石油化工过程控制与优化

1、理工大学理工大学石油化工过程控制与优化石油化工过程控制与优化 主要内容主要内容一、过程控制与优化的作用一、过程控制与优化的作用二、过程控制与优化的现状二、过程控制与优化的现状 APC与与RTO广泛应用广泛应用三、工程应用中过程控制的新方向三、工程应用中过程控制的新方向l过程监控：过程监控：DCS/PCS/APC/RTO/MES全系统集成监控全系统集成监控l自适应控制器：自适应控制器：克服传统概念对模型精确性要求克服传统概念对模型精确性要求四、过程控制与优化的案例分析四、过程控制与优化的案例分析一、过程控制与优化的作用一、过程控制与优化的作用国家发展战略需求国家发展战略需求中国国民经济和社会发展

2、第十一个五年规划纲要中国国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要装备制造业振兴装备制造业振兴的重点：的重点：“推进百万吨级大型乙烯推进百万吨级大型乙烯成套设备成套设备和对二甲苯、对苯二甲酸和对二甲苯、对苯二甲酸成套设备成套设备国产化。国产化。”（自动化技术非常重要）（自动化技术非常重要）国家中长期科学和技术发展规划纲要国家中长期科学和技术发展规划纲要将将“流程工业的绿色化、自流程工业的绿色化、自动化及装备动化及装备”列为优先发展主题，重点研究开发列为优先发展主题，重点研究开发“基于生态工业概念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、智能化检测控制的系统集成和自动化技术，流程

3、工业需要的传感器、智能化检测控制技术、装备和调控系统技术、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国务院关于加快振兴装备制造业的若干意见指出，在指出，在“发展重大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。实现重点突破。用自动化技术提高流程工业自主创新能力用自动化技术提高流程工业自主创新能力石油和化学工业发展需求石油和化学工业发展需求n国民经济的支柱产业国民经济的支柱产业 n2005年石油和

4、化学工业总产值达到年石油和化学工业总产值达到33762亿元，占国亿元，占国民生产总值（民生产总值（182321亿元）的亿元）的18.5% n石油和化学工业既是产能大户又是耗能大户石油和化学工业既是产能大户又是耗能大户 n2005年我国年我国石油化工行业总能耗石油化工行业总能耗3.048亿吨标准煤，亿吨标准煤，占全国总能耗的占全国总能耗的15%n万元万元GDP能耗能耗是是0.903吨标准煤，比国外同行业平均吨标准煤，比国外同行业平均水平水平高高15%20% n污水排放，全行业达污水排放，全行业达32.3亿吨，废气亿吨，废气1.4274万亿立方万亿立方米，固体废弃物米，固体废弃物8406万吨万吨

5、应用过程控制与优化技术实现节能减排应用过程控制与优化技术实现节能减排过程控制与优化如何实现节能降耗过程控制与优化如何实现节能降耗1.运行过程优化操作运行过程优化操作n过程控制过程控制n目的：克服扰动，保证操作安全性和平稳性目的：克服扰动，保证操作安全性和平稳性n手段：先进控制器（控制方法、算法）设计手段：先进控制器（控制方法、算法）设计n过程优化过程优化n目的：确定最优操作条件，增产、节能、降耗、减排目的：确定最优操作条件，增产、节能、降耗、减排n手段：生产装置、过程、流程的模拟和优化运行手段：生产装置、过程、流程的模拟和优化运行n用能过程监控用能过程监控n优化生产操作条件，确保过程用能始终保

6、持在高效工况优化生产操作条件，确保过程用能始终保持在高效工况下运行下运行过程控制与优化如何实现节能降耗过程控制与优化如何实现节能降耗2. 过程用能组合优化过程用能组合优化n夹点技术提升和设计换热网络夹点技术提升和设计换热网络n对工厂换热网络运行进行优化操作，可节省操作费对工厂换热网络运行进行优化操作，可节省操作费2050，投资回收期一年左右；，投资回收期一年左右；n对新建工厂换热设备进行优化设计，比传统方法可节省对新建工厂换热设备进行优化设计，比传统方法可节省投资投资1020，操作费节省，操作费节省3050。nExergy分析方法分析方法n注重能量的质量高低或有效能的大小注重能量的质量高低或有

7、效能的大小n工艺装置能量优化、工艺装置及与其它单元之间的热联工艺装置能量优化、工艺装置及与其它单元之间的热联合、全厂低温热优化利用以及蒸汽动力系统综合优化合、全厂低温热优化利用以及蒸汽动力系统综合优化 n应用于实际工业装置的优化设计和节能改造中，可取得应用于实际工业装置的优化设计和节能改造中，可取得极大的经济效益与社会效益。极大的经济效益与社会效益。先进控制和优化应用的效益先进控制和优化应用的效益Aspen公司公司 数据表明：数据表明： 实施实施APC取得的效益中，降低能耗占取得的效益中，降低能耗占10，产品质产品质量提高占量提高占10%，提高装置生产平稳与安全性占提高装置生产平稳与安全性占1

8、5，提高回收率占提高回收率占15，提高加工能力占提高加工能力占30。nChemshare公司数据表明：公司数据表明： 用用DCS改造常规仪表获得改造常规仪表获得10的效益，在的效益，在DCS上实上实现现APC获得获得40的效益，在的效益，在APC上实现上实现RTO获得获得40的效益。的效益。nFoxboro公司数据表明：公司数据表明： 效益比：效益比：DCS为为 1 : ARC为为 3 : APC为为 5 : RTO 为为 9。 过程控制与优化技术面临的挑战过程控制与优化技术面临的挑战n市场、技术、政策导向等的变化不断给流程模拟、先市场、技术、政策导向等的变化不断给流程模拟、先进控制和过程优化

9、技术提出了新的要求和挑战进控制和过程优化技术提出了新的要求和挑战l严格的环保指标和成本控制要求，多目标、变约束严格的环保指标和成本控制要求，多目标、变约束的优化与控制任务等，的优化与控制任务等，目前已有的流程模拟、先进目前已有的流程模拟、先进控制和过程优化技术尚不能完全胜任，需要进一步控制和过程优化技术尚不能完全胜任，需要进一步加强创新研究加强创新研究 n过程模型化技术和水平还远不能满足我国石化行业发过程模型化技术和水平还远不能满足我国石化行业发展的需要展的需要l关键石化技术国际供应商在模型上对我国实行技术关键石化技术国际供应商在模型上对我国实行技术封锁，封锁，需要自主地进行流程的设计、优化和

10、提升需要自主地进行流程的设计、优化和提升先进控制与优化技术面临的挑战先进控制与优化技术面临的挑战n过程模型和优化技术的创新与进步过程模型和优化技术的创新与进步n模型的准确性和效率、在线模型参数调整、测量模型的准确性和效率、在线模型参数调整、测量仪表故障补偿、系统扰动克服、系统框架优化设仪表故障补偿、系统扰动克服、系统框架优化设计、系统长期维护困难等计、系统长期维护困难等是造成现有技术在工业是造成现有技术在工业装置上长期有效运行不理想的主要原因；装置上长期有效运行不理想的主要原因；n过程模型化技术和优化技术特别是过程模型化技术和优化技术特别是在线模型校正在线模型校正与优化技术与优化技术等关键技术

11、的创新对流程模拟、先进等关键技术的创新对流程模拟、先进控制和过程优化至关重要；控制和过程优化至关重要；二、过程控制与优化的现状二、过程控制与优化的现状 过程控制发展的回顾过程控制发展的回顾l先进的控制工具，先进的控制工具， DCS、现场总线控制系统的出现与完善；、现场总线控制系统的出现与完善；l现代控制理论的不断发展与提高。如预测控制、自适应控制、非线现代控制理论的不断发展与提高。如预测控制、自适应控制、非线性控制、鲁棒控制以及智能控制等控制策略与方法仍然为目前国内性控制、鲁棒控制以及智能控制等控制策略与方法仍然为目前国内外学术界与工程界的热点研究课题。外学术界与工程界的热点研究课题。阶段阶段

12、一一（年代（年代70以前）以前）二二（7080年代）年代）三三（90年代）年代）控制理论控制理论经典控制理论经典控制理论现代控制理论现代控制理论控制论、信息论、系控制论、信息论、系统论、人工智能等学统论、人工智能等学科交叉科交叉控制工具控制工具常规仪表常规仪表（气动、液动、电动）（气动、液动、电动）分布式控制计算机分布式控制计算机（DCS）计算机网络、现场总计算机网络、现场总线系统与智能仪表线系统与智能仪表控制要求控制要求安全、平稳安全、平稳优质、高产、低消耗优质、高产、低消耗市场预测、快速响应、市场预测、快速响应、柔性生产、创新管理柔性生产、创新管理控制水平控制水平简单控制系统简单控制系统先

13、进控制系统先进控制系统综合自动化（综合自动化（CIPS）随着工业过程日益朝着集成化、大型化方向发展，系随着工业过程日益朝着集成化、大型化方向发展，系统的复杂性不断增加，表现为控制目标多元化，变量统的复杂性不断增加，表现为控制目标多元化，变量数目增多且相关性增强以及存在多种约束。数目增多且相关性增强以及存在多种约束。Control + Optimization + Monitoring = Profits先进控制先进控制优化优化/在线优化在线优化过程监控过程监控Operators工程界形成共识：工程界形成共识：n先进控制先进控制 确保操作运行在局部约束条件边界上确保操作运行在局部约束条件边界上

14、n优化优化 / /在线优化在线优化 追求效益最大化目标追求效益最大化目标n过程监控过程监控 改进、提高运行效率改进、提高运行效率APC、RTO、PMC 的作用的作用Planning、RTO、APC 的作用的作用原材料信息获取原材料信息获取/生产计划优化生产计划优化Raw Material Acquisition / Run Plan Optimizationn采用采用简化模型简化模型，仅考虑主要约束条件，仅考虑主要约束条件n优化优化全厂全厂装置装置n优化优化预期进料、操作条件和价格预期进料、操作条件和价格n以效益最大化为驱动目标，实现以效益最大化为驱动目标，实现经济定价经济定价n生产计划生产计

15、划每月每月/每周每周平均计划平均计划操作条件实时优化操作条件实时优化Current - Real Time - Operations Optimizationn详细的工程模型详细的工程模型，准确预测所有约束，准确预测所有约束n进行各个装置的进行各个装置的单元优化单元优化，非全厂规模，非全厂规模n基于基于当前生产当前生产操作条件与价格进行优化操作条件与价格进行优化n优化目标值能够优化目标值能够自动执行自动执行先进控制应用先进控制应用Advanced Control Applicationsn通过装置测试通过装置测试获取线性动态模型获取线性动态模型n应用范围小于应用范围小于RTO（单一指标、控制回

16、路等）（单一指标、控制回路等）n进行进行动态约束控制动态约束控制n各约束条件各约束条件预先定义的、区分优先级别预先定义的、区分优先级别计划优化系统计划优化系统（PIMS）在线优化在线优化（RTO）先进控制先进控制（APC）每月每月/周周小时小时分钟分钟调度约束、调度约束、价格等价格等计划、调度计划、调度的过程变量的过程变量过程约束过程约束优化目标优化目标APC/RTO 实现过程实现过程T-151F -2101F -2150T101SS4PA1PA2PA3PA4SS3OVERFLASHSS2SS1StmF-101F-170GOACRUDECRUDECRUDECRUDECRUDEASSAYBLEN

17、DT2101F 2 1 0 1F 2 1 5 0LVGOHVGOFCCUOVEREAHDLIGHT ENDSLVNHFHFHFATFGOCFOBLENDINGHCCOLCCOHCNLCCOASPHALTLCCOSLURRYHCNTOPWF优化优化工程师工程师先控先控工程师工程师RTO 模型模型 及其在线应用及其在线应用APC应用应用FC101RTO 系统平台系统平台DCS界面界面系统工程师系统工程师分析工程师分析工程师 进料进料/产品分析产品分析实验室实验室计划调度计划调度人员人员 价格价格 驱动力驱动力 限制约束限制约束离线学习离线学习目标函数、定价、逻辑目标函数、定价、逻辑终端用户终端用户

18、操作工程师操作工程师计划计划调度调度实时优化实时优化(RTO) 先进控制先进控制 （APC）常规控制回路常规控制回路DCS 仪表仪表经济变量经济变量各工艺模型各工艺模型咨询系统咨询系统离线优化离线优化过程控制与优化的位置过程控制与优化的位置动态模拟动态模拟先进控制应用先进控制应用/RTO 人机界面人机界面月月/周周周周/天天小时小时分钟分钟秒秒先进控制技术先进控制技术（APC）目标：目标：n 处理多变量的约束控制处理多变量的约束控制n 提供单元的局部约束优化与动态控制提供单元的局部约束优化与动态控制主要特点：主要特点：n 基于装置测试数据的过程动态模型（非机理、基于经验）基于装置测试数据的过程

19、动态模型（非机理、基于经验）n 应包括装置单元的所有主要约束条件应包括装置单元的所有主要约束条件n 其包含优化是指实现操作目标（推向边界条件），或包含简其包含优化是指实现操作目标（推向边界条件），或包含简 单的经济指标单的经济指标n 实现实现DCS层面上控制回路设定值的自动改变层面上控制回路设定值的自动改变技术创新：技术创新：n 多变量测试与辨识技术多变量测试与辨识技术应用举例应用举例PTA溶剂脱水塔的溶剂脱水塔的APC应用：应用：溶剂脱水塔先进控制系统溶剂脱水塔先进控制系统基于关键组分的多变量预测控制系统方案设计基于关键组分的多变量预测控制系统方案设计V（蒸汽流量设定值蒸汽流量设定值 ）先先

20、进进控控制制器器XD（塔底（塔底H2O含量含量 ）XB（塔顶（塔顶HAC含量含量 ）DP（全塔压差）（全塔压差）L（回流量设定值（回流量设定值 ）T（塔底温度回路设定值（塔底温度回路设定值 ）GC扰动（反应器抽出水）或扰动（反应器抽出水）或 （ PX进料量进料量+回流温度）回流温度） FV1（蒸汽流量阀位）（蒸汽流量阀位）FV2（回流量阀位）（回流量阀位）目标：目标：稳定塔釜组成稳定塔釜组成DI1702（釜水）（釜水）降低塔顶酸耗和能耗降低塔顶酸耗和能耗应用举例应用举例MV测试（多变量）：测试（多变量）：应用举例应用举例阶跃响应模型：阶跃响应模型：应用举例应用举例MPC投运后的投运后的CV曲线

21、：曲线：APC应用现状应用现状1、建立了标准化的、建立了标准化的APC工程实施方案与步骤；工程实施方案与步骤；2、从复杂实际工程应用中寻找问题根源，逐步完善现有、从复杂实际工程应用中寻找问题根源，逐步完善现有APC技术（如闭环辨识技术）；技术（如闭环辨识技术）；3、对数据分析、过程机理的综合应用逐步加强、对数据分析、过程机理的综合应用逐步加强n 实时数据分析（模式识别方法）实时数据分析（模式识别方法） 如，常减压装置原料频繁切换问题；如，常减压装置原料频繁切换问题；n 与基于严格机理的模型相结合与基于严格机理的模型相结合 如，关键指标预估如，关键指标预估在线优化技术（在线优化技术（RTO）目标

22、：目标：n 自动、实时完成最优目标值自动、实时完成最优目标值n 最大化经济效益（一个或多个装置）最大化经济效益（一个或多个装置）主要特点：主要特点：n 非线性模型基于工艺机理模型非线性模型基于工艺机理模型n 根据装置运行数据自动实现模型的在线修正根据装置运行数据自动实现模型的在线修正n 基于经济定价的优化基于经济定价的优化n 基于装置运行信息反馈的优化基于装置运行信息反馈的优化n 最优目标的自动、闭环实现最优目标的自动、闭环实现n 针对当前约束条件下效益最高的装置单元针对当前约束条件下效益最高的装置单元RTO 优化目标优化目标nRTO的目标：的目标：在保证产品要求和过程变量满足最小在保证产品要

23、求和过程变量满足最小/最大约束最大约束的前提下最大化当前的操作利润的前提下最大化当前的操作利润n最大化利润最大化利润 = n产品要求产品要求（炼油为例）（炼油为例）n塔顶轻组分质量指标塔顶轻组分质量指标n侧线采出组分质量指标侧线采出组分质量指标n塔底重组分质量指标塔底重组分质量指标n最小最小/最大约束条件最大约束条件n先进控制器（先进控制器（MPCMPC）的主要约束条件）的主要约束条件 RTO 如何提升操作性能如何提升操作性能精馏塔控制示例精馏塔控制示例漏液线漏液线溢流液泛线溢流液泛线塔压设计约束塔压设计约束再沸器约束再沸器约束冷凝器约束冷凝器约束进料进料塔压塔压 实时优化过程实时优化过程n稳

24、态模型实现在线运行，从总体效益上进行优化稳态模型实现在线运行，从总体效益上进行优化n利用利用 APC技术实现目标技术实现目标n当过程处于稳态时当过程处于稳态时RTO运行运行n当过程处于稳态时，一般每当过程处于稳态时，一般每4小时运行一次小时运行一次n正常情况下，每天运行正常情况下，每天运行35次次 n稳态检测时，一般要检查至少稳态检测时，一般要检查至少30个以上变量情况个以上变量情况n尽可能地实现最大化利润尽可能地实现最大化利润n基于经济信息基于经济信息n利用利用RTO 改进操作实现最大化利润改进操作实现最大化利润RTO每个班次将自动实现每个班次将自动实现34次循环计算次循环计算 实时优化过程

25、实时优化过程APC 与与 RTO 技术比较技术比较APC应用应用 过程中包含多个控制器过程中包含多个控制器 动态经验模型动态经验模型 (假定过程响应是线假定过程响应是线性的性的) 更新偏差更新偏差/预测误差预测误差 进料信息特性描述简单进料信息特性描述简单 简单线性规划优化简单线性规划优化 线性规划只是几个操作变量的代线性规划只是几个操作变量的代价函数价函数RTO 应用应用 包含全部过程包含全部过程 严格的、基于工艺机理的、稳态、严格的、基于工艺机理的、稳态、非线性模型非线性模型 更新工程参数更新工程参数 详尽的进料信息，如组分、比例详尽的进料信息，如组分、比例 非线性优化非线性优化 详细的经

26、济参数，有关原料供应、详细的经济参数，有关原料供应、产品、公用工程的价格等产品、公用工程的价格等RTO 系统对系统对APC的要求的要求 nAPC能够保证系统达到稳态能够保证系统达到稳态n在在RTO实现过程中，优先考虑控制器中实现过程中，优先考虑控制器中MV和和CV的约束。的约束。 因此，应确保不能有不合理的箝位限制因此，应确保不能有不合理的箝位限制 nAPC 能够平稳实现能够平稳实现RTO的优化目标并保持这一目标，同时的优化目标并保持这一目标，同时满足所有满足所有 MV/CV的约束的约束 值得注意的是值得注意的是: 必要情况下，牺牲经济指标满足控制需求，必要情况下，牺牲经济指标满足控制需求，控

27、制稳定性更为重要。控制稳定性更为重要。 三、工程应用中过程三、工程应用中过程 控制的新方向控制的新方向n过程监控过程监控n自适应控制器自适应控制器过程监控过程监控过程监控问题：过程监控问题：n过程参数的变化：催化剂中毒、热交换器结垢等过程参数的变化：催化剂中毒、热交换器结垢等n干扰参数的变化：进料流股中的浓度变化、环境温度变化等干扰参数的变化：进料流股中的浓度变化、环境温度变化等n执行器问题：卡住、空气泄露、气源故障等执行器问题：卡住、空气泄露、气源故障等n传感器问题：堵塞、结垢、标定误差等造成仪表损坏或偏差传感器问题：堵塞、结垢、标定误差等造成仪表损坏或偏差n控制器问题：控制性能等控制器问题

28、：控制性能等工业生产过程应用现状：工业生产过程应用现状：n限幅传感：超过定义阈值即报警，最为普遍、常用限幅传感：超过定义阈值即报警，最为普遍、常用n偏差监测：仿真结果与实际观测值比较，依赖于模型准确性偏差监测：仿真结果与实际观测值比较，依赖于模型准确性目前基于仪表检测信息的单变量监控应用普遍目前基于仪表检测信息的单变量监控应用普遍满足工业装置运行需求满足工业装置运行需求n工业过程故障分析工业过程故障分析n产品不合格产品不合格,不安全的操作条件不安全的操作条件,设备损坏等设备损坏等n不能及时检测和确认故障源将导致损失巨大经济损失，仅美不能及时检测和确认故障源将导致损失巨大经济损失，仅美国石化行业

29、，每年估计因缺乏对异常事件的有效监控而损失国石化行业，每年估计因缺乏对异常事件的有效监控而损失200亿美元亿美元n事实上事实上n石化行业的自动化程度很高石化行业的自动化程度很高n从信息系统中获取的数据量是非常惊人的从信息系统中获取的数据量是非常惊人的n因此因此n可利用丰富的数据信息进行过程监测，有效实现控制与优化可利用丰富的数据信息进行过程监测，有效实现控制与优化n事实上，现代计算机技术可以分析处理这些数据，而这在以事实上，现代计算机技术可以分析处理这些数据，而这在以前是不可能的前是不可能的寻找有效的实时故障检测和识别方法是寻找有效的实时故障检测和识别方法是目前工业应用中主要发展目标之一。目前

30、工业应用中主要发展目标之一。过程监控的传统方法过程监控的传统方法n单变量统计监控单变量统计监控n经典方法：基于施瓦特图（经典方法：基于施瓦特图（Shewhart）的应用）的应用n故障识别故障识别n 给定一个观测变量给定一个观测变量X，每个变量的标准误差：，每个变量的标准误差： 是均值，是均值， 是第是第j个变量的标准差个变量的标准差 将标准差绘制在同一表中，并且用基于显著性水平的阈值将标准差绘制在同一表中，并且用基于显著性水平的阈值检测失控变量。检测失控变量。给定一定的阈值，可以在训给定一定的阈值，可以在训练集中数据的统计特性基础练集中数据的统计特性基础上，应用统计假设理论来预上，应用统计假设

31、理论来预测系统变化是否失控。测系统变化是否失控。jjjjsxe/ )(jjs目前过程监控的主要方法目前过程监控的主要方法n数据驱动方法数据驱动方法n主元分析法（主元分析法（PCA）n费舍尔判别分析法费舍尔判别分析法（基于模式分类学的故障诊断）（基于模式分类学的故障诊断）n部分最小二乘法部分最小二乘法n规范变量分析法规范变量分析法（类似于（类似于PCA的子空间辨识方法）的子空间辨识方法）n解析法解析法n基于参数估计、基于观测器设计和等价关系基于参数估计、基于观测器设计和等价关系n基于知识的方法基于知识的方法n采用定性模型采用定性模型基于因果分析、专家系统和模式识别基于因果分析、专家系统和模式识别

32、特点：特点：高维数据变换为高维数据变换为低维，通过单图显示低维，通过单图显示（数据可视化），有助（数据可视化），有助于为操作员解释过程数于为操作员解释过程数据的显著变化趋势。据的显著变化趋势。特点：特点：应用在输入、应用在输入、输出和状态数目相对输出和状态数目相对较小的系统较小的系统克服单变量统计技术忽略的过程变量空间相关以及序列相关性的影响克服单变量统计技术忽略的过程变量空间相关以及序列相关性的影响基于多变量统计技术的监控方法：基于多变量统计技术的监控方法：DCS 报警系统报警系统智能报警智能报警 (多变量多变量)基于简单模型的监测，基于简单模型的监测，PID 监控器，阀流量模型监控器，阀流

33、量模型特 定 事 件 的特 定 事 件 的PCA监控模型监控模型广义广义PCA模型模型异常事件检测（异常事件检测（AED）(复杂工况检测复杂工况检测)实时指导系统实时指导系统(诊断诊断 & 建议建议)报警信息管理报警信息管理（ACM/AEA）监控复杂程度监控复杂程度持续发展方向持续发展方向过程监控的金字塔结构过程监控的金字塔结构过程监控系统的目标过程监控系统的目标 (I)n报警与事件管理（报警与事件管理（Alarm and Event Management）n通过开发相关工具和程序有效提升报警系统性能通过开发相关工具和程序有效提升报警系统性能;n适当合理化和过滤报警信号适当合理化和过滤

34、报警信号n通过相关操作适时激活报警系统通过相关操作适时激活报警系统n为控制台和现场操作工提供报警和事件信息的整合为控制台和现场操作工提供报警和事件信息的整合n异常事件检测（异常事件检测（Abnormal Event Detection）n开发针对炼油和石化过程关键单元操作的开发针对炼油和石化过程关键单元操作的AED技术技术n仪表动作失效；操作区域出现问题等仪表动作失效；操作区域出现问题等n开发开发AED的有效工具，如的有效工具，如PCA方法等方法等n操作员实时指导系统（操作员实时指导系统（Real Time Advisories）n为控制台操作人员提供实时的基于知识的工况检测和诊断指导信息为控

35、制台操作人员提供实时的基于知识的工况检测和诊断指导信息n搭建操作员实时指导系统的结构框架搭建操作员实时指导系统的结构框架确保报警信息确保报警信息明确、有效明确、有效检测操作条件检测操作条件的偏离，使操的偏离，使操作员在报警前作员在报警前处理。处理。过程监控系统的目标过程监控系统的目标 (II)n操作约束管理（操作约束管理（ Operations Constraint Management ）n帮助明确当前与操作（包括帮助明确当前与操作（包括APC、RTO）相关的约束条件）相关的约束条件n帮助理解当前各主要约束条件帮助理解当前各主要约束条件n帮助推向卡边操作以获取利润最大化帮助推向卡边操作以获取

36、利润最大化n正确地预测正确地预测(评估评估) 当前工况和下一可能约束之间的距离当前工况和下一可能约束之间的距离n程序化操作（程序化操作（Procedural Operations）n发展在线程序以实现过程的无缝操作发展在线程序以实现过程的无缝操作（检测、分析、指导、恢复等）（检测、分析、指导、恢复等）n发展和实施过程管理系统集成解决方案，不论程序是否自动执行，发展和实施过程管理系统集成解决方案，不论程序是否自动执行，确保实现当前仅一个程序管理系统在运行确保实现当前仅一个程序管理系统在运行异常事件的检测过程异常事件的检测过程目标目标: 为操作员提供为操作员提供 早期预警早期预警 优点优点: 减少

37、低负荷和停车工况减少低负荷和停车工况正常过程行为描述正常过程行为描述当前的观测值当前的观测值比较比较警告：警告： 如果与正常预期变化不符如果与正常预期变化不符显示：显示： 解释差异在哪里解释差异在哪里如：统计模型、工程关如：统计模型、工程关系、启发式知识等系、启发式知识等差异性解释差异性解释模糊布尔逻辑模糊布尔逻辑异常事件的检测特征异常事件的检测特征正常操作正常操作采取预防措施采取预防措施对报警进行响应对报警进行响应操作员动作操作员动作报警区域报警区域AED 将在报警系将在报警系统前做出响应统前做出响应AED 将让操作人员有将让操作人员有更多时间进行操作更多时间进行操作DCS 报警系统报警系统

38、非正常工况检测区域非正常工况检测区域过程监控过程监控过程监控系统举例过程监控系统举例n95% 正常操作都在椭圆里正常操作都在椭圆里n外部离群值警告将会有问外部离群值警告将会有问题出现题出现n很容易识别有问题的变量很容易识别有问题的变量n通过故障树分析，可以识通过故障树分析，可以识别问题起源别问题起源n已验证此项技术的可靠性已验证此项技术的可靠性 过程监控发展的建模技术过程监控发展的建模技术预期的改进操作预期的改进操作 控制器逐渐把离群值拉回到边界控制器逐渐把离群值拉回到边界25%的范围内的范围内过程监控系统设计的主要特征过程监控系统设计的主要特征n基于多变量控制技术，并确保控制器性能基于多变量

39、控制技术，并确保控制器性能n采用基于线性规划的多变量控制技术采用基于线性规划的多变量控制技术n有有DMC控制器的所有特性控制器的所有特性n非正常工况的检测和处理确保多变量控制器性能非正常工况的检测和处理确保多变量控制器性能n控制器会逐步实现产量最大化控制器会逐步实现产量最大化n监控系统确保安全性监控系统确保安全性n当过程将出现问题时，会提醒操作人员当过程将出现问题时，会提醒操作人员n当有突发的严重的扰动时，会切换到安全模式当有突发的严重的扰动时，会切换到安全模式n控制器性能实现自动监控控制器性能实现自动监控自适应先进控制策略设备性能变差设备性能变差 产量、转化率、分离效果等产量、转化率、分离效

40、果等质量，产量，原料质量，产量，原料及公用工程消耗及公用工程消耗控制器性能差控制器性能差控制系统是装置运行的基础控制系统是装置运行的基础: 收入减少，支出增加收入减少，支出增加 控制系统的重要性控制系统的重要性控制器性能差控制器性能差 生产生产装置的操作性能变差装置的操作性能变差 财务状况下降财务状况下降生产设备生产设备反应器反应器, ,压缩机压缩机, ,热交换器等热交换器等装置装置过程控制系统过程控制系统阀阀, ,传感器传感器, ,常规控制常规控制, ,先进控制先进控制, ,分析仪表，软测量分析仪表，软测量 过程单元过程单元财务财务控制器性能优劣直接影响装置生产操作，因此，开发控制器性控制器

41、性能优劣直接影响装置生产操作，因此，开发控制器性能监控技术有利于：能监控技术有利于：结果结果: 更好的控制性能使工厂可以增加更好的控制性能使工厂可以增加5%的利润的利润 基于条件的控制可以减少基于条件的控制可以减少30%的维护费用的维护费用l 标准控制特性与装置效益的关联；标准控制特性与装置效益的关联；l 改进控制器性能；改进控制器性能；l 减少减少70%MPC的开发周期；的开发周期；l 建立基于条件变化（建立基于条件变化（Condition-Based）的连续改进模型）的连续改进模型自适应控制系统基础自适应控制系统基础 实现控制器性能监测实现控制器性能监测何为先进控制与优化系统的坚实基础？何

42、为先进控制与优化系统的坚实基础？基础控制系统基础控制系统/仪表仪表/分析仪分析仪先进控制先进控制DMCn提供可靠的关键仪表与分析仪器提供可靠的关键仪表与分析仪器n基础控制回路性能良好基础控制回路性能良好n准确的模型准确的模型n有效调节、控制有效调节、控制n较宽的操作范围较宽的操作范围在线优化在线优化/调度调度APC的实施基础：的实施基础：在线优化在线优化/计划的实施基础：计划的实施基础：先进控制先进控制DMC基础控制系统基础控制系统/仪表仪表/分析仪分析仪 目前问题目前问题 如何实现自适应控制如何实现自适应控制n基础控制回路的性能监测基础控制回路的性能监测n确认问题后的工作流程确认问题后的工作

43、流程基础控制回路层基础控制回路层n先进控制器性能监测先进控制器性能监测n控制器模型的自动更新控制器模型的自动更新 n约束条件的自动分析约束条件的自动分析先进控制层先进控制层存在问题（存在问题（MPC）:n 模型测试与辨识成本高；模型测试与辨识成本高；n 模型辨识、预测控制技术缺乏整体性；模型辨识、预测控制技术缺乏整体性；n 控制算法适用对象面窄；控制算法适用对象面窄；n持续投运率低持续投运率低n不易维护不易维护n实施周期长成本高实施周期长成本高 n实现控制系统的自动、自适应维护是关键实现控制系统的自动、自适应维护是关键n利用、发展有效工具和方法，如：利用、发展有效工具和方法，如： DMC So

44、lution Analysis Tooln采用和改进经济性度量标准，保持控制器性能采用和改进经济性度量标准，保持控制器性能n先进控制器性能评价标准（除投运率外）先进控制器性能评价标准（除投运率外）n关联控制器性能评价与经济效益的关系关联控制器性能评价与经济效益的关系n明确基础控制回路与控制系统整体结构的关系明确基础控制回路与控制系统整体结构的关系n确定机会损失确定机会损失 自适应控制的目标自适应控制的目标建立、发展一套工程应用工具与实施流程，使得在低成本条建立、发展一套工程应用工具与实施流程，使得在低成本条件下实现件下实现/维护先进控制系统运行在峰值性能范围中。维护先进控制系统运行在峰值性能范

45、围中。n引起控制器性能衰减的因素引起控制器性能衰减的因素控制器性能控制器性能n投运率本身也无法充分度量控制器性能和机会损失投运率本身也无法充分度量控制器性能和机会损失原原 因因影影 响响基于计划调度或基于计划调度或RTO的经济目标的改变的经济目标的改变控制器将操作条件推向错误的目标值控制器将操作条件推向错误的目标值操作条件或者过程变化操作条件或者过程变化模型失配、控制器失效模型失配、控制器失效, 调节范围受限调节范围受限基础控制回路与仪表出现问题基础控制回路与仪表出现问题无法克服扰动并维持控制目标无法克服扰动并维持控制目标良好维护良好维护在线监控在线监控机会损失机会损失维护较差维护较差无监控无

46、监控效益效益时间时间系统投运系统投运一段时间（一段时间（23年）后年）后n先进控制器性能的改善先进控制器性能的改善n高质量的控制器模型高质量的控制器模型（适用范围、准确性等）（适用范围、准确性等） n控制器模型随过程与操作条件而变化控制器模型随过程与操作条件而变化n基础回路控制器性能改善基础回路控制器性能改善 n更为频繁地监控基础控制回路层的性能更为频繁地监控基础控制回路层的性能n及时解决基础回路、仪表和分析仪器的问题及时解决基础回路、仪表和分析仪器的问题n其它有效方法利用现有技术实现主要的、附加功能其它有效方法利用现有技术实现主要的、附加功能n过程监控过程监控n事件检测与分析事件检测与分析n

47、事件的报告与解决方法事件的报告与解决方法控制器性能改善的要求控制器性能改善的要求控制器性能监控控制器性能监控自动辨识自动辨识矩阵训练工具矩阵训练工具（病态矩阵良化）（病态矩阵良化）自动测试自动测试先控模型的自动更新先控模型的自动更新目标：目标：n实现控制器性能的连续监控实现控制器性能的连续监控n在线性能监测指标在线性能监测指标n实时溯源问题诊断实时溯源问题诊断n确认先控系统调整带来性能改进确认先控系统调整带来性能改进 (与模型与模型质量问题相区分）质量问题相区分）分为四个步骤：分为四个步骤： 目前现状：目前现状：n已经具有多种自动测试软件已经具有多种自动测试软件 (Taiji, Smartst

48、ep)n各自独立，与辨识或控制过程不连接各自独立，与辨识或控制过程不连接n要求专业人员使用要求专业人员使用n辨识过程没有自动实现，依靠手动专家经验辨识过程没有自动实现，依靠手动专家经验目标：目标：n自动测试软件与自动辨识软件相连自动测试软件与自动辨识软件相连n辨识结果修正、或者加强测试辨识结果修正、或者加强测试n对于非专业人员也能够简单操作，对于非专业人员也能够简单操作，仍需要过程知识仍需要过程知识目前现状：目前现状：n非常复杂的过程，需要专业人员非常复杂的过程，需要专业人员n计算过程耗时长计算过程耗时长n每个控制器更新过程都需要每个控制器更新过程都需要目标：目标：n面向非专业人员使用但仍需要

49、过程知识面向非专业人员使用但仍需要过程知识n快速、有效实现快速、有效实现n一旦结构形式确认，可反复用于模型更新一旦结构形式确认，可反复用于模型更新目前现状：目前现状：n仅在出现问题时检查控制器仅在出现问题时检查控制器n主要采用投运率主要采用投运率ON / OFF作为监作为监测手段测手段nXOM MV metric being rolled out no baselinen提交工程师进行问题诊断提交工程师进行问题诊断基础控制系统基础控制系统n对底层基础控制回路的性能进行监测对底层基础控制回路的性能进行监测n检测基础回路控制层问题，确认执行器故障检测基础回路控制层问题，确认执行器故障对生产单元性能

50、的影响对生产单元性能的影响n仪表与分析仪出现故障仪表与分析仪出现故障n控制阀滞涩控制阀滞涩nPID回路的参数整定问题回路的参数整定问题n计算由于执行机构故障造成效益的机会损失计算由于执行机构故障造成效益的机会损失成本成本n导致先进控制系统回路中的变量无效导致先进控制系统回路中的变量无效n限制先进控制器操作范围限制先进控制器操作范围n无法实现产量最大化无法实现产量最大化n放弃其它附加的产品质量控制放弃其它附加的产品质量控制n为生产运营商（企业）处理异常信息提供工为生产运营商（企业）处理异常信息提供工作方案作方案n为企业提供处理过程的优先级信息为企业提供处理过程的优先级信息n对上述事件的处理进行跟

51、踪对上述事件的处理进行跟踪诊断诊断/修复修复Diagnose / Quantify报告报告Report 检测异检测异常信息常信息Detect基础控制系基础控制系统监测统监测Base Monitoring企业运营部门企业运营部门修复修复确定处理过程方案确定处理过程方案集成的工作过程与工具集成的工作过程与工具 报告报告控制器性控制器性能监测能监测异常信息检测异常信息检测自动辨识自动辨识诊断诊断/修复修复矩阵训练工具矩阵训练工具自动测试自动测试MPC/NLC先进控制先进控制基础回基础回路控制路控制企业运营部门企业运营部门形成工作流程形成工作流程自适应控制自适应控制 关键技术与软件关键技术与软件n基础

52、控制回路性能监测基础控制回路性能监测n代表软件：代表软件：Matrikon ProcessDoctor PID n先进控制器性能监测先进控制器性能监测n代表软件：代表软件：AspenWatchn测试测试/辨识辨识（建立、强化模型功能）（建立、强化模型功能）n代表软件：代表软件：Tai-Ji ID & SmartStep & Subspace IDn矩阵条件数改进矩阵条件数改进 (增强模型鲁棒性增强模型鲁棒性)n代表软件：代表软件： SmartAudit (AspenTech)提高生产过程的操作性能：提高生产过程的操作性能：收益分析收益分析 基于条件的维护策略可以节约最多基于条件

53、的维护策略可以节约最多30%的维护费用的维护费用 可以节约可以节约70%的的MPC开发和重复测试的费用开发和重复测试的费用 减少减少30%的产品质量波动的产品质量波动 减少减少510%的能耗的能耗 增加产量增加产量25% 通过控制器监控的统一解决方案，减少总费用通过控制器监控的统一解决方案，减少总费用节省维护费用节省维护费用四、过程控制与优化的案例分析四、过程控制与优化的案例分析1、芳烃装置二甲苯分馏过程的优化、芳烃装置二甲苯分馏过程的优化2、PTA加氢反应过程的优化加氢反应过程的优化3、聚酯装置反应过程的优化、聚酯装置反应过程的优化4、乙烯装置中裂解炉的节能控制与优化、乙烯装置中裂解炉的节能

54、控制与优化典型案例典型案例芳烃装置二甲苯分馏过程的优化芳烃装置二甲苯分馏过程的优化芳烃装置二甲苯分馏过程的优化芳烃装置二甲苯分馏过程的优化研究对象：研究对象：芳烃装置对二甲苯分馏单元两条生产线：芳烃装置对二甲苯分馏单元两条生产线：800#（老装置）、（老装置）、8500#（新建装置）（新建装置）存在问题：存在问题：确保新老二甲苯确保新老二甲苯分馏装置所处理分馏装置所处理的的C8A资源负荷资源负荷分配在相对优化分配在相对优化的运行状态的运行状态 芳烃装置二甲苯分馏过程的优化芳烃装置二甲苯分馏过程的优化二甲苯精馏装置机理建模二甲苯精馏装置机理建模B1，B2分别为装置的输入分配比分别为装置的输入分配

55、比DA801、DA804、DA8501分别为二甲苯的三个分离装置分别为二甲苯的三个分离装置芳烃装置二甲苯分馏过程的优化芳烃装置二甲苯分馏过程的优化二甲苯精馏装置机理模型的校正二甲苯精馏装置机理模型的校正:ASPEN流程模拟软件对精馏与分离过程均采用平衡全流程模拟软件对精馏与分离过程均采用平衡全混池假设，计算数据与工业实际值之间必然存在一些混池假设，计算数据与工业实际值之间必然存在一些偏差。偏差。1、根据装置的结构数据、操作数据、各塔组分分析化验根据装置的结构数据、操作数据、各塔组分分析化验数据及能耗数据，采用数据及能耗数据，采用数据调和技术数据调和技术对数据进行有效对数据进行有效性一致性分析，

56、供建模分析。性一致性分析，供建模分析。2、选择典型工况数据，进行选择典型工况数据，进行模型参数调试、校正模型参数调试、校正，使三，使三塔塔板温度分布、组分大小与分配比例与实际相符。塔塔板温度分布、组分大小与分配比例与实际相符。芳烃装置二甲苯分馏过程的优化芳烃装置二甲苯分馏过程的优化灵敏度分析：灵敏度分析：1）改变输入分配比对装置能耗的影响）改变输入分配比对装置能耗的影响可以看出，随着输入分配比可以看出，随着输入分配比B1,B2由小增大由小增大, 三塔的三塔的冷负荷也随之增大，基本呈线性。冷负荷也随之增大，基本呈线性。芳烃装置二甲苯分馏过程的优化芳烃装置二甲苯分馏过程的优化2）改变输入分配比对装

57、置）改变输入分配比对装置OX产出的影响产出的影响为了能保证为了能保证OX尽量多产出的情况下，降低装置的能耗，尽量多产出的情况下，降低装置的能耗，需要研究输入分配比与装置需要研究输入分配比与装置OX产出的影响。产出的影响。可以看出，随着可以看出，随着B1、B2的变化，的变化，OX产出接近二次曲线，产出接近二次曲线，B1=0.44 ，B2=0.65处各有一峰值。处各有一峰值。OX产产出出KG/HROX产产出出KG/HR3）改变回流比对塔釜）改变回流比对塔釜OX产出与冷负荷的影响产出与冷负荷的影响回流比对操作工况的影响很大，以回流比对操作工况的影响很大，以DA804塔为例，改变回流塔为例，改变回流比

58、，对二甲苯装置的塔釜比，对二甲苯装置的塔釜OX产出与冷负荷的影响，如图：产出与冷负荷的影响，如图：从上图可看出，回流比增大，塔釜采出与冷负荷也随之从上图可看出，回流比增大，塔釜采出与冷负荷也随之增大，须折中考虑。增大，须折中考虑。OX产产出出KG/HR冷冷负负荷荷MMKCAL/HR芳烃装置二甲苯分馏过程的优化芳烃装置二甲苯分馏过程的优化芳烃装置二甲苯分馏过程的优化芳烃装置二甲苯分馏过程的优化4）改变进料塔板位置对冷负荷影响）改变进料塔板位置对冷负荷影响可调整的进料口位置：可调整的进料口位置：DA801：FC800125块塔板、块塔板、35块塔板，块塔板，FC303450块塔板、块塔板、60块塔

59、板；块塔板；DA8501：FC751828块塔板、块塔板、48块塔板，块塔板，FC850496块塔板、块塔板、144块塔板块塔板根据上述调整进料塔板位置，在同样的输入配比和回流比下，冷根据上述调整进料塔板位置，在同样的输入配比和回流比下，冷负荷略有上升。负荷略有上升。冷冷负负荷荷MMKCAL/HR冷冷负负荷荷MMKCAL/HR进料位置改变前进料位置改变前进料位置改变后进料位置改变后芳烃装置二甲苯分馏过程的优化芳烃装置二甲苯分馏过程的优化改变进料位置对改变进料位置对OX产出的影响产出的影响 进料位置改变前进料位置改变前进料位置改变后进料位置改变后按以上调整进料塔板位置，在同样的输入配比和回流比下

60、，按以上调整进料塔板位置，在同样的输入配比和回流比下，OX产出下降。产出下降。OX产产出出KG/HROX产产出出KG/HR5）改变进料塔板位置对）改变进料塔板位置对OX产出影响产出影响芳烃装置二甲苯分馏过程的优化芳烃装置二甲苯分馏过程的优化工艺操作条件优化：工艺操作条件优化：n优化目标：优化目标：三个塔塔釜三个塔塔釜OX产出最大化产出最大化 & 三个塔总能耗最小三个塔总能耗最小n优化手段：优化手段：三塔回流比、三塔回流比、 三塔的进料流量三塔的进料流量n约束条件：约束条件：主要是三塔冷、热负荷，主要是三塔冷、热负荷，同时确保：同时确保： （1）各单元操作条件满足工艺许可的设定范围内；）各单元操作条件满足工艺许可的设