施耐德電氣草甘膦精餾先進(jìn)控制APC項(xiàng)目

1、 項(xiàng)目背景介紹

草甘膦化學(xué)名稱為N-（膦酸甲基）甘氨酸，是甘氨酸的膦酰甲基衍生物，屬于低毒有機(jī)磷類，具有高效、廣譜、低毒、低殘留的特性。草甘膦純品為白色無味固體，分子式為 C?H?NO?P，是一種滅生性除草劑，可以應(yīng)用于傳統(tǒng)作物、轉(zhuǎn)基因作物、果蔬等防除各種常見雜草。客戶通過化工生產(chǎn)裝置生產(chǎn)草甘膦，在其生產(chǎn)工藝中，精餾工藝起著至關(guān)重要的作用，承擔(dān)著整個(gè)草甘膦一工段氣相處理，所以一直以來精餾工藝與整個(gè)草甘膦一工段的產(chǎn)能息息相關(guān)。精餾整個(gè)工藝包括四個(gè)塔：堿洗塔，脫重塔，產(chǎn)品塔，回收塔，整個(gè)過程屬于連續(xù)生產(chǎn)工藝。各個(gè)塔的重要控制變量，比如塔頂壓力、溫度、蒸汽壓力之間存在著多變量耦合關(guān)系，同時(shí)，裝置的上游屬于間歇操作，導(dǎo)致精餾裝置的氣相處理量波動(dòng)性較大，裝置控制難度大。前期工藝設(shè)計(jì)主要目的是保證生產(chǎn)，裝置自控率較低，目前全靠中控操作人員人工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行控制操作，且為了保證正常生產(chǎn)，中控人員操作頻率較高，勞動(dòng)強(qiáng)度大，且完全憑人工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行操作，導(dǎo)致裝置關(guān)鍵被控變量波動(dòng)性高，運(yùn)行平穩(wěn)性低，產(chǎn)品質(zhì)量波動(dòng)大，蒸汽能耗高。

客戶希望施耐德電氣能提供對(duì)于控制優(yōu)化的解決方案以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場的自動(dòng)化控制，減小勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)能力，穩(wěn)定裝置運(yùn)行，降低裝置能耗。

2、 項(xiàng)目目標(biāo)與原則

主要項(xiàng)目目標(biāo)如下：

· 提高裝置自控率，精餾生產(chǎn)裝置的PID自控率達(dá)到96%以上；

· 提高精餾裝置運(yùn)行平穩(wěn)性，減少操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度，操作頻次降低50%以上；

· 穩(wěn)定裝置生產(chǎn)運(yùn)行，提高各關(guān)鍵變量如精餾塔底溫度、塔頂溫度，塔頂壓力等控制品質(zhì)，降低裝置關(guān)鍵被控變量平均方差不低于30%；

· 通過優(yōu)化生產(chǎn)，卡邊操作，實(shí)現(xiàn)在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，降低精餾塔蒸汽單耗降低3%以上；

· 當(dāng)裝置出現(xiàn)緊急情況，如緊急停電與跳車時(shí)，通過APC系統(tǒng)按照特定流程邏輯進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)控制，降低安全生產(chǎn)的風(fēng)險(xiǎn)；實(shí)現(xiàn)先進(jìn)控制系統(tǒng)與DCS系統(tǒng)的無擾動(dòng)切換功能，在工況發(fā)生惡劣變化時(shí)，提出預(yù)警；

·  正常情況下，APC控制器投用率不低于95%

3、 項(xiàng)目實(shí)施與應(yīng)用情況詳細(xì)介紹（詳細(xì)介紹推薦項(xiàng)目的規(guī)劃、實(shí)施與應(yīng)用的詳細(xì)情況，突出項(xiàng)目創(chuàng)新性、重點(diǎn)與難點(diǎn)問題及解決思路等。）

• 項(xiàng)目實(shí)施的計(jì)劃如下所示，項(xiàng)目實(shí)施周期在5-6個(gè)月：

• 項(xiàng)目應(yīng)用的詳細(xì)情況：

(1) 梳理精餾塔控制回路，為了實(shí)現(xiàn)先進(jìn)控制APC系統(tǒng)的上線，需要對(duì)現(xiàn)有的控制回路首先進(jìn)行整定，梳理控制回路38個(gè)，并明確風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)和應(yīng)對(duì)措施；

(2) 實(shí)現(xiàn)對(duì)精餾塔控制邏輯的全面梳理，通過順控程序的引入，降低操作人員工作強(qiáng)度并提升控制精度；

(1) 完成儀表、閥門控制精度的全面檢查，并完成相應(yīng)儀表的新增，管道改造：

(2) 完成20個(gè)控制回路PID整定，并形成PID整定報(bào)告；

PID整定效果圖：

(1) 先進(jìn)控制APC軟件完成控制矩陣的初步設(shè)計(jì)，完成階躍測試即模型辨識(shí)；

(2) 通過先進(jìn)控制APC軟件的上線實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵工藝過程的穩(wěn)定控制和平穩(wěn)操作，帶來工藝效益的提升；

• 重難點(diǎn)分析及創(chuàng)新解決思路：

(1) 難點(diǎn)：現(xiàn)場控制回路手動(dòng)控制多，需要結(jié)合現(xiàn)有的控制邏輯進(jìn)行梳理，以進(jìn)行PID的整定；

解決方案：現(xiàn)場工程師通過現(xiàn)場操作人員的多次充分溝通，梳理明確38個(gè)控制回路信息，提交現(xiàn)場回路的梳理清單，提供控制回路改造建議方案，進(jìn)行PID回路整定優(yōu)化服務(wù)，為后續(xù)上線先進(jìn)控制提供前置條件；

(1) 難點(diǎn)：裝置的上游屬于間歇操作，導(dǎo)致精餾裝置的氣相處理量波動(dòng)性較大，裝置控制難度大，精餾塔裝置的控制是典型的多變量的控制過程，蒸汽能耗降低的同時(shí)也需要保證穩(wěn)定的生產(chǎn)和產(chǎn)品質(zhì)量，這一過程對(duì)于現(xiàn)場控制模型的設(shè)計(jì)難度大；

解決方案：施耐德電氣采用先進(jìn)控制APC的軟件進(jìn)行精餾塔的模型預(yù)測控制，引入氣相處理量作為前饋?zhàn)兞?，通過控制矩陣設(shè)計(jì)，以階躍測試的方式建立控制模型，實(shí)現(xiàn)多回路輸入、多輸出的控制，在不更改現(xiàn)有生產(chǎn)工藝的情況下進(jìn)一步穩(wěn)定生產(chǎn)，提高效益。

(2) 難點(diǎn)：農(nóng)鹽化工領(lǐng)域，操作人員普遍學(xué)歷不高，控制理論知識(shí)基礎(chǔ)差，對(duì)新事物接受度差

解決方案：施耐德電氣會(huì)對(duì)相關(guān)人員提供詳細(xì)完整的配套培訓(xùn)，培訓(xùn)由有豐富工程實(shí)施經(jīng)驗(yàn)的人員授課，保證授課質(zhì)量，達(dá)到知識(shí)傳遞和共享的目的，以便使需方在培訓(xùn)后能夠獨(dú)立地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行管理、維護(hù)和操作。

如下是施耐德電氣先進(jìn)控制APC軟件介紹

施耐德電氣公司將采用成熟的AVEVA APC多變量模型預(yù)測控制系統(tǒng)平臺(tái)，結(jié)合施耐德電氣在全球過程控制領(lǐng)域豐富的專家知識(shí)和項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，提供關(guān)于草甘膦生產(chǎn)精餾裝置的先進(jìn)控制解決方案，幫助用戶提高自動(dòng)化水平，降低操作頻次，穩(wěn)定生產(chǎn)，降低蒸汽單耗，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)利益的最大化。

模型預(yù)測控制（Model predictive control, MPC）是一種多變量高級(jí)控制技術(shù)。它基于模型辨識(shí)技術(shù)，通過收集的階躍測試/歷史數(shù)據(jù)辨識(shí)出過程中各種變量之間的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)關(guān)系，即APC模型。利用該模型，計(jì)算預(yù)測被控變量在未來時(shí)段的變化趨勢，從而提前更新控制策略，提高過程的控制品質(zhì)。

用來實(shí)現(xiàn)MPC的先進(jìn)過程控制系統(tǒng)主要功能模塊有模型預(yù)測控制模塊、最優(yōu)化模塊和嵌入式編程語言Python模塊等。

1)    模型預(yù)測控制模塊

模型預(yù)測控制模塊通過辨識(shí)的過程動(dòng)態(tài)模型，預(yù)測各種擾動(dòng)因素對(duì)被控變量的影響。當(dāng)擾動(dòng)發(fā)生時(shí)，可預(yù)測被控變量在未來時(shí)間發(fā)生的變化或被控變量在未來的運(yùn)行軌跡，如下圖所示（左圖）。AVEVA APC系統(tǒng)將根據(jù)未來時(shí)刻被控變量預(yù)測值與目標(biāo)設(shè)定值的偏離程度，及時(shí)的調(diào)整控制策略，如下圖所示（右圖），從而使被控變量可以緊靠設(shè)定值點(diǎn)，從而提高過程的控制品質(zhì)。

2)    最優(yōu)化模塊

如下圖所示，通常操作員習(xí)慣將裝置運(yùn)行在可行域中心處，遠(yuǎn)離各種約束/限制條件，從而可以保證裝置的平穩(wěn)運(yùn)行，如下圖所示（右圖）。在實(shí)際的生產(chǎn)運(yùn)行中，裝置運(yùn)行的最優(yōu)點(diǎn)往往位于各種約束邊界上，如右圖中紅色圈出的區(qū)域。最優(yōu)化模塊通過最優(yōu)化技術(shù)找到裝置的最優(yōu)操作點(diǎn)，利用模型預(yù)測控制模塊將裝置穩(wěn)定在最優(yōu)點(diǎn)運(yùn)行，從而使企業(yè)的經(jīng)濟(jì)利益最大化。

最優(yōu)化操作的實(shí)現(xiàn)是建立在提高控制品質(zhì)的基礎(chǔ)上的。只有減少了變量的波動(dòng)，才可使裝置在約束條件的邊界上運(yùn)行（卡邊操作），而不會(huì)由于大波動(dòng)，使裝置操作超出正常的操作區(qū)域，威脅安全生產(chǎn)。因此穩(wěn)定裝置操作是優(yōu)化生產(chǎn)的前提所在。具體參考下圖（左圖）。

3)    嵌入式編程語言Python模塊

AVEVA APC軟件平臺(tái)支持嵌入式編程語言Python（IronPython），能和APC軟件功能靈活有機(jī)結(jié)合，有助于實(shí)現(xiàn)基于專家知識(shí)的邏輯控制、自適應(yīng)控制等多種智能控制功能。

1、 效益分析

精餾塔關(guān)鍵工藝指標(biāo)參數(shù)波動(dòng)普遍降低30%以上（如脫重塔塔頂壓力波動(dòng)降低42%等）；

 通過先進(jìn)控制APC的實(shí)施使得在實(shí)施裝置范圍內(nèi)，操作頻次由每班次336次降低至16次，操作頻次降低95.2%；

先進(jìn)控制APC投用之后，產(chǎn)品蒸汽單耗降低3%以上，大幅降低了裝置能耗。

2、 提供清晰工程現(xiàn)場照圖，照片分辨率>300DPI

效益指標(biāo)結(jié)果：PID整定效果

系統(tǒng)架構(gòu)：