先进控制与实时优化技术交流ppt课件

先进控制与实时优化技术交流1先进控制与实时优化技术交流1主要内容n先进控制系统概述先进控制系统概述n先进控制技术介绍n案例分析n工程实施2主要内容先进控制系统概述2APC=先进过程控制先进过程控制 Advanced Process Control是对那些不同于常规控制，并具有比常规是对那些不同于常规控制，并具有比常规PID控制更控制更好的控制效果控制策略的统称，而非专指某种计算机控好的控制效果控制策略的统称，而非专指某种计算机控制算法。制算法。如最优控制、解耦控制、推理控制、自适应控制、如最优控制、解耦控制、推理控制、自适应控制、鲁棒控制、模糊控制、智能控制、预测控制等。鲁棒控制、模糊控制、智能控制、预测控制等。什么是先进控制（什么是先进控制（APC）3什么是先进控制（APC）3n以现代控制理论为基础系统辨识（最小二乘法为基础）最优控制（极大值原理和动态规划方法）最优估计（卡尔曼滤波理论）以模型为基础，处理多变量控制问题模型类型：传递函数，状态空间模型建模方法：机理建模、测试建模先进控制主要特点先进控制主要特点4以现代控制理论为基础先进控制主要特点4n借助于计算机来实现 数据处理与传输、模型辨识、控制规律的计算、控制性能的监控、整体系统的监视（包括统计计算、各种图形显示）等均依赖于计算机来实现。先进控制主要特点先进控制主要特点5借助于计算机来实现先进控制主要特点5 单回路控制和多回路控制系统能解决80左右的工业控制问题，但是随着生产向着大型化、复杂化方向发展，已难以满足苛刻的约束条件和高质量的控制要求。因而也难以获取显著的经济效益。随着现代控制理论的日臻成熟和强有力的计算机出现，使得先进控制应运而生。先进控制的发展先进控制的发展6 单回路控制和多回路控制系统能解决80左右的工业p最优控制给出最优结构和最优控制策略，使得系统输出与预先选定的性能指标函数的偏差最小的控制方法。p解耦控制多变量控制系统中消除变量间的相互影响。p推理控制采用干扰信号分离、干扰估计器等解决被控量和干扰不可测情况下的控制问题。p自适应控制控制实施中可以改变控制系统本身。从而使控制行为适合于新的环境。它包含了模型参考自适应控制、自校正控制和参数自适应控制。p鲁棒控制针对模型在结构或参数上的不确定性，在对系统进行灵敏度分析和摄动分析的基础上，使系统仍然稳定且保持控制性能的控制方法。先进控制的发展先进控制的发展7最优控制给出最优结构和最优控制策略，使得系统输出与预先选定p模糊控制基于模糊集理论的一种控制方法，即建立模糊模型、进行模糊化、清晰化和采用模糊化推理等来实现。p智能控制是一种人工智能、控制理论、运筹学和信息论相结合的控制方法，它采用诸如专家系统、神经网络、模式识别等各种人工智能技术应用于控制系统。p预测控制采用对输出进行预报、对模型进行反馈校正、对控制实施滚动优化等策略的控制。p 先进控制的发展先进控制的发展8模糊控制基于模糊集理论的一种控制方法，即建立模糊模型、进行现代流程工业n连续生产过程整个生产过程的连续性和无间断性，通过一系列加工装置对原材料进行规定的化学反应和物理变化。如炼油、化工、电力、造纸、冶金等行业n有明确的性能改善要求提高控制平稳性降低操作人员劳动强度改善产品质量或提高高价值产品收率节能降耗n生产过程采用计算机控制APC面向对象面向对象9现代流程工业APC面向对象9为何要实施为何要实施APC？连续生产过程提高效益的两个方面：生产过程工艺与设备的创新与改造n不断采用先进工艺技术和设备n生产装置的优化，生产装置规模的不断扩大生产过程运行与管理的科学化n生产装置的安全平稳运行（离不开自动控制）n生产装置的先进控制与实时优化（APC/RTO）n生产调度与生产计划的优化n生产和技术管理的科学化10为何要实施APC？连续生产过程提高效益的两个方面：10设计已经优化，设计已经优化，APC还有多少效益？还有多少效益？n实际运行与设计条件不同原料量与原料性质的变化市场需求的变化、生产环境的变化n运行总是处于动态变化之中，与基于稳态的设计不同如何使运行安全、平稳，并处于优化状态?如何在变化的情况下给出优化条件并尽快达到优化?11设计已经优化，APC还有多少效益？实际运行与设计条件不同11石油化工生产装置操作控制的潜在效益石油化工生产装置操作控制的潜在效益n“安、稳、长、满、优”就有明显效益无或少事故，无或少联锁切换，安全运行产品质量合格，产率或收率最高，尤其是高价值产品产率的提高，离不开平稳控制处理量高或满负荷生产节能降耗、长周期运行生产过程运行状态的优化n良好操作控制日益成为“安、稳、长、满、优”主要因素n生产规模的增大，对操作控制的要求越来越高12石油化工生产装置操作控制的潜在效益“安、稳、长、满、优”就石油化工生产过程石油化工生产过程APCRTO潜在效益潜在效益装置名称装置名称处理量处理量效益效益(万元万元/年年)效益效益(元元/吨吨)原油蒸馏750万吨/年2254502.55.0催化裂化350万吨/年4201050 10.025.0催化重整250万吨/年1504505.015.0加氢裂化250万吨/年1353154.010.0延迟焦化150万吨/年1444807.025.0烷基化150万吨/年1353156.015.0异构化150万吨/年67.51353.06.0轻烃分离200万吨/年1202405.010.013石油化工生产过程APCRTO潜在效益装置名称处理量效益(万元石油化工生产过程石油化工生产过程APC/RTO潜在效益潜在效益n潜在效益是APC/RTO发展的动力生产装置规模越大，效益越显著社会越发展，要求越迫切nBenson&Perkins 的估计(CPC-V,1996)基于运行平均水平与先进水平差矩分析：平稳控制与动态优化：1200 亿/年减少起动、停车与切换：1000 亿/年n生产过程的实时优化14石油化工生产过程APC/RTO潜在效益潜在效益是APC/RT已有已有PID控制系统，还需要控制系统，还需要APC吗？吗？石油化工生产装置操作运性特性：n多变量关联n动态变化：多种动态响应与多重时滞n非线性：变量间关系随操作状态变化n许多重要变量不能实时测量得到n运行状态、约束与控制要求经常发生变化干扰、设备、工艺条件、运行环境生产负荷生产方案：产品规格、工艺流程结构：(作为被控对象)被控变量与操纵变量的变化15已有PID控制系统，还需要APC吗？石油化工生产装置操作运性已有已有PID控制系统，还需要控制系统，还需要APC吗？吗？nPID控制是平稳生产运行的必不可少的手段对响应慢、时间滞后明显的过程，控制性能有待提高n由PID控制组成的多变量控制作用有限串级、均匀、选择、分程等发挥了一定作用，但有限。不完全适应多变量互相影响的生产过程nPID控制不完全适应生产过程操作控制的要求不便于处理约束和和区域控制要求无多变量协调优化功能nPID控制难于适应生产过程的变化，无优化功能16已有PID控制系统，还需要APC吗？PID控制是平稳生产运行上世纪八十年代上世纪八十年代APC开始发挥作用开始发挥作用n背景：现代控制理论的发展与应用数字计算机技术的发展，DCS的出现生产过程规模的不断扩大，迫切要求更好的控制与优化n突破点：模型预测控制（Model Predictive Control）用数学模型描述生产过程的动态变化用模型预测未来变化，实现最优控制在每个控制时刻实时修正模型n迅猛发展：多变量控制与协调优化、变结构控制不可测变量的实时计算软仪表技术的发展与应用生产过程的实时优化非线性控制17上世纪八十年代APC开始发挥作用背景：现代控制理论的发展与应n基于现有的DCS和常规控制系统n采用分布式体系结构n机理动态数学模型为主、测试辨识模型为辅n基于机理动态模型的产品质量在线计算观测n采用多变量模型预测控制器技术n基于先进控制实施反应深度实时优化，实现目标产品产率最大化n很好地适应原料性质的变化，适应生产方案的变化系统技术路线与特点18基于现有的DCS和常规控制系统系统技术路线与特点18常规控制层常规控制层软测量软测量先进控制层先进控制层实时优化层实时优化层操作操作&监控层监控层系统结构图19常规控制层软测量先进控制层实时优化层操作&监控层系统结构图1物理实现20物理实现20先进控制与实优化系统软件n数据采集软件Honeywell PHDAspen InfoPlusPACROS RTDSaver n先进控制软件Honeywell RMPCT Aspen DMCPlus PACROS VSUPCCn实时优化软件Profit OptimizerAIM Quick OptimizerPACROS RSROPT21先进控制与实优化系统软件数据采集软件21系统效益分析n系统实施后综合效益明显提升n重要变量控制平稳性显著提高n目的产品收率提高n实现产品质量卡边控制n降低装置能耗n操作员劳动强度降低n整体操作水平提升n系统安全性提高22系统效益分析系统实施后综合效益明显提升22n吉林石化常减压装置先进控制系统设计能力：350万吨/年工程范围：初馏塔与常压塔的先进控制项目内容n系统运行平台n软测量仪表n非线性液位控制系统n先进控制系统验收效益n轻收提高0.58个百分点n经济效益560万元/年23吉林石化常减压装置先进控制系统23n吉林石化常减压（续）初馏塔顶回流罐液位初馏塔顶回流罐液位 常压塔顶回流罐液位常压塔顶回流罐液位 初馏塔顶温度初馏塔顶温度 24吉林石化常减压（续）初馏塔顶回流罐液位 24n辽阳石化重整装置先进控制与实时优化系统处理能力：55万吨/年工程范围：全装置的先进控制和优化项目内容：n系统运行平台n软测量仪表n先进控制系统n反应深度实时优化系统验收效益n芳烃收率提高0.715个百分点n综合能耗降低15.3kg(EO)/t n经济效益1260万元/年4个固定床个固定床反应器串联反应器串联25辽阳石化重整装置先进控制与实时优化系统4个固定床25n辽化重整（续）26辽化重整（续）26n吉林石化FCCU先进控制与实时优化系统处理能力：140万吨/年工程范围：全装置的先进控制和优化 【反再、分馏和吸收稳定部分】项目内容n系统运行平台n软测量仪表n先进控制系统n反应深度实时优化系统n吸收稳定实时优化系统验收效益n总液收提高:1.23%；轻收提高:0.79%n干气C3+组分损失降低:4.19%（重量百分比）n丙烯损失从8%降低至2%n经济效益1700万元/年27吉林石化FCCU先进控制与实时优化系统27n吉林石化FCCU（续）稳定塔再沸温度常规PID控制 2003.12.10-14稳定塔再沸温度VSUPCC控制 2003.12.15-18 28吉林石化FCCU（续）稳定塔再沸温度常规PID控制 200n大连石化FCCU先进控制与实时优化系统处理能力：350万吨/年工程范围：全装置的先进控制和优化项目内容n系统运行平台n软测量仪表n先进控制系统n反应深度实时优化系统n吸收稳定实时优化系统验收效益n轻油收率提高：0.78%n经济效益2438万元/年29大连石化FCCU先进控制与实时优化系统29n吉林石化苯乙烯装置先进控制与实时优化系统处理能力：10万吨/年工程范围：全装置的先进控制和优化项目内容n系统运行平台n软测量仪表n先进控制系统n反应深度实时优化系统验收效益n乙苯脱氢单元产品收率提高：0.88%（其中苯乙烯0.57%,甲苯0.31%)n烷基化单元多乙苯收率提高：0.563%（其中乙苯0.414%,二乙苯0.11%)n装置综合能耗：5.8%n装置处理能力：2%n经济效益895万元/年3个烷基化反应器个烷基化反应器1个转烷基化反应器个转烷基化反应器2个乙苯脱氢反应器个乙苯脱氢反应器30吉林石化苯乙烯装置先进控制与实时优化系统3个烷基化反应器30n吉化苯乙烯（续）响应慢、大滞后过程控制的改善响应慢、大滞后过程控制的改善31吉化苯乙烯（续）响应慢、大滞后过程控制的改善31n沧州石化气分装置先进控制系统设计能力：20万吨/年工程范围：全装置的先进控制和优化项目内容n系统运行平台n软测量系统n非线性液位控制n先进控制系统n绩效考核系统验收效益n丙烯收率提高1.7个百分点n综合能耗降低5.83千克标油n增加产能32沧州石化气分装置先进控制系统32n独山子石化催化裂化先进控制与实时优化系统设计能力：80万吨/年工程范围：全装置的先进控制和优化项目内容n系统运行平台n软测量系统n先进控制系统n实时优化系统n绩效考核系统验收效益n轻收率提高0.65个百分点n经济效益918万元/年33独山子石化催化裂化先进控制与实时优化系统33主要内容n先进控制系统概述n先进控制系统技术介绍先进控制系统技术介绍n案例分析n工程实施34主要内容先进控制系统概述34预测控制技术介绍预测控制技术介绍35预测控制技术介绍35自动控制技术的发展自动控制技术的发展从上世纪40年代开始，采用PID控制规律的单输入单输出（SISO）简单反馈控制回路成为过程控制的核心系统。其理论基础是经典控制理论，主要采用频域分析方法进行控制理论的分析设计和综合。目前，PID控制仍被广泛采用，即使在大量采用DCS控制的最现代化的装置中，PID回路仍占回路总数的80%到90%。这是因为PID控制算法是对人的简单而有效操作方式的总结和模仿，工业界比较熟悉且容易接受。然而，单回路PID控制并不能适用于所有的过程和不同的要求。从50年代开始，逐渐发展了串级、比值、前馈、均匀等复杂控制系统。在很大程度上满足了单变量控制系统的一些特殊的控制要求。它们从理论上看仍是经典控制理论的产物。36自动控制技术的发展从上世纪40年代开始，采用PID控制规自动控制技术的发展自动控制技术的发展nPID控制优点PProportion，比例，对当前偏差的直接利用；IIntegral，积分，反映的是偏差的历史积累；DDifferential，微分，预测未来，反映的是偏差的变化速度，仅前瞻一步；不需要对象的模型；分析、设计和实现简单，易于被现场工程师所接受；具有较强的鲁棒性；37自动控制技术的发展PID控制优点37自动控制技术的发展自动控制技术的发展n常规控制缺点PID控制器参数整定较困难，尚无系统化的参数整定方法，需要丰富的经验才能达到较好的控制效果。主要采用基于偏差的反馈控制，而不是基于模型的控制技术，信息利用率不足。一般只适用于SISO（单入单出）系统，最多加入前馈或串级系统，无法处理MIMO（多入多出）复杂工业系统的控制问题，尤其是控制变量中包含有约束限制。鲁棒性能有限，工作点漂移时无法保证性能，跟踪性能与抗干扰能力矛盾。38自动控制技术的发展常规控制缺点38自动控制技术的发展自动控制技术的发展从50年代末发展起来的以状态空间方法为主体的现代控制理论在航天、军事、机器人等领域得到广泛的应用。它为过程控制带来了状态反馈、输出反馈、解耦控制、最优控制等一系列多变量控制系统设计方法。过程工业日益走向大型化、连续化，对工业生产过程的品质要求越来越高，控制与经济效益的矛盾日趋尖锐，迫切需要各企业根据自身情况采用合适的先进控制策略来解决直接与产品质量、产率和消耗等指标有关的而传统的方法又无法奏效的控制问题。39自动控制技术的发展从50年代末发展起来的以状态空间方法为预测控制的产生预测控制的产生n预测控制是70年代后期提出来的n法国和美国最早将预测控制运用于过程控制领域，如Cutler的动态矩阵控制（DMC）Rechalet等人的模型预测启发式控制（MPHC）Rouhani等人的模型算法控制（MAC）Garcia等人的内模控制（IMC）Clarke等人的广义预测控制（GPC）40预测控制的产生预测控制是70年代后期提出来的40预测控制的发展预测控制的发展n80年代后，预测控制的研究和应用有了很大的发展，各种基于预估制控制的理论、思想和方法纷纷出现，提出了很多改进算法。例如：有针对时滞对象、非最小相位对象、非自衡被控对象、多输入多输出时的预测控制研究有约束情况下的算法研究预测控制的状态空间表示方法，从而可以用现代控制理论的一些方法进行设计对于非线性系统，采用非线性Hammerstein模型作为预估模型进行控制41预测控制的发展80年代后，预测控制的研究和应用有了很大的发展预测控制的发展预测控制的发展研究包括修改目标函数表示法、在非参数模型中引入自校正机制、将预测控制和其它先进的控制方案相结合等。在一定限制条件下证明预测控制的稳定性和鲁棒性。对系统性能的影响规律进行了分析研究，对系统设计和参数选择有很好的指导意义。42预测控制的发展研究包括修改目标函数表示法、在非参数模型中引入模型预测控制理论发展模型预测控制理论发展n第一代MPC：1978年MAC，DMC，IMC，GPC主要特点：由实测脉冲或阶跃响应建立模型n第二代MPC：1982年典型代表：QDMC、状态反馈预测控制、提高抑制干扰能力主要特点：处理约束和多变量系统n第三代MPC：1990年商业化软件：DMC Plus(AspenTech)、RMPCT(Honeywell)、PACROS、START43模型预测控制理论发展第一代MPC：1978年43预测控制的基本原理预测控制的基本原理n模型预测用模型预测未来时刻被控对象的运动和误差，以其作为确定当前控制作用的依据，使控制策略适应被控对象的存储性、因果性和滞后性，可得到较好的控制效果。n反馈校正利用可测信息，在每个采样时刻对预估值进行修正，抑制模型失配和干扰带来的误差。用修正后的预估值作为计算最优控制的依据，使控制系统的鲁棒性得到明显提高n滚动优化滚动优化是相对最优控制而言，所谓滚动优化是每个采样周期计算一次最优控制序列，但只输出其中第一个值，下一个采样周期再计算一次，输出一次，周而复始滚动执行，其实质是考虑了实际控制过程中各种不确定性；模型的误差和系统的干扰通过被控变量测量值进行反馈校正，从而使系统达到实际上的最优。44预测控制的基本原理模型预测44预测控制原理图示预测控制原理图示过去未来yR(k)yM(k)u(k)P10L-1ky(k)ysy45预测控制原理图示过去未来yR(k)yM(k)u(k)P10L预测控制各部分间的关系预测控制各部分间的关系参考轨迹参考轨迹控制算法控制算法 对对 象象预估模型预估模型ySyRuyd+-yM46预测控制各部分间的关系参考轨迹控制算法 对 象预估模型yS先进控制与常规控制先进控制与常规控制n与常规控制同样的操作手段、同样的最终目标、不同的控制和优化方法n基于常规PID控制，但对PID有要求（仪表、调节阀、PID参数等）n系统设计源于工艺机理、常规控制与日常操作经验nAPC是工具，为操作服务常规控制针对单回路，单输入与单输出Single Input Single Output(SISO)先进控制针对多输入多输出对象Multiple Input Multiple Output(MIMO)47先进控制与常规控制与常规控制同样的操作手段、同样的最终目标、PIDOPSPPVSingle-Input-Single-Output单输入单输出单输入单输出MBPCPV1PV2PNnSPsOP1OP2OP3OPmMulti-Input-Multi-Output多输入多输出多输入多输出什么是多变量控制什么是多变量控制48PIDOPSPPVSingle-Input-Single-On大量存在关联性的流程工业过程 n对模型精度不敏感n控制器结构灵活多变n对大规模的复杂过程，相对易于实现与使用多变量控制应用特色多变量控制应用特色49大量存在关联性的流程工业过程 多变量控制应用特色49MV 1MV 2MV 3DV 1CV 1CV 2CV 3预测模型预测模型50MV 1MV 2MV 3DV 1CV 1CV 2CV 3预测期望的期望的CV轨迹轨迹HistorySettling TimeNow期望CV 轨迹偏差Time51期望的CV轨迹HistorySettling TimeNow控制作用下的控制作用下的CV轨迹轨迹forced CV trajectoryProjected future movesSettling TimeNowHistoryTime52控制作用下的CV轨迹forced CV trajectorn预测试与PID整定n功能设计与效益分析n阶跃测试n模型辨识n离线控制器设计与仿真n操作工与工程师培训n调试投运 多变量预测控制器实施多变量预测控制器实施53预测试与PID整定多变量预测控制器实施53软测量技术介绍软测量技术介绍54软测量技术介绍54基本概念基本概念软测量又称软仪表（Soft Sensor），是把控制理论与生产工艺过程知识有机结合起来，应用计算机技术，对一些难于测量或暂时不能测量的重要变量，选择另外一些容易测量的变量，通过构成某种数学关系来推断和估计，以软件来代替仪表功能。55基本概念软测量又称软仪表（Soft Sensor），是把基本概念基本概念n软测量基于模型，用可测变量计算不可测值提供操作指导闭环控制在线校正模模型型温度温度流量流量压力压力液位液位软测量值软测量值56基本概念软测量模型温度软测量值56为什么使用软测量技术为什么使用软测量技术n产品质量是控制的主要目的 所有工业生产的目的都是为了获得合格的产品，于是质量控制成为所有控制的核心。为了实现良好的质量控制，就必须对产品质量或与产品质量密切相关的重要过程变量进行严格控制。n质量指标往往不易实时获得目前还没有在线质量分析仪在线质量分析仪过于昂贵维护保养复杂有较大的测量滞后，难于满足实时控制要求57为什么使用软测量技术产品质量是控制的主要目的 57为什么使用软测量技术为什么使用软测量技术n软测量技术的出现推动了产品质量的直接闭环控制早在 70年代，Brosillow就提出了推断控制的基本思想和方法：采集过程中比较容易测量的辅助变量(Secondary Variable)，构造推断估计器来估计并克服扰动和测量噪声对过程主导变量(Primary Variable)的影响。推断控制策略包括估计器和控制器的设计。现在发展起来的软测量技术就体现了估计器的特点。在以软仪表的估计值作为反馈信号的控制系统中，控制器与软仪表的设计是分离的，给设计带来极大的便利。58为什么使用软测量技术软测量技术的出现推动了产品质量的直接闭环可测过程扰动可测过程扰动可测过程输入可测过程输入可测过程输出可测过程输出软测量软测量模型模型主导变量主导变量估计值估计值在线校正在线校正辅助变量辅助变量软测量技术特点软测量技术特点n软测量技术是以某种最优化准则，利用辅助变量计算实现对主导变量的推断。n核心是表征辅助变量和主导变量之间关系的数学模型。59可测过程扰动软测量主导变量在线校正辅助变量软测量技术特点软测软测量技术特点软测量技术特点n软测量模型注重的是通过辅助变量来获取对主导变量的最佳估计，不是强调各输入、输出之间的关系。n软测量模型不是一般意义上的数学模型公式。n软测量模型完成由辅助变量构成的可测信息到主导变量y的映射。利用数学公式表示为：60软测量技术特点软测量模型注重的是通过辅助变量来获取对主导变量软测量技术分类软测量技术分类n软测量的技术分类都是依据软测量模型的建立方法 n建模的方法多种多样、互有交叉，目前又有融合的趋势。很难有妥当的而又全面的方法。n一般将软测量技术分为：机理建模、回归分析、状态估计、模式识别、人工神经网络、模糊数学、过程层析成像、相关分析和现代非线性处理技术等。61软测量技术分类软测量的技术分类都是依据软测量模型的建立方法 软测量技术分类软测量技术分类n其中机理建模、回归分析、状态估计、模式识别、人工神经网络、模糊数学软测量的技术研究较为深入，在过程检测和控制有许多成功的应用。n而后三种技术：过程层析成像、相关分析和现代非线性处理技术限于技术发展水平，在过程控制中还应用较少。62软测量技术分类其中机理建模、回归分析、状态估计、模式识别、人软测量建模方法软测量建模方法n机理建模：一般又称“白箱”n辨识建模：一般又称“黑箱”n机理建模和辨识建模相结合：一般又称“灰箱”63软测量建模方法机理建模：一般又称“白箱”63软测量建模方法软测量建模方法n机理建模方法推断估计(Inferential Control)稳态机理模型动态机理模型的观测器方法 白箱模型白箱模型64软测量建模方法机理建模方法64软测量建模方法软测量建模方法n辨识建模方法回归分析法（PCR，PLS）ANN模式识别法模糊数学法 黑箱模型黑箱模型?65软测量建模方法辨识建模方法?65软测量建模方法软测量建模方法n机理建模辨识建模 灰箱模型灰箱模型66软测量建模方法机理建模辨识建模66软测量在线校正软测量在线校正n校正原因：生产装置在实际运行过程中，随着操作条件的变化，其过程对象特性不可避免地发生变化和漂移。有必要对软仪表的预测进行在线校正，来适应新工况。（如炼油中，原料性质的变化，对软仪表冷性质的预测影响是很大的。）n软仪表的校正包括两个方面：模型结构的优化模型参数修正 67软测量在线校正校正原因：生产装置在实际运行过程中，随着操作条软测量在线校正软测量在线校正生产过程常规测量仪表常规控制软测量仪表校正数据先进控制优化控制过程监测管理68软测量在线校正生产过程常规测量仪表常规控制软测量仪表校正数据机理分析、选择辅助变量数据采集和预处理建立软仪表模型设计校正模块在装置上实现软测量评价软测量软测量开发流程软测量开发流程69机理分析、选择辅助变量数据采集和预处理建立软仪表模型设计校正主要内容n先进控制系统概述n先进控制系统技术介绍n案例分析案例分析n工程实施70主要内容先进控制系统概述70典型装置先进控制系统蒸馏71典型装置先进控制系统蒸馏71蒸馏装置的软测量系统n对初馏塔、常压塔塔顶及侧线馏分产品质量进行计算，提供以下软测量参数初馏塔顶终馏点常压塔顶终馏点常压塔一线干点常压塔一线闪点常压塔二线倾点常压塔三线倾点72蒸馏装置的软测量系统对初馏塔、常压塔塔顶及侧线馏分产品质量进常压塔控制器被控被控变量量(CV)操操纵变量量(MV)干扰变量干扰变量(DV)初馏塔顶温度初顶冷回流流量初馏塔进料总流量初馏塔顶终馏点常顶冷回流流量初馏塔进料温度常压塔顶温度常一线抽出流量常压塔进料总流量常压塔顶终馏点常二线抽出流量常压塔汽提蒸汽流量常压塔一线10%点、98%点常三线抽出流量常压塔一线闪点、冰点常四线抽出流量常压塔二线95%点常一中回流量常压塔二线倾点常二中回流量常压塔三线抽出温度常压炉出口温度常压塔四线抽出温度73常压塔控制器被控变量(CV)操纵变量(MV)干扰变量(DV)减压塔控制器被控被控变量量(CV)操操纵变量量(MV)干干扰变量量(DV)减压塔顶温度减顶冷回流量减压炉进料总流量减压塔一线95%点减一线抽出流量减顶真空度减二线抽出温度减二线抽出流量减压塔汽提蒸汽流量减三线抽出温度减三线抽出流量减四线抽出温度减四、五线抽出流量减一中回流量减二中回流量减压炉出口温度74减压塔控制器被控变量(CV)操纵变量(MV)干扰变量(DV)系统达到的目标n在保证各产品馏出口质量合格的情况下，轻油（汽油+航煤+常二线柴油）收率提高0.35%以上n在不影响产品质量指标及收率的情况下，提高装置热回收率，降低装置能耗在10（千克标油/吨原料）以下n产品质量馏出口合格率由98%提高至98.5%n装置在处理量波动上有较大弹性，能够适应频繁的生产方案变化，避免生产波动，尽可能降低劳动强度，保证工艺平稳率在98.5%以上75系统达到的目标在保证各产品馏出口质量合格的情况下，轻油（汽油典型装置先进控制系统催化裂化76典型装置先进控制系统催化裂化76催化裂化软测量系统反反应再生部分再生部分主分主分馏塔部分塔部分吸收吸收稳定部分定部分富气、汽油、柴油、富气、汽油、柴油、回回炼、外甩重油、外甩重油产率率汽汽剂比、各比、各进料比、料比、烧焦量、再生催化焦量、再生催化剂定碳、烟气氧含量、定碳、烟气氧含量、再生烟气氧含量与再生烟气氧含量与烧焦量、催化焦量、催化剂总循循环量、外取量、外取热热量量异常工况异常工况检测：滑：滑阀异常、催化异常、催化剂流流动异异常（架常（架桥、塌方等）、塌方等）粗汽油干点；粗汽油干点；柴油柴油95%点；点；塔内各段气、液相（内塔内各段气、液相（内回流）流量、回流）流量、线速、油速、油气分气分压；进料料组成（裂化反成（裂化反应产物中个物中个产品品产率）率）液位速率液位速率稳定汽油干点定汽油干点稳定汽油定汽油10%点点液化气液化气C2含量含量液化气液化气C5含量；含量；干气干气C3含量含量液位速率液位速率77催化裂化软测量系统反应再生部分主分馏塔部分吸收稳定部分富气、反应再生控制器被控被控变量量(CV)操操纵变量量(MV)干干扰变量量(DV)宏观反应热反应温度回炼油温度反应温度汽提蒸汽流量回炼油浆温度再生温度新鲜进料流量再生器主风量氧含量回炼油流量两器差压回炼罐液位外甩油浆流量再滑阀压降回炼罐液位速率外取热量原料雾化蒸汽流量预提升蒸汽流量二反滑阀阀位78反应再生控制器被控变量(CV)操纵变量(MV)干扰变量(DV主分馏系统控制器被控被控变量量(CV)操操纵变量量(MV)干干扰变量量(DV)汽油干点塔顶温度塔顶温度三通阀塔顶冷回流贫吸收油流量富吸收油返塔温度柴油闪点顶循流量解吸塔再沸后温度柴油95%点一中流量 稳定塔再沸后温度柴油抽出温度二中流量沉降器出口温度塔底温度柴油抽出层温度塔底蒸汽流量塔底液位柴油汽提蒸汽量装置总进料量塔底液位速率油浆循环流量油浆回炼量外甩流量79主分馏系统控制器被控变量(CV)操纵变量(MV)干扰变量(D吸收稳定系统控制器被控被控变量量(CV)操操纵变量量(MV)干干扰变量量(DV)吸收剂比值吸收塔补吸剂流量粗汽油进料温度LPGC2含量贫吸收油流量粗汽油流量LPGC5含量再吸收塔顶压力分馏塔顶循流量干气C3含量解析塔底再沸器温度分馏塔一中流量稳定汽油的10%点稳定塔顶回流稳定塔顶温度稳定塔底再沸器温度稳定塔底再沸温度吸收塔顶温度解析塔底温度80吸收稳定系统控制器被控变量(CV)操纵变量(MV)干扰变量(系统达到的目标n在保证装置运行在约束范围内的基础上，汽、柴、液态烃总收率提高0.5%n液态烃C2含量1n液态烃C5含量0.5%n干气C3含量2.5%n汽油干点、柴油干点实现卡边控制，控制指标为1.5度以内；81系统达到的目标在保证装置运行在约束范围内的基础上，汽、柴、液典型装置先进控制系统加氢裂化82典型装置先进控制系统加氢裂化82加氢裂化软测量系统反反应系系统部分部分分分馏系系统部分部分精制反精制反应器器氢油比油比精制反精制反应器空速器空速转化率化率裂化反裂化反应器器氢油比油比裂化反裂化反应器空速器空速热高高压分离器液位速率分离器液位速率热低低压分离器液位速率分离器液位速率冷高冷高压分离器液位速率分离器液位速率冷低冷低压分离器液位速率分离器液位速率液化气液化气C5含量含量脱丁脱丁烷塔塔顶回流罐回流罐V1007液位速率液位速率脱丁脱丁烷塔液位速率塔液位速率轻、重石、重石脑油干点油干点航煤干点航煤干点、残留量残留量、闪点点柴油干点柴油干点常常压塔底液位速率塔底液位速率减一、二、三减一、二、三线（轻、中、重、中、重质滑油料）滑油料）98%点点减一、二减一、二线（轻、中、中质滑油料）滑油料）2%点点减减压塔液位速率塔液位速率83加氢裂化软测量系统反应系统部分分馏系统部分精制反应器氢油比液反应控制器被控被控变量量(CV)操作操作变量量(MV)干干扰变量量(DV)精制反应温度CAT1F1001出口温度加热炉入口温度精制一床层入口温度精制二床层冷氢量原料油流量精制二床层入口温度精制三床层冷氢量燃料气压力精制三床层入口温度烟道挡板开度循环氢流量反应炉氧含量炉膛供风手操器循环油流量反应炉膛负压反应一床层冷氢量混合原料油密度转化率反应二床层冷氢量减压回炼油量裂化反应温度CAT2反应三床层冷氢量减顶乙烯料回炼量裂化一床层入口温度反应四床层冷氢量裂化二床层入口温度裂化三床层入口温度裂化四床层入口温度84反应控制器被控变量(CV)操作变量(MV)干扰变量(DV)精反应分离控制器被控被控变量量(CV)操作操作变量量(MV)干干扰变量量(DV)热高分V1003液位V1003液位给定原料油流量热高分V1003液位速率V1004液位给定冷高分V1004液位V1005出料量给定冷高分V1004液位速率V1006出料量给定热低分V1005液位热低分V1005液位速率冷低分V1006液位冷低分V1006液位速率85反应分离控制器被控变量(CV)操作变量(MV)干扰变量(DV脱丁烷塔控制器被控被控变量量(CV)操作操作变量量(MV)干干扰变量量(DV)脱丁烷塔顶温度脱丁烷塔顶回流量V1005进T1001量液化气C5含量再沸炉出口温度V1005进T1001温度脱丁烷塔底温度烟道挡板开度V1006进T1001量再沸炉出口温度炉膛供风手操器V1006进T1001温度再沸炉氧含量再沸炉一支路阀位燃料气罐压力再沸炉炉膛负压再沸炉二支路阀位V1007压力V1007液位V1007出料量V1007进料温度V1007液位速率86脱丁烷塔控制器被控变量(CV)操作变量(MV)干扰变量(DV常压塔控制器被控被控变量量(CV)操作操作变量量(MV)干干扰变量量(DV)轻石脑油干点常顶回流量常压炉进料总量常压塔顶温度重石抽出量常压炉进料温度重石脑油干点T1005再沸温度常压塔顶压力重石抽出温度航煤抽出量燃料气罐压力航煤干点柴油抽出量航煤闪点常压炉出口温度航煤抽出温度烟道挡板开度柴油干点炉膛供风手操器抽出温度常压炉出口温度常压炉氧含量87常压塔控制器被控变量(CV)操作变量(MV)干扰变量(DV)减压塔控制器被控被控变量量(CV)操作操作变量量(MV)干干扰变量量(DV)减压塔顶温度减顶回流量减压炉进料总量减一线98%点、2%点减一抽出量减压炉进料温度减一线抽出温度减二抽出量减压塔顶真空度减二线98%点、2%点减底出装置量燃料气罐压力减二线抽出温度减压炉燃料气压力减三线2%点减压炉烟道挡板开度减压炉出口温度、氧含量减压炉支路流量I减压炉炉膛负压减压炉支路流量II减压塔底液位及速率常压塔底液位及速率88减压塔控制器被控变量(CV)操作变量(MV)干扰变量(DV)系统达到的目标n提高装置控制性能，重要变量波动均方差减少20%以上 n在原料性质一致，反应转化率一定的情况下，保证（航煤柴油）总收率提高0.4个百分点 n实现处理量的提高89系统达到的目标提高装置控制性能，重要变量波动均方差减少20%典型装置先进控制系统连续重整90典型装置先进控制系统连续重整90连续重整装置软测量系统预加加氢与重整反与重整反应部分部分重整分重整分馏塔部分塔部分预加加氢反反应氢油比油比WAITWABT重整反重整反应氢油比油比重整生成油芳重整生成油芳烃含量含量重整汽油辛重整汽油辛烷值四个重整反四个重整反应器宏器宏观反反应热简称称反反应热脱戊脱戊烷塔塔顶C6+含量含量脱戊脱戊烷塔底塔底C5-含量含量C301塔塔顶C5+含量含量C301塔底塔底C4-含量含量脱脱C6塔塔塔塔顶C7+含量含量脱脱C6塔塔底塔塔底C6-含量含量91连续重整装置软测量系统预加氢与重整反应部分重整分馏塔部分预加预加氢及重整反应控制器被控被控变量量(CV)操操纵变量量(MV)干干扰变量量(DV)预加氢炉出口温度预加氢炉瓦斯压力预加氢进料流量重整一反入口温度1#炉出口温度预加氢进料预热后温度重整二反入口温度2#炉出口温度重整反应进料流量重整三反入口温度3#炉出口温度一反加热炉入口温度重整四反入口温度4#炉出口温度二反加热炉入口温度一反反应热三反加热炉入口温度二反反应热四反加热炉入口温度三反反应热四反反应热92预加氢及重整反应控制器被控变量(CV)操纵变量(MV)干扰变重整分馏控制器被控被控变量量(CV)操操纵变量量(MV)干干扰变量量(DV)脱戊烷塔顶C6+含量脱戊烷塔顶回流量脱戊烷塔分离罐底抽出量脱戊烷塔底C5-含量脱戊烷塔去脱丁烷塔量脱戊烷塔进料温度脱戊烷塔灵敏板温度脱戊烷塔底液位给定脱戊烷塔顶压力脱戊烷塔回流罐液位脱戊烷塔再沸炉燃气压力脱戊烷塔底液位脱戊烷塔底温度C301烷塔顶C5+含量C301烷塔顶回流量C301烷塔进料温度C301烷塔底C4-含量C301烷塔液化气出装置C301烷塔进料流量C301烷塔灵敏板温度C301烷塔再沸器加热蒸汽量C301烷塔塔顶压力C301烷塔回流罐液位C301烷塔底温度脱C6塔顶C7+含量脱C6塔顶回流量脱C6塔进料温度脱C6塔底C6-含量脱C6塔C6去芳烃量脱C6塔顶压力脱C6塔灵敏板温度脱C6塔加热炉燃气压力脱C6塔底温度脱C6塔回流罐液位93重整分馏控制器被控变量(CV)操纵变量(MV)干扰变量(DV系统达到的目标n使苯类产品的收率和回收率提高，提高苯类产品使苯类产品的收率和回收率提高，提高苯类产品收率收率0.5%n处理量同比提高处理量同比提高1%n改善装置的稳定性，延长催化剂的寿命：保证反改善装置的稳定性，延长催化剂的寿命：保证反应器重整温度波动小于应器重整温度波动小于3摄氏度。摄氏度。n控制苯类产品的纯度在其规定的质量指标内，达控制苯类产品的纯度在其规定的质量指标内，达到国标优级。到国标优级。n每月燃料气消耗，综合能耗同比降低每月燃料气消耗，综合能耗同比降低3%。94系统达到的目标使苯类产品的收率和回收率提高，提高苯类产品收率反应深度实时优化系统95反应深度实时优化系统95反应深度优化目标n优化目标 其中：反应产物中各产品产率或其他指标；各产率或指标加权系数。n 选择不同加权系数得到各种不同目标。96反应深度优化目标96反应深度实时优化调优方法n反应深度动态自寻优反应深度动态自寻优基于在线实时计算优化目标和反应深度控制基于在线实时计算优化目标和反应深度控制适应工程实际，不要求仪表绝对准确适应工程实际，不要求仪表绝对准确n以动态数学模型计算的目标和反应热相对变化为依据以动态数学模型计算的目标和反应热相对变化为依据n按动态数学模型确定调优方向，改变反应热设定按动态数学模型确定调优方向，改变反应热设定维持优化：寻到优化值后自行停止调优，平稳运行维持优化：寻到优化值后自行停止调优，平稳运行适应变化：原料、工况和操作条件变化后自行起动寻优适应变化：原料、工况和操作条件变化后自行起动寻优充分利用各种可测或观测信息，充分考虑各种约束充分利用各种可测或观测信息，充分考虑各种约束寻优周期：寻优周期：10分钟（用稳态模型需分钟（用稳态模型需120分钟以上）分钟以上）97反应深度实时优化调优方法反应深度动态自寻优97反应深度实时优化调优特色n不要求原料性质和催化剂活性化验数据不要求原料性质和催化剂活性化验数据n不要求仪表绝对准确不要求仪表绝对准确n可在正常动态变化过程中完成寻优可在正常动态变化过程中完成寻优n根据装置运行情况，自动完成寻优后维持平稳运根据装置运行情况，自动完成寻优后维持平稳运行行n可随时在线调整优化目标（加权系数）可随时在线调整优化目标（加权系数）98反应深度实时优化调优特色不要求原料性质和催化剂活性化验数据9催化裂化反应深度实时优化系统催化反催化反应深度深度优化化软测量量催化反催化反应深度深度优化器化器富气（干气、液富气（干气、液态烃）、汽油、柴）、汽油、柴油、回油、回炼、外甩重油、外甩重油产率率汽汽剂比、各比、各进料比、料比、烧焦量（生焦焦量（生焦率）、再生催化率）、再生催化剂定碳、烟气氧含定碳、烟气氧含量、再生烟气氧含量与量、再生烟气氧含量与烧焦量、催焦量、催化化剂总循循环量（一再到二再）、外量（一再到二再）、外取取热热量量异常工况异常工况检测：滑：滑阀异常、催化异常、催化剂流流动异常（架异常（架桥、塌方等）、塌方等）优化目化目标：各：各产品收率品收率调优手段：宏手段：宏观反反应热反反应深度控制深度控制pCV：宏：宏观反反应热、反、反应温度温度pMV：再生滑：再生滑阀（反（反应温度温度PID）pDV：反：反应压力、再生温度、力、再生温度、进料温料温度等度等99催化裂化反应深度实时优化系统催化反应深度优化软测量催化反应深连续重整反应深度实时优化系统反反应深度深度优化化软测量量反反应深度深度优化控制器化控制器重整反重整反应器反器反应热重整反重整反应器入口加器入口加权平均温度平均温度WAIT重整生成油芳重整生成油芳烃含量含量重整生成油的辛重整生成油的辛烷值优化目化目标：芳：芳烃收率或收率或产品收率品收率调优手段：宏手段：宏观反反应热反反应深度控制深度控制pCV：宏：宏观反反应热（观测）、）、WABT、各段反、各段反应温度温度pMV：反：反应温度温度给定定pDV：燃料气：燃料气压力、加力、加热炉炉进料温度料温度等等100连续重整反应深度实时优化系统反应深度优化软测量反应深度优化控加氢裂化反应深度实时优化系统反反应深度深度优化化软测量量反反应深度深度优化控制器化控制器反反应转换率率裂化反裂化反应热各种各种产品的收率（包括石品的收率（包括石脑油、油、航煤、柴油等）航煤、柴油等）优化目化目标：产品收率或品收率或转化率化率调优手段：宏手段：宏观反反应热反反应深度控制深度控制pCV：宏：宏观反反应热（转换率）率）pMV：CAT、各床、各床层入口温度入口温度pDV：进料量、炉子料量、炉子进料温度、上一料温度、上一床床层的入口温度等的入口温度等101加氢裂化反应深度实时优化系统反应深度优化软测量反应深度优化控主要内容n先进控制系统概述n先进控制系统技术介绍n案例分析n工程实施工程实施102主要内容先进控制系统概述102n工程实施基本条件现场条件要求工艺生产工艺生产工艺生产工艺生产正常正常正常正常DCSDCS与常规与常规与常规与常规控制系统运控制系统运控制系统运控制系统运行正常行正常行正常行正常基础数据基础数据基础数据基础数据准备准备准备准备项目各方的项目各方的项目各方的项目各方的充分配合与充分配合与充分配合与充分配合与沟通沟通沟通沟通103工程实施基本条件现场条件要求工艺生产正常DCS与常规控制系统n生产条件要求工艺生产正常DCS常规控制系统正常运行有关控制回路、现场一次表、调节阀等正常运行n常规PID控制系统要求先进控制系统以常规PID的给定值作为其操作变量要求相关PID投用自动常规PID的整定与投用现场条件要求现场条件要求104生产条件要求现场条件要求104n化验数据要求软测量模型建立的基础要求n必要的频次n精心采样，降低采样误差n准确记录采样时间，降低采样滞后影响n专人化验，降低人为误差n现场工作协调技术开发处、机动处、生产处以及工艺、仪表与先进控制技术实施方等各方共同协调一致，是共同保证项目成功的关键。现场条件要求现场条件要求105化验数据要求现场条件要求105n项目实施的一般步骤工程实施与项目管理工程实施与项目管理项目技术协议项目技术协议项目技术协议项目技术协议与初步方案与初步方案与初步方案与初步方案 技术协议 开工会报告 基本情况汇总 详细设计报告 仿真验证系统 操作员手册 系统优化方案 系统实施计划 系统实施报告开工会开工会开工会开工会现场调研和数据采集现场调研和数据采集现场调研和数据采集现场调研和数据采集基本情况建立基本情况建立基本情况建立基本情况建立机理模型客户化开发机理模型客户化开发机理模型客户化开发机理模型客户化开发派生模型客户化开发派生模型客户化开发派生模型客户化开发派生模型客户化开发先进控制工程实施先进控制工程实施先进控制工程实施先进控制工程实施优化方案设计优化方案设计优化方案设计优化方案设计优化方案仿真验证优化方案仿真验证优化方案仿真验证优化方案仿真验证投用与调整投用与调整投用与调整投用与调整技术培训、技术转移技术培训、技术转移技术培训、技术转移技术培训、技术转移验收验收验收验收运行维护、升级运行维护、升级运行维护、升级运行维护、升级106项目实施的一般步骤工程实施与项目管理项目技术协议与初步方案 n安全措施安全实施措施+=安全可靠安全可靠的系统的系统+无扰切换无扰切换网络通讯监控网络通讯监控先进控制与先进控制与PIDPID控制间的控制间的双向无扰切换双向无扰切换死机或通讯故死机或通讯故障实时监测与障实时监测与异常情况切除异常情况切除变量故障诊断变量故障诊断过程变量过程变量(含含软测量软测量)的故的故障诊断与实时障诊断与实时处理处理上下限速率限上下限速率限不超限是控制不超限是控制系统的第一目系统的第一目标标异常工况诊断异常工况诊断非正常工况在非正常工况在线检测与实时线检测与实时处理处理权限设置权限设置在线调整权限在线调整权限的分级设置的分级设置一键切除一键切除紧急状态下紧急状态下一键切除整一键切除整个先控系统个先控系统107安全措施安全实施措施+=安全可靠+无扰切换网络通讯监控先进控n投用安全保障组织保障n上线协调会 各相关部门各相关部门n专人负责 各相关部门各相关部门n密切监控 工程实施方、工艺车间、仪表车间工程实施方、工艺车间、仪表车间技术保障n双向无扰切换 投用与切除n分组分别投用与切除功能n上下限、速率限、故障限等各种安全措施n通讯监控与处理功能n总开关一键切除功能安全实施措施108投用安全保障安全实施措施108APC 未投用未投用APC效益降级期效益降级期效益损失期效益损失期APC恢复期恢复期降级时间一般降级时间一般4年年过程操作变化过程操作变化APC效益降低效益降低APC控制器开控制器开过程变化后过程变化后模型重新辨识模型重新辨识APC性能提高性能提高维护和性能改进维护和性能改进时间时间年效益年效益APC控制器关控制器关损失效益损失效益最大效最大效益期益期APC控控制制应应用用获获取取最最大大效效益益控控制制器器性性能能减减弱弱效效益益降降低低发发 现现 问问 题题提提出出解解决决方方案案改改进进APC先进控制系统效益变化周期先进控制系统效益变化周期109APC 未投用APC效益损失期APC恢复期降级时间一般4年过项目成功的关键项目成功的关键n技术与实施选择合适的先进控制技术及产品；对工艺系统的深入理解；切实可行的实施方案；准确的控制器及软测量模型；甲方人员的深入配合。110项目成功的关键技术与实施110项目成功的关键项目成功的关键n管理技术管理适应新技术的要求和特点生产管理调动使用先进控制的积极性人事管理建立先进控制与实时优化的岗位与职责111项目成功的关键管理111项目成功的关键项目成功的关键n培训与售后服务培训（工程师培训、操作员培训）了解生产过程操作运行特性掌握先进控制系统操作方法掌握先进控制系统结构与原理掌握先进控制系统维护调整方法售后服务问题与故障处理模型升级112项目成功的关键培训与售后服务112项目成功的关键项目成功的关键先进控制与实时优化是用现代科学技术提升石油化工先进控制与实时优化是用现代科学技术提升石油化工产业、取得效益的重要手段，也是操作员转变为监视员的产业、取得效益的重要手段，也是操作员转变为监视员的主要手段。主要手段。先进控制与实时优化技术需要不断发展，特别是将生先进控制与实时优化技术需要不断发展，特别是将生产工艺与系统控制很好的结合起来，适应生产过程，适应产工艺与系统控制很好的结合起来，适应生产过程，适应市场经济。市场经济。“APC是搞计算机人员的事是搞计算机人员的事”是一个误区是一个误区 先进控制系统需要维护先进控制系统需要维护 人员和队伍是第一位的人员和队伍是第一位的113项目成功的关键先进控制与实时优化是用现代科学技术提升石油