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邵惠鶴

一  流程工業自動化技術的發展趨向
流程工業指主要生產過程為連續生產（或較長一段時間連續生產）的工業。包括了石化、冶金、電力、輕工、制藥、環保等在國民經濟中占主導地位的行業，全球500強行業中，流程工業企業有70余家，占15%，其營業收入占總收入的16.5%。我國流程企業年產值占全國企業年總產值的66%，流程工業的發展狀況直接影響國家的經濟基礎，是國家的重要基礎支柱產業。
1  “現代集成制造系統”（CIMS）是發展趨向
流程工業自動化技術的發展趨勢是實現“現代集成制造系統”。它是將先進的工藝制造技術、現代管理技術和以先進控制技術為代表的信息技術相結合，將企業的經營管理，生產過程的控制、運行與管理作為一個整體進行控制與管理，實現企業的優化運行、優化控制與優化管理，從而成為提高企業競爭力的重要技術。
流程工業的自動化技術，特別是CIMS技術受到發達國家的高度重視，被列入這些國家的重點高新技術發展計劃，國際著名的鋼鐵企業日本新日鐵、石化企業美國埃克森公司已經實現了全廠自動化和CIMS，并獲得了顯著的經濟效益。
2  建立基于BPS/MES/PCS三級結構，以MES為關鍵
流程工業的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程控制、過程優化、生產調度、企業管理和經營決策五個層次，將生產過程和管理過程明顯分開。雖然這種體系框架在流程工業CIMS 的發展過程中起過很大的推動作用，但它忽視了生產過程中的物耗、能耗及設備在線控制與管理，層次多、結構復雜、實現CIMS成本高、不便形成平臺技術，難以推廣。隨著研究與開發的深入，在CIMS系統的設計和應用實踐中遇到了較大問題。在流程企業的生產經營活動中，除了底層的過程控制和頂層的經營決策外，中間層次是很難將生產行為與管理行為截然分開的。因此，在牽涉到大量既有生產性質又有管理性質的信息時，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CIMS研究與開發過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。它是以提高企業競爭力為目標，以企業“兩個中心”（生產成本控制中心，生產指揮中心）為重點，建立基于BPS/MES/PCS三級結構，以MES為關鍵，其結構如圖2所示。

圖2  流程工業三層結構CIMS及其MES體系結構圖

這一結構將流程工業CIMS分為：
―   PCS級 單純考慮生產過程問題的過程控制系統，即基礎控制系統。
―   BPS級 單純考慮企業經營管理問題的企業資源規劃(ERP)，主要利用以財務分析決策為核心的整體資源優化技術。
―   MES級 考慮生產與管理結合問題的中間層制造執行系統，主要利用以產品質量和工藝要求為指標的先進控制技術和以生產綜合指標為目標的生產過程優化運行、優化控制與優化管理技術，使流程工業CIMS中原本難以處理的具有生產與管理雙重性質的信息問題得到了解決。
在流程工業CIMS中，MES起著將從生產過程產生的信息和從經營管理活動中產生的信息，以及生產管理活動中產生的信息進行轉換、加工、傳遞的作用，是生產活動與管理活動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技術后，效果顯著：生產周期時間縮短率為35%、數據輸入時間縮短率為36%、在制品削減率為32%、文書工作削減率為67%、交貨期縮短率為22%、不合格產品減低率為22%、文書丟失減少率為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技術后，可獲得的效益為：質量提高19.2%，勞動生產率提高13.5%，產量提高11.5%。1999年，美國“財富”雜志發表文章稱MES是“ERP市場的挑戰者”。該文介紹年產值16億美元的美國化纖企業Unifi公司，其下屬Yadkinville廠應用MES軟件后，效益增加69%，實際增效1600萬美元。
據MESA調查，美國MES軟件市場規模的為1.5億美元，1994年和1995年年增長率為30%，1996年達到8.65億美元，1998年10.1億美元。預見2003年將增加三倍。
3  流程工業三層結構的集成支持系統（如圖3所示）

圖3  流程工業三層結構的集成支持系統圖

二  流程工業先進控制的提出與特點
1  流程工業先進控制的重要性
由于流程工業生產過程日趨大型化、連續化、高速度和高質量，因此對生產過程中工藝的操作控制、異常工況的監視及安全保護，必須依靠自動化系統。
信息技術的發展，工業自動化已由基礎階段的生產過程自動化發展到生產管理自動化，并進入企業綜合自動化階段。目前，最重要的是推進先進控制與優化。“工業過程先進控制與優化軟件”是具有前瞻性和帶動性，對國民經濟發展有重大影響，有廣闊市場容量的高技術自動化軟件產品。
據調查，國外石油化工企業每年至少要降低3%的成本才能保持盈利。在過程控制中采用先進的控制方案，可平均降低15%的制造成本。美國杜邦公司通過改進控制方案，一年估計節省5億美元。人們開始認識到采用先進控制與優化能比采用DCS帶來更顯著的經濟效益。因此，目前工業自動化已從對單一生產設備、單一生產流程的控制，發展到對整個生產線的先進控制與優化控制。
隨著計算機技術、工業自動化技術、網絡通訊技術在工業生產管理和控制中的廣泛應用，向先進控制要效益，向過程優化要效益，向生產管理要效益，已成為企業工程技術人員和經營管理人員的共識。

表1  著名先進控制軟件包應用情況一覽表

國外從70年代末就開始了先進控制技術的商品化軟件的開發及應用，在DCS的基礎上實現優化控制和先進過程控制。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、人工神經元網絡控制和軟測量技術等應用于工業生產過程，取得了明顯的經濟效益和社會效益。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等多家從事先進控制和優化的軟件公司開發出適合于實時控制與優化的多變量先進控制和實時在線優化的商品化工程軟件產品，大量推向市場，在上千家大型石化、化工、煉油、冶金等企業獲得成功應用，取得了巨額利潤。據有關資料統計，國外比較著名的先進控制軟件包已有2233套得到應用，目前正在搶占我們國內的市場，相關情況參見表1。
雖然國外先進控制軟件能帶來可觀的經濟效益，但其價格非常昂貴，而且國外廠商對其核心技術嚴格保密，因此，應及早開發我國自己的先進控制軟件產品，才能打破引進的局面。為推動我國工業生產自動化水平的發展，節省外匯支出，對現有國內開發的先進控制軟件進行商品化，形成自己的先進控制軟件產業化，已成當務之急。為此，應確立自動化產業作為信息產業的重要組成部分的地位，并重點扶植幾家有發展潛力的高新技術企業，使其在自動化儀表、先進控制與優化軟件、工控軟件及自動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發能力的企業和一批有知識產權的名牌產品，能與國外公司建立既合作又競爭的關系。
2  流程工業先進控制的提出
― 流程工業一般規模龐大，結構復雜，且具有不確定性、非線性、強耦合性等特性，以產品質量和工藝要求為指標的控制，常規控制難以勝任；
― 實現安全、平穩、高效生產的需要；
―  提高企業經濟效益和增強競爭力的重要對策；
―  先進控制與在線優化在工廠綜合優化控制中起著承上啟下的重要作用。
3  流程工業先進控制的發展現狀
―  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控制策略；
―  專家控制系統：過程故障診斷，監督控制，檢測儀表和控制回路有效性；
―  神經網絡：非線性過程的建模，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；
― 非線性控制：開發中，應用不多；
―  先進控制還包括：內模控制、自適應控制、增益調整、解耦控制、時滯補償等；
―  魯棒控制：是研究熱點，但理論性太強，實際應用需做大量的改進和簡化；使先進控制具備魯棒性是重要的發展方向。
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控制器。它能在滿足工藝約束條件下，對整個生產裝置實現多變量閉環控制，以使生產平穩、高效、低耗，以獲得顯著的經濟效益。與常規控制是輸入和輸出變量一一配對來構成單回路控制相比，本控制軟件包最大特點是從多變量觀點來設計，因此，可自動解決復雜系統的耦合，同時可實現穩態優化與動態優化。因此，MCC是目前應用最廣、效果最好、最實用的流程工業先進控制。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。
1  基本特點
―  綜合利用過去、現在和將來的信息――決定控制策略模型預測將來輸出（PID只利用過去和現在的信息）；
―  對模型要求低：反饋校正(現代控制理論要求模型精度高)；
―  滾動優化：每個控制周期不斷進行優化計算（現代控制一次優化）；
―  穩態優化與動態優化相結合；
―  多變量系統（PID是一對一控制）；
―  CV和MV可受約束。
―  主要功能
―  實現基于模型的多變量預測控制的動態優化；
―  在整個動態響應區間內考慮CV與MV的約束；
―  應用線性規劃原理實現CV與MV的穩態約束及經濟性能指標穩態優化；
―  采用CV與MV動態加權原理實現CV與MV的動態約束；
―  控制系統可控性在線分析和系統病態的自動處理；
―  多變量控制結構的自動重構，以適應各種不同情況；
―  能自動識別與處理胖系統(自由度>0)、瘦系統(自由度<0)以及方系統(自由度=0)；
―  具有動態加權和控制器參數的在線整定功能；
―  系統的動態閉環仿真。
3  基本特征
―  從多變量控制的觀點來設計整個生產裝置控制；
―  將動態滾動優化與經濟目標的穩態優化相結合；
―  由子控制器與組合線性規劃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(理想穩態值IRV)控制(自由度>0時)。
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，過程模型辨識和參數在線校正軟件包；
―  MCC Config，組態軟件包；
―  MCCSIM，系統動態仿真軟件包；
―  MCCIO，MCC與各類DCS的接口軟件包；
―  NMCPC，非線性多變量預測。
6  經濟效益
―  生產裝置經濟效益的最大關鍵是使生產過程時刻處于最優約束邊界上操作。
―  實現多變量MCC能減少過程干擾的影響；在約束條件下最優卡邊操作；動態最優化使生產過程連續平穩與優化操作；局部穩態優化使生產過程實現經濟性能最優化。
―  實現全裝置在線穩態優化：基于過程穩態模型，不斷修正約束條件，不斷更新模型，在線求過程的最優設定值（最優操作條件）。
―  大量工程實踐表明，具有投資少，見效快等特點。通常在原有基礎上，可增加3%～6%經濟效益。
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發展最迅速的二次加工裝置之一。整個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，主要生產汽油、柴油、液化氣等，是煉油加工過程中重要的二次加工過程。它的操作直接關系到石油煉制過程中輕質油的收率，從而影響整個煉廠的經濟效益。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的控制目標是在滿足產品質量合格的條件下，使輕質油(液態烴)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。
―  靈活滿足不同的生產方案：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個被控變量，14個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態曲線圖

(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質在于保證約束的滿足，同時協調各種約束集之間的關系。每個采樣周期的控制動作都將使控制對象更好地滿足約束集，使整個工況更趨平緩。
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。而氧含量是整個裝置運行情況的一個綜合指標，它的平穩很大程度上意味著整個工況的平穩，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小（氧含量的控制指標一般為31％）。
(3)  穩態優化保證了裝置的全局優化生產和操作。多變量約束控制器中的優化系數直接體現了經濟優化目標，MCC將自動根據確定的目標函數在每個控制周期找到當前時刻的最佳操作方向，而且通過改變多變量約束控制器中的優化系數，就可以方便地體現生產方案的改變。
(4)  增加處理量，最大限度地發揮裝置的生產能力。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，而且進料量的變化也相對平穩得多。處理量的增加將為企業帶來豐厚的利潤，國外某公司的經驗表明，實施先進控制后，企業增加利潤的70％將來自于處理量的提高。
(5)  軟測量技術的應用。不但減少了企業在昂貴的分析儀表上的資金投入，更重要的是為企業生產提供了產品質量在線跟蹤手段以及產品結構實時觀測方法，對于優化生產具有不可估量的重要意義。
FCCU裝置在多變量約束控制與優化項目投運后，效益的提高是十分明顯的。表3中列出了投運前后車間的效益核算數據（當時的生產采用汽油方案）。可以看出，投運后經濟效益明顯提高。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%。綜合上述幾個因素，若按一年300天計，投運后每年所獲得的經濟效益將在1730萬元以上。

表3  投運前后一聯合催化裂化車間效益核算數據對照表