清大騰飛的先進控制與實時優化技術

　　在目前常規的裝置控制和操作方式中，存在兩個主要問題。一是常規的PID控制通常對工藝設備和生產過程的各種參數（如溫度、壓力、流量、液位等）分別加以控制，割裂了這些量之間存在的本質內在關聯，無法將相關的多個變量統籌考慮、協調控制，影響了裝置運行的平穩性。二是生產方案中規定的操作條件和操作員的實際操作過程均無法適應原料、市場和操作環境的頻繁變化，無法保持裝置始終處于高效的生產狀態。

先進控制和實時優化技術正是為解決這兩個問題而提出的，并一直為流程工業學術界和企業界所廣泛關注。上世紀九十年代以來，先進控制和實時優化技術的迅速發展已逐漸成熟并廣泛應用于國外先進的煉油化工裝置上，成為其提升效益的重要手段。Chemshare公司的研究表明，實現先進控制與實時優化所獲取的經濟效益是應用DCS的5倍。西方國家重點石化生產裝置的先進控制系統覆蓋率已經超過了90%。我國隨著煉化工業工藝技術的發展，裝備水平的提升，也已基本具備了廣泛推廣先進控制和實時優化技術的基礎。

北京清大騰飛科技有限公司一直致力于流程工業先進控制和在線優化的研究開發工作，取得了一批有自主版權的成果，例如通用多變量魯棒預測控制軟件、實時優化軟件、實時數據平臺等商品化軟件產品，并已進行現場應用，取得成功。

清大騰飛的先進控制技術突破了常規的單參數PID控制模式，注重裝置的整體控制，即以整個裝置為對象，把主要被控對象和控制量全部納入控制系統，因而具有良好的跟蹤性能，整體控制既保證了整個裝置的穩定運行，又達到卡邊生產的目標。清大騰飛的反應深度實時優化技術則可準確及時控制反應深度，可及時確定當前反應產物中各產物產率和優化目標值，而且尋優周期短，可適應動態變化過程和原料性質頻繁變化。

實現生產裝置的先進控制和實時優化，面臨著相當復雜的情況，需要解決的問題很多。概括起來，主要是過程數據及其歷史值的實時獲取與處理、故障檢測、不可測變量的在線實時計算、先進控制(目前得到成功應用的主要是模型預估控制技術)和裝置優化。通常要在一套分布式計算機分級系統(DCS及其上位機)上實現。這些子系統可分以下四個層次：

基礎層：常規PID控制系統；

觀測計算層：提供先進控制與實時優化所需的重要不可測變量的計算值；

控制層：主要目標是平穩控制、約束控制與實時協調；

優化層：反應深度的實時優化，也是生產裝置與生產調度(更上一級)的接口，它要根據生產調度要求，對整個生產裝置進行協調；吸收穩定約束優化，提高有價值產品的收率。

分層控制系統的特點是下一層運行正常后，上一層控制才能投入運行，對于先進控制與實時優化系統來說，PID控制是基礎級，即只有在所需PID控制投入閉環控制時，先進控制與實時優化系統的控制器才能運行，發揮其控制與優化作用。先進控制與實時優化系統對生產過程的調整作用是通過改變常規PID控制器的給定值來實現。為此，不僅要求所用PID控制閉環運行，還要求PID處于遠程給定(或串級CAS)狀態。這樣做的目的是保證安全，即當PID可正常投入閉環控制運行時，說明生產過程運行正常，可投運先進控制。先進控制投運后，一旦出現問題，可迅速切換為常規控制。無論投入或退出先進控制，先進控制與實時優化系統與PID常規控制之間均是無擾切換(切換時常規控制調節閥開度保持不變)。

觀測計算提供先進控制與實時優化所需的重要不可測變量的計算值，是先進控制與實時優化的基礎，只有觀測計算正常運行后，先進控制才能運行。

反應深度尋優與全裝置協調，是通過改變先進控制器中被控變量的給定值或給出操作變量的目標值而實現的；同時要求先進控制器將生產過程平穩地控制在優化目標值，因此只有在先進控制器運行正常后，優化層才能運行。

清大騰飛在近年來為中國石油提供的先進控制和優化服務中，取得了豐碩的成果。

在大連350萬噸/年重油催化裂化裝置實施了先進控制與實時優化后，提高了自控投用率，實現生產自動化；改善了PID控制效果；每15秒給出一次餾出口產品質量指標，解決原有采樣化驗方式只能4－8小時才能給出一個化驗值、并且有約兩三個小時滯后的狀況；每10秒給出反應熱、劑油比、回煉比等值，便于指導操作；提高總液收0.78%，并且可根據生產要求在線設定目標產品的類型；直接經濟效益達2295萬元/年。

在遼陽石化45萬噸/年重整裝置上實施了先進控制與實時優化系統后，芳烴收率收提高0.715%；改善了裝置的穩定性，延長催化劑的壽命；反應器重整溫度波動小于3℃；每噸進料節約燃料氣15.3公斤；通過裝置標定計算，系統綜合經濟效益達1050萬元/年。

支撐清大騰飛取得這些成果的是清大騰飛在人才、技術和服務策略上的優勢。這里匯集了由數十名博士、碩士組成的專業化工程實施隊伍，并得到清華大學、石油大學、天津大學、華東理工大學等多所大學知名教授組成專家隊伍的支持。

清大騰飛擁有控制和優化技術專利，首推的反應深度實時優化技術可應用于各種石化裝置的反應器部分，可以顯著提高反應器的目標產品收率，直接獲得可測量的經濟效益。同時，清大騰飛推薦使用的基于狀態反饋的先進控制器也具有工況適應范圍廣，模型調整方便，無需進行階越測試的特點，在提高控制效果的同時，還避免了階越測試等帶來的隱含的安全問題和實施成本。

領先服務策略是清大騰飛充分發揮其人才、技術和經驗優勢的保證。清大騰飛在長達半年的項目實施過程中，整個項目組始終堅持駐扎現場，與一線工人同步工作。始終駐扎現場的實施保證了能隨時發現并解決裝置中存在的問題，發掘操控過程中存在的增效點，還能提高一線工人對先進控制和優化系統的認知和認可程度。清大騰飛注重基礎控制問題的解決，應用各種非常規控制手段解決基礎控制問題，為先進控制打下了良好的基礎。清大騰飛考慮到先進控制和優化技術的復雜性和國內操作工目前的技術水平，為此類項目提供長期的售后服務，隨時跟蹤現場條件和裝置的變化，保證系統的長期投用。

在強調科技就是第一生產力，全社會都在提倡科學發展觀的今天，實現先進控制和實時優化無疑將成為中國石化行業提升操控水平和創效能力的重要手段。