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金曉明 楊開香 張樹吉
先進控制是現代大工業生產過程中最重要的技術之一。采用先進控制，可以解決常規控制中不能解決的各種難題，以滿足人們對生產過程的安全、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，國外著名的先進控制軟件包已有5000多套的應用，目前正在搶占我們國內的市場。國內的許多高校、研究機構和大型石化企業從上世紀80年末代就開始探討和研究各種先進控制理論和技術，并針對一些復雜工業過程進行應用研究，取得了一定的研究成果和技術經驗積累。
純堿即碳酸鈉（Na2CO3），是重要的基本工業原料，被稱為“化工之母”，其產量和消費量通常被作為衡量一個國家工業發展水平的標志之一。但由于純堿生產過程工藝流程長，連續性強，存在較強的變量關聯和耦合特性，常規控制不能很好的解決這種復雜工業生產控制難題。某大型純堿生產企業率先在純堿生產過程中采用先進控制軟件包APC-Adcon和智能控制等先進技術手段，結合純堿生產裝置的生產工藝控制的思路和實際的工藝操作經驗，開發了純堿裝置先進控制系統，提高了裝置操作平穩性和控制性能，降低了能耗，減少了操作人員的勞動強度。先進控制技術極大地提升了純堿生產過程的控制效果，引起了純堿行業和社會各界的廣泛關注。
先進控制軟件包體系結構
高級多變量預測控制軟件包APC-Adcon是浙江中控軟件技術有限公司開發的面向工業過程的多變量預測控制軟件包，可用于煉油、石化、化工、冶金等大型工業過程的控制，特別適合于需要采用多種控制策略和控制結構的復雜多變量過程。它可以方便的集成到任何DCS或PLC控制系統中工作。其基本功能是: 在受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；對可測擾動的前饋控制；局部優化等。APC-Adcon還充分考慮了實際控制系統中的各種要求，保證了系統性能和控制器的魯棒性。APC-Adcon高級多變量預測控制軟件實現生產過程的實時控制，提供上傳接口，可向企業管理網絡實時提供有關數據，為企業過程控制系統與信息系統的數據集成提供方便。
APC-Adcon采用計算機、網絡通訊、工業自動化、技術管理等領域先進成熟的技術并保持關鍵技術領先，在結構體系上采用先進的分布式多層組件化應用體系，提供分布式軟件結構和分布式應用結構，現已在催化裂化、連續重整、PTA、PX等重點煉油、石化和化工裝置中得到廣泛應用，是多變量過程先進控制的最佳商品化工程軟件產品之一�；贑OM的組件化先進控制軟件的結構如圖1所示。
圖1 APC-Adcon先進控制軟件結構原理
從圖1可以看出，先進控制器的每一個功能模塊作為控制器的標準件，分別包裝不同的先進控制算法和功能，且與程序設計語言無關，可以實現即插即用。而且根據現場需求，控制裝置必須與先進控制算法一一對應，組件化的框架恰好滿足了這種需求，而且簡化了編程，極大的增加了控制系統的穩定性。
APC-Adcon在純堿生產過程中的應用
1. 生產工藝及控制問題簡介
某大型純堿企業采用氨堿法制堿，其工藝過程主要是將原鹽精制成飽和鹽水后，吸氨形成氨鹽水，氨鹽水與煅燒石灰石產生的二氧化碳氣在清洗塔內反應生成預碳化液，預碳化液在碳化塔內與高濃度的二氧化碳氣進行碳酸化反應（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煅燒爐內煅燒獲得純堿產品和高濃度的二氧化碳氣，二氧化碳氣經冷卻、壓縮后通入碳化塔參與碳酸化反應。把濾去碳酸氫鈉的制堿母液進行加熱蒸餾回收母液中的氨。
氨堿法的主要生產流程有：化鹽和鹽水精制、氨鹽水的制備、碳化和重堿過濾、重堿的煅燒、氨的回收以及石灰石的煅燒等。由于純堿各生產崗位已全部實現了DCS控制，因此生產效率明顯提高，產品次品率大大降低。但常規的控制不能很好的適應純堿生產過程的一些復雜特性，比如大的純滯后、多變量的耦合等等，重要工藝過程參數需要操作人員手動控制，因此裝置過程參數和產品質量得不到保證，勞動強度較大。為進一步提高自動化控制水平，我們在純堿生產過程的重要工序——石灰窯工序、碳化工序、壓縮工序實施了先進控制技術。通過先進控制技術的應用，提高裝置操作的平穩性，將關鍵工藝參數的波動幅度降低，比如石灰窯出灰溫度、碳化塔中部溫度、碳化塔塔壓、碳化塔出堿溫度等。并以先進控制系統平穩性提高為前提，實現石灰窯自動出灰、自動配料功能，實現石灰窯、碳化塔生產負荷分配、工況平衡等優化控制，并通過實時調節壓縮機的轉速滿足碳化過程對清洗氣、中段氣、下段氣總流量的需求變化。
2.先進控制方案
該項目設計三個APC-Adcon控制器以控制純堿生產過程中的石灰窯、碳化塔和壓縮機裝置，Ⅰ石灰系統控制器，下設石灰工序控制器；Ⅱ碳化系統控制器，下設碳化工序控制器；Ⅲ壓縮系統控制器，下設壓縮工序控制器。它們之間的聯系通過物料平衡、工藝計算等來體現。針對裝置的特殊要求，基于自定義控制器技術為石灰窯、碳化塔和壓縮機裝置制定了特殊的控制和優化策略。先進控制系統控制方案的總體框架如圖2所示。
該企業的純堿生產裝置先進控制系統是在DCS集散控制系統平臺上實施的，先進控制系統軟件運行在此集散控制系統的上位機中。先控上位機以DCS提供的接口軟件作為OPC Server，通過HUB進行數據雙向交換，從而可靠的實現了上位機與DCS的雙向數據通訊。3. 先進控制系統控制器結構
控制結構是被控變量和調節變量關于控制要求的完整描述。APC-Adcon采用的控制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控制器結構如圖3所示。
其中包括：
（1）操作變量的描述
·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�。┲档乃俾�
（2）受控變量（輔助變量）的描述
·約束：最小、最大和速度
·設定值控制：閉環時間響應
·區域設定值控制：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�。┲档乃俾�
（3）容錯控制功能
不同的工作條件及操作模式下控制目標可能不同，各種變量的具體要求也可能不同。當傳感器或執行器失效，控制對象將發生改變。對于這種意外情況，APC-Adcon提供安全的解決方案，包括：改變受控變量和操縱變量集，實時調度控制結構等。4.APC-Adcon運行效果分析
純堿生產過程先進控制系統——石灰窯先進控制系統、碳化塔先進控制系統、壓縮機先進控制系統投運后效果顯著，主要表現在如下幾個方面：
先進控制系統根據設定目標值實時自動調節相關參數，降低了操作人員的勞動強度，并大大減少了人為調節所帶來的干擾；
先進控制系統使各裝置的運行參數趨向平穩，波動范圍減��；
先進控制系統根據并聯生產裝置的運行工況進行生產負荷協調，既充分發揮出各裝置的潛力又平衡了各裝置的工況；
先進控制系統通過平穩裝置的各項運行指標，使石灰石有效分解率、窯氣濃度及碳化轉化率保持在較高的水平。
先進控制系統通過實時調節壓縮機的轉速，滿足碳化工序對清洗氣、中段氣、下段氣的實時需求，降低了勞動強度，平穩了生產。
下面分別說明純堿生產過程三個子系統在先進控制系統運行前和運行后的運行狀況。
（1）石灰窯系統
石灰窯窯底溫度是石灰窯系統的重要控制參數，是反映石灰窯運行狀況的主要指標，下邊是先進控制系統投運前后比較：
石灰窯先進控制系統投運前：
石灰窯先進控制系統投運后：
（2）碳化塔系統
碳化塔的中部溫度、塔底壓力是碳化操作的重要指標，這些參數直接反映出碳化塔的運行是否平穩，轉化率是否達到要求。因此，控制好這些運行指標是優質高產的前提。下面是先進控制系統投運前后的碳化塔塔底壓力的變化情況比較。
制堿塔先進控制系統投運前的塔底壓力：
碳化塔先進控制系統投運后的塔底壓力：
（3）壓縮機系統
壓縮機先進控制系統通過實時調節壓縮機的轉速來實時調整清洗氣、中段氣、下段氣總流量，滿足碳化工序對三段氣各自總流量的需求變化，實現了氣量平衡。下面是先進控制系統投運前后的中段氣變化情況比較。
壓縮機先進控制系統投運前的中段氣流量設定值與實際值：
壓縮機先進控制系統投運后的中段氣流量設定值與實際值：
綜上，在純堿生產過程中的石灰窯、碳化塔、壓縮機裝置上實施先進控制有效的克服了干擾和滯后影響，大大提高了裝置的自動化水平，統一了操作人員的操作方法，降低了操作人員的勞動強度，穩定了裝置工藝參數的平穩性。在保證裝置工況良好的情況下，實現產量最大化，品質最優化。先進控制系統操作簡單，控制效果良好，深受工藝技術人員和操作人員的歡迎。
先進控制是現代大工業生產過程中的最重要的技術之一。采用先進控制，可以解決常規控制中不能解決的各種難題，在一定程度上能滿足人們對生產過程的安全、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。
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