羅克韋爾自動化

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中國最大規(guī)模的聚合物先進(jìn)控制（APC）系統(tǒng)的成功實(shí)施方案

羅克韋爾自動化

1　項(xiàng)目背景

上海賽科石油化工有限責(zé)任公司（SECCO，賽科）是英國石油（BP）公司、中國石化和上海石化公司（SPC）共同組建的合資企業(yè)，總投資達(dá)27億美元，三方分別持有50%、30%和20%的股份。賽科聯(lián)合工廠位于上海化學(xué)工業(yè)區(qū)，距離上海市區(qū)50公里，由乙烯裂解和配套下游裝置組成，生產(chǎn)苯乙烯、丙烯腈、聚乙烯、聚丙烯和聚苯乙烯等產(chǎn)品。這家聯(lián)合工廠于2004年底完工，2005年6月開始實(shí)現(xiàn)盈利。

賽科公司作為中國已成功投產(chǎn)的最大乙烯聯(lián)合裝置，從建設(shè)階段就將持續(xù)改進(jìn)作為公司的遠(yuǎn)景目標(biāo)，發(fā)揮裝置最大產(chǎn)能，不斷改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量以提高市場競爭力。

為滿足中國不斷增長的市場需求，提高生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量，賽科公司決定在全部6套聚合物生產(chǎn)裝置上實(shí)施一體化的優(yōu)化控制方案。羅克韋爾自動化以在聚合物上獨(dú)有的技術(shù)優(yōu)勢和豐富的成功業(yè)績成為賽科公司實(shí)施模型預(yù)測控制（MPC）項(xiàng)目的唯一供應(yīng)商。項(xiàng)目的成功再次驗(yàn)證了羅克韋爾自動化的實(shí)力和致力于為中國聚合物制造商提供MPC技術(shù)的能力。在項(xiàng)目實(shí)施之前，羅克韋爾自動化為賽科公司6套聚合物裝置做了一項(xiàng)全面的Value First?客戶效益分析評估，賽科公司將至少獲得以下的投資回報(bào)：

（1）聚烯烴生產(chǎn)負(fù)荷提高4%；

（2）聚烯烴和聚苯乙烯裝置的產(chǎn)品質(zhì)量波動平均減少20%；

（3）提高牌號切換過程的一致性。

2　項(xiàng)目實(shí)施與應(yīng)用情況

2.1線型低密度聚乙烯（LLDPE）裝置簡介

賽科公司30萬噸/年的LLDPE裝置采用Ineos的氣相流化床聚合技術(shù)，使用齊格勒催化劑直接注入法生產(chǎn)線型低密度聚乙烯。裝置主要由原料精制、催化劑注入、聚合、高產(chǎn)率冷凝系統(tǒng)、原料氣液回收系統(tǒng)等部分組成。DCS控制采用Emerson公司的Delta V系統(tǒng)。工藝流程如圖1所示。

圖1　氣相流化床線性低密度聚乙烯工藝流程

2.2LLDPE裝置APC控制目標(biāo)

LLDPE裝置實(shí)施APC項(xiàng)目的目標(biāo)：

（1）在滿足裝置現(xiàn)有的約束條件內(nèi)，反應(yīng)器產(chǎn)量至少提升4%；

（2）提高產(chǎn)品質(zhì)量的一致性，降低產(chǎn)品質(zhì)量的均方差；

（3）在設(shè)備和工藝條件不變的狀況下，提高裝置長期操作的一致性，從而使反應(yīng)器的穩(wěn)定性得以提高；

（4）利用羅克韋爾自動化模型預(yù)測技術(shù)改進(jìn)牌號切換，提高牌號切換的一致性，減少切換時間和過渡料。

2.3Pavilion8非線性模型預(yù)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

Pavilion8是一個模塊化的軟件平臺，是羅克韋爾自動化石化行業(yè)解決方案的基礎(chǔ)。Pavilion8的核心是一個強(qiáng)大的模型引擎，是由包括建模、控制、分析、監(jiān)測、數(shù)據(jù)存儲及可視化模塊組成的高效應(yīng)用系統(tǒng)，并能夠?qū)崿F(xiàn)與上層ERP系統(tǒng)連接，將生產(chǎn)與管理系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合在一起，架構(gòu)圖如圖2所示。

圖2　非線性模型預(yù)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.4Pavilion8非線性模型預(yù)測控制器的特點(diǎn)

（1）獨(dú)有的基于神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的非線性建模方法，使模型在不同牌號、不同催化劑類型等不同工況時均有良好的適應(yīng)性，保證全生產(chǎn)過程的魯棒控制；

（2）獨(dú)有的帶有外推增益約束的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專利技術(shù)（EGCNN），保證了模型在超出正常生產(chǎn)操作工況時，仍具有良好的精度，便于制造商進(jìn)行新牌號的開發(fā)和生產(chǎn)；

（3）建模方法靈活，可參照經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀C(jī)理模型和操作人員經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行混合建模；

（4）基于Web圖形化界面的實(shí)時趨勢顯示，實(shí)時監(jiān)控先控系統(tǒng)，并提高了工藝人員和操作人員對先控系統(tǒng)的理解程度；

（5）內(nèi)置數(shù)據(jù)庫，可重現(xiàn)控制器的歷史動作以及控制曲線，便于快速進(jìn)行故障分析預(yù)處理；

（6）內(nèi)嵌的控制器性能指標(biāo)計(jì)算，可實(shí)時對控制器的投用率、卡邊時間以及控制偏差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，便于對先控系統(tǒng)的投運(yùn)效果進(jìn)行動態(tài)評估和長期監(jiān)控。

2.5控制方案設(shè)計(jì)

整體控制方案如圖3所示，主要包括八個VOA軟儀表，四個控制器（氣相濃度控制器、產(chǎn)品質(zhì)量控制器、產(chǎn)量控制器、冷凝液料位控制器），一個自動牌號切換管理器。根據(jù)它們各自的特點(diǎn)，在進(jìn)行模型設(shè)計(jì)時充分考慮了歷史數(shù)據(jù)、機(jī)理模型、操作員的操作習(xí)慣三者的結(jié)合。

圖3　整體控制方案

（1）虛擬在線分析VOA（Virtual Online Analyzers）

在LLDPE中所應(yīng)用的VOA計(jì)算多達(dá)八個，它們包括乙烯濃度、丁烯濃度、氫氣濃度、戊烷濃度、粉料MI、粒料MI、粉粒密度和產(chǎn)量。在項(xiàng)目調(diào)試初期，這些VOA的建立為LLDPE項(xiàng)目的成功打下了良好的基礎(chǔ)。

（2）控制器

在LLDPE裝置中主要有四個軟控制器，包括產(chǎn)品質(zhì)量控制器、氣相濃度控制器、產(chǎn)量控制器和冷凝液料位控制器，它們設(shè)定值由操作員給定，實(shí)際值來源于VOA的計(jì)算以及實(shí)驗(yàn)室的校正值，通過輸出控制相應(yīng)的設(shè)備。

（3）牌號自動切換管理

牌號切換管理器是一個菜單式的界面，所有的切換策略都能事先設(shè)置，包括設(shè)定目標(biāo)牌號的參數(shù)，如MI、密度、溫度、乙烯分壓等，以及切換過程中一些控制參數(shù)的改變，如軟限制（Frustum）和硬限制（Hard Constraint）。操作員只需點(diǎn)擊開始按鈕，控制器就會根據(jù)事先設(shè)定的參數(shù)運(yùn)行，待實(shí)驗(yàn)室分析數(shù)據(jù)進(jìn)入下一個牌號的范圍，控制器自動結(jié)束牌號切換過程，所有的控制參數(shù)自動恢復(fù)到下一個牌號正常運(yùn)行狀態(tài)的參數(shù)。

3　項(xiàng)目挑戰(zhàn)、創(chuàng)新性及解決思路

3.1項(xiàng)目挑戰(zhàn)

LLDPE裝置自2005年3月投產(chǎn)以來保持穩(wěn)定高產(chǎn)運(yùn)行，如何進(jìn)一步提升裝置的穩(wěn)定性和產(chǎn)能，一直是裝置的工程技術(shù)人員持續(xù)改進(jìn)的目標(biāo)。APC能否克服在線色譜的擾動？產(chǎn)品質(zhì)量經(jīng)過兩年的努力，已經(jīng)處在一個相對穩(wěn)定的階段，APC能否使之更上一層樓？產(chǎn)量已經(jīng)超過設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，能否在安全穩(wěn)定的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高？所有的疑問即是APC所要達(dá)到的目標(biāo)，也是這一目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的基準(zhǔn)。

3.2項(xiàng)目創(chuàng)新性

（1）采用混合模型，能夠快速識別模型偏差或控制器參數(shù)設(shè)置的不合理性，以提高控制器性能，并且利用可以得到的有效信息快速地建立精確的模型，最大程度地減少操作工況改變對模型預(yù)測精度的影響，提高模型的適用性；

（2）實(shí)時監(jiān)控功能和控制器性能指標(biāo)計(jì)算對控制器的運(yùn)行效果做出及時評價(jià)；

（3）神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用增加了生產(chǎn)的靈活性，便于制造商進(jìn)行新產(chǎn)品的開發(fā)和生產(chǎn)。

3.3解決思路

為了順利實(shí)施APC項(xiàng)目，僅有一個好的軟件平臺是不夠的，還需要整個項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新的管理模式，要點(diǎn)如下：

（1）為確保項(xiàng)目成功和技術(shù)轉(zhuǎn)移，賽科項(xiàng)目組抽調(diào)了有經(jīng)驗(yàn)的工藝技術(shù)人員和控制專家全程參與項(xiàng)目實(shí)施，羅克韋爾自動化也建立了有國外專家領(lǐng)銜，國內(nèi)工程師配合的項(xiàng)目梯隊(duì)，保證了項(xiàng)目快速和高質(zhì)量的完成；

（2）通過經(jīng)驗(yàn)和機(jī)理混合模型建立VOA模型，適用范圍廣，在同類裝置上首次使用軟測量技術(shù)VOA取代在線色譜儀進(jìn)行反應(yīng)釜?dú)庀嘟M成控制，可以克服在線色譜儀波動給裝置帶來的影響，穩(wěn)定裝置操作；

（3）Pavilion8非線性控制器與自動牌號切換軟件結(jié)合，操作員可以根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃隨時進(jìn)行牌號切換，切換過程中和切換結(jié)束后工程師均不需要更改控制參數(shù)，也不需要對新牌號下的控制器進(jìn)行整定；

（4）利用Pavilion8的在線整定動態(tài)參數(shù)功能，不需要切斷控制器就可以對參數(shù)做出整定，有利于工程師將來對控制器進(jìn)行維護(hù)；

（5）賽科聚烯烴團(tuán)隊(duì)在項(xiàng)目實(shí)施前確立獨(dú)特的評估辦法，即不再滿足于通常意義上測試幾天的評估方式，而是以月度平均值來計(jì)算產(chǎn)量的提高，產(chǎn)品質(zhì)量的改進(jìn)和反應(yīng)的平穩(wěn)性，并以這種方法每月對控制器做出評估，以數(shù)據(jù)為依據(jù)評判控制器的運(yùn)行情況。

4　項(xiàng)目效益分析

4.1提高了工藝穩(wěn)定性

（1）反應(yīng)溫度

冷凝液罐料位的多變量模型控制，把其他的擾動條件作為前饋，經(jīng)過在線的參數(shù)整定，使冷凝液具有高頻率，小幅度波動的特點(diǎn)，這在一定程度上優(yōu)化了由于冷卻水調(diào)節(jié)滯后帶來的影響。其控制前后的效果如圖4所示。

圖4　冷凝液控制前后溫度效果圖

（2）虛擬在線分析應(yīng)用效果

氣相濃度的VOA模型和熔融指數(shù)模型VOA與實(shí)際值的對比如圖5和圖6所示。

圖5　H2濃度VOA與GC對比

圖6　MI VOA與LAB對比

（3）氣相壓力的穩(wěn)定性

通過虛擬在線分析和濃度控制器的共同作用，反應(yīng)器實(shí)際各組分壓力的穩(wěn)定性都得到了提高，統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1　氣相分壓控制器測試性能結(jié)果

另外值得一提的是，壓力的穩(wěn)定在一定程度上減少了反應(yīng)器的排放量，為裝置的節(jié)能降耗提供了有利條件，統(tǒng)計(jì)如表2所示。

表2　反應(yīng)器排放量統(tǒng)計(jì)

4.2提高了產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性

通過對每月產(chǎn)品質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)偏差（STD）和CPK進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，質(zhì)量控制器的考核結(jié)果如表3所示。

表3　質(zhì)量控制器測試性能結(jié)果

4.3產(chǎn)量提高

基于工藝穩(wěn)定性和產(chǎn)品質(zhì)量都得到了較大的提高，也為產(chǎn)量提升提供了空間。APC投用后每月的產(chǎn)量提升率都大于4%。

4.4牌號切換的一致性和穩(wěn)定性

作為一鍵式的牌號自動切換管理器，簡潔實(shí)用的操作不僅減輕了操作員的負(fù)擔(dān)，也方便工程師修改切換參數(shù)，切換時間從原來的10～14小時，到APC自動切換后的8～9小時左右，切換速度雖不比最優(yōu)秀的操作員提高多少，但是提高了每次切換的一致性和穩(wěn)定性。統(tǒng)計(jì)如表4所示。

表4　牌號切換考核結(jié)果

5　項(xiàng)目意義概述

（1）提高裝置操作平穩(wěn)性。

APC投用后，可以降低主要被控參數(shù)運(yùn)行波動的標(biāo)準(zhǔn)偏差，提高裝置操作平穩(wěn)性，降低產(chǎn)品質(zhì)量不合格率，獲得間接經(jīng)濟(jì)效益。

（2）降低操作勞動強(qiáng)度、提供操作指導(dǎo)。

（3）提高高價(jià)值產(chǎn)品收率、降低物料消耗。

APC可以在提高產(chǎn)品質(zhì)量平穩(wěn)率的基礎(chǔ)上，通過卡邊操作，提高高價(jià)值產(chǎn)品收率或降低物料消耗，獲取直接經(jīng)濟(jì)效益。

（4）降低能耗。

APC項(xiàng)目實(shí)施可以通過提高高價(jià)值產(chǎn)品收率和降低輔助物料消耗實(shí)現(xiàn)節(jié)約能耗。

[新聞]

羅克韋爾自動化的診斷可靠性服務(wù)助力有效監(jiān)測聯(lián)網(wǎng)設(shè)備

隨著設(shè)備互聯(lián)程度不斷加深，電氣和自動化控制設(shè)備的預(yù)防性維護(hù)工作往往需要手動進(jìn)行，而且非常耗時。為改善這一現(xiàn)狀，羅克韋爾自動化推出全新診斷可靠性服務(wù)。借助這項(xiàng)服務(wù)，制造商和工業(yè)生產(chǎn)商可簡化任務(wù)關(guān)鍵型集成設(shè)備生產(chǎn)線的維護(hù)策略。

該解決方案會部署一個涵蓋各工廠設(shè)備和裝置的技術(shù)層，從而進(jìn)行監(jiān)視和分析，并建立持續(xù)改進(jìn)方法來實(shí)現(xiàn)可靠性維護(hù)且降低運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn)。作為此項(xiàng)服務(wù)的一部分，羅克韋爾自動化領(lǐng)域服務(wù)專家還會密切跟蹤設(shè)備性能，以便給出建議，提高生產(chǎn)設(shè)備的可靠性。

“我們的客戶會訪問大量的資產(chǎn)數(shù)據(jù)，但他們通常難以將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成有用的運(yùn)營智能信息?！绷_克韋爾自動化產(chǎn)品經(jīng)理Ryan Williams說道，“過去，各個企業(yè)需要派遣維護(hù)人員到現(xiàn)場去檢查現(xiàn)場設(shè)備的狀態(tài)，然后研究制定糾正措施。而今，他們借助診斷可靠性服務(wù)就能將維護(hù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成資產(chǎn)智能信息。這有助于構(gòu)建更完善的互聯(lián)企業(yè)，從而利用互聯(lián)數(shù)據(jù)系統(tǒng)生成對行動有指導(dǎo)意義的信息。企業(yè)可以更好地確定維護(hù)和生產(chǎn)工作的優(yōu)先順序，并且達(dá)到事半功倍的效果?！?/p>

該解決方案會自動采集生產(chǎn)控制網(wǎng)絡(luò)中所有聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的標(biāo)識和健康狀況數(shù)據(jù)，然后通過資產(chǎn)管理信息來針對這些數(shù)據(jù)建立模型，以觸發(fā)事件并將報(bào)警信息發(fā)送給預(yù)防性維護(hù)的相關(guān)人員。憑借該服務(wù)，羅克韋爾自動化資產(chǎn)可靠性專家可以協(xié)助用戶實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵設(shè)備的智能化，令用戶能夠根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)制定明智的維護(hù)決策并提高生產(chǎn)力。

憑借集成式自動化設(shè)備標(biāo)識和跟蹤，采用診斷可靠性服務(wù)的其他客戶可將手動數(shù)據(jù)采集時間縮短70%左右。診斷可靠性服務(wù)適合所有制造商，重點(diǎn)用于石油和天然氣、采礦金屬和水泥、汽車輪胎和橡膠以及包裝消費(fèi)品等行業(yè)。

相關(guān)案例：一家大型石油和天然氣公司采用診斷可靠性解決方案來集中采集信息，并監(jiān)視加利福尼亞州某山區(qū)中數(shù)以百計(jì)的關(guān)鍵控制資產(chǎn)。為實(shí)現(xiàn)企業(yè)級網(wǎng)絡(luò)安全策略，這家公司還需要儲備過程控制網(wǎng)絡(luò)中的所有現(xiàn)場設(shè)備。而在自動標(biāo)識和監(jiān)視解決方案的幫助下，這家公司的加州業(yè)務(wù)部門實(shí)施了全新的企業(yè)策略，通過預(yù)防性維護(hù)降低了現(xiàn)場服務(wù)的相關(guān)成本，并提高了石油的日開采量。