HAPC優(yōu)化控制系統(tǒng)在合成氨裝置上的應(yīng)用

田育奇，李兆崇，崔　敏（杭州和利時(shí)自動(dòng)化有限公司，漸江　杭州　310018）

HAPC優(yōu)化控制系統(tǒng)在合成氨裝置上的應(yīng)用

田育奇，李兆崇，崔敏（杭州和利時(shí)自動(dòng)化有限公司，漸江杭州310018）

1　引言

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，世界各國(guó)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)提出了不同的戰(zhàn)略，比如德國(guó)的工業(yè)4.0，中國(guó)的兩化融合、《中國(guó)制造2025》[1]，這些戰(zhàn)略促使工業(yè)各個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行重大變化。促使流程工業(yè)朝著大型化、高集成度和高效化等方向發(fā)展，要求實(shí)現(xiàn)減少能源消耗，提高生產(chǎn)質(zhì)量。這就導(dǎo)致了生產(chǎn)單元、裝置乃至流程中所涉及的系統(tǒng)、過(guò)程控制對(duì)象，更加復(fù)雜、強(qiáng)耦合和更多約束條件，更多的目標(biāo)優(yōu)化，而且不斷提高對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的安全、高效、優(yōu)質(zhì)、低耗等方面的要求，以追求著更大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，對(duì)控制技術(shù)水平與性能的要求也越來(lái)越高。因此，以單回路PID控制和串級(jí)控制策略為代表的常規(guī)控制策略已面臨著多方面的挑戰(zhàn)，必須采用新的控制策略與技術(shù)來(lái)適應(yīng)復(fù)雜工業(yè)過(guò)程多目標(biāo)優(yōu)化、多層次協(xié)調(diào)和多變量控制等要求。需要先進(jìn)過(guò)程控制APC（Advanced Process Control）和實(shí)時(shí)優(yōu)化RTO（Real-Time Optimization），通過(guò)動(dòng)態(tài)優(yōu)化來(lái)解決復(fù)雜控制的難題，同時(shí)，提供更加優(yōu)化的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行設(shè)定值、優(yōu)化運(yùn)行工況，實(shí)現(xiàn)工廠的利潤(rùn)最大化和成本最小化，已經(jīng)成為自動(dòng)化領(lǐng)域一個(gè)重要的研究課題和新的發(fā)展方向[5]。

在優(yōu)化控制軟件開(kāi)發(fā)上，國(guó)外先進(jìn)控制軟件出現(xiàn)于20世紀(jì)70年代末，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，已經(jīng)形成了一個(gè)強(qiáng)大的流程工業(yè)應(yīng)用軟件產(chǎn)業(yè)。目前，國(guó)外先進(jìn)控制軟件的主流供應(yīng)商及其產(chǎn)品包括：AspenTech公司的DMCplus和Apollo（非線性預(yù)測(cè)控制軟件）、Invensys公司的Connoisseur、Rockwell公司的Process Perfecter（非線性預(yù)測(cè)控制軟件）、Honeywell公司的Profit系列產(chǎn)品以及Yokogawa公司代理的Shell SMOC產(chǎn)品等[6]。

國(guó)內(nèi)先進(jìn)控制軟件的研發(fā)起步晚，始于20世紀(jì)90年代中期，在國(guó)家科技攻關(guān)項(xiàng)目的支持下，清華大學(xué)、浙江大學(xué)、上海交通大學(xué)、石油大學(xué)（北京）、中國(guó)科技大學(xué)、北京化工大學(xué)等高校的科研團(tuán)隊(duì)分別針對(duì)煉油、石化和化工等行業(yè)的具體生產(chǎn)裝置研發(fā)了專用先進(jìn)控制軟件并取得了成功應(yīng)用[4]。國(guó)內(nèi)的許多自動(dòng)化企業(yè)也研究和開(kāi)發(fā)了一系列的優(yōu)化控制軟件包，經(jīng)過(guò)20多年的飛速發(fā)展，已迎頭趕上，與國(guó)外的先進(jìn)控制軟件差距越來(lái)越小，甚至一些團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的先進(jìn)控制軟件的性能已經(jīng)達(dá)到世界先進(jìn)水平。例如，和利時(shí)集團(tuán)開(kāi)發(fā)的HOLLiAS-APC Suit軟件包[7]已成功應(yīng)用于化工，電力、水泥等行業(yè)，為客戶提高了裝置運(yùn)行效率，減少了能源消耗，提高了產(chǎn)品品質(zhì)。

在化工領(lǐng)域，氨是重要的無(wú)機(jī)化工產(chǎn)品之一，它可以應(yīng)用于軍事、農(nóng)業(yè)等很多領(lǐng)域，尤其是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，氨是生產(chǎn)尿素等化肥的主要原料，因此氨的工業(yè)生產(chǎn)，也是決定一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一個(gè)重要因素。合成氨工藝裝置是一種典型的化工裝置，具有復(fù)雜過(guò)程工業(yè)所具備的一切特點(diǎn)[2]。而且在實(shí)際生產(chǎn)中，許多采用單純的PID控制回路無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象良好的控制，這是導(dǎo)致能源及原料消耗大、氨的純度低等現(xiàn)象的重要原因。

而接下來(lái)，將介紹和利時(shí)開(kāi)發(fā)的HOLLiAS-APC Suit優(yōu)化控制軟件包用于合成氨部分重點(diǎn)控制回路的優(yōu)化方案。

2　合成氨工藝說(shuō)明

這里的合成氨工藝裝置[3]是國(guó)內(nèi)某廠的實(shí)際生產(chǎn)工藝流程，主要原料是天然氣，然后通過(guò)壓縮、脫硫、一段轉(zhuǎn)化、二段轉(zhuǎn)化、高低溫變換、脫碳、甲烷化、壓縮、合成等工序，得到氨，其主要流程如圖1所示。

圖1　合成氨工藝流程圖

合成氨的純度受反應(yīng)爐溫度、合成氣比例、催化劑等因素的影響。在其他因素穩(wěn)定的條件下，保持反應(yīng)爐溫度在一定范圍內(nèi)（430℃～450℃），可獲得滿意的氨純度。開(kāi)工加熱爐（R1801）的溫度受氨氣、氮?dú)饣旌蠚怏w溫度、合成氨反應(yīng)程度的影響。開(kāi)始反應(yīng)時(shí)，需要提高加熱爐的床入溫度，以促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行。氨合成是放熱反應(yīng)，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，需要降低床入溫度以保持加熱爐溫度在合理區(qū)間。進(jìn)入開(kāi)工加熱爐的氨氮混合氣體分為三個(gè)支路：兩路頂部進(jìn)氣和一路底部進(jìn)氣。頂部的床入溫度調(diào)節(jié)閥（TV_1814）通過(guò)壓縮機(jī)的作用調(diào)節(jié)合成氣體的溫度， 閥門開(kāi)度越小，進(jìn)入開(kāi)工加熱爐的合成氣溫度越高。底部進(jìn)口合成氣手動(dòng)調(diào)節(jié)閥（HV_1802）開(kāi)度越大，進(jìn)入開(kāi)工加熱爐的合成氣溫度越高。頂部進(jìn)口合成氣手動(dòng)調(diào)節(jié)閥（HV_1803）開(kāi)度越小，進(jìn)入開(kāi)工加熱爐的合成氣溫度越高。其裝置圖如圖2所示。

圖2　合成氨開(kāi)工加熱爐控制對(duì)象說(shuō)明

3　和利時(shí)HOLLiAS-APC Suit優(yōu)化控制軟件介紹

和利時(shí)（HollySys）始創(chuàng)于1993年，是中國(guó)領(lǐng)先的自動(dòng)化與信息技術(shù)解決方案提供商。經(jīng)過(guò)這20多年的發(fā)展，在自動(dòng)化領(lǐng)域積累了深厚的技術(shù)基礎(chǔ)與豐富的現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)。而隨著國(guó)家工業(yè)控制軟件國(guó)產(chǎn)化戰(zhàn)略的提出，和利時(shí)公司開(kāi)發(fā)了一系列適合于過(guò)程自動(dòng)化等領(lǐng)域的工業(yè)控制產(chǎn)品軟件，并擁有實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的豐富經(jīng)驗(yàn)，提高了公司業(yè)務(wù)在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占有率，而且已將業(yè)務(wù)拓展至國(guó)外，公司產(chǎn)值在逐漸增加。和利時(shí)基于現(xiàn)場(chǎng)豐富的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)以及實(shí)際需求，增加和利時(shí)工控軟件的附加值及服務(wù)，以及打破國(guó)外產(chǎn)品的壟斷，替代進(jìn)口，開(kāi)發(fā)了具有自主產(chǎn)權(quán)的優(yōu)化控制系統(tǒng)軟件包HOLLiAS-APC Suit。圖3所示是和利時(shí)優(yōu)化控制軟件包中HAPC軟件的運(yùn)行架構(gòu)。

圖3　HAPC優(yōu)化控制系統(tǒng)架構(gòu)

和利時(shí)HOLLiAS-APC Suit優(yōu)化控制系統(tǒng)軟件包由HOLLiASSAP數(shù)據(jù)采集軟件、HOLLiAS-SysID模型辨識(shí)軟件、HOLLiASAPC軟件三部分組成。

3.1HOLLiAS-SAP數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集軟件主要實(shí)現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中的實(shí)際數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的功能，采集的數(shù)據(jù)供后面系統(tǒng)辨識(shí)使用。其主要特點(diǎn)有：

（1）采用了工業(yè)中標(biāo)準(zhǔn)的OPC通訊協(xié)議技術(shù)，可以用于任何支持OPC通訊接口的自動(dòng)化產(chǎn)品；

（2）能夠采集任意對(duì)象任意時(shí)刻的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；

（3）添加了激勵(lì)功能，能夠根據(jù)需求進(jìn)行擾動(dòng)激勵(lì)，獲取有效數(shù)據(jù)；

（4）能夠隨意啟停保存數(shù)據(jù)。

3.2HOLLiAS-SysID模型辨識(shí)

系統(tǒng)辨識(shí)軟件主要實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集的過(guò)程對(duì)象輸入輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列的數(shù)學(xué)運(yùn)算與處理，獲取能夠反映被控對(duì)象輸入輸出對(duì)應(yīng)關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，并保存為相應(yīng)的模型文件，供后續(xù)的分析和控制所用。其主要特點(diǎn)有：

（1）采用了現(xiàn)代控制理論狀態(tài)模型結(jié)構(gòu)；

（2）可以進(jìn)行任意輸入輸出模型之間的模型辨識(shí)；

（3）可以進(jìn)行多輸入、多輸出模型的辨識(shí)；

（4）添加了辨識(shí)模型驗(yàn)證功能，可以對(duì)辨識(shí)模型進(jìn)行有效的判斷；

（5）可以進(jìn)行多組辨識(shí)結(jié)果模型對(duì)比，選擇其最優(yōu)模型；

（6）添加了模型任意輸入、任意輸出模型組合。

3.3HOLLiAS-APC優(yōu)化控制

優(yōu)化控制軟件是面向工業(yè)過(guò)程的先進(jìn)控制軟件，能夠處理工業(yè)過(guò)程中多變量、強(qiáng)耦合、大時(shí)滯、帶約束等復(fù)雜的過(guò)程控制問(wèn)題。其主要特點(diǎn)：

（1）基于多變量預(yù)測(cè)控制技術(shù)，可以進(jìn)行多變量、強(qiáng)耦合、大時(shí)滯、帶約束的復(fù)雜生產(chǎn)過(guò)程的平穩(wěn)控制和動(dòng)態(tài)優(yōu)化；

（2）靈活的功能組態(tài)：有方案組態(tài)、MPC控制器組組態(tài)、MPC控制器組態(tài)、模糊控制器組態(tài)，實(shí)現(xiàn)了不同工況、不同需求的控制器實(shí)時(shí)無(wú)擾動(dòng)切換；

（3）控制器組態(tài)時(shí)，建立了擾動(dòng)模型，克服強(qiáng)烈干擾；

（4）多種控制器模塊：根據(jù)實(shí)際需求，可以采用不同的控制器模塊進(jìn)行優(yōu)化控制；

（5）分段控制功能：可以根據(jù)被控對(duì)象，在不同階段、不同特性條件下，創(chuàng)建不同的控制器，用于優(yōu)化控制；

（6）邏輯控制：適用于應(yīng)對(duì)條件變化問(wèn)題；

（7）死區(qū)機(jī)制：允許被控量存在誤差；

（8）動(dòng)態(tài)限幅機(jī)制：動(dòng)態(tài)限制控制量輸出值。

4　開(kāi)工加熱爐床入溫度對(duì)象APC優(yōu)化控制

4.1床入溫度APC控制方案

分析開(kāi)工加熱爐工藝特征，制定了開(kāi)工加熱爐的床入溫度控制方案。床入溫度控制回路如圖4所示。

圖4　床入溫度控制方案圖

根據(jù)其控制方案，可以看出這是一個(gè)雙輸入單輸出的被控對(duì)象，而且還有一個(gè)擾動(dòng)對(duì)象。

4.2APC控制組態(tài)

該控制器方案的采用，是在床入溫度的控制范圍比較小時(shí)，其控制方案中被控對(duì)象、控制量、擾動(dòng)量參數(shù)說(shuō)明如表1所示。

表1　床入溫度APC控制方案中被控對(duì)象、控制量、擾動(dòng)量參數(shù)說(shuō)明

根據(jù)其被控量對(duì)象、控制量對(duì)象、擾動(dòng)量對(duì)象，進(jìn)行APC優(yōu)化控制方案的組態(tài)。其APC控制器組態(tài)界面如圖5所示，其被控量及控制量參數(shù)設(shè)置如表2所示。

圖5　床入溫度MPC控制器參數(shù)界面圖

表2　HAPC中床入溫度APC控制器參數(shù)設(shè)置列表

在HAPC優(yōu)化軟件上組態(tài)好控制方案后，則要在DCS系統(tǒng)中進(jìn)行APC控制切換界面組態(tài)及APC優(yōu)化控制與常規(guī)PID控制方案的投運(yùn)切換邏輯組態(tài)。圖6所示為DCS系統(tǒng)中組態(tài)的APC優(yōu)化控制投運(yùn)界面。

圖6　DCS系統(tǒng)中APC優(yōu)化控制投運(yùn)界面

在DCS系統(tǒng)中組態(tài)好APC優(yōu)化控制切換組態(tài)畫面及切換邏輯，根據(jù)APC優(yōu)化控制軟件運(yùn)行架構(gòu)安裝OPC通訊服務(wù)器，進(jìn)行通訊點(diǎn)配置后，運(yùn)行整個(gè)優(yōu)化控制系統(tǒng)，在DCS系統(tǒng)中投運(yùn)APC控制。

4.3HAPC投運(yùn)效果

投運(yùn)APC控制系統(tǒng)后，DCS系統(tǒng)開(kāi)始采用HAPC控制系統(tǒng)進(jìn)行被控量的控制，其控制結(jié)果如圖7所示。

圖7　氨合成塔床入溫度APC控制曲線

5　結(jié)語(yǔ)

本文主要是將和利時(shí)開(kāi)發(fā)的HOLLiAS-APC Suit優(yōu)化控制系統(tǒng)軟件包用于合成氨工藝中開(kāi)工加熱爐床入溫度的優(yōu)化控制。通過(guò)分析合開(kāi)工加熱爐裝置的運(yùn)行原理，確定對(duì)床入溫度對(duì)象有影響的控制量，以及擾動(dòng)量，確定APC優(yōu)化控制方案。然后通過(guò)數(shù)據(jù)采集、模型辨識(shí)階段，獲取數(shù)學(xué)模型，利用HOLLiAS-APC優(yōu)化控制軟件創(chuàng)建控制方案及多變量預(yù)測(cè)模型控制器，然后投運(yùn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)床入溫度的多輸入單輸出控制，以及對(duì)床入溫度有影響的擾動(dòng)對(duì)象的控制。投運(yùn)HAPC優(yōu)化控制系統(tǒng)后，其控制效果明顯。

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Application of HOLLiAS-APC Optimization Control System in the Synthetic Ammonia Process Device

本文主要是基于合成氨工藝裝置，實(shí)現(xiàn)HAPC優(yōu)化控制系統(tǒng)的應(yīng)用。合成氨工藝是化工領(lǐng)域比較典型的工藝裝置，但實(shí)際中有些控制回路采用傳統(tǒng)的PID控制器及簡(jiǎn)單控制方案難以實(shí)現(xiàn)所要求的控制目標(biāo)?；诤屠麜r(shí)在自動(dòng)化領(lǐng)域20多年的技術(shù)積累及工程經(jīng)驗(yàn)開(kāi)發(fā)的HOLLiAS APC Suit優(yōu)化控制軟件包來(lái)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的優(yōu)化控制，將HOLLiAS APC Suit軟件包用于該裝置的一些重要控制回路，對(duì)于提高控制品質(zhì)，減少能源消耗、提高企業(yè)效益，有著重要的意義。

HOLLiAS APC Suit；合成氨工藝；模型預(yù)測(cè)控制

This paper applies the HOLLiAS-APC Optimization Control System to the synthetic ammonia device to achieve the control objectives during the process, which is a typical chemical engineering unit. Required objectives are difficult to be realized using some control circuits, built up with traditional PID controllers and simple control schemes. In order to make up the disadvantage of traditional control, Hollysys developed the HOLLiAS-APC Suit optimization control software based on over 20 years’ accumulation and engineeringexperience in Industrial automatic, and it provides the possibility for some important control loops in the synthetic ammonia process device to improve control quality, reduce energy consumption, and to improve the enterprise benefit.

HOLLiAS APC Suit; Synthetic ammonia process; Model predictive control

B

1003-0492(2016)11-0092-04

TP273+.1

田育奇（1989-），男，甘肅武威人，工程師，碩士，現(xiàn)就職于杭州和利時(shí)自動(dòng)化有限公司，主要研究方向?yàn)閮?yōu)化控制以及PID控制器參數(shù)整定。

李兆崇（1981-），男，河南平頂山人，工程師，本科，現(xiàn)就職于杭州和利時(shí)自動(dòng)化有限公司主要研究方向?yàn)閮?yōu)化控制與仿真模擬。

崔敏（1986-） ，男，山西臨汾人，工程師，碩士，現(xiàn)就職于杭州和利時(shí)自動(dòng)化有限公司，主要研究方向?yàn)閮?yōu)化控制與仿真模擬。