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孙柏林:先进控制技术的发展前景

行业聚焦点中国仪表网2012年05月29日 11:40人气:9867

  导读:先进控制技术(APC——AdvancedProcessControl)在流程工业过程中得到了应用,并取得了成功,极大地促进了流程工业的生产操作水平的提高,并有效地实现了节能减排。
  
  当前先进控制与优化控制软件的二次开发量较大,从设计,测试,仿真研究,到实际工业装置投运周期较长。为此今后应开发一些二次开发量较少的先进控制与优化控制软件,以适应市场需要。同时,还将进一步开发鲁棒性强,适应性宽(操作条件、原料性质等),性能价格比优的商品化先进控制与优化控制软件,适应国内大中型企业需要。
  
  流程工业过程是一个复杂的工业过程,具有大量的不确定性、非线性、多变量耦合、大滞后和状态不完全性等特点。因而,流程工业过程的控制系统的设计存在着极大的困难,而传统的PID控制算法则难以满足其控制质量与效益要求。随着现代计算机技术、人工智能、网络技术以及优化技术的发展,先进控制技术(APC——AdvancedProcessControl)在流程工业过程中得到了应用,并取得了成功,极大地促进了流程工业的生产操作水平的提高,并有效地实现了节能减排。全世界投用的APC已有数千项,APC的投入产出效益已被公认,一般投资回报率为10美元/1美元,优化技术的经济效益更大,投资偿还期不到1年。本文对先进控制技术在流程工业过程中的应用现状进行阐述,并对应用案例及其发展前景进行了概略地介绍。
  
  APC技术——企业增产增效的“加速器”
  
  20世纪70年代以来,随着计算机技术的广泛应用,自动控制技术有了很大的发展,先进过程控制应运而生。先进控制内容丰富、涵盖面广,包括自适应控制、鲁棒控制、预测控制、智能控制和软测量技术等。先进控制技术是对那些不同于常规单回路控制,并比常规PID控制有更好控制效果的控制策略的统称。
  
  在复杂工业生产过程中,一个良好的控制系统不但要保护系统的稳定性和整个生产的安全,满足一定约束条件,而且应该带来一定的经济效益和社会效益。然而设计这样的控制系统会遇到许多困难,特别是复杂工业过程往往具有不确定性(环境结构和参数的未知性、时变性、随机性、突变性)、非线性、变量间的关联性以及信息的不完全性和大纯滞后性等,要想获得精确的数学模型十分困难。现代复杂的工业生产过程,通过实施先进控制,可以大大提高工业生产过程操作和控制的稳定性,改善工业生产过程的动态性能,减少关键变量的运行波动幅度,使其更接近于优化目标值,从而将工业生产过程推向更接近装置约束边界条件下运行,最终达到增强工业生产过程的稳定性和安全性,保证产品质量的均匀性,提高目标产品的收率,提高生产装置的处理能力,降低生产过程运行成本以及减少环境污染等目的。
  
  近年来,先进控制技术在流程工业过程中不断地推广应用,取得良好的效果。目前国内以石油化工行业为代表的各大企业纷纷启用先进控制技术。凭借改善过程动态控制的性能、减少过程变量的波动幅度、使生产装置在接近其约束边界的条件下运行(卡边操作)等优势,先进控制技术在石油化工、电力等行业获得广泛应用,大量工业装置在已有DCS的基础上配备了先进控制系统,大规模的模型预估控制和用于优化的非线性预估控制技术得到极大完善。由于先进控制软件包可以为企业带来可观的经济效益,我国已引进IDCOM-M、SMCA、DMCplus等先进控制软件,并已投入使用。另外,HoneywellProfimatics公司已经与中国石化总公司合作,在石化行业推广他们的RMPCT软件,部分已投入使用。在国内,越来越多的石油化工企业也开始尝试先进控制的运用,如茂名、扬子、济南等炼油厂已经应用了先进控制技术,并且都实现了良好的应用效果与经济效益。但是,我们也不能回避一些先进控制在应用中实际存在的问题。
  
  目前先进控制技术不但在理论上不断推出新的成果,而且在实际生产应用中也取得了令人瞩目的成绩。现在国内外已有很多优秀的产品供选择:如Honeywell高技术执行部的PC(ProfitController);ABB代理的STAR;横河代理的SMOC;FOXBORO的Connoisseur;ASPEN的DMC、浙江中控的APC-Adcon等。目前,世界上先进的石化企业绝大多数生产装置都采用了先进控制技术,据ARC调查的数据显示,美国的普及率已经达到60%以上,重点装置更是达到了90%的比例。在某种程度上,先进控制技术更像是企业增产增效的“加速器”。先进控制技术通常是在DCS、FCS等系统的基础上,采用多变量预测控制、智能软测量和工艺计算等策略实现以下目标:提高装置运行的稳定性和安全性、保证产品质量的一致性、提高目标产品收率、增加装置处理量、降低运行成本、减少环境污染等。因此,越来越多的企业开始运用先进控制技术来实现“节能增效”,同时这些行业用户也将先进控制技术作为提升企业竞争力的突破口。
  
  几年来的实践证明,在我国先进控制方法的推广工作并非一帆风顺,而是遇到了不少困难和问题。尽管先进控制系统效益明显,但国内企业先进控制建设和应用情况与国外始终存在差距。系统开发企业在开发应用过程中能够保证系统正常运行,但同时,先进控制系统的维护者是用户企业的信息技术人员,他们既要熟悉先进控制技术本身,同时要掌握计算机控制系统以及工艺过程等技术。因此,用户企业自身由于缺乏足够的技术力量,先进控制系统的长期维护问题日益明显。
  
  应当说,我国的控制理论界与工控企业界都在不同程度上在APC技术的应用研究上取得许多成功。其中,清华大学、浙江大学、上海交通大学、华东理工大学、中南大学、华北电力大学、中国石油大学、北京化工大学、北京科技大学、浙大中控公司、浙江正泰中自控制公司、和利时公司、冶金自动化研究院、北京金自天正智能公司、北京三博公司等都是该领域的佼佼者。
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