邵惠鹤

一  流程工业自动化技术的发展趋向
流程工业指主要生产过程为连续生产（或较长一段时间连续生产）的工业。包括了石化、冶金、电力、轻工、制药、环保等在国民经济中占主导地位的行业，全球500强行业中，流程工业企业有70余家，占15%，其营业收入占总收入的16.5%。我国流程企业年产值占全国企业年总产值的66%，流程工业的发展状况直接影响国家的经济基础，是国家的重要基础支柱产业。
1  “现代集成制造系统”（CIMS）是发展趋向
流程工业自动化技术的发展趋势是实现“现代集成制造系统”。它是将先进的工艺制造技术、现代管理技术和以先进控制技术为代表的信息技术相结合，将企业的经营管理，生产过程的控制、运行与管理作为一个整体进行控制与管理，实现企业的优化运行、优化控制与优化管理，从而成为提高企业竞争力的重要技术。
流程工业的自动化技术，特别是CIMS技术受到发达国家的高度重视，被列入这些国家的重点高新技术发展计划，国际著名的钢铁企业日本新日铁、石化企业美国埃克森公司已经实现了全厂自动化和CIMS，并获得了显著的经济效益。
2  建立基于BPS/MES/PCS三级结构，以MES为关键
流程工业的CIMS体系结构主要有美国的Purdue模型。如图1所示，在Purdue模型中，是自下而上从功能上被分为了过程控制、过程优化、生产调度、企业管理和经营决策五个层次，将生产过程和管理过程明显分开。虽然这种体系框架在流程工业CIMS 的发展过程中起过很大的推动作用，但它忽视了生产过程中的物耗、能耗及设备在线控制与管理，层次多、结构复杂、实现CIMS成本高、不便形成平台技术，难以推广。随着研究与开发的深入，在CIMS系统的设计和应用实践中遇到了较大问题。在流程企业的生产经营活动中，除了底层的过程控制和顶层的经营决策外，中间层次是很难将生产行为与管理行为截然分开的。因此，在牵涉到大量既有生产性质又有管理性质的信息时，根据五层结构模型就很难明确应该归于CIMS的哪一层次，造成了流程工业CIMS研究与开发过程中概念的混乱和标准的难以统一。

图1  Purdue模型图

目前针对上述问题提出将BPS（Business Planning System）/MES（Manufacturing Execution System）/PCS（Process Control System）三级结构应用于流程企业。它是以提高企业竞争力为目标，以企业“两个中心”（生产成本控制中心，生产指挥中心）为重点，建立基于BPS/MES/PCS三级结构，以MES为关键，其结构如图2所示。

图2  流程工业三层结构CIMS及其MES体系结构图

这一结构将流程工业CIMS分为：
―   PCS级 单纯考虑生产过程问题的过程控制系统，即基础控制系统。
―   BPS级 单纯考虑企业经营管理问题的企业资源规划(ERP)，主要利用以财务分析决策为核心的整体资源优化技术。
―   MES级 考虑生产与管理结合问题的中间层制造执行系统，主要利用以产品质量和工艺要求为指标的先进控制技术和以生产综合指标为目标的生产过程优化运行、优化控制与优化管理技术，使流程工业CIMS中原本难以处理的具有生产与管理双重性质的信息问题得到了解决。
在流程工业CIMS中，MES起着将从生产过程产生的信息和从经营管理活动中产生的信息，以及生产管理活动中产生的信息进行转换、加工、传递的作用，是生产活动与管理活动信息集成的重要桥梁和纽带。
据美国MESA1996年调查统计结果，在采用以BPS/MES/PCS三级结构为基础的MES技术后，效果显著：生产周期时间缩短率为35%、数据输入时间缩短率为36%、在制品削减率为32%、文书工作削减率为67%、交货期缩短率为22%、不合格产品减低率为22%、文书丢失减少率为55%。
据美国ARC公司（Automation Research Corp.）调查，在采用以BPS/MES/PCS三级结构为基础的MES技术后，可获得的效益为：质量提高19.2%，劳动生产率提高13.5%，产量提高11.5%。1999年，美国“财富”杂志发表文章称MES是“ERP市场的挑战者”。该文介绍年产值16亿美元的美国化纤企业Unifi公司，其下属Yadkinville厂应用MES软件后，效益增加69%，实际增效1600万美元。
据MESA调查，美国MES软件市场规模的为1.5亿美元，1994年和1995年年增长率为30%，1996年达到8.65亿美元，1998年10.1亿美元。预见2003年将增加三倍。
3  流程工业三层结构的集成支持系统（如图3所示）

图3  流程工业三层结构的集成支持系统图

二  流程工业先进控制的提出与特点
1  流程工业先进控制的重要性
由于流程工业生产过程日趋大型化、连续化、高速度和高质量，因此对生产过程中工艺的操作控制、异常工况的监视及安全保护，必须依靠自动化系统。
信息技术的发展，工业自动化已由基础阶段的生产过程自动化发展到生产管理自动化，并进入企业综合自动化阶段。目前，最重要的是推进先进控制与优化。“工业过程先进控制与优化软件”是具有前瞻性和带动性，对国民经济发展有重大影响，有广阔市场容量的高技术自动化软件产品。
据调查，国外石油化工企业每年至少要降低3%的成本才能保持盈利。在过程控制中采用先进的控制方案，可平均降低15%的制造成本。美国杜邦公司通过改进控制方案，一年估计节省5亿美元。人们开始认识到采用先进控制与优化能比采用DCS带来更显著的经济效益。因此，目前工业自动化已从对单一生产设备、单一生产流程的控制，发展到对整个生产线的先进控制与优化控制。
随着计算机技术、工业自动化技术、网络通讯技术在工业生产管理和控制中的广泛应用，向先进控制要效益，向过程优化要效益，向生产管理要效益，已成为企业工程技术人员和经营管理人员的共识。

表1  著名先进控制软件包应用情况一览表

国外从70年代末就开始了先进控制技术的商品化软件的开发及应用，在DCS的基础上实现优化控制和先进过程控制。在控制算法上，将控制理论研究的新成果，如多变量约束控制、各种预测控制、推断控制和估计、人工神经元网络控制和软测量技术等应用于工业生产过程，取得了明显的经济效益和社会效益。目前国外，特别是美国、加拿大、欧洲等国已有Setpoint、DMC、Honeywell Profimatics、Adersa、AspenTech、Treiber Controls等多家从事先进控制和优化的软件公司开发出适合于实时控制与优化的多变量先进控制和实时在线优化的商品化工程软件产品，大量推向市场，在上千家大型石化、化工、炼油、冶金等企业获得成功应用，取得了巨额利润。据有关资料统计，国外比较著名的先进控制软件包已有2233套得到应用，目前正在抢占我们国内的市场，相关情况参见表1。
虽然国外先进控制软件能带来可观的经济效益，但其价格非常昂贵，而且国外厂商对其核心技术严格保密，因此，应及早开发我国自己的先进控制软件产品，才能打破引进的局面。为推动我国工业生产自动化水平的发展，节省外汇支出，对现有国内开发的先进控制软件进行商品化，形成自己的先进控制软件产业化，已成当务之急。为此，应确立自动化产业作为信息产业的重要组成部分的地位，并重点扶植几家有发展潜力的高新技术企业，使其在自动化仪表、先进控制与优化软件、工控软件及自动化系统集成三大部分都处于国内龙头地位，形成一批有较强自我开发能力的企业和一批有知识产权的名牌产品，能与国外公司建立既合作又竞争的关系。
2  流程工业先进控制的提出
― 流程工业一般规模庞大，结构复杂，且具有不确定性、非线性、强耦合性等特性，以产品质量和工艺要求为指标的控制，常规控制难以胜任；
― 实现安全、平稳、高效生产的需要；
―  提高企业经济效益和增强竞争力的重要对策；
―  先进控制与在线优化在工厂综合优化控制中起着承上启下的重要作用。
3  流程工业先进控制的发展现状
―  基于模型控制的理论体系已基本形成，出现了许多约束模型预测控制的工程化软件包，如AspenTech的DMCplus是应用广泛和最有前途的先进控制策略；
―  专家控制系统：过程故障诊断，监督控制，检测仪表和控制回路有效性；
―  神经网络：非线性过程的建模，软测量，控制系统的设计；
―  模糊系统：模糊控制理论基础，表达不确定性知识；
― 非线性控制：开发中，应用不多；
―  先进控制还包括：内模控制、自适应控制、增益调整、解耦控制、时滞补偿等；
―  鲁棒控制：是研究热点，但理论性太强，实际应用需做大量的改进和简化；使先进控制具备鲁棒性是重要的发展方向。
三  多变量约束控制软件包MCC（Multivari-able Constrained Controller）
多变量约束控制是带有约束的多变量、多目标、多控制模式和基于模型预测的最优控制器。它能在满足工艺约束条件下，对整个生产装置实现多变量闭环控制，以使生产平稳、高效、低耗，以获得显著的经济效益。与常规控制是输入和输出变量一一配对来构成单回路控制相比，本控制软件包最大特点是从多变量观点来设计，因此，可自动解决复杂系统的耦合，同时可实现稳态优化与动态优化。因此，MCC是目前应用最广、效果最好、最实用的流程工业先进控制。它适用于炼油、化工、石化、制药、造纸、生化、冶金、热电、轻工和食品等行业。
1  基本特点
―  综合利用过去、现在和将来的信息――决定控制策略模型预测将来输出（PID只利用过去和现在的信息）；
―  对模型要求低：反馈校正(现代控制理论要求模型精度高)；
―  滚动优化：每个控制周期不断进行优化计算（现代控制一次优化）；
―  稳态优化与动态优化相结合；
―  多变量系统（PID是一对一控制）；
―  CV和MV可受约束。
―  主要功能
―  实现基于模型的多变量预测控制的动态优化；
―  在整个动态响应区间内考虑CV与MV的约束；
―  应用线性规划原理实现CV与MV的稳态约束及经济性能指标稳态优化；
―  采用CV与MV动态加权原理实现CV与MV的动态约束；
―  控制系统可控性在线分析和系统病态的自动处理；
―  多变量控制结构的自动重构，以适应各种不同情况；
―  能自动识别与处理胖系统(自由度>0)、瘦系统(自由度<0)以及方系统(自由度=0)；
―  具有动态加权和控制器参数的在线整定功能；
―  系统的动态闭环仿真。
3  基本特征
―  从多变量控制的观点来设计整个生产装置控制；
―  将动态滚动优化与经济目标的稳态优化相结合；
―  由子控制器与组合线性规划CLP构成大型控制器，能有效处理大规模多变量复杂控制对象；
―  采用设定值控制和区域控制二种控制模式；
―  MV也具有设定值(理想稳态值IRV)控制(自由度>0时)。
4  MCC的系统总体结构（如图4所示）

图4  多变量约束控制（MCC）系统总体结构图

5  MCC软件包的组成
―  MCPC，基于模型预测的多变量约束控制软件包；
―  MCCI，过程模型辨识和参数在线校正软件包；
―  MCC Config，组态软件包；
―  MCCSIM，系统动态仿真软件包；
―  MCCIO，MCC与各类DCS的接口软件包；
―  NMCPC，非线性多变量预测。
6  经济效益
―  生产装置经济效益的最大关键是使生产过程时刻处于最优约束边界上操作。
―  实现多变量MCC能减少过程干扰的影响；在约束条件下最优卡边操作；动态最优化使生产过程连续平稳与优化操作；局部稳态优化使生产过程实现经济性能最优化。
―  实现全装置在线稳态优化：基于过程稳态模型，不断修正约束条件，不断更新模型，在线求过程的最优设定值（最优操作条件）。
―  大量工程实践表明，具有投资少，见效快等特点。通常在原有基础上，可增加3%～6%经济效益。
四  MCC在大型催化裂化装置中的应用
1  大型催化裂化装置工艺流程
催化裂化装置是炼油工业发展最迅速的二次加工装置之一。整个装置主要包括反应再生系统、分馏系统和吸收稳定系统等子系统，主要生产汽油、柴油、液化气等，是炼油加工过程中重要的二次加工过程。它的操作直接关系到石油炼制过程中轻质油的收率，从而影响整个炼厂的经济效益。其工艺流程参考图5。

图5  催化裂化装置工艺流程简图

2  大型催化裂化装置MCC的控制目标
MCC的控制目标是在满足产品质量合格的条件下，使轻质油(液态烃)收率尽可能最高；装置的总处理量尽可能最大；能耗尽可能最小。
―  灵活满足不同的生产方案：在保证汽油收率的基础上，提高液化气收率；在保证液化气收率的基础上，提高汽油收率；在保证轻油总收率的基础上，提高轻柴油收率。
―  提高处理量
―  节约能耗
3  大型催化裂化装置多变量约束控制MCC控制的构架（如图6所示）

图6  催化裂化装置多变量约束控制系统构架

4  大型催化裂化装置多变量约束控制的设计
(1)  被控变量和操纵变量的设计
催化裂化装置的多变量约束控制器，可设计为17个被控变量，14个操纵变量的多变量约束控制器，如表2所示。

表2  催化裂化装置多变量约束控制器变量说明

(2)  系统结构（如图7所示）

图7  系统结构图

(3)  反应再生系统的阶跃模型（如图8所示）

图8  反应再生系统阶跃模型动态曲线图

(4)  反应再生系统多变量约束控制结构示意图（如图9所示）

图9  反应再生系统多变量约束控制结构示意图

5  催化裂化多变量约束控制在线运行情况
(1)  多变量控制，最大限度地保证了所有被控变量的控制要求，克服了常规单变量控制顾此失彼的本质缺陷。
(2)  平稳操作，特别是稳定氧含量，保证装置的安全、稳定运转，减少事故隐患。
多变量约束控制的实质在于保证约束的满足，同时协调各种约束集之间的关系。每个采样周期的控制动作都将使控制对象更好地满足约束集，使整个工况更趋平缓。
多变量约束控制器用在催化裂化装置后的一个明显表现就是氧含量变化明显平缓得多，即使在流化状况不理想的情况下，氧含量仍然能保证控制在较小的范围之内。而氧含量是整个装置运行情况的一个综合指标，它的平稳很大程度上意味着整个工况的平稳，取得了较好的控制效果。投运后氧含量变化比投运前明显平稳，特别是氧含量的超限次数明显减少和超限幅度也较小（氧含量的控制指标一般为31％）。
(3)  稳态优化保证了装置的全局优化生产和操作。多变量约束控制器中的优化系数直接体现了经济优化目标，MCC将自动根据确定的目标函数在每个控制周期找到当前时刻的最佳操作方向，而且通过改变多变量约束控制器中的优化系数，就可以方便地体现生产方案的改变。
(4)  增加处理量，最大限度地发挥装置的生产能力。采用MCC后，处理量可卡上限操作，在最大程度上提高了处理量。投运后装置的处理量明显增大，而且进料量的变化也相对平稳得多。处理量的增加将为企业带来丰厚的利润，国外某公司的经验表明，实施先进控制后，企业增加利润的70％将来自于处理量的提高。
(5)  软测量技术的应用。不但减少了企业在昂贵的分析仪表上的资金投入，更重要的是为企业生产提供了产品质量在线跟踪手段以及产品结构实时观测方法，对于优化生产具有不可估量的重要意义。
FCCU装置在多变量约束控制与优化项目投运后，效益的提高是十分明显的。表3中列出了投运前后车间的效益核算数据（当时的生产采用汽油方案）。可以看出，投运后经济效益明显提高。首先，装置的总处理量（冷渣＋热常渣＋总蜡）有较大提高；其次，产品的分布有较大的改善，汽油收率提高了2.33％，液化气收率提高了1％。另外，每吨原料利润也提高了4.8%。综合上述几个因素，若按一年300天计，投运后每年所获得的经济效益将在1730万元以上。

表3  投运前后一联合催化裂化车间效益核算数据对照表