APC在空分装置中的应用

何 伟，周 兵，赵向远，FENG XIONGFENG，程向龙

[1. 张家港盈鼎气体有限公司，江苏 张家港 215625；2. 盈德气体(上海)有限公司，上海 210035；3. 上海福克斯波罗有限公司，上海 200331]

0 引 言

空分装置作为化工、冶金等行业的上游装置，其可靠性对全厂生产系统的安全、稳定运行有着十分重要的意义。空分装置停车，全厂生产往往无法继续(一般空分装置均设有液体后备系统，空分装置停车，液体后备系统可短时供气，以保障系统安全停车；即使设有备用空分装置，备用空分装置开车约需24 h，而空分装置跳车重启一般仅需4 h)，而仪表空气和安保氮气的供应更是保障着全厂的安全运行。空分行业历经近百年的发展，深冷分离技术已相当成熟，空分工艺越来越先进，装置规模越来越大，智能化控制程度越来越高。

近年来，先进过程控制(Advanced Process Control，简称APC)技术在流程工业过程中不断地推广应用，取得了良好的效果，其在空分装置上的应用也越来越受到重视。作为信息化技术在生产装置中的应用，APC不仅可提高装置的控制能力和管理水平，而且还可为企业创造可观的经济效益。以下就APC在张家港盈鼎气体有限公司(简称张家港盈鼎)二期空分装置上的应用作一简介。

1 空分装置及APC简介

张家港盈鼎二期空分装置为浙江智海化工设备工程有限公司自主设计(原始设计时没有考虑APC控制)，设计产能为氧气60 000 m3/h、氮气120 000 m3/h，于2017年12月投产。本空分装置采用业内经典的内压缩、全精馏无氢制氩流程(氩提取率可达78%)：分子筛净化空气，出分子筛的部分空气由增压机增压至2.5 MPa，经高压节流和空气膨胀机进入主精馏塔(上塔、下塔均采用规整填料)下塔；增压透平空气膨胀机和增压透平氮气膨胀机各1台，膨胀空气进下塔，膨胀氮气常压反流出主精馏塔，汇入氮气总管；主精馏塔产出的液氧经冷箱内液氧泵加压至0.9 MPa，与高压空气换热后送用户管网。

张家港盈鼎二期空分装置APC项目实施由盈德气体(上海)有限公司APC项目组和上海福克斯波罗有限公司(简称福克斯波罗，SFCL)共同完成，采用SFCL的AVEVA APC软件予以实施。福克斯波罗作为施耐德电气集团专注于过程控制与流程行业数字化解决方案的独立业务单元，一直致力于为全球生产制造和基础设施行业提供自动化和信息技术、控制系统、软件解决方案和咨询服务。

张家港盈鼎二期空分装置APC系统基于AVEVA APC软件进行控制器搭建。AVEVA APC软件通过采集阶跃测试数据辨识出过程中变量之间的动态数学关系(即模型)；利用该模型，软件可预测被控变量在未来时段的变化趋势，从而施加有效调控动作，提高过程控制品质。AVEVA APC软件平台支持嵌入式编程语言Python，有助于实现基于专家知识的逻辑控制、自适应控制等多种智能控制功能。

2 APC项目的实施

2.1 APC与DCS的连接

APC的实施基于DCS，通过OPC服务器与现场DCS实现通讯。通过模型预测控制算法计算出操作变量(Manipulated Valuable，MV)的优化值，并将优化值写入DCS(通常写到PID回路设定点、阀位等)，实现控制优化。通讯采用WatchDog看门狗机制，APC控制器每个运算周期发送0～99顺序序列至DCS，并读回；DCS侧的WatchDog状态判断在DCS逻辑中实现。当读写数据差值小于±0.1则延时发通讯故障，此时DCS控制逻辑会自动切除APC控制器涉及的所有MV，并发出相关报警信息，同时将这些MV无扰切换至其默认DCS控制状态，操作权限回归运行人员。

2.2 预测试及PID优化

预测试的目的主要是评价常规控制系统的性能，确定工艺过程响应时间的数量级，考察工艺约束及变量耦合情况，以及是否有变量需要进行变换。预测试主要通过MV的小幅度的阶跃测试实现。具体而言，需要将MV或在测试期间允许改变的前馈变量(Feedforwardvaluable，FV)进行几次阶跃调整，以检查相关控制回路的PID参数和控制阀的性能。

预测试过程中，若发现作为MV的PID回路性能不够理想，则需要进行PID参数整定。本APC项目的PID参数整定基于内模控制算法，结合特定DCS系统中PID算法类型(不同DCS系统中PID算法不同)，在对PID回路输出与PID回路测量值关系进行建模的基础上计算PID回路比例、积分和微分参数的初始值，并在此基础上结合PID整定进行优化，以获得良好的控制性能，相较于传统的仅凭经验进行试错调整更为高效。

PID控制是现代化连续生产过程自动化控制的基础，也是APC实施的基石，PID参数的优化整定工作在APC项目中占有重要的地位。从控制机制上来说，PID与APC控制方式的主要区别在于：PID控制中1个手段能且仅能控制1个被控目标，属单变量反馈(事后)秒级自动控制，模式为设定点控制；APC控制属模型预测控制，M个控制手段控制N个被控目标(通常N>M)，运行周期为几秒到几分钟，可在区间控制，亦可以设定点控制。在APC项目的实施中，应该发挥两种控制机制(PID与APC控制)的优点，使其各施所长。

张家港盈鼎二期空分装置APC项目的实施中，首先通过PID回路结构优化和参数整定实现良好的底层控制，在此基础上，以优化后的PID回路设定点作为MV，实现APC控制与传统PID控制的完美结合。在大数据利用方面，张家港盈鼎APC项目在预测试阶段充分利用PI数据库优势，引入大量数据分析，形成多个关联工艺参数公式，在此基础上优化底层PID控制架构，使之能更好地与APC结合进行优化控制；同时，相关的分析结果也能用来验证仪表数据的有效性，充分挖掘利用大数据。

2.3 阶跃测试与建模

在预测试的基础上，可以进行APC控制器的初步功能设计，其中最主要的内容是MV、CV(controlled variable，被控变量)、FV列表，以及相应的阶跃测试计划。MV、FV与CV之间的动态影响关系，即模型，是APC控制器的核心。阶跃测试，就是人为地去改变MV和FV(如果FV可操作的话)，同时记录下CV的动态响应。在保障安全生产的基础上，阶跃测试的幅度要足够大，使得CV响应符合足够信噪比的响应，以便APC软件中的模型辨识模块能顺利辨识出正确的动态模型。

阶跃测试完成后，APC项目进入到建模阶段(亦称模型辨识)。APC工程师对阶跃测试中记录下的MV、FV、CV数据进行检查，筛选出响应明显、因果关系清晰的测试数据，在此基础上，设置好建模参数(如预测周期、建模长度等)，模型辨识所涉及的复杂统计计算则由AVEVA APC软件自动完成。

模型的精确程度，通常可通过比较CV的模型预测值与实测值予以评价。生产过程中时常存在的不可测干扰往往会干扰CV在阶跃测试中的响应，而影响模型精度，这就要求APC工程师在建模过程中注意甄别数据，采用CV响应一致性好、因果关系清晰的数据进行建模。

模型辨识过程是一个统计计算过程，容易被看成是一个给予输入/输出数据之后直接得到模型的黑箱过程，这样的认识其实是不够的。模型辨识结果是否合理，APC工程师应在工艺机理认知的基础上给出工程判断，确认所得结果在工艺上符合变量之前的动态影响关系。例如，当一个模型辨识的结果表明某个流量MV引起某个组分CV改变的增益为2时，首先应思考和确认这是否符合操作常识及工艺机理；如果偏差较大，就应考虑建模数据是否受到较大不可测干扰以及建模数据选取是否合理等，需重新进行建模；有的时候若发现测试数据受到的不可测干扰很严重，甚至可能需要重新进行阶跃测试。

2.4 控制器集成与投运

模型辨识完成后，所有模型的集合即成为APC控制器的主体。这个控制器要能投入运行，须完成APC-DCS界面创建：在APC软件平台中，需要针对所有的MV、FV和CV进行设置，设置好默认的参数，其中最重要的是MV和CV的权重——适合的权重设置可使控制器的运行满足CV控制精度最高、MV变动最小、MV离目标值最近等控制优化指标的要求；在DCS中，建立保证APC和DCS正确通讯的看门狗逻辑，保证各控制器和MV/CV/FV等顺利投切的逻辑、专用来显示和实现的控制器、MV/CV/FV变量投切的画面。

APC-DCS界面必须经过严格的测试，各项通讯、投切功能确认完好后，才能过渡到APC投运阶段。在APC投运阶段，一般从单个MV、单个CV开始投运。在投运调试的过程中，根据CV控制性能微调MV及CV权重，以达到满意的控制效果；在此基础上，投入FV将有助于克服可测干扰对CV的影响，进一步提高控制精度。按此步骤逐步投入其他的MV、CV和FV，完成整个控制器的投运与调试。

3 空分装置APC系统运行情况

3.1 空分装置实现智能控制与实时优化

张家港盈鼎二期空分装置原始设计没有考虑APC控制，经过约3 a的运行考核与调研，APC项目于2021年4月立项实施，2021年12月16日正式投运。APC系统投运后，张家港盈鼎二期空分装置综合控制自动化水平明显提升：APC系统投用前，日常操作中空分装置分子筛均压、生产负荷调整等极易造成工况波动、参数偏离正常值，需要操作人员实时关注；APC系统投用后，能根据CV、MV和FV的历史值及模型，预测CV的变化，计算出合理的MV控制动作，通过OPC写入到DCS及时进行优化控制，如此一来，克服了人员操作的不稳定性和不一致性，使得过程变量的控制品质明显提升，生产工况更加稳定。例如，APC系统投运后，氩中微量氧含量这一CV的控制变得非常平稳，CV标准偏差明显降低；在此基础上，可进一步提高该CV设定点，实现卡边操作，以使生产效益最大化。

统计数据表明，APC系统投运半个月后，张家港盈鼎二期空分装置KPI提升显著：氧气提取率提升0.25%，达99%；氩提取率提升1%，达80%；氧气放散率绝对百分比小于50%；空分装置整体能耗下降约0.5%。

3.2 空分装置实现自动变负荷

在实现基本控制和卡边优化的基础上，实现张家港盈鼎二期空分装置的自动变负荷是本APC项目的另一个重要目标。具体目标是，当用户氧气需求量发生变化时，操作人员只要设定目标氧量，点击“GO”即可由APC系统自动执行变负荷操作。

APC系统会根据目标氧量自动计算总空气量，并赋值给空气量MV作为MV目标，按照变负荷模式来达到这个目标。一般来说，变负荷区间为空分装置标准负荷的90%～105%，整个变负荷过程要求90 min内完成。

变负荷过程中，在DCS层面空气量和中间物料、氧氮产品保持比例控制的基础上，APC系统所管控的MV各司其职，分别控制对应的CV；当关键CV值触及上/下限时，变负荷逻辑会触发空气量MV暂时进入自动闭锁，直到相关CV重新进入安全范围；当空气量MV值很接近目标总空气量后，APC系统将自动停止变负荷操作。变负荷过程中，操作人员可以通过点击“HOLD”或“GO”来暂停或恢复变负荷操作。

变负荷设计的另一个应用是，正常生产时，如遇到氧气管网压力改变(例如，当氧气管网压力CV“2PI1510B.PV”与其控制范围偏差大于10 kPa)，APC系统可根据氧气管网压力的波动幅度自动调整空气量，以控制氧气管网压力CV重新回到允许偏差范围内。

4 结束语

张家港盈鼎二期空分装置APC项目，首先采用APC理论方法在DCS层面实施了PID结构和参数的优化，为APC的实施打下了坚实基础；然后，遵循施耐德APC项目的标准流程，采用AVEVA APC软件平台，经过阶跃测试、建模、控制器搭建、APC-DCS界面创建、APC投运调试等重要环节，成功实现了多个重要CV的稳定控制及卡边优化。APC系统投运后，氩馏分及氩中氧含量等重要指标的控制得到大幅提升，氩提取率提高明显，氧气放散下降，氧气提取率上升，空分装置能源利用率有效提升，可带来非常可观的经济效益；在此基础上，进一步实现了空分装置自动变负荷操作，变负荷的效率有了很大的提高，系统工况波动减小。同时，APC的应用还减轻了操作人员的工作量，杜绝了因操作失误带来的工况波动，降低了人为操作中的风险因素。