石化企业先进控制与实时优化的建设思考

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石化企业先进控制与实时优化的建设思考

作者：樊少明 江鹰

1、前言

近些年来，国内炼化行业信息化水平显著提高，ERP、MES、PIMS/APS等信息系统在炼化企业得到了广泛应用。另外，炼化企业在控制系统配套、先进控制(advanced process control，APC)技术、在线优化(real time optimization，RTO)技术等方面也取得了长足进展。多年来，企业的技术人员和科研院所的学者们越来越感觉企业信息化不单单信息处理，更应该通过信息化建设提高决策效率，并将决策信息快速用于生产干预，解决企业快速响应市场问题。特别是近年供应链技术研究的不断深入，先进控制和实时优化这种管理目标与生产技术指标综合控制的手段是其他方式不能替代的。这类手段与其他信息系统的集成应用，是国外信息化工作的热点，也是企业信息化的较高阶段。经过对先进控制和实时优化发展趋势以及企业信息化模型构架分析和研究，以及对行业专家经验和观点的归纳总结，我们认为先进控制和实时优化不仅是生产过程的最高层面，更是企业信息化的最基础工作，应在企业信息化建设规划中加以统筹，实现与MES、APS、ERP等信息系统及DCS、PLC等控制系统的有机整合，做好在炼化企业的应用，从而促进自动化和信息化融合。

2、先进控制与实时优化的发展趋势

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。为此，学术界提出以多变量预估控制为核心的先进控制(advancedprocess 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)。

先进控制可以保证该控制环节稳定运行在给定工况，但先进控制不能确定装置的最优工况及对应的生产参数。针对该问题，在先进控制的基础上，进一步研发出针对整个装置的在线、闭环实时优化(real-time optimization，RTO)技术。实时优化是模拟和控制的紧密结合，在装置稳态模型的基础上，通过数据校正和更新模型参数，根据经济数据与约束条件进行模拟和优化，并将优化结果传送到先进控制系统。实时优化与先进控制集成后的基本流程如图1所示。

图 1 先进控制和实时优化基本流程图

近些年来，实时优化和先进控制的集成已经成为过程工业的热点，国外化工企业纷纷在主要装置实施实时优化，以获取最大经济效益。

随着实时优化技术和现场总线技术(FCS)的发展，先进控制和实时优化的发展趋势是：控制系统结构从分散式向集中式发展，控制范围从单个装置扩展为一批相关的装置群，集成方式从先进控制和实时优化的局部集成向企业级的全局应用发展‘到，进而实现企业级控制(enterprise contr01)、高级预测(advanced forecasting)和多周期多厂优化(multi—periodmulti—plant optimization)。该趋势的具体表现是数学模型规模迅速扩大，将装置模型与全厂生产动态、历史数据和财务经济指标相结合，考虑产品价格波动、原料价格、燃料价格变动，并反映到整个工厂计划中。

先进控制与实时优化是确保炼化企业“安、稳、长、满、优”生产的重要手段，是现代控制理论与信息技术结合的产物。前些年，作为生产过程控制的最高手段，在企业信息化全面推进的今天，已经被大多技术人员和学者确定为企业信息化特别是以ERP为核心的炼化企业信息化的最基础内容之一，应在企业信息化建设中统筹规划，避免投资不到位而影响企业信息化效果。当今供应链技术的应用效果很大程度上也取决于先进控制和实时优化。为此本文从企业信息化规划角度，谈谈如何发挥先进控制与实时优化的基础作用，实现与MES、APS、ERP等信息系统及DCS、PLC控制系统有机整合，做好在炼化企业的应用，从而促进工业化与信息化融合。

3、企业信息化构架

3.1 生产执行系统概念简述

从70年代后半期开始，为了解决生产运行管理的实际需求，出现了设备状态监控系统、质量管理系统和包括生产进度跟踪、生产统计等功能的生产管理系统。90年代美国管理界提出的生产执行系统(MES)概念，将上述系统加以完善和扩展，作为联接过程控制层面各系统和经营管理层面的ERP系统的中间层。为ERP系统提供准确及时的生产相关信息。

随着计算机技术、网络技术和通信技术的发展，生产执行系统逐渐发展成为集成化的生产执行系统(MES)，全面覆盖生产计划优化、滚动调度、实时数据库、数据校正、收率计算、成本控制、生产统计、KPI指标实时监控、绩效分析、流程模拟、质量控制、在线优化、先进控制、资产管理、设备诊断维护、库存管理自动化、在线调优和优化控制、质量控制、比率控制，并且下联DCS、PLC、ESD(紧急停车系统)和ASM(异常事件管理系统)，上联ERP、SCM、HSE、E．Business、E-Cooperation和DSS(决策支持系统)。

3.2 炼化企业管控一体化发展趋势

企业管理一体化是指将企业的生产过程控制、优化、运行、计划与管理作为1个整体进行控制和管理，提供整体解决方案，以实现企业的优化运行、优化控制与优化管理，全面提高企业竞争能力。APC/RTO与MES全面融合是炼化企业管控一体化的重要发展趋势。

炼化企业管控一体化管控架构从普渡大学的5层结构(经营决策层、企业管理层、生产调度层、过程优化层、过程控制层)过渡为3层结构(ERP/MES/PCS，计划层/执行层/控制层或管理层/生产层/控制层)。针对管控一体化需求，国外领先的流程企业集成解决方案供应商纷纷提出了以统一的数据平台为基础，以MES为框架，集成先进计划及调度优化、先进控制与实时优化应用的炼化企业整体解决方案，如图2图3所示，通过这些整体解决方案，实现了生产经营管理与生产过程控制的一体化。

图 2、3 生产经营管理与生产过程控制的一体化架构图

3.3 先进控制与实时优化在生产执行系统中的地位

以下分别从化工过程优化以及系统实施与运维角度对APC／RTO与MES融合的意义进行分析。

3.3.1 化工过程优化视角

炼化企业的优化可以分为5个层次，如图4所示。在第l层(生产计划层)根据需求预测、供应链方案和市场情况，结合企业经营数据，设定符合原材料供应和产能约束的计划目标，即制定年度计划和月计划；在生产调度层，随时间变化，做出各装置生产能力和人员配置的决策，即周计划和现场调度；目前，炼化企业生产调度和生产计划优化一般采用线性规划、混合整数规划和离散事件模拟等数学方法，基于优化模型，获得优化的排产计划和可行的调度方案。

第3层在利用网络连接各过程单元的基础上，通过实时优化确定最优工况；第4层通过先进控制技术实现过程控制的最优调节，同时还完成紧急情况响应和诊断等工作；第5层通过DCS/PLC等自动控制系统实现工业装置的数据获取、软测量、错误检测和操作执行等功能。当前，各炼化企业一般通过实时数据库技术将DCS/PLC的数据集成到统一的数据平台，为上层优化应用提供数据支持。

图 4 炼化企业系统优化层次图

有效的生产调度和计划优化需要以准确的炼厂和装置的数学模型作为优化工具。但生产中必须根据原料和公用工程实际情况，调整工艺条件，以满足新的工况要求。而且工业装置随着生产时间的推移，必然会发生催化剂老化、换热器结垢、设备状况变差等情况，也需要适时调整有关工艺条件。上述2类原因引起的工艺条件变化，又会导致炼厂和装置的数学模型不准确。目前，在生产调度和计划优化中，业务人员常反映模型不够准确，更新不够及时，并提出根据实时数据库实现有关数据的持续调校，不断更新模型中的数据，使模型中的数据与生产实际同步运行的构想。

另外，生产调度和生产计划获得优化后，又对操作管理和控制水平提出了更高的要求，如果没有相适应的先进控制和实时优化系统的配合，由于执行能力的缺失，其优化效果将不能到达预期。

先进控制与实时优化正是及时修正数学模型，解释分析实时数据库海量数据和有效执行优化调度指令的关键系统。通过先进控制与实时优化应用和用于生产调度与计划的信息系统的有效整合，对于提高优化效果具有重要意义。

3.3.2 实施与运维视角

虽然先进控制系统效益明显，国内在近些年也已经开始实施先进控制系统，但炼化企业先进控制建设和应用情况与国外差距明显，特别在长期投用率方面，其主要原因是缺少长期维护。开发单位在开发应用过程中可以保证系统的正常运行，但先进控制需要信息技术人员进行维护，这些信息技术人员既要熟悉先进控制本身，又要掌握计算机控制系统和工艺过程，各炼化企业自身缺乏足够的技术力量，导致长期维护问题日益突出。

另外，在MES系统的推广实施中，各炼化企业均建立了实时数据库和统一数据平台，从DCS系统获取实时数据，并集成LIMS数据、设备监控数据和在线分析仪表数据。如果企业现有和新建的先进控制与实时优化系统不能充分利用MES的实时数据库，将导致额外的投资和实施，甚至会出现APC对DCS数据采集、回送与MES争资源的问题，影响装置正常运行。

4、企业信息化内涵思考

4.1 明确先进控制与实时优化定位

DCS系统是先进控制与实时优化的主要控制手段。在先进控制技术发展的初期，曾经有DCS系统内实现先进控制的趋势。另外，在ERP/MES/PCS 3层结构中，APC/RTO也与DCS/PLC一道被划分为PCS层的系统。因此，先进控制与实时优化常被纳入自动化范畴，视为生产控制层面的系统，甚至与DCS/PLC系统混为一谈。

但从实际应用来看，APC/RTO与DCS/PLC差异较大，更类似于MES、APS一类的信息系统。DCS/PLC系统以硬件仪表为主，智能化和信息化程度低，在使用过程中对原有工艺和操作管理的变化影响较小。将其列为信息化建设的配套项目，由业务部门根据技改和固定资产投资计划进行建设是合适的。而先进控制和实时优化以数学模型和软件为核心，智能化和信息化程度较高，对维护人员的信息技术水平要求高，对原有工艺和操作管理的依赖明显。如果将先进控制与实时优化仅视为自动控制系统的一部分，进而视为设备部门的工作，往往使先进控制系统不能持续良好地应用。

从信息技术发展趋势来看，随着管控一体化和系统优化技术的发展，先进控制和实时优化正在从局部集成向企业级的全局应用发展，MES的功能也在向控制层和计划层渗透，APC/RTO与MES层的界限日益模糊，系统加强融合是炼化企业信息化的发展趋势。如前所述，国外领先的流程企业集成解决方案供应商，如AspenTech和Honeywell等，针对这种趋势，均提出了以统一的数据平台为基础，以MES为框架，集成先进计划及调度优化、先进控制与实时优化等应用的炼化企业整体解决方案。

因此，虽然APC/RTO和DCS/PLC都是炼化企业信息化的组成部分，但将APC瓜TD定位为信息化建设的组成部分，而不是与DCS/PLC一样定位为信息化建设的配套部分，有助于APC/RTO的实施与应用。

4.2 在企业信息化规划中统筹考虑先进控制与实时优化

企业信息化建设规划的任务是在企业发展战略目标的指导下，站在企业全局的高度，诊断、分析、评估企业管理和IT现状，结合所属行业信息化方面的实践经验和对最新信息技术发展趋势的掌握，提出企业信息化建设的远景、目标和战略，勾画企业信息化的系统架构、确定信息系统各部分的逻辑关系。

从前面的分析可以看出，APC和RTO作为炼化企业管控一体化和系统优化的重要组成部分，使炼化企业信息化建设的关键内容之一，其发展趋势是与MES、APS等系统充分融合。从近年来的实践看，由信息部门统一管理，由信息技术公司统一承担APC/RTO的实施与运维，可以有效推动其建设和应用。因此，应将APC/RTO纳入企业信息化建设规划，确定与MES、APS、ERP等系统的逻辑关系和融合方案，并统筹安排实施与运维计划，从而避免APC/RTO成为新的信息孤岛或炼化企业管控一体化的瓶颈。生产企业要充分理解其在企业信息化的位置和重要作用，不必过分强调其信息化内容，但一定要知道其真正作用；在建企业则要一步到位，要贯彻以数据为中心的信息化理念，要理解现代化工厂的需要，要灌输快速反映市场的需要。企业信息化整体设计时必须坚持与先进控制和实时优化统筹考虑，然后逐步实施，最终满足数字工厂的需要。

5、结束语

综上所述，先进控制和实时优化不仅是生产过程最高层面，更是企业信息化的最基础工作。应从企业信息化建设规划中加以统筹，实现MES、APS、ERP等信息系统及DCS、PLC等控制系统的有机整合。建议石油石化企业应积极做好先进控制与实时优化的实施配套工作，充分考虑生产和信息化对先进控制与实时优化的需求，对于已投产企业要在生产和企业信息化改造增加该项内容和费用，对于新建企业要直接纳入企业信息化进行统筹规划，统一建设，统一投资渠道，做好在炼化企业的应用，从而促进自动化和信息化融合，完成企业信息化应该完成的任务。