先進控制及優化在海化純堿生產工藝中的應用

分類：解決方案日期：2010-07-16 10:02:09

摘要：本文介紹了基于模型預測控制策略的先進控制軟件包APC-Adcon的實現原理、基本框架和特點，并在此基礎上給出了該先進控制軟件在山東海化股份有限公司純堿廠的實際應用情況。

關鍵詞：先進控制，模型預測控制，純堿

1 引言

先進控制是現代流程工業生產過程中最重要的自動化技術之一。采用先進控制，可以解決常規控制中不能解決的各種難題，以滿足人們對生產過程的安全、高效、優質、低耗的要求，使用戶以較小的投入獲得較大的經濟效益。據有關資料統計，先進控制軟件包在全球范圍內已有6000套以上的應用，國外的著名供應商正在加緊搶占國內的先進控制市場。國內的許多高校、研究機構和大型石化企業自上世紀80年末開始研究并實踐先進控制技術，在一些復雜工業過程上取得了應用成果并積累相關技術經驗。浙江中控軟件技術有限公司所研發的高級多變量魯棒預測控制軟件APC-Adcon是國內具有較大影響力的先進控制軟件包，已在大型煉油、石化和化工裝置中成功應用40多套。

純堿即碳酸鈉（Na₂CO₃），是重要的基本工業原料，被稱為“化工之母”，其產量和消費量通常被作為衡量一個國家工業發展水平的標志之一。山東海化股份有限公司純堿廠是目前國內最大的純堿生產企業，生產崗位全部實現了DCS控制。由于純堿生產過程工藝流程長，連續性強，而且處理的物料為氣、液、固三相物質，部分裝置如碳化塔、石灰窯等具有較強的變量關聯和耦合特性，常規的單變量控制難以有效地解決這類復雜工業過程控制問題。

我廠于2004年6月通過招標，在國內外眾多供應商中選擇中控的APC-Adcon先進控制產品，雙方共同合作在國內純堿裝置上實施了第一個先進控制項目，經過近1年的努力，項目組結合純堿生產裝置的生產工藝特點和實際的工藝操作經驗，開發了純堿裝置先進控制系統，提高了裝置操作平穩性和控制性能，降低了能耗，減少了操作人員的勞動強度。先進控制技術極大地提升了純堿生產過程控制效果，引起了純堿行業和社會各界的廣泛關注。

2 先進控制軟件包體系結構

高級多變量預測控制軟件包APC-Adcon是浙江中控軟件技術有限公司開發的面向工業過程的多變量預測控制軟件包，特別適合于需要采用多種控制策略和控制結構的復雜多變量過程。它可以方便的集成到任何DCS或PLC控制系統中工作。其基本功能是：在被控變量和操縱變量滿足位置和速度硬約束的前提下，每個被控變量可以按照指定的閉環性能達到設定值；對可測擾動實現前饋控制；可完成局部優化等。APC-Adcon還充分考慮了實際控制系統中的各種要求，可以集成各種專家智能控制策略，進一步保證了控制性能和控制系統魯棒性。

APC-Adcon在結構體系上采用先進的分布式多層組件化應用體系，提供分布式軟件結構和分布式應用結構，基于COM的組件化先進控制軟件的結構如圖1所示。

從圖1可以看出，先進控制器的每一個功能模塊作為控制器的標準件，分別包裝不同的先進控制算法和功能，且與程序設計語言無關，可以實現即插即用。組件化框架不僅簡化了編程，而且極大增加了軟件的穩定性。

APC-Adcon采用的控制結構具有較強的可操作性，可以是固定的，也可以由用戶在線修改。APC-Adcon控制器結構如圖2所示。

控制器結構中包括如下描述：

1）操縱變量

·約束：最小、最大和速度

·理想滯留值（IRV）：數值和趨向IRV 值的速率

·最大化（或最小化）：數值和趨向最大（或最小）值的速率

2）被控變量（輔助變量）

·約束：最小、最大和速度

·設定值控制：閉環時間響應

·區域設定值控制：設定值區域邊界，邊界內及邊界外閉環時間響應

·理想滯留值（IRV）：數值和趨向IRV 值的速率

·最大化（或最小化）：數值和趨向最大（或最小）值的速率

3）容錯控制功能

不同的工作條件及操作模式下控制目標可能不同，各種變量的具體要求也可能不同。當傳感器或執行器失效，控制對象將發生改變。對于這種意外情況，APC-Adcon提供安全的解決方案，包括：改變被控變量和操縱變量集，實時調度控制結構等。

3 APC-Adcon在山東海化純堿生產過程中的應用

3.1 工藝流程簡介

山東海化純堿廠采用氨堿法制堿，其工藝原理是將原鹽精制成飽和鹽水后，吸氨形成氨鹽水，氨鹽水與煅燒石灰石產生的二氧化碳氣在清洗塔內反應生成預碳化液，預碳化液在碳化塔內與高濃度的CO₂氣進行碳酸化反應（俗稱碳化）生成的碳酸氫鈉懸浮液，經過濾得到的碳酸氫鈉結晶在煅燒爐內煅燒獲得純堿產品和高濃度CO₂氣，CO₂氣經冷卻、壓縮后通入碳化塔參與碳化反應。把濾去碳酸氫鈉的制堿母液加熱蒸餾回收其中的氨。氨堿法生產工藝的主要工序有：化鹽和鹽水精制、氨鹽水的制備、碳化和重堿過濾、重堿的煅燒、氨的回收以及石灰石的煅燒等。

目前，我廠純堿裝置的各生產工序已全部實現了DCS控制，因此生產效率明顯提高，產品次品率大大降低。但常規的單回路控制不能很好的適應純堿生產過程的一些復雜特性，例如：純堿生產的核心單元——碳化工序，該工序包括多個碳化塔組，每個碳化塔不僅具有“制堿”和“清洗”兩種運行狀態，而且隨制堿周期的不同具有時變性，存在著大純滯后、多變量關聯和耦合特性，塔底壓力、出堿液溫度、中部溫度分布等重要工藝過程參數需要操作人員手動控制。另外，碳化生產所需的下段氣、中段氣、清洗氣總流量和壓力主要依靠人工聯系調整，存在調節不及時、調節幅度不合適等問題，因此碳化生產過程的運行參數和產品質量得不到保證，勞動強度大，消耗高。

為進一步提高自動化控制水平，山東海化純堿廠選擇純堿裝置的重要工序——石灰窯工序、碳化工序、壓縮工序實施了先進控制與優化。

3.2 先進控制與優化方案

先進控制系統的總體框架如圖3所示。

先進控制系統首先針對上述三個工序分別設計了獨立的APC-Adcon子控制器以滿足這些工序平穩控制的要求，其中，碳化工序子控制器以預測控制策略為核心，用APC-Adcon的標準算法實現整個工序2組14座碳化塔兩種工作模式“制堿”和“清洗”過程的平穩控制以及產量與質量的協調優化；石灰工序子控制器將預測控制策略和智能控制策略相結合，在APC-Adcon標準算法的基礎上增加自定義控制算法實現了過程控制和機電控制有效結合，既穩定了石灰窯出灰溫度，又實現石灰窯自動出灰、自動配料等功能；壓縮工序子控制器則在壓縮機轉速自動控制的基礎上，按照碳化工序實際生產對清洗氣、中段氣、下段氣總流量的需求實時改變壓縮機轉速，從而實現壓縮工序的優化。各個子控制器之間的聯系通過物料平衡、工藝計算等來體現。針對裝置的特殊要求，基于智能控制技術為石灰窯、碳化塔和壓縮機裝置制定了特殊的控制和優化策略。

通過先進控制技術的應用，碳化塔中部溫度、碳化塔塔底壓力、碳化塔出堿溫度和石灰窯出灰溫度等主要工藝參數得到了有效控制，提高工藝操作的平穩性；在此基礎上，進一步實現了石灰窯、碳化塔和壓縮機的生產負荷分配和工況平衡等優化控制。

3.3先進控制系統通訊實現

山東海化純堿廠純堿生產裝置先進控制系統是在Simens PCS7集散控制系統平臺上實施的，先進控制軟件APC-Adcon運行于DCS系統的上位機上，并以配套的先進控制軟件平臺ESP-iSYS-A作為支撐。ESP-iSYS-A可以以客戶端方式與DCS系統WinCC軟件的OPC Server實現數據雙向通訊，從而保證先進控制系統的數據集成和實時控制。