流程工业先进控制技术 中国石油大学（华东）,自动化学科前沿知识讲座,流程工业在国民经济中的支柱地位,流程工业包括了石化、炼油、化工、制药、造纸、冶金、采矿、电力、食品加工等在国民经济中占主导地位的行业 全球500强行业中，流程工业企业有70余家，占15%，其营业收入占总收入的16.5% 我国流程企业年产值占全国企业年总产值的66%，流程工业的发展状况直接影响国家的经济基础，流程工业是国家的重要基础支柱产业,全球500强企业中， 流程工业企业占了70家中国流程工业总产值占工业总产值66%,流程工业在国民经济中的支柱地位,国家发展的战略要求,国家中长期科学和技术发展规划纲要将“流程工业的绿色化、自动化及装备”列为优先发展主题，重点研究开发“基于生态工业概念的系统集成和自动化技术，流程工业需要的传感器、智能化检测控制技术、装备和调控系统。”,国务院关于加快振兴装备制造业的若干意见指出，在“发展重大工程自动化控制系统和关键精密测试仪器，满足重点建设工程及其他重大（成套）技术装备高度自动化和智能化的需要 ”实现重点突破。,用先进控制技术提高流程工业自主创新能力,流程工业的特点,规模庞大 结构复杂 不确定性 非线性 强耦合性,目前流程工业控制中存在的问题,控制效果差 控制效果波动大，没有对产品质量和工艺指标进行控制，因而产品质量差，产品收率低，生产成本高 能耗大 2005年我国石油化工行业总能耗3.048亿吨标准煤，占全国总能耗的15%，万元GDP能耗是0.903吨标准煤，比国外同行业平均水平高15%20% 装置故障率高,先进控制技术的出现,解决目前流程工业控制中存在的问题，实现生产过程运行的“安、稳、长、满、优” 先进控制技术是一个广泛的概念，是指不同于常规控制方案的一切控制新方法 预测控制技术 软测量技术 过程监控技术 。,一. 预测控制技术,预测控制的基本知识,预测控制：模型预测控制，Model Predictive Control， MPC 20世纪70年代末，在工业过程控制领域出现的一种基于模型的计算机控制算法。 有着深刻的实际应用背景，首先应用于实际工业问题的解决，来自于工业实践者。 1978年，Richalet首先发表论文进行了介绍，随后引起研究热潮，是目前工业过程中最为成功研究最多的先进控制算法。,控制技术的发展历程回顾,PID控制器是工业过程中应用最多、时间最长的控制策略 不依赖于模型，应用简单，适合于多数过程 对多变量、有约束、时滞等复杂过程单元的控制效果较差 现代控制理论在20世纪60年代发展起来，形成了状态空间分析法、最优控制等一系列技术 在航空、航天、制导等领域取得了辉煌成果 流程工业过程的多变量、非线性特点使得难以建立精确数学模型，现代控制理论难以得到广泛应用,预测控制的出现,为了克服理论和应用之间的不协调，20世纪70年代以来，人们开始打破传统方法的约束，试图直接面对工业过程特点，寻找对模型要求低、综合控制质量好、在线计算方便的优化控制新方法：模型预测控制算法就此发展起来的。 综合利用过去、现代和将来的信息决定控制策略模型预测将来输出（PID只利用过去和现在的信息） 对模型要求低：反馈校正 (现代控制理论要求模型精度高) 滚动优化：每控制周期不断进行优化计算（现代控制一次优化）,预测控制的基本原理,输入输出模型假设未来输入预测未来输出,以滚动方式对未来有限时域进行优化 在线计算并实现当前控制作用,每一时刻检测实际输出 以预测误差补偿对未来输出的预测,与预测控制有关的例子：过马路，下棋,与预测控制有关的例子：过马路，下棋,预测控制算法的类型,动态矩阵控制 (Cutler et al, 1980)（Dynamic Matrix Control, DMC） 模型算法控制(Richalet et al, 1978)（Model Algorithm Control, MAC） 广义预测控制(Clarke et al, 1987)（Generalized Predictive Control, GPC） 预测函数控制(Adersa et al, 1987)（Predictive Functional Control, PFC） 单值预测控制、状态空间预测控制、。,预测控制技术的工业应用,预测控制理论产生于工业过程控制领域的需求和实践，具有很强的应用背景 目前已经在炼油、化工、电力、航空航天、汽车控制等多个方面有着成功应用 尤其是在油田石化方面有大量应用，在催化裂化、加氢重整、常减压、延迟焦化等大型装置上有许多应用报道 国内外流程工业中几乎所有先进控制软件都与预测控制技术相关，是工业过程应用中最具代表性的先进控制算法,预测控制的经济效益,Aspen公司 数据表明 实施MPC取得的效益中，降低能耗占10，产品质量提高占10%，提高装置生产平稳与安全性占15，提高回收率占15，提高加工能力占30。 Chemshare公司数据表明：用DCS改造常规仪表获得10的效益，在DCS上实现MPC获得40的效益 Foxboro公司数据表明： 效益比：DCS为 1 : MPC为 5,Published in Control Engineering Practice， 2003,应用软件技术的发展,第一代：IDCOM 、DMC 主要处理无约束多变量过程控制 第二代：QDMC 解决了输入输出约束问题 第三代：SMOC、SMCA、HIECON、IDCOM-M 解决了有约束多变量过程MPC优化中的不可行解问题 第四代：DMC+（Aspen)、RMPCT(Honeywell) 多目标优化、鲁棒设计、系统辨识技术,当前的预测控制软件特点,典型代表：DMC+和RMPCT 1995年，HONEYWELL兼并Profimatics公司，将RMPC与PCT算法整合形成RMPCT软件包 1996年，ASPEN兼并Setpoint和DMC公司，将SMCA和DMC融合形成DMC+软件特点 都采用了Windows图形用户界面，可以处理具有优先权控制目标的多目标优化问题，增强了稳态目标优化的适应性，优化中直接考虑了模型的不确定性，采用先进的模型辨识技术,国内的预测控制应用情况,国内最早是齐鲁石化公司胜利炼油厂引进了美国Setpoint公司的IDCOM-M软件，并应用于催化裂化装置取得成功 近些年来，我国已经引进了SMCA、DMC+、RMPCT等多个公司的先进控制软件，在许多石油石化装置取得成功应用 引进国外软件的问题 价格非常高（licence约5080万美元，加工程服务费） 核心技术保密,国内在八五和九五期间实施科技攻关，相当多的院校开发先进控制技术和软件 浙江大学:APC-Hiecon、APC-PFC 石油大学 上海交通大学 MCC 清华大学 国内先进控制实施中问题 多数研究侧重于单个工程实施，仍然缺乏知名的先进控制商品化软件，目前难以与国际厂商抗衡,案例分析： PTA溶剂脱水塔,目标处理多变量的约束控制提供单元的局部约束优化与动态控制 特点 基于装置测试数据的过程动态模型（非机理）应包括装置单元的所有主要约束条件 实现操作目标（推向边界条件） 实现DCS层面上控制回路设定值的自动改变,PTA溶剂脱水塔工艺,基于关键组分的多变量预测控制系统方案设计,目标： 稳定塔釜组成DI1702（釜水）& 降低塔顶酸耗和能耗,阶跃响应模型测试：,MPC投运后的CV曲线：,二. 软测量技术,为什么要用软测量？,我国流程工业装置质量控制中普遍存在的问题 重要质量指标波动较大 产品质量难以严格在线控制解决问题的关键是围绕预测控制的先进控制算法，而先进控制的实施关键是质量指标的在线实时测量。,为什么要用软测量？,质量指标工业检测的现状 主要是离线化验分析，频次1次/2小时或1次/4小时。 在线质量分析仪表 : 价格昂贵、维护困难、在线使用率低 软测量技术 是可行方案 选择易测变量，推断和估计质量变量 以软件代替硬件，实现质量实时测量 克服装置波动、提高产品质量和产量、减少过渡料 经济效益显著,什么是软测量,软测量技术的主要思想对于过程中难以在线测量的重要过程变量（主导变量或一次变量)，选择与之相关的一组易测变量(辅助变量或二次变量)，构造两者之间的某种数学关系，用计算机软件实现重要工艺参数的估计，为过程监控和优化控制提供重要信息。 软测量结构示意图,软测量的例子,差压法测定气体质量流量 气体质量流量与差压、气体压力、气体温度之间有着密切关系，可以建立相关的数学模型直接利用现有仪表就可以获得气体质量流量的实时测量结果，不需要研发专用仪表，投入少，周期短，维护方便（智能流量计）,软测量的例子,臭氧浓度分析仪 气体中的臭氧浓度与温度、压力、对紫外光的吸收特性有关借助于温度、压力变送器和光强仪可以间接测得气体的臭氧浓度,软测量技术的主要内容,辅助变量选择 数据采集和处理 软测量模型建立 软测量离线和在线校正,（1）辅助变量选择,（2）数据采集与处理,（2）数据采集与处理,（3）软测量模型的建立,（4）模型校正,软测量建模方法的种类,基于机理模型的软测量建模方法 方法：列写物料平衡、能量平衡、相平衡和反应动力学方程，建立可测辅助变量和不可测主导变量之间的准确数学关系。 特点：物理意义明确，易于外推 ，但是复杂的工业过程机理复杂，建立模型费时耗力。 基于数据驱动的软测量建模方法 方法：主要应用回归分析（PCR、PLS等）、神经网络、支持向量机等数据分析技术 特点：不需要严格的机理模型，建模过程思路简单清晰，完全使用黑箱模型，但是往往受到训练数据的影响，模型适应范围有限，而且参数缺乏明确物理意义,软测量的应用举例,常压塔筛料干点的软测量,（2）辅助变量选择,（3）数据采集与处理,（4）回归分析建模,（4）回归分析建模,（4）回归分析建模,软测量技术有效地预报了质量指标的变化过程,三. 过程监控技术,为什么要实施过程监控技术？,现代化流程工业正朝着大规模、复杂化的方向发展，通常包含高温、高压、易燃、易爆的生产过程，系统一旦发生事故就会造成人员和财产的巨大损失。 流程工业中可能出现的故障： 过程参数变化：催化剂中毒、热交换器结垢等 干扰参数变化：进料流股中的浓度变化、环境温度变化等 执行器问题：卡住、空气泄露、气源故障等 传感器问题：堵塞、标定误差等造成仪表损坏或偏差 控制器问题：控制性能等,典型事故案例 1997年，北京东方化工厂发生乙烯装置起火爆炸事故。 2000年，罗马尼亚的一家黄金制品厂废品溶化炉发生故障，造成了欧洲特大环境灾难。 2005年11月13日，吉林石化双苯厂爆炸，松花江水污染，事故原因为操作工误操作导致进料系统温度超高,北京东方化工厂发生乙烯装置起火爆炸事故,吉林石化双苯厂爆炸,为什么要实施过程监控技术？,过程监控与故障诊断可以减少经济损失 仅美国石化行业，每年估计因缺乏对异常事件的有效监控而损失200亿美元 过程监控与故障诊断可以改变维修方式 据美国统计局统计，每年工业设备维修费用约2500亿美元，专家估计其中约750亿美元是“ 过剩维修”费用。 由事后维修和计划维修向更为先进的状态维修和预防维修方式转变,2018年9月20日星期四, Copyright by Zhihuan Song,55,企业信息化系统结构,决策层,管理层,调度层,经营决策系统,产品策略,管理信息系统,生产计划,生产调度系统,调度指令,过程监控系统,系统优化,计算机控制系统,控制信息,生产过程,监控层,控制层,关系数据库,实时数据库,过程监控的传统方法,经典的Shewhart方法,给定一定的阈值，可以在训练集中数据的统计特性基础上，应用统计假设理论来预测系统变化是否失控。,过程监控方法体系,基于解析模型的方法,以系统的数学模型为基础，构造基于状态或者参数的残差，使用某种准则对残差进行分析与评价，实现故障检测与诊断。 故障诊断过程比较清晰，易辨识故障变量，寻找障原因。系统建模误差、外部干扰对诊断结果影响较大。,