何 偉，周 兵，趙向遠，FENG XIONGFENG，程向龍

[1. 張家港盈鼎氣體有限公司，江蘇 張家港 215625；2. 盈德氣體(上海)有限公司，上海 210035；3. 上海?？怂共_有限公司，上海 200331]

0 引 言

空分裝置作為化工、冶金等行業(yè)的上游裝置，其可靠性對全廠生產系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行有著十分重要的意義?？辗盅b置停車，全廠生產往往無法繼續(xù)(一般空分裝置均設有液體后備系統(tǒng)，空分裝置停車，液體后備系統(tǒng)可短時供氣，以保障系統(tǒng)安全停車；即使設有備用空分裝置，備用空分裝置開車約需24 h，而空分裝置跳車重啟一般僅需4 h)，而儀表空氣和安保氮氣的供應更是保障著全廠的安全運行?？辗中袠I(yè)歷經近百年的發(fā)展，深冷分離技術已相當成熟，空分工藝越來越先進，裝置規(guī)模越來越大，智能化控制程度越來越高。

近年來，先進過程控制(Advanced Process Control，簡稱APC)技術在流程工業(yè)過程中不斷地推廣應用，取得了良好的效果，其在空分裝置上的應用也越來越受到重視。作為信息化技術在生產裝置中的應用，APC不僅可提高裝置的控制能力和管理水平，而且還可為企業(yè)創(chuàng)造可觀的經濟效益。以下就APC在張家港盈鼎氣體有限公司(簡稱張家港盈鼎)二期空分裝置上的應用作一簡介。

1 空分裝置及APC簡介

張家港盈鼎二期空分裝置為浙江智海化工設備工程有限公司自主設計(原始設計時沒有考慮APC控制)，設計產能為氧氣60 000 m3/h、氮氣120 000 m3/h，于2017年12月投產。本空分裝置采用業(yè)內經典的內壓縮、全精餾無氫制氬流程(氬提取率可達78%)：分子篩凈化空氣，出分子篩的部分空氣由增壓機增壓至2.5 MPa，經高壓節(jié)流和空氣膨脹機進入主精餾塔(上塔、下塔均采用規(guī)整填料)下塔；增壓透平空氣膨脹機和增壓透平氮氣膨脹機各1臺，膨脹空氣進下塔，膨脹氮氣常壓反流出主精餾塔，匯入氮氣總管；主精餾塔產出的液氧經冷箱內液氧泵加壓至0.9 MPa，與高壓空氣換熱后送用戶管網。

張家港盈鼎二期空分裝置APC項目實施由盈德氣體(上海)有限公司APC項目組和上海?？怂共_有限公司(簡稱?？怂共_，SFCL)共同完成，采用SFCL的AVEVA APC軟件予以實施。?？怂共_作為施耐德電氣集團專注于過程控制與流程行業(yè)數字化解決方案的獨立業(yè)務單元，一直致力于為全球生產制造和基礎設施行業(yè)提供自動化和信息技術、控制系統(tǒng)、軟件解決方案和咨詢服務。

張家港盈鼎二期空分裝置APC系統(tǒng)基于AVEVA APC軟件進行控制器搭建。AVEVA APC軟件通過采集階躍測試數據辨識出過程中變量之間的動態(tài)數學關系(即模型)；利用該模型，軟件可預測被控變量在未來時段的變化趨勢，從而施加有效調控動作，提高過程控制品質。AVEVA APC軟件平臺支持嵌入式編程語言Python，有助于實現基于專家知識的邏輯控制、自適應控制等多種智能控制功能。

2 APC項目的實施

2.1 APC與DCS的連接

APC的實施基于DCS，通過OPC服務器與現場DCS實現通訊。通過模型預測控制算法計算出操作變量(Manipulated Valuable，MV)的優(yōu)化值，并將優(yōu)化值寫入DCS(通常寫到PID回路設定點、閥位等)，實現控制優(yōu)化。通訊采用WatchDog看門狗機制，APC控制器每個運算周期發(fā)送0～99順序序列至DCS，并讀回；DCS側的WatchDog狀態(tài)判斷在DCS邏輯中實現。當讀寫數據差值小于±0.1則延時發(fā)通訊故障，此時DCS控制邏輯會自動切除APC控制器涉及的所有MV，并發(fā)出相關報警信息，同時將這些MV無擾切換至其默認DCS控制狀態(tài)，操作權限回歸運行人員。

2.2 預測試及PID優(yōu)化

預測試的目的主要是評價常規(guī)控制系統(tǒng)的性能，確定工藝過程響應時間的數量級，考察工藝約束及變量耦合情況，以及是否有變量需要進行變換。預測試主要通過MV的小幅度的階躍測試實現。具體而言，需要將MV或在測試期間允許改變的前饋變量(Feedforwardvaluable，FV)進行幾次階躍調整，以檢查相關控制回路的PID參數和控制閥的性能。

預測試過程中，若發(fā)現作為MV的PID回路性能不夠理想，則需要進行PID參數整定。本APC項目的PID參數整定基于內?？刂扑惴?，結合特定DCS系統(tǒng)中PID算法類型(不同DCS系統(tǒng)中PID算法不同)，在對PID回路輸出與PID回路測量值關系進行建模的基礎上計算PID回路比例、積分和微分參數的初始值，并在此基礎上結合PID整定進行優(yōu)化，以獲得良好的控制性能，相較于傳統(tǒng)的僅憑經驗進行試錯調整更為高效。

PID控制是現代化連續(xù)生產過程自動化控制的基礎，也是APC實施的基石，PID參數的優(yōu)化整定工作在APC項目中占有重要的地位。從控制機制上來說，PID與APC控制方式的主要區(qū)別在于：PID控制中1個手段能且僅能控制1個被控目標，屬單變量反饋(事后)秒級自動控制，模式為設定點控制；APC控制屬模型預測控制，M個控制手段控制N個被控目標(通常N>M)，運行周期為幾秒到幾分鐘，可在區(qū)間控制，亦可以設定點控制。在APC項目的實施中，應該發(fā)揮兩種控制機制(PID與APC控制)的優(yōu)點，使其各施所長。

張家港盈鼎二期空分裝置APC項目的實施中，首先通過PID回路結構優(yōu)化和參數整定實現良好的底層控制，在此基礎上，以優(yōu)化后的PID回路設定點作為MV，實現APC控制與傳統(tǒng)PID控制的完美結合。在大數據利用方面，張家港盈鼎APC項目在預測試階段充分利用PI數據庫優(yōu)勢，引入大量數據分析，形成多個關聯工藝參數公式，在此基礎上優(yōu)化底層PID控制架構，使之能更好地與APC結合進行優(yōu)化控制；同時，相關的分析結果也能用來驗證儀表數據的有效性，充分挖掘利用大數據。

2.3 階躍測試與建模

在預測試的基礎上，可以進行APC控制器的初步功能設計，其中最主要的內容是MV、CV(controlled variable，被控變量)、FV列表，以及相應的階躍測試計劃。MV、FV與CV之間的動態(tài)影響關系，即模型，是APC控制器的核心。階躍測試，就是人為地去改變MV和FV(如果FV可操作的話)，同時記錄下CV的動態(tài)響應。在保障安全生產的基礎上，階躍測試的幅度要足夠大，使得CV響應符合足夠信噪比的響應，以便APC軟件中的模型辨識模塊能順利辨識出正確的動態(tài)模型。

階躍測試完成后，APC項目進入到建模階段(亦稱模型辨識)。APC工程師對階躍測試中記錄下的MV、FV、CV數據進行檢查，篩選出響應明顯、因果關系清晰的測試數據，在此基礎上，設置好建模參數(如預測周期、建模長度等)，模型辨識所涉及的復雜統(tǒng)計計算則由AVEVA APC軟件自動完成。

模型的精確程度，通?？赏ㄟ^比較CV的模型預測值與實測值予以評價。生產過程中時常存在的不可測干擾往往會干擾CV在階躍測試中的響應，而影響模型精度，這就要求APC工程師在建模過程中注意甄別數據，采用CV響應一致性好、因果關系清晰的數據進行建模。

模型辨識過程是一個統(tǒng)計計算過程，容易被看成是一個給予輸入/輸出數據之后直接得到模型的黑箱過程，這樣的認識其實是不夠的。模型辨識結果是否合理，APC工程師應在工藝機理認知的基礎上給出工程判斷，確認所得結果在工藝上符合變量之前的動態(tài)影響關系。例如，當一個模型辨識的結果表明某個流量MV引起某個組分CV改變的增益為2時，首先應思考和確認這是否符合操作常識及工藝機理；如果偏差較大，就應考慮建模數據是否受到較大不可測干擾以及建模數據選取是否合理等，需重新進行建模；有的時候若發(fā)現測試數據受到的不可測干擾很嚴重，甚至可能需要重新進行階躍測試。

2.4 控制器集成與投運

模型辨識完成后，所有模型的集合即成為APC控制器的主體。這個控制器要能投入運行，須完成APC-DCS界面創(chuàng)建：在APC軟件平臺中，需要針對所有的MV、FV和CV進行設置，設置好默認的參數，其中最重要的是MV和CV的權重——適合的權重設置可使控制器的運行滿足CV控制精度最高、MV變動最小、MV離目標值最近等控制優(yōu)化指標的要求；在DCS中，建立保證APC和DCS正確通訊的看門狗邏輯，保證各控制器和MV/CV/FV等順利投切的邏輯、專用來顯示和實現的控制器、MV/CV/FV變量投切的畫面。

APC-DCS界面必須經過嚴格的測試，各項通訊、投切功能確認完好后，才能過渡到APC投運階段。在APC投運階段，一般從單個MV、單個CV開始投運。在投運調試的過程中，根據CV控制性能微調MV及CV權重，以達到滿意的控制效果；在此基礎上，投入FV將有助于克服可測干擾對CV的影響，進一步提高控制精度。按此步驟逐步投入其他的MV、CV和FV，完成整個控制器的投運與調試。

3 空分裝置APC系統(tǒng)運行情況

3.1 空分裝置實現智能控制與實時優(yōu)化

張家港盈鼎二期空分裝置原始設計沒有考慮APC控制，經過約3 a的運行考核與調研，APC項目于2021年4月立項實施，2021年12月16日正式投運。APC系統(tǒng)投運后，張家港盈鼎二期空分裝置綜合控制自動化水平明顯提升：APC系統(tǒng)投用前，日常操作中空分裝置分子篩均壓、生產負荷調整等極易造成工況波動、參數偏離正常值，需要操作人員實時關注；APC系統(tǒng)投用后，能根據CV、MV和FV的歷史值及模型，預測CV的變化，計算出合理的MV控制動作，通過OPC寫入到DCS及時進行優(yōu)化控制，如此一來，克服了人員操作的不穩(wěn)定性和不一致性，使得過程變量的控制品質明顯提升，生產工況更加穩(wěn)定。例如，APC系統(tǒng)投運后，氬中微量氧含量這一CV的控制變得非常平穩(wěn)，CV標準偏差明顯降低；在此基礎上，可進一步提高該CV設定點，實現卡邊操作，以使生產效益最大化。

統(tǒng)計數據表明，APC系統(tǒng)投運半個月后，張家港盈鼎二期空分裝置KPI提升顯著：氧氣提取率提升0.25%，達99%；氬提取率提升1%，達80%；氧氣放散率絕對百分比小于50%；空分裝置整體能耗下降約0.5%。

3.2 空分裝置實現自動變負荷

在實現基本控制和卡邊優(yōu)化的基礎上，實現張家港盈鼎二期空分裝置的自動變負荷是本APC項目的另一個重要目標。具體目標是，當用戶氧氣需求量發(fā)生變化時，操作人員只要設定目標氧量，點擊“GO”即可由APC系統(tǒng)自動執(zhí)行變負荷操作。

APC系統(tǒng)會根據目標氧量自動計算總空氣量，并賦值給空氣量MV作為MV目標，按照變負荷模式來達到這個目標。一般來說，變負荷區(qū)間為空分裝置標準負荷的90%～105%，整個變負荷過程要求90 min內完成。

變負荷過程中，在DCS層面空氣量和中間物料、氧氮產品保持比例控制的基礎上，APC系統(tǒng)所管控的MV各司其職，分別控制對應的CV；當關鍵CV值觸及上/下限時，變負荷邏輯會觸發(fā)空氣量MV暫時進入自動閉鎖，直到相關CV重新進入安全范圍；當空氣量MV值很接近目標總空氣量后，APC系統(tǒng)將自動停止變負荷操作。變負荷過程中，操作人員可以通過點擊“HOLD”或“GO”來暫?；蚧謴妥冐摵刹僮鳌?/p>

變負荷設計的另一個應用是，正常生產時，如遇到氧氣管網壓力改變(例如，當氧氣管網壓力CV“2PI1510B.PV”與其控制范圍偏差大于10 kPa)，APC系統(tǒng)可根據氧氣管網壓力的波動幅度自動調整空氣量，以控制氧氣管網壓力CV重新回到允許偏差范圍內。

4 結束語

張家港盈鼎二期空分裝置APC項目，首先采用APC理論方法在DCS層面實施了PID結構和參數的優(yōu)化，為APC的實施打下了堅實基礎；然后，遵循施耐德APC項目的標準流程，采用AVEVA APC軟件平臺，經過階躍測試、建模、控制器搭建、APC-DCS界面創(chuàng)建、APC投運調試等重要環(huán)節(jié)，成功實現了多個重要CV的穩(wěn)定控制及卡邊優(yōu)化。APC系統(tǒng)投運后，氬餾分及氬中氧含量等重要指標的控制得到大幅提升，氬提取率提高明顯，氧氣放散下降，氧氣提取率上升，空分裝置能源利用率有效提升，可帶來非常可觀的經濟效益；在此基礎上，進一步實現了空分裝置自動變負荷操作，變負荷的效率有了很大的提高，系統(tǒng)工況波動減小。同時，APC的應用還減輕了操作人員的工作量，杜絕了因操作失誤帶來的工況波動，降低了人為操作中的風險因素。