲取歷史數據，評估控制器性能、統計過程相關指標、分析模型質量；評估報告生成后，自動將相關數據保存到關系數據庫；用戶可以通過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輔助儀控工程師完成對PID控制回路的自動評估，為提高先進控制軟件的全生命周期應用效果提供必要的支撐。
4 先進控制軟件APC-Suite的工業應用
從1996年底開始，中控軟件公司的先進控制軟件APC-Suite已經在中國石化、中國石油和中國海油的下屬煉油、石化企業以及云天化集團、唐山三友、山東海天等許多大型流程工業企業獲得成功應用，取得顯著的經濟效益和社會效益。下面簡要介紹工業應用情況。
（1）煉油企業先進控制應用
先進控制軟件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的煉油裝置上已經有超過連續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核心裝置。其中包括：惠州煉油的300萬噸/年連續重整裝置（目前國內單裝置規模最大），鎮海煉化180萬噸/年重油催化裂化裝置和揚子石化200萬噸/年高壓加氫裂化裝置和大榭石化600萬噸/年常減壓裝置等。
（2）石化企業先進控制應用
先進控制軟件APC-Suite在揚子石化、金陵石化、鎮海煉化、蘭州石化、洛陽石化和齊魯石化等企業的石化裝置上也已經有超過連續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45萬噸/年PX聯合裝置（目前國內單系列規模最大），揚子石化兩套PX聯合裝置、金陵石化PX聯合裝置、洛陽石化PX聯合裝置、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）化工企業先進控制應用
先進控制軟件APC-Suite自2000年進入儀征化纖以后，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20萬噸/年輕烴分餾裝置和5萬噸/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300萬噸/年產能，目前亞洲產能最大）、唐山三友的230萬噸/年純堿裝置（目前全球單套規模最大）、中國石化連云港堿廠的110萬噸/年純堿裝置、山東海天的110萬噸/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控制與優化，從整體上解決了聯合裝置級的控制與優化問題，不僅在純堿裝置先進控制技術與服務方面引領國內行業發展方向，而且被中國純堿工業協會列為“十二五”期間重點推廣的新技術。
（4）其他行業先進控制應用
先進控制軟件APC-Suite不僅在煉油、石化和化工行業中得到廣泛的應用，而且通過近年來的努力，已經在邯鋼和天鋼的空分裝置優化控制與自動變負荷，柳化集團和山東海天的工業鍋爐優化控制，株州硬質合金的粉末冶金還原爐優化控制等應用中取得了突破性應用，為先進控制軟件開拓更廣闊的市場空間奠定了良好基礎。HHHH5 發展展望
本文在簡要回顧國產先進控制軟件研發歷程的基礎上，重點介紹APC-Suite的功能特點及其在流程工業企業的應用情況，強調了國產先進控制軟件的有效性與適應性。
展望未來，在激烈的市場競爭中，國產先進控制軟件仍然要抓住國內流程企業生產裝置的特點和要求，提高產品的適應性和魯棒性，增強軟件的開放性和易用性，繼續完善產品體系結構，增加產品功能，打造符合中國特色的軟件精品。
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摘自《自動化博覽》2012年第12期
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號