快速部署多變量控制器策略以適應經(jīng)濟目標不斷變化
作者：艾斯本公司高級資深技術(shù)顧問 竺建敏博士
作者簡介：竺建敏，男，工業(yè)自動化專業(yè)博士，現(xiàn)任美國AspenTech公司高級資深技術(shù)顧問， 1993年~1996年在美國休斯敦DMC公司任高級控制工程師，1996年~1999年在美國休斯敦AspenTech公司任先進控制及優(yōu)化項目高級工程師， 1999年~2002年在AspenTech中國的合資企業(yè)上海申迪軟件工程有限公司任副總經(jīng)理，2002年起在AspenTech中國區(qū)、亞太區(qū)任高級資深技術(shù)顧問。主要研究方向為煉油、石化和化工行業(yè)先進控制及閉環(huán)實時優(yōu)化的系統(tǒng)開發(fā)和應用，曾任美國休斯敦華人石油協(xié)會仿真、控制及優(yōu)化專業(yè)委員會主任，發(fā)表相關(guān)論文20余篇。
摘要： 艾斯本公司新一代先進控制集成解決方案-Aspen DMC3集多變量模型預測控制、多變量控制器實時監(jiān)控及診斷、自動數(shù)據(jù)剔除及閉環(huán)模型辨識、模型質(zhì)量在線自動分析、自適應控制、魯棒控制及多變量控制器智能整定等功能于一體。艾斯本多變量控制器智能整定技術(shù)采用新穎的序貫多目標優(yōu)化算法、通過直接指定優(yōu)化目標從而消除復雜的整定工作、通過安裝向?qū)лp松配置優(yōu)化器、并可提供可視化的在線多變量控制器策略。
關(guān)鍵詞：先進控制；自適應控制；多變量控制器智能整定； Aspen DMC3
隨著原料及能源價格的巨大波動，盡快作出相應的經(jīng)濟調(diào)整以使資產(chǎn)利潤最大化變得至關(guān)重要。與時俱進、滿足日益嚴格的法規(guī)要求及滿足生產(chǎn)需求的制造廠商，需要在全廠范圍實施更具靈活性且更具可持續(xù)效率的措施。因此，優(yōu)化不再是企業(yè)的可選項，優(yōu)化是企業(yè)提高競爭力必需的手段。在不斷快速變化的經(jīng)濟環(huán)境下，必須同時兼顧營運性能優(yōu)化和卓越經(jīng)營。
先進過程控制（APC）的開拓性創(chuàng)新功能可幫助企業(yè)優(yōu)化生產(chǎn)工藝操作，減少損耗，降低整個生產(chǎn)過程中的能源成本，提高資產(chǎn)效率，提高產(chǎn)品質(zhì)量和改善產(chǎn)率。此外，最新技術(shù)創(chuàng)新的APC軟件更易使用，即使經(jīng)驗較少的工程師也可參與先進控制應用，并可快速取得先進控制應用成果。
快速識別問題
當原油價格在2015年初驟跌至每桶50美元時，下游行業(yè)則迎來了優(yōu)化及提高利潤的機會。在不考慮經(jīng)濟情況下，無論是創(chuàng)建新工廠的新興地區(qū)，還是尋求改擴建及延長資產(chǎn)周期的企業(yè)，APC 技術(shù)在幫助這些企業(yè)實現(xiàn)利潤最大化時發(fā)揮著極其重要的作用。
APC可為煉油及石化企業(yè)帶來顯著的運營效益，通過采用精確的模型以創(chuàng)造更高的效益。然而，為了應對模型誤差，無論是主動還是被動地對多變量控制器進行重新整定，其結(jié)果可能會出現(xiàn)過度補償或者低于最優(yōu)閾值。在APC運行周期中，工藝裝置不斷發(fā)生變化。多變量控制器會顯示與工藝裝置實際行為的不同性能。有時，持續(xù)多變量控制器性能要比初始多變量控制器應用可能更難一些，但是它對降低成本，減少時間，持續(xù)長期運營效益是至關(guān)重要的。
使用改進型的APC自動化軟件工具，可大大減少先進控制解決方案的實施時間與實施工作量，更快地獲得先進控制帶來的效益。APC通過實行更加精確控制，減少產(chǎn)品質(zhì)量波動（產(chǎn)品質(zhì)量改善高達50%），增加產(chǎn)率（高達3%），提高產(chǎn)量（平均4%），減少能源成本（高達10%）及改善資產(chǎn)效率。
由于無法保證在線多變量控制器各操縱變量調(diào)節(jié)的正確性，操作工無法獲得足夠的指示信息是一種普遍情況。由于多變量控制器模型可能無法表征特定工況下的工藝裝置行為，如果操作工無法理解多變量控制器的行為，那么可能導致多變量控制器操作有誤，操作工可能不得不關(guān)閉多變量控制器。嚴重的情況可能會導致工藝運行在經(jīng)濟目標的范圍之外。因此，現(xiàn)有的APC方法需要對工藝裝置有著深層次的理解，并將它們轉(zhuǎn)換成與多變量控制器相適應的整定參數(shù)。多變量控制器整定是一個復雜且耗時的過程，有時需采用迭代-試湊法。由于技能嫻熟的APC專業(yè)技術(shù)人員相當匱乏，因此企業(yè)關(guān)心的是為確保先進控制系統(tǒng)按工藝要求運行而對專業(yè)技能產(chǎn)生的依賴程度。許多經(jīng)驗豐富的APC專業(yè)技術(shù)人員將在未來5-10年退休，而進入先進控制應用職場的具有同等高水平行業(yè)經(jīng)驗的工程師卻人數(shù)不足。
應對經(jīng)濟目標的變化
為滿足不斷變化的經(jīng)濟目標，從高成本及高風險的生產(chǎn)運營過程中盡可能獲取更多價值是非常重要的。因此，具有靈活、創(chuàng)新、自動化工作流程特點的APC軟件及其直觀式的界面功能可幫助煉油及石化企業(yè)提高績效，跟上全球激烈競爭環(huán)境的步伐。
Aspen DMC3具有“整定”魯棒性以適應正常工況與不尋常工況之特點。這款新穎軟件包含了業(yè)務不斷創(chuàng)新，例如艾斯本公司推出的開拓性自適應過程控制技術(shù)，不但具有自動整定及自動測試功能，而且還具有先進的模型辨識及分析能力。這項專利技術(shù)可將APC維護從一個項目轉(zhuǎn)變?yōu)槌掷m(xù)的后臺背景工作，裝置測試對正常工藝生產(chǎn)帶來的影響更小。隨著時間的推移，它可保持多變量控制器一直處于高性能在線運行，提高運營效益。Aspen DMC3帶來核心價值包括： 提高多變量控制器的在線投運率，改善APC效益，減少工程師的工作量，降低勞動強度及簡化先進控制應用工作流程復雜度。此外，APC集成度高，可為用戶提供直觀界面，將反映裝置績效的數(shù)據(jù)（如壓力及溫度等）合理轉(zhuǎn)換為一目了然的相關(guān)圖表。
用戶不僅可利用Aspen DMC3中新添加的多變量控制器智能整定(Smart Tune)功能直接在多變量控制器中創(chuàng)建并更頻繁地更新操作運營目標（如輕柴最大化與汽油最大化之間的優(yōu)化權(quán)衡），而且可輕松消除復雜且繁重的多變量控制優(yōu)化器整定工作。重要的是，這一創(chuàng)新可幫助工程師讓多變量控制器策略快速適應公司不斷變化的經(jīng)濟目標，從而使APC應用變得更加靈活、更加有效。多變量控制器智能整定(Smart Tune) 具有減少復雜整定的優(yōu)點，因此工程師只需花費少量精力整定多變量控制器便可滿足新的經(jīng)濟指標要求。這一解決方案可使經(jīng)驗不太豐富的工程師也可創(chuàng)建及維護多變量控制器。當模型性能呈現(xiàn)衰退或模型需要更新時，這款智能軟件無需對多變量控制器再次進行復雜的人工整定便可輕松實施相應的優(yōu)化策略，而且其直觀式的在線界面讓多變量控制策略可視化，便于操作工、工程師更好地理解多變量控制器控制策略及相應的
控制器行為。
擁有更為敏捷和更加魯棒的APC多變量控制器技術(shù)，煉油及石化企業(yè)可使其工廠運營快速適應不斷變化的經(jīng)濟指標或運營需求。此外，企業(yè)可快速協(xié)調(diào)并整合各工藝單元裝置的APC多變量控制器、調(diào)度及計劃，將APC應用的所有權(quán)范圍擴大至APC運營利益相關(guān)者及過程工藝工程師。總的結(jié)果表明Aspen DMC3中所新增加的智能整定 (Smart Tune) 功能在優(yōu)化能源使用、排放及運營成本方面發(fā)揮著巨大的作用。此款軟件具有使多變量控制器能按照現(xiàn)有業(yè)務及裝置狀況來進行調(diào)整能力，對于實現(xiàn)運營目標至關(guān)重要。借助其擁有的內(nèi)置式多變量控制器自動維護功能，企業(yè)不但可省去復雜多變量控制器改造項目費用，還可降低新建先進控制應用成本并提高效益。
讓業(yè)務步入正軌
先進控制軟件的創(chuàng)新表現(xiàn)在使用上更為直觀，并利用先進控制自適應功能可縮短了設(shè)計時間。APC自較簡易的模型構(gòu)建階段起，不斷提高模型精度，用一目了然的友好界面顯示相關(guān)數(shù)據(jù)分析和控制策略，因此其自動化工作流程具有對正常生產(chǎn)干擾小，對專業(yè)技術(shù)人員依賴少的顯著特點，現(xiàn)在工程師可輕松配置多變量控制器行為來應對特定事件。擁有新添加的智能整定(Smart Tune) 功能的Aspen DMC3可讓用戶迅速適應不斷變化的經(jīng)濟指標，節(jié)省工程時間及工作量，提高裝置的穩(wěn)定性、裝置性能及快速實現(xiàn)企業(yè)運營目標。
配備開拓性的APC軟件，煉油及石化企業(yè)生產(chǎn)廠商可更為靈活地攀登卓越運營的高峰，增加效益，在不斷動蕩的市場中維持競爭力。
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