先进的过程控制改善了炼油厂、化工厂的运作

为了在充满挑战的环境中生存，包括下游油气行业在内的过程工业公司正在积极寻找优化整个供应链的机会。国内运营公司的经济状况与国际下游组织有很大不同。然而，所有公司都在寻求提高生产利润率、提高安全性能、最大限度提高设备和工厂可靠性的方法。

原料和能源是主要的成本项目，因此下游公司必须考虑整个供应链，以优化原料的使用，同时在不影响质量的情况下获得最佳价值。同样，下游企业也在努力降低能源消耗，减少浪费，比如在运输燃料中减少辛烷值。下游公司提高竞争地位的一个选择是实施自动化/优化项目，而先进的过程控制(APC)是这些努力的关键组成部分。

创新工具

自动化和优化策略的重点是如何安排生产高需求运输燃料、石化和化学产品的操作，同时提高产量和节约能源。特别是在石化和化工制造业，成为成本领导者是一个有利的位置，降低成本需要限制过程干扰和停机时间。

自20世纪80年代以来，公司应用了各种自动化/优化程序，包括早期的APC系统，以更好地控制制造成本和改善日常运营。第一代APC计划遭遇了许多问题，包括:

• 利用现有的计算机/软件和现场仪器技术开发它们非常繁琐。
• 由于工艺/进料/等级的变化，APC软件程序难以维护。
• 早期的APC模型在非线性处理条件下表现不佳。
• 这些系统需要控制工程师经常关注和维护。

更新的APC技术正在解决这些问题，并提供其他改进。

在过去的20年里，APC应用从个人电脑的新计算能力、更复杂的“智能”现场仪器和无线技术中受益匪浅。先进的计算机能力和软件可以支持复杂的仿真模型，使APC程序能够使操作更接近处理/设备的限制。这一发展的核心是更紧密地控制加工操作的能力。多变量控制(MVC)的不断发展准确地定义了加工条件，因此是APC的关键组成部分。

改进的MVC通过动态过程模型支持预测控制。这使得:

• 工艺能力最大化──在安全条件下推动工艺/反应约束
• 缩短停机时间，提高设备的可用性
• 解放操作员的时间，让他们可以完成其他重要的任务
• 减少产品赠品(减少浪费/不合格产品的产生)
• 优化跨工艺单元和整个工厂的能源使用。

MVC是APC的两个主要组件之一;二是加强监管(ERC)。图1是这些组成部分在每一项资本成本支出中所带来的效益的图形表示。优化也带来了显著的好处，但它不被认为是APC的一部分。

如图1所示，效益/成本比最大的APC组件是ERC和MVC。下一代APC技术正在降低这两个领域的成本。一个例子是由壳牌全球解决方案公司(Shell)和横河联合开发的先进控制和评估平台(PACE)，以及其他供应商提供的类似产品，所有这些产品在这里都被称为下一代APC。

下一代APC

如前所述，MVC和ERC是成功的APC战略的关键组成部分。下一代APC将这两个组件组合成一个软件应用程序(图2)。

最成功的APC安装采用工厂的整体视图，在相同的工作空间内开发复杂的工厂范围内的应用程序，并由多处理器排序。

MVC模型可以是线性的、线性动态的或非线性的。流程反应和单元操作需要使用不同的模型来创建MVC模型。更好的过程建模极大地提高了APC的整体控制性能。特别是在设计阶段，包含额外的测量或过程数据对于生成更好的模型非常有用。

控制器使用流程模型来控制应用程序的约束。它可以通过指定受控变量(cv)、扰动变量(DVs)、操纵变量(mv)和中间过程输出变量(pov)来配置。控制器模型结构可以使用图形模型查看器来确认，以提供cv、DVs、mv、pov和模型关系的清晰可视化信息。图形模型查看器向控制设计器显示哪些pov影响哪些CV，以及特定CV之间是否高度相关。

估计器将mv和DVs与pov联系起来。pov还可以为其他pov提供信息，这在定义变量之间的关系方面提供了更大的灵活性，特别是预测误差如何预测到其他pov。只有在设计过程的后期，控制设计者才会选择pov作为控制变量(cv)。使用pov进行模型识别通常更简单、更健壮，因为控制设计人员是在pov之间拟合一系列模型，而不是在它们之间可能有许多过程操作的MV-to-CV关系。

APC战略的全面模拟可通过以下几个步骤实现:

• 定义模拟序列:设置处理器执行和控制器配置细节
• 创建场景来模拟:识别模型干扰或操作员操作
• 发展情况:定义一个或多个要回顾的场景
• 进行模拟:收集和存储模拟结果以供回顾
• 对比仿真结果:运行多个场景的仿真，并通过比较仿真结果进行回顾。

整体APC发展

早期的APC技术需要与其他应用一起工作，如质量估计器和用户计算。下一代APC通过有序的多处理器(控制器、估计器等)改进了控制应用程序的部署。如图3所示，过程mv和DVs由控制层和估计层共同使用。

完整的估计功能集成到控制器中，估计器使用非线性关系。有了这个功能，来自估计层的投影可以校准控制层，控制层中的增益可以自动更新。下一代APC能够在估计和控制层中使用不同的模型块。控制工程师可以在估计层配置一个非线性模型来处理实际操作的非线性。

由pov构建的非线性函数反映了加工条件的真实非线性动力学。这种数据的交叉利用缩短了应用程序开发时间，并极大地提高了控制能力。图形模型查看器能够可视化mv、DVs、pov和cv之间的因果关系──允许工程师在静态视图中查看所选变量。

与任何软件安装一样，理解生命周期对于成功至关重要。下一代APC实现的生命周期阶段是:

• 设计
• 上演了
• 生活
• 存档

设计(时间)阶段使用单个工作空间进行数据管理、流程动态建模和基于场景的模拟，而分阶段和实时阶段依赖于人机接口、数据存储库和OPC接口的运行时组件(图4)。

来自设计时的初步控制矩阵和模型结果由运行时环境共享。作为下一代APC的一部分，两种操作模式是可能的:分段(只读)和实时(读写)。并行运行两个模型允许控制工程师在激活活动版本中的新控制更改之前验证阶段模型中的任何修改。

APC的运作

一家化学公司在西班牙的工厂有几项计划正在进行中。2016年，该公司决定在选定的单元上实施APC项目，并与横河公司共同执行。

本APC项目选择环己烷(CX)蒸馏装置，因为它显示了APC价值主张可以应用的典型工艺特征:

• 高能耗
• 操作人员面临着可控性的挑战
• 需要管理操作与流程约束。

在这种情况下，对工艺性能的潜在积极影响是，有机会提高由蒸馏产生的环己烷产品提供的反应器的选择性。

“先进过程控制和估计平台”是横河公司与壳牌公司联合开发的多变量控制技术。该APC平台于2015年第四季度发布，并在全球范围内实施，包括本项目。

流程背景

该过程的简化流程图如下图5所示。

本项目APC的范围包括CX蒸馏的第一阶段和第二阶段。CX在催化剂的存在下与空气氧化，生成主要反应产物ON(环己酮)和OL(环己醇)。反应器的转化率非常低，因此大部分输出流是未反应的CX，它从蒸馏装置循环到反应器。这些装置由几个精馏塔组成，主要产品为未反应的CX。ON + OL在其他装置中进一步加工生成己内酰胺。己内酰胺是尼龙6的前体，尼龙6是一种广泛使用的合成聚合物。

目标和挑战

APC项目的主要目标是:

• 通过在线分析仪测量控制长循环杂质(% ON + OL)。杂质应尽量减少，以确保反应器有良好的选择性。在APC出现之前，由于分析仪是色谱仪，采样周期为14分钟，该变量没有自动控制，导致过程变量更新滞后时间较长，PID控制性能较差。
• 最大化短回收和长回收流，以提高反应选择性和减少不需要的副产物。这需要更多的能量，蒸馏塔需要更多的蒸汽，所以当循环流量高时，工艺限制必须保持在控制之下。

第二蒸馏段有双效结构的两个塔。通过调整第一塔再沸器蒸汽流量来控制第二塔底部的液位达到预期目标，以保持单位质量平衡，因为蒸汽速率影响新鲜CX进料的添加。

工厂操作对操作员来说不是简单的，需要很多的注意。原因之一是由于反应时间长，且第一塔蒸汽率与循环率之间相互作用强，控制上述水平较为困难。在APC出现之前，电平是用常规PID回路控制的，但性能不够好。作业者面临的另一个困难是管理单元约束，因为需要最大化CX循环速率，这需要频繁的手动调整。

最大限度地回收将导致增加柱回流，以保持回收流的纯度。增加回流将推动该装置克服一些限制。从对选择性的影响来看，设置高纯度设定值和增加回收率都是可取的，但必须在两者之间找到权衡。如果设置较低的纯度设定值，则可以达到较高的回收流，反之亦然。APC的适当目标和限制是基于对实际单位性能的观察而设定的，进一步优化是一个持续的过程。

项目步骤

该项目历时五个月执行，活动顺序如下:

第一阶段:可行性研究和经济评价。

进行了初步的工厂试验，以验证机组反应。开发了一种首通APC设计。为了验证项目的可行性，对预期经济效益进行了估算。

阶段2:APC实施。

基础层控制检查，以确保APC的调节控制性能良好，并对一些PID回路进行微调。这为APC的应用奠定了坚实的基础

Step-testing:步骤相关操作变量收集实际动态响应的数据。然后，这些数据被用于开发控制器所需的模型。

控制器设计与仿真:在开发系统中配置控制器，在仿真中测试，并为在运行时控制系统中实现控制器做好准备

调试:关闭APC回路，监控性能并进行微调

实现后的研究:核实实际取得的利益

上述所有活动都涉及该化学公司技术和运营部门的员工与横河APC工程师之间的密切合作。

经济效益

所取得的APC效益与可行性研究的估计相符。这些好处来自于改进的CX回收纯度控制和CX回收流量最大化，从而提高了反应器中的选择性，这两者都是由APC应用实现的。

一般工业趋势导致许多下游站点的技术人员缩减，需要外包一些复杂和专门的项目，如APC实施。外包APC项目的成功取决于所选APC顾问的经验和专业知识，因此必须谨慎做出这一决定。

一般来说，APC项目的设计和安装大约需要6至12个月。一个典型的APC项目包括:

可行性研究:在研究期间，在整个工厂进行工艺/基础层控制和工艺流程图审查和建议。采用全厂视野可以为改进操作提供更大的机会。该研究还应包括效益分析，以准确显示该项目将如何改善工厂运营。

加强监管控制:为了取得成功，APC项目需要坚实的基础。因此，在安装APC之前，通常需要进行基本的循环调优和增强。

APC实施:由于每个下游设施都是独特的，因此有必要进行详细的APC设计和审查。通用APC解决方案无法满足控制单个工艺单元和下游设施的细节要求。将质量估计器应用于工厂数据，可以对APC策略进行微调。步进测试生成一个健壮的模型来验证任何植物对约束的响应。仿真和测试在正式调试前确定APC模型是非常重要的。与任何需要流程更改的推出一样，操作员培训和文档是必不可少的。

以下是APC实施的一些关键步骤:

• 检测前
• 台阶测验
• DCS接口工程
• 调试
• 交接

在每个步骤中，顾问应提供持续的监控，以建议操作人员为控制器变量设置正确的限制，必要时更新循环调优参数，并更新模型以适应由于周转或设备更改而导致的过程动态的剧烈变化。

一旦控制系统被激活，强烈建议对新的APC性能进行实施后的审查。工艺条件不断变化;因此，审计和性能审查确认APC策略符合设计目标。

为明天而创新

APC技术已有30多年的历史。随着新的硬件和软件创新的出现，APC的强大功能很快被下游公司所采用。有许多APC解决方案可用。然而，APC的应用一直存在问题。展望未来，APC用户希望:

• 快速部署的APC解决方案，需要更少的工程时间来构建和维护
• 可视化工具，允许操作员和工程师在检查控制变量时跟踪和监视流程单元操作
• 集成平台，提高工程效率。

所选择的下一代APC技术需要满足这些用户需求。图形模型查看器界面使用有组织的层次结构，便于可视化过程条件和控制系统状态。操作员和工程师可以快速获取相关信息，并在必要时对APC进行更改。

通过结合所有这些工具和功能，APC可以实现和维护，为工厂性能提供显著和可持续的改进。

原始内容可以在设备工程．

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