先进控制技术在石油化工领域的应用

摘要：随着石油化工行业日益发展, 化工生产自动化控制的技术水平也越来越高, 传统的控制策略已不能完全满足生产要求, 化工自动化控制正朝着先进控制的方向发展。本文介绍了先进控制技术的特点以及其在石油化工领域的应用，并且针对石油化工自动化的发展前景及发展方向，提出了建议和要求。

关键词：石油化工 先进控制技术 自动化控制

20世纪70年代以来，随着计算机技术的飞速发展及其在工业生产中的广泛应用，工业生产的发展趋势体现着两个明显的特征，一是生产规模越来越大，二是生产技术水平越来越高，这不仅表明了生产工艺技术水平的不断提高，同时也说明在生产控制过程中的自动化水平也得到了不断提高，这种趋势在石油化工领域体现的尤为明显。鉴于石油工业工艺复杂、高温、高压, 易燃、易爆、有毒等特性, 特别需要有可靠有效的检测与控制手段来保证安全生产和优质高产。在这方面，控制理论与自动化仪表结合而实现的石油化工自动化起着决定性作用, 生产的全过程, 离不开自动化检测与控制术。

因此，若要实现石油化学工业的科技进步，需要特别重视化工自动化技术的应用开发和推广。化工自动化技术融于石油化工领域，它的应用不仅为化工生产建设提供先进技术和增加后劲，而且可以改变化工技术、设备和管理方面的落后面貌。化工自动化已成为化工企业提高效益和市场竞争能力的有效手段。过程控制从最早的手工控制发展至今大约可划分为三个层次，第一层次为传统控制，第二层次为先进控制，第三层次为优化控制。本文着重论述先进控制在化工生产中的应用。

随着自动化控制技术的发展，先进过程控制应运而生。先进过程控制（也称先进控制）是具有比常规控制更好的控制效果的控制策略的统称，是提高过程控制质量，解决复杂控制过程问题的理论和技术。它已经成为目前过程控制应用最成功，也最具有前途的控制策略。先进控制内容丰富，涵盖面广，包括自适应控制，鲁棒控制，预测控制，智能控制，非线性控制，最优控制等。

1.先进控制系统的主要特点：

1）传统的自动控制是建立在精确的数学模型基础上的，而先进控制的研究对象的模型可以未知或知之甚少，模型的结构和参数在很大的范围内变动，比如工业过程中默写干扰的无法预测，致使无法建立其模型，但先进控制就可以解决这类传统控制无法解决的问题，比如模糊控制。

2）传统的自动控制系统具有控制任务单一性的特点，先进控制通常用于处理复杂的多变量过程控制问题，如大时滞，多变量耦合，被控变量与控制变量存在着各种约束等，先进控制是建立在常规单回路控制之上的动态协调约束控制，可使控制系统适应实际工业生产过程动态特性和操作要求。

3）传统的控制理论对线性问题有较成熟的理论，而对高度非线性的控制对象的控制效果不好。先进控制为解决这类复杂的非线性问题找到了一个出路，成为这类问题行之有效的途径。

4）与传统自动控制系统相比，先进控制系统具有足够的关于人的控制策略，被控对象及环境的有关知识以及运用这些知识的能力。因此先进控制系统具有变结构的特点，能总体自寻优：具有自适应，自组织，自学习和自协调能力，有补偿及自修复能力和判断决策能力。

5）先进控制的实现需要足够的计算能力作为支持。由于先进控制受控制算法的复杂性和计算机硬件两方面因素的影响，早期的先进控制算法通常是在计算机控制系统的尚未机实施的。随着DCS功能的不断增强，更多的先进控制策略可以与基本控制策略一起在DCS上实现。后一种方式可有效的增强先进控制的可靠性，可操作性和维护性。

2.石油化工领域中先进控制系统的应用

在典型的炼化装置生产操作过程中，存在着动态响应时间滞后、变量未能在线测量、动态响应非线性、干扰相互偶合、约束、大的外部干扰等特性，从而导致传统的PID控制效果不佳。20世纪70年代初，学术界提出以多变量预估控制为核心的先进控制(advanced process control，APC)理论，根据装置运行的实时数据，采用多变量模型预估技术，计算出最佳的设定值，送往控制器执行。多变量预估控制范围不再只是针对某个具体的工艺测量值或与之有关的变量，而是根据1组相关的测量值乃至整个装置的所有变量。通过实施APC，可以改善过程动态控制的性能，减少过程变量的波动幅度，使生产装置在接近其约束边界的条件下运行(卡边操作)。90年代以来，大规模的模型预估控制和用于优化的非线性预估控制技术得以完善，在石油化工行业获得广泛应用，大量工业装置在已有DCS基础上配备了先进控制系统。先进控制可以保证该控制环节稳定运行在给定工况。先进控制系统是将化工工艺，化学工程，计算机，仪表，过程控制理论与先进控制技术进行有机结合而形成的一种新型控制系统，采用先进控制课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。先进控制技术用于解决那些采用常规PID控制效果不佳或无法控制的复杂工业过程控制问题， 包括： 控制策略的改进， 数据采集、 处理和软测量技术， 人工智能技术， 动态过程模型辨识技术， 多变量预测控制技术，PID参数自动整定技术等等。先进控制的实现需要足够的计算能力作为支持。简单的先进控制程序可用DCS提供的过程控制语言编写， 运行在现场控制层， 计算复杂的先进控制软件运行在DCS指定的节点上。先进控制方法可以保证该控制环节稳定运行在给定工况，特别是预估控制技术，组份推断控制，模糊控制，神经网络技术，自适应控制，故障诊断等在生产过程中已得到实际应用并取得良好的效果。

我国石油化工自动化经过五十年的发展，通过技术引进，消化，吸收和不断创新，自动化水平取得了长足进步，已从手工操作发展到自动控制，从低级的单回路控制发展到高级复杂的系统控制及管控一体化，在自动化装备，技术，功能，规模等方面都有了很大提高。大中型石油化工企业主要生产过程已在不同水平上实现自动化控制，并取得显著经济效益，小型骨干化工企业主要产品的主流程也已具有比较成熟的控制系统和低成本自动化成套技术，实现了生产信息在车间的集成。多年的实践证明，自动化已成为企业提高效益的有效手段，特别适合随着信息技术的应用和发展。

3.石油化工自动化的发展建议

大型石油和化工企业必须综合应用自动控制技术、 计算机技术、 信息技术、 网络技术等，推进、 扩大和加快企业综合自动化系统建设， 提高信息集成化程度,，提高管控一体化的程度, 从而达到降低原材料和能源消耗、 降低成本、 提高产品产量和质量、 提高企业整体效益、 增强竞争能力的目的,并树立为石油化工企业全层次、 全方位、 全生命周期服务的态度。在实际工作中，应提高自动控制应用率,提高其控制水平和应用效益, 积极应用和开发先进控制系统,提高现有装置经济效益；同时，要大力强化已有先进控制软件的商品化开发，促进其推广应用，并向产业化方向发展。大力加强设备和生产运行的安全性监测、 故障诊断和预报控制等技术的开发应用，确保企业生产安全运行。加强环境保护监测，尤其是在环境污染严重、 易燃、 易爆、 易中毒岗位和场合, 应设在线监测和预报系统。

同时，为迅速提升石化行业信息化和自动化控制技术水平，不仅需要现在从事过程控制研究的技术人员不断扩大自己的知识领域，而且更重要的是把从事计算机科学、人工智能、过程控制与化学工程的技术人员有机结合起来，进行这些带有交叉学科性质的新课题的开发与研究,这些新课题的研究成功将会大大促进石油化工自动化的发展，并满足工业生产的需要。