石油化工过程先进控制和实时优化技术*

沈红彦，李 宏

（1.抚顺石化公司石油二厂科技信息部，辽宁抚顺113004；2.中国寰球工程公司辽宁分公司，辽宁抚顺113006）

石油化工过程先进控制和实时优化技术*

沈红彦1，李 宏2

（1.抚顺石化公司石油二厂科技信息部，辽宁抚顺113004；2.中国寰球工程公司辽宁分公司，辽宁抚顺113006）

通过石油化工生产过程处理量大、连续生产、多变量互相关联影响、动态响应特性复杂、具有多重变时滞的特点以及在炼油化工企业计算机的先进控制主要方法自适应控制、多参数预估控制、组分推断控制、神经网络、模糊控制、最佳控制及故障诊断系统等的介绍，对先进控制技术的核心——控制器以及影响控制器效果的因数-所建模型和所采用的算法做了具体分析。

状态变量；多参数预估；被控变量；干扰变量；分散控制系统；多参数预估控制

在工业生产过程中，有一系列非常重要的因素（参数）需要随时监视和控制，否则就无法确保产品质量和生产过程的正常进行。在石油化工生产中，这些参数是时间、温度、压力、压差、流量阀位、液位、体积等。这些参数的变化靠人巡回检测监视难以实现如前馈、大滞后、非线性等复杂的控制；另外，生产过程的过程信息和控制功能由各种仪表、热电偶、变送器、记录器、控制器等进行检测、显示、传递和控制来完成的话，则每个调节点即每一个控制方案和另一个控制方案之间是相互独立的，不能协调。

20世纪50年代出现的集中控制系统不仅成本高，而且有一个致命的缺点，即一旦计算机出现故障，整个系统就会瘫痪。70年代以微处理机为基础的集中分散型控制系统（DCS）的出现，彻底解决了这些问题，它采用集中管理、分散控制对装置实行计算机过程管理、过程控制、实行工况的实时检测、历史工况的综合分析、未来工况的趋势预报、工艺核算等，使整个生产过程的水平大大提高，DCS的可靠性满足了装置安全生产、稳定、长周期运行的要求[1]。

为了进一步提高其控制水平、开发控制系统的先进功能，随着计算机控制系统应用的迅速发展，国外大型石化公司在生产装置上已普遍采用了先进控制技术。国内一些石化公司如茂名、扬子、济南等炼油厂已经应用了先进技术，并且带来了可观的经济效益。

1 石油化工生产过程的特点

根据石油化工生产过程的特点：处理量大、连续生产、多变量互相关联影响、动态响应特性复杂、具有多重变时滞，许多重要变量的变化情况不能实时测量得到，尤其是在市场经济条件下，原料量及其性质，产品品种及其质量指标，均随市场环境变化，生产过程的特性也随之变化，要维持生产过程处于优化，单靠人工经验实现是很困难的[2]。所以一般先进控制和实时优化系统采用数学模型，通过以过去的过程行为检测为基础的动态过程运用多变量先进控制技术来预测未来的过程行为。通过这个模块使控制器能够计算出最适宜的操作变量运作，受物理约束影响，最小化实际和想要的过程行为的差值，进一步，通过这个模块计算出最适宜的操作点，把生产过程放到这个点上，达到优化。

2 几种优化控制方法

在炼油化工企业计算机的先进控制方法主要有自适应控制、多参数预估控制、组分推断控制、神经网络、模糊控制、最佳控制及故障诊断系统等。采用先进控制可提高系统的控制适应能力，克服由于系统本身的时变性、非线性、不稳定性、外部扰动的随机性及不可检测等带来的问题[3]。国外已有18家公司共有120多种先进的控制软件，逐步向标准化、工程化、商品化发展。这些软件已应用于炼油装置、乙烯、芳烃生产等，也有的用于工厂蒸汽系统、油品调合、油品储运以及全厂综合控制系统。另外，神经网络与学习控制系统已实用化。特别是预估控制技术、组分推断控制、模糊控制、神经网络技术、自适应控制、故障诊断等的应用已取得较好效果。

2.1 组分推断控制

为了保证塔的产品质量，一般采用在线分析仪进行反馈控制，组分推断控制可不用在线分析仪，是根据塔的进料量、压力和温度等参数由计算机快速计算出每一种产品的馏程95%点、90%点和10%点，可精确地进行反馈控制。

大连七厂、锦西炼厂已采用组分推断控制，这种控制与中段回流节能控制组成实用的优化软件，经济效益明显。

2.2 多参数预估控制

多参数预估控制（IDCOM）是运用现代化控制理论的一种先进控制，主要用于塔及反应器温度控制，和处理难度较大的温度影响动态特性问题。多输入多输出的（IDCOM）控制方法是使塔稳定操作的有效方法，这种方法可采用脉冲响应模型为过程内部动态模型。

石油一厂催化装置采用了这种方法，不仅对提高生产效益发挥了重要作用，并提高了装置生产的自动化程度，方便了操作，减轻了操作人员的劳动强度。

2.3 模糊控制和神经网络技术

自20世纪90年代初模糊控制的热潮波及到欧洲后，德国工程师就致力于研究工业自动化方面应用模糊控制，他们认为模糊控制技术是一种关键技术。模糊控制技术主要用于滞后大、非线性的石油化工对象。现已有商用软件。神经网络技术可用于质量预测，与模糊控制技术相结合可用于控制石油化工非线性对象，常规仪表是不能完成这样的控制任务的。

由上所诉可得出结论采用多参数预估控制、模糊控制和神经网络技术相结合是最好的。

3 实施过程

先进控制技术的核心是控制器，其控制效果取决于所建的模型和所采用的算法。下面讨论一下建立生产过程系统模型，先从变量参数说起。

对各变量按其特性进行划分，是操作控制的基本依据。可划分为以下几种：

（1）状态变量：反映生产过程状态的变量，如：温度、压力、组分、液位等，这些变量对时间的导数与系统中储存的能量或物料量的变化率成正比。因此，他们都不会发生跳跃，而总是有一个随时间的变化过程（测量值中的噪声并不是状态变量的真正变化）。

（2）被控变量：要求控制在一定数值的变量。

（3）操作变量：要使被控变量达到要求，可进行操作的变量，如阀门开度，流量控制系统的给定值等。

（4）干扰变量：导致被控变量偏离要求的变量。

通常认为操作变量和干扰变量是自行变化的，称为“独立”变量或“自变量”，更科学的称为系统的输入变量，他们是导致系统发生变化的原因，而不受本系统状态变量和被控变量的影响。要使系统状态发生变化，需要调整操作变量，不可能“直接”使其变化。

被控变量通常是状态变量的函数，或者就是状态变量的一部分。通常，一个系统的状态变量多于被控变量。从概念上说，系统的输入变量首先使状态变量发生变化，然后引起被控变量发生变化。有时，被控变量除受状态变量影响外，也受输入变量影响。因此，状态变量和被控变量也被称为“因变量”。

对变量的划分告诉我们：状态变量可提供系统的全面信息，对操作变量和干扰变量的响应常常较被控变量为快，因此，利用状态变量可改善系统的性能，是现代控制理论的一个主要贡献。问题是：常有一些状态变量是不可实测的，无法提供实时信息。

操作控制特性的另一方面是上述各变量间的定量关系。由于任何操作控制必引起系统存储能量或物料量的变化，物料和能量的传送需要时间，因而，系统的输入（操作）变量变化后，状态变量和输出（被控）变量常常会有一个无响应的时间（滞后时间），响应后有一个随时间的变化过程；只有到达稳定后，才有稳态模型给出的输入与输出间固定的对应关系。控制的反馈作用又增加了各变量的互相影响，也影响稳态时输入输出间的固定关系。变量随时间的变化形式，因输入随时间的变化和历史状态（数学上称为初值）而异，并不是固定的，表现在实际运行时，对同一变量，也很难找随时间变化完全一样的变化趋势。

操作控制必须适应生产过程各变量随时间的变化。适应其变化规律，才能使生产过程运行达到满意的结果。因此，建立各变量之间的数学关系，也就是生产过程（系统）的模型，实现基于模型的计算和控制，是当前先进控制技术的一个主要特点。

描述各变量随时间的变化，需用建立状态变量对时间的导数和各变量间的微分方程。建立控制用数学模型可概括为以下两种方法：

3.1 对系统施加测试信号

由实测的过程输入输出变量建立系统模型（系统辨识）；由于状态变量不完全可测，即使可测，由实测数据建立其模型较为困难，目前工程中大多采用输入输出数据建立输入输出间的关系。

3.2 通过机理分析建立模型

前者常被称为“黑箱”模型，因其不能给出系统内部状态变量关系，只有“外表”；后者被称为“白箱”模型，可全面给出系统的特性。前者在技术上较为容易，但要干扰生产，当有不可测输入或过程有变化时难以适应；后者要求建模者对系统（生产过程）有深入的了解，技术要求高，但正是由于它对系统的全面描述，提供全面信息，在应用中会带来很多效益。

一般实时优化指的是生产工艺的优化。运用模式识别（即离线优化）、现代模型预估控制技术、神经网络、专家系统等方法，采用实时数据采集，建立模型，此模型将用于计算所需的控制器目标函数中的工艺目标条件，然后控制器会将在保证要求的约束条件下将操作点移到最佳点上。这就要求根据约束条件和优化操作条件的不同，创建不同的模型，需要控制器适合不同的模型，并且不需要重新初始化就更好了。

4 结束语

随着计算机技术的迅猛发展做为强有力的工具，在进入21世纪的今天，系统理论和生产过程技术的发展与结合，为更深入、更广泛的适应生产过程特性，发展先进控制和实时优化技术，为企业创造了更大的效益，这是必然的发展趋势。

[1]黄德先.先进控制和实时优化技术在石油企业的应用[J].圣金桥信息技术通讯，2002（6）：5-8.

[2]郭庆方.化工行业发展循环经济的有效途径[J].化学工业，2007（11）：23-26.

[3]黄德先.化工过程先进控制[M].北京：化学工业出版社，2003.

Introduction to Advanced Control and Real-time Optimization Technology Used in Petrochemical Process

SHEN Hong-yan1，LI Hong2
（1.Fushun No.2 Refinery CNPC，Liaoning Fushun 113004，China；2.China Huanqiu Contracting&Engineering Corporation Liaoning Branch Company，Liaoning Fushun 113006，China）

The core of the advanced control technology including the controller and the factors（establishing model and algorism）which can affect the controller was analyzed by introducing characteristics of the petrochemical production process，such as large processing capacity，continuous production，multivariable interaction，complicated dynamic response and multivariable delay，and the advanced control methods in the petroleum and chemical enterprises，such as self-adapting control，multi-parameter predictive control，component inference control，neural network，fuzzy control，optimum control and fault diagnosis system.

State variable；multi-parameter estimation；controlled variable；disturbance variable；DCS；IDCOM

TP 273

A

1671-0460（2010）02-0153-03

2010-03-02

沈红彦（1974-），女，工程师，1996年毕业于抚顺石油学院计算机系计算机软件专业，从事计算机系统管理工作。E-mail：yan_shy@sina.com。