先進(jìn)控制是現(xiàn)代大工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中最重要的技術(shù)之一。采用先進(jìn)控制，可以解決常規(guī)控制中不能解決的各種難題，以滿足人們對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的安全、高效、優(yōu)質(zhì)、低耗的要求，使用戶以較小的投入獲得較大的經(jīng)濟(jì)效益。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，國(guó)外著名的先進(jìn)控制軟件包已有5000多套的應(yīng)用，目前正在搶占我們國(guó)內(nèi)的市場(chǎng)。國(guó)內(nèi)的許多高校、研究機(jī)構(gòu)和大型石化企業(yè)從上世紀(jì)80年末代就開(kāi)始探討和研究各種先進(jìn)控制理論和技術(shù)，并針對(duì)一些復(fù)雜工業(yè)過(guò)程進(jìn)行應(yīng)用研究，取得了一定的研究成果和技術(shù)經(jīng)驗(yàn)積累。
純堿即碳酸鈉（Na2CO3），是重要的基本工業(yè)原料，被稱為“化工之母”，其產(chǎn)量和消費(fèi)量通常被作為衡量一個(gè)國(guó)家工業(yè)發(fā)展水平的標(biāo)志之一。但由于純堿生產(chǎn)過(guò)程工藝流程長(zhǎng)，連續(xù)性強(qiáng)，存在較強(qiáng)的變量關(guān)聯(lián)和耦合特性，常規(guī)控制不能很好的解決這種復(fù)雜工業(yè)生產(chǎn)控制難題。某大型純堿生產(chǎn)企業(yè)率先在純堿生產(chǎn)過(guò)程中采用先進(jìn)控制軟件包APC-Adcon和智能控制等先進(jìn)技術(shù)手段，結(jié)合純堿生產(chǎn)裝置的生產(chǎn)工藝控制的思路和實(shí)際的工藝操作經(jīng)驗(yàn)，開(kāi)發(fā)了純堿裝置先進(jìn)控制系統(tǒng)，提高了裝置操作平穩(wěn)性和控制性能，降低了能耗，減少了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。先進(jìn)控制技術(shù)極大地提升了純堿生產(chǎn)過(guò)程的控制效果，引起了純堿行業(yè)和社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。
先進(jìn)控制軟件包體系結(jié)構(gòu)
高級(jí)多變量預(yù)測(cè)控制軟件包APC-Adcon是浙江中控軟件技術(shù)有限公司開(kāi)發(fā)的面向工業(yè)過(guò)程的多變量預(yù)測(cè)控制軟件包，可用于煉油、石化、化工、冶金等大型工業(yè)過(guò)程的控制，特別適合于需要采用多種控制策略和控制結(jié)構(gòu)的復(fù)雜多變量過(guò)程。它可以方便的集成到任何DCS或PLC控制系統(tǒng)中工作。其基本功能是: 在受控變量和操縱變量滿足位置和速度硬約束的前提下，每個(gè)被控變量可以按照指定的閉環(huán)性能達(dá)到設(shè)定值；對(duì)可測(cè)擾動(dòng)的前饋控制；局部?jī)?yōu)化等。APC-Adcon還充分考慮了實(shí)際控制系統(tǒng)中的各種要求，保證了系統(tǒng)性能和控制器的魯棒性。APC-Adcon高級(jí)多變量預(yù)測(cè)控制軟件實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)控制，提供上傳接口，可向企業(yè)管理網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)提供有關(guān)數(shù)據(jù)，為企業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)與信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成提供方便。
APC-Adcon采用計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通訊、工業(yè)自動(dòng)化、技術(shù)管理等領(lǐng)域先進(jìn)成熟的技術(shù)并保持關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)先，在結(jié)構(gòu)體系上采用先進(jìn)的分布式多層組件化應(yīng)用體系，提供分布式軟件結(jié)構(gòu)和分布式應(yīng)用結(jié)構(gòu)，現(xiàn)已在催化裂化、連續(xù)重整、PTA、PX等重點(diǎn)煉油、石化和化工裝置中得到廣泛應(yīng)用，是多變量過(guò)程先進(jìn)控制的最佳商品化工程軟件產(chǎn)品之一?；贑OM的組件化先進(jìn)控制軟件的結(jié)構(gòu)如圖1所示。
從圖1可以看出，先進(jìn)控制器的每一個(gè)功能模塊作為控制器的標(biāo)準(zhǔn)件，分別包裝不同的先進(jìn)控制算法和功能，且與程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言無(wú)關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)即插即用。而且根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需求，控制裝置必須與先進(jìn)控制算法一一對(duì)應(yīng)，組件化的框架恰好滿足了這種需求，而且簡(jiǎn)化了編程，極大的增加了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
1. 生產(chǎn)工藝及控制問(wèn)題簡(jiǎn)介
某大型純堿企業(yè)采用氨堿法制堿，其工藝過(guò)程主要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(chǎn)生的二氧化碳?xì)庠谇逑此?nèi)反應(yīng)生成預(yù)碳化液，預(yù)碳化液在碳化塔內(nèi)與高濃度的二氧化碳?xì)膺M(jìn)行碳酸化反應(yīng)（俗稱碳化）生成的碳酸氫鈉懸浮液，經(jīng)過(guò)濾得到的碳酸氫鈉結(jié)晶在煅燒爐內(nèi)煅燒獲得純堿產(chǎn)品和高濃度的二氧化碳?xì)?，二氧化碳?xì)饨?jīng)冷卻、壓縮后通入碳化塔參與碳酸化反應(yīng)。把濾去碳酸氫鈉的制堿母液進(jìn)行加熱蒸餾回收母液中的氨。
氨堿法的主要生產(chǎn)流程有：化鹽和鹽水精制、氨鹽水的制備、碳化和重堿過(guò)濾、重堿的煅燒、氨的回收以及石灰石的煅燒等。由于純堿各生產(chǎn)崗位已全部實(shí)現(xiàn)了DCS控制，因此生產(chǎn)效率明顯提高，產(chǎn)品次品率大大降低。但常規(guī)的控制不能很好的適應(yīng)純堿生產(chǎn)過(guò)程的一些復(fù)雜特性，比如大的純滯后、多變量的耦合等等，重要工藝過(guò)程參數(shù)需要操作人員手動(dòng)控制，因此裝置過(guò)程參數(shù)和產(chǎn)品質(zhì)量得不到保證，勞動(dòng)強(qiáng)度較大。為進(jìn)一步提高自動(dòng)化控制水平，我們?cè)诩儔A生產(chǎn)過(guò)程的重要工序——石灰窯工序、碳化工序、壓縮工序?qū)嵤┝讼冗M(jìn)控制技術(shù)。通過(guò)先進(jìn)控制技術(shù)的應(yīng)用，提高裝置操作的平穩(wěn)性，將關(guān)鍵工藝參數(shù)的波動(dòng)幅度降低，比如石灰窯出灰溫度、碳化塔中部溫度、碳化塔塔壓、碳化塔出堿溫度等。并以先進(jìn)控制系統(tǒng)平穩(wěn)性提高為前提，實(shí)現(xiàn)石灰窯自動(dòng)出灰、自動(dòng)配料功能，實(shí)現(xiàn)石灰窯、碳化塔生產(chǎn)負(fù)荷分配、工況平衡等優(yōu)化控制，并通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速滿足碳化過(guò)程對(duì)清洗氣、中段氣、下段氣總流量的需求變化。
2.先進(jìn)控制方案
該項(xiàng)目設(shè)計(jì)三個(gè)APC-Adcon控制器以控制純堿生產(chǎn)過(guò)程中的石灰窯、碳化塔和壓縮機(jī)裝置，Ⅰ石灰系統(tǒng)控制器，下設(shè)石灰工序控制器；Ⅱ碳化系統(tǒng)控制器，下設(shè)碳化工序控制器；Ⅲ壓縮系統(tǒng)控制器，下設(shè)壓縮工序控制器。它們之間的聯(lián)系通過(guò)物料平衡、工藝計(jì)算等來(lái)體現(xiàn)。針對(duì)裝置的特殊要求，基于自定義控制器技術(shù)為石灰窯、碳化塔和壓縮機(jī)裝置制定了特殊的控制和優(yōu)化策略。先進(jìn)控制系統(tǒng)控制方案的總體框架如圖2所示。
該企業(yè)的純堿生產(chǎn)裝置先進(jìn)控制系統(tǒng)是在DCS集散控制系統(tǒng)平臺(tái)上實(shí)施的，先進(jìn)控制系統(tǒng)軟件運(yùn)行在此集 散控制系統(tǒng)的上位機(jī)中。先控上位機(jī)以DCS提供的接口軟件作為OPC Server，通過(guò)HUB進(jìn)行數(shù)據(jù)雙向交換，從而可靠的實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)與DCS的雙向數(shù)據(jù)通訊。
3. 先進(jìn)控制系統(tǒng)控制器結(jié)構(gòu)
控制結(jié)構(gòu)是被控變量和調(diào)節(jié)變量關(guān)于控制要求的完整描述。APC-Adcon采用的控制結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)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(jié)構(gòu)如圖3所示。
其中包括：
（1）操作變量的描述
·約束：最小、最大和速度
·理想滯留值（IRV）：數(shù)值和趨向IRV 值的速率
·最大化（或最小化）：數(shù)值和趨向最大（或最?。┲档乃俾?/p>
（2）受控變量（輔助變量）的描述
·約束：最小、最大和速度
·設(shè)定值控制：閉環(huán)時(shí)間響應(yīng)
·區(qū)域設(shè)定值控制：設(shè)定值區(qū)域邊界，邊界內(nèi)及邊界外閉環(huán)時(shí)間響應(yīng)
·理想滯留值（IRV）：數(shù)值和趨向IRV 值的速率
·最大化（或最小化）：數(shù)值和趨向最大（或最?。┲档乃俾?/p>
（3）容錯(cuò)控制功能
不同的工作條件及操作模式下控制目標(biāo)可能不同，各種變量的具體要求也可能不同。當(dāng)傳感器或執(zhí)行器失效，控制對(duì)象將發(fā)生改變。對(duì)于這種意外情況，APC-Adcon提供安全的解決方案，包括：改變受控變量和操縱變量集，實(shí)時(shí)調(diào)度控制結(jié)構(gòu)等。
4.APC-Adcon運(yùn)行效果分析
純堿生產(chǎn)過(guò)程先進(jìn)控制系統(tǒng)——石灰窯先進(jìn)控制系統(tǒng)、碳化塔先進(jìn)控制系統(tǒng)、壓縮機(jī)先進(jìn)控制系統(tǒng)投運(yùn)后效果顯著，主要表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：
先進(jìn)控制系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定目標(biāo)值實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù)，降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，并大大減少了人為調(diào)節(jié)所帶來(lái)的干擾；
先進(jìn)控制系統(tǒng)使各裝置的運(yùn)行參數(shù)趨向平穩(wěn)，波動(dòng)范圍減?。?br />
先進(jìn)控制系統(tǒng)根據(jù)并聯(lián)生產(chǎn)裝置的運(yùn)行工況進(jìn)行生產(chǎn)負(fù)荷協(xié)調(diào)，既充分發(fā)揮出各裝置的潛力又平衡了各裝置的工況；
先進(jìn)控制系統(tǒng)通過(guò)平穩(wěn)裝置的各項(xiàng)運(yùn)行指標(biāo)，使石灰石有效分解率、窯氣濃度及碳化轉(zhuǎn)化率保持在較高的水平。
先進(jìn)控制系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速，滿足碳化工序?qū)η逑礆?、中段氣、下段氣的?shí)時(shí)需求，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，平穩(wěn)了生產(chǎn)。
下面分別說(shuō)明純堿生產(chǎn)過(guò)程三個(gè)子系統(tǒng)在先進(jìn)控制系統(tǒng)運(yùn)行前和運(yùn)行后的運(yùn)行狀況。
（1）石灰窯系統(tǒng)
石灰窯窯底溫度是石灰窯系統(tǒng)的重要控制參數(shù)，是反映石灰窯運(yùn)行狀況的主要指標(biāo)，下邊是先進(jìn)控制系統(tǒng)投運(yùn)前后比較：
石灰窯先進(jìn)控制系統(tǒng)投運(yùn)前：
石灰窯先進(jìn)控制系統(tǒng)投運(yùn)后：
