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摘要：本文介紹了基於模型預測控製策略的先進控製軟件包APC-Adcon的實現原理、基本框架和特點，並在此基礎上給出了該先進控製軟件在山東海化股份有限公司純堿廠的實際應用情況。
關鍵詞：先進控製，模型預測控製，純堿
1 引言
xianjinkongzhishixiandailiuchenggongyeshengchanguochengzhongzuizhongyaodezidonghuajishuzhiyi。caiyongxianjinkongzhi，keyijiejuechangguikongzhizhongbunengjiejuedegezhongnanti，yimanzurenmenduishengchanguochengdeanquan、高效、優質、低耗的要求，使用戶以較小的投入獲得較大的經濟效益。據有關資料統計，先進控製軟件包在全球範圍內已有6000套以上的應用，國外的著名供應商正在加緊搶占國內的先進控製市場。國內的許多高校、研究機構和大型石化企業自上世紀80年(nian)末(mo)開(kai)始(shi)研(yan)究(jiu)並(bing)實(shi)踐(jian)先(xian)進(jin)控(kong)製(zhi)技(ji)術(shu)，在(zai)一(yi)些(xie)複(fu)雜(za)工(gong)業(ye)過(guo)程(cheng)上(shang)取(qu)得(de)了(le)應(ying)用(yong)成(cheng)果(guo)並(bing)積(ji)累(lei)相(xiang)關(guan)技(ji)術(shu)經(jing)驗(yan)。浙(zhe)江(jiang)中(zhong)控(kong)軟(ruan)件(jian)技(ji)術(shu)有(you)限(xian)公(gong)司(si)所(suo)研(yan)發(fa)的(de)高(gao)級(ji)多(duo)變(bian)量(liang)魯(lu)棒(bang)預(yu)測(ce)控(kong)製(zhi)軟(ruan)件(jian)APC-Adcon是國內具有較大影響力的先進控製軟件包，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），是重要的基本工業原料，被稱為“化工之母”，其qi產chan量liang和he消xiao費fei量liang通tong常chang被bei作zuo為wei衡heng量liang一yi個ge國guo家jia工gong業ye發fa展zhan水shui平ping的de標biao誌zhi之zhi一yi。山shan東dong海hai化hua股gu份fen有you限xian公gong司si純chun堿jian廠chang是shi目mu前qian國guo內nei最zui大da的de純chun堿jian生sheng產chan企qi業ye，生sheng產chan崗gang位wei全quan部bu實shi現xian了leDCS控製。由於純堿生產過程工藝流程長，連續性強，而且處理的物料為氣、液、固三相物質，部分裝置如碳化塔、石灰窯等具有較強的變量關聯和耦合特性，常規的單變量控製難以有效地解決這類複雜工業過程控製問題。
我廠於2004年6月通過招標，在國內外眾多供應商中選擇中控的APC-Adcon先進控製產品，雙方共同合作在國內純堿裝置上實施了第一個先進控製項目，經過近1niandenuli，xiangmuzujiehechunjianshengchanzhuangzhideshengchangongyitedianheshijidegongyicaozuojingyan，kaifalechunjianzhuangzhixianjinkongzhixitong，tigaolezhuangzhicaozuopingwenxinghekongzhixingneng，jiangdilenenghao，jianshaolecaozuorenyuandelaodongqiangdu。xianjinkongzhijishujidaditishenglechunjianshengchanguochengkongzhixiaoguo，yinqilechunjianxingyeheshehuigejiedeguangfanguanzhu。
2 先進控製軟件包體係結構
高級多變量預測控製軟件包APC-Adcon是shi浙zhe江jiang中zhong控kong軟ruan件jian技ji術shu有you限xian公gong司si開kai發fa的de麵mian向xiang工gong業ye過guo程cheng的de多duo變bian量liang預yu測ce控kong製zhi軟ruan件jian包bao，特te別bie適shi合he於yu需xu要yao采cai用yong多duo種zhong控kong製zhi策ce略lve和he控kong製zhi結jie構gou的de複fu雜za多duo變bian量liang過guo程cheng。它ta可ke以yi方fang便bian的de集ji成cheng到dao任ren何heDCS或PLC控製係統中工作。其基本功能是：在被控變量和操縱變量滿足位置和速度硬約束的前提下，每個被控變量可以按照指定的閉環性能達到設定值；對可測擾動實現前饋控製；可完成局部優化等。APC-Adcon還充分考慮了實際控製係統中的各種要求，可以集成各種專家智能控製策略，進一步保證了控製性能和控製係統魯棒性。
APC-Adcon在結構體係上采用先進的分布式多層組件化應用體係，提供分布式軟件結構和分布式應用結構，基於COM的組件化先進控製軟件的結構如圖1所示。
從圖1keyikanchu，xianjinkongzhiqidemeiyigegongnengmokuaizuoweikongzhiqidebiaozhunjian，fenbiebaozhuangbutongdexianjinkongzhisuanfahegongneng，qieyuchengxushejiyuyanwuguan，keyishixianjichajiyong。zujianhuakuangjiabujinjianhualebiancheng，erqiejidazengjialeruanjiandewendingxing。
APC-Adcon采用的控製結構具有較強的可操作性，可以是固定的，也可以由用戶在線修改。APC-Adcon控製器結構如圖2所示。
控製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（或最小）值的速率
2）被控變量（輔助變量）
・約束：最小、最大和速度
・設定值控製：閉環時間響應
・區域設定值控製：設定值區域邊界，邊界內及邊界外閉環時間響應
・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（或最小）值的速率
3）容錯控製功能
不(bu)同(tong)的(de)工(gong)作(zuo)條(tiao)件(jian)及(ji)操(cao)作(zuo)模(mo)式(shi)下(xia)控(kong)製(zhi)目(mu)標(biao)可(ke)能(neng)不(bu)同(tong)，各(ge)種(zhong)變(bian)量(liang)的(de)具(ju)體(ti)要(yao)求(qiu)也(ye)可(ke)能(neng)不(bu)同(tong)。當(dang)傳(chuan)感(gan)器(qi)或(huo)執(zhi)行(xing)器(qi)失(shi)效(xiao)，控(kong)製(zhi)對(dui)象(xiang)將(jiang)發(fa)生(sheng)改(gai)變(bian)。對(dui)於(yu)這(zhe)種(zhong)意(yi)外(wai)情(qing)況(kuang)，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，實時調度控製結構等。
3 APC-Adcon在山東海化純堿生產過程中的應用
3.1 工藝流程簡介
shandonghaihuachunjianchangcaiyonganjianfazhijian，qigongyiyuanlishijiangyuanyanjingzhichengbaoheyanshuihou，xianxingchenganyanshui，anyanshuiyuduanshaoshihuishichanshengdeeryanghuatanqizaiqingxitaneifanyingshengchengyutanhuaye，yutanhuayezaitanhuataneiyugaonongdudeCO2氣進行碳酸化反應（俗稱碳化）生成的碳酸氫鈉懸浮液，經過濾得到的碳酸氫鈉結晶在煆燒爐內煆燒獲得純堿產品和高濃度CO2氣，CO2氣經冷卻、壓縮後通入碳化塔參與碳化反應。把濾去碳酸氫鈉的製堿母液加熱蒸餾回收其中的氨。氨堿法生產工藝的主要工序有：化鹽和鹽水精製、氨鹽水的製備、碳化和重堿過濾、重堿的煆燒、氨的回收以及石灰石的煆燒等。
目前，我廠純堿裝置的各生產工序已全部實現了DCS控製，因此生產效率明顯提高，產品次品率大大降低。但常規的單回路控製不能很好的適應純堿生產過程的一些複雜特性，例如：純堿生產的核心單元――碳化工序，該工序包括多個碳化塔組，每個碳化塔不僅具有“製堿”和“清洗”兩種運行狀態，而且隨製堿周期的不同具有時變性，存在著大純滯後、多變量關聯和耦合特性，塔底壓力、出堿液溫度、中部溫度分布等重要工藝過程參數需要操作人員手動控製。另外，碳化生產所需的下段氣、中段氣、清洗氣總流量和壓力主要依靠人工聯係調整，存在調節不及時、調節幅度不合適等問題，因此碳化生產過程的運行參數和產品質量得不到保證，勞動強度大，消耗高。
為進一步提高自動化控製水平，山東海化純堿廠選擇純堿裝置的重要工序――石灰窯工序、碳化工序、壓縮工序實施了先進控製與優化。
3.2 先進控製與優化方案
先進控製係統的總體框架如圖3所示。
先進控製係統首先針對上述三個工序分別設計了獨立的APC-Adcon子控製器以滿足這些工序平穩控製的要求，其中，碳化工序子控製器以預測控製策略為核心，用APC-Adcon的標準算法實現整個工序2組14座碳化塔兩種工作模式“製堿”和“清洗”過程的平穩控製以及產量與質量的協調優化；石灰工序子控製器將預測控製策略和智能控製策略相結合，在APC-Adcon標準算法的基礎上增加自定義控製算法實現了過程控製和機電控製有效結合，既穩定了石灰窯出灰溫度，又實現石灰窯自動出灰、自動配料等功能；壓縮工序子控製器則在壓縮機轉速自動控製的基礎上，按照碳化工序實際生產對清洗氣、中段氣、下段氣總流量的需求實時改變壓縮機轉速，從而實現壓縮工序的優化。各個子控製器之間的聯係通過物料平衡、工藝計算等來體現。針對裝置的特殊要求，基於智能控製技術為石灰窯、碳化塔和壓縮機裝置製定了特殊的控製和優化策略。
通過先進控製技術的應用，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製，提高工藝操作的平穩性；在此基礎上，進一步實現了石灰窯、碳化塔和壓縮機的生產負荷分配和工況平衡等優化控製。
3.3先進控製係統通訊實現
山東海化純堿廠純堿生產裝置先進控製係統是在Simens PCS7集散控製係統平台上實施的，先進控製軟件APC-Adcon運行於DCS係統的上位機上，並以配套的先進控製軟件平台ESP-iSYS-A作為支撐。ESP-iSYS-A可以以客戶端方式與DCS係統WinCC軟件的OPC Server實現數據雙向通訊，從而保證先進控製係統的數據集成和實時控製。
3.4 應用效果
下麵要說明純堿生產過程三個先進控製子係統投用前後控製效果對比。
（1）石灰窯係統
石灰窯窯底溫度是石灰窯係統的重要控製參數，是反映石灰窯運行狀況的主要指標，圖4給出了先進控製投用前後石灰窯窯底溫度控製效果的對比。
（2）碳化塔係統
碳化塔的塔底壓力、中zhong部bu溫wen度du是shi碳tan化hua操cao作zuo的de重zhong要yao指zhi標biao，這zhe些xie參can數shu直zhi接jie反fan映ying出chu碳tan化hua塔ta的de運yun行xing是shi否fou平ping穩wen，轉zhuan化hua率lv是shi否fou達da到dao要yao求qiu。因yin此ci，控kong製zhi好hao這zhe些xie運yun行xing指zhi標biao是shi優you質zhi高gao產chan的de前qian提ti。圖tu5給出了先進控製投用前後碳化塔塔底壓力控製效果的對比。
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