浙江中控软件技术有限公司

   摘 要：简要回顾了国产先进控制软件的研发历程，在此基础上介绍了国产先进控制软件APC-Suite的功能特点及其在流程工业企业的应用情况，最后展望了先进控制软件的发展前景。

  关键词：先进控制；模型预测控制；软测量；控制性能监控；流程工业

   1 引言

   现代流程工业正朝着大型化、高集成度和高效化等方向发展，其中的物料流、能量流和信息流也日趋复杂多变。在生产单元、装置乃至流程不断强化的同时，过程控制对象也表现出如下特点：系统复杂性增加、耦合性增强和约束条件增多等。随着人们对工业生产过程的安全、高效、优质、低耗的要求不断提高，追求着更大的经济效益和社会效益，因而对控制技术水平与性能的要求也越来越高。因此，以单回路PID控制和复杂控制为代表的常规控制策略已面临着多方面的挑战，必须采用新的控制策略与技术来适应复杂工业过程多目标优化、多层次协调和多变量控制等要求。

   先进控制技术正是在这个时代背景下，通过大量的过程控制实践，由工业界和理论界共同推出的，其核心技术包括：模型预测控制、智能控制、软测量和控制性能监控等。目前，先进控制技术仍在不断地发展和完善中，未来将更多地引入各种非线性控制技术、自适应控制技术和鲁棒控制技术等，同时将更多地与过程模拟与优化技术相结合形成优化与控制一体化解决方案。

   国外先进控制软件出现于上个世纪70年代末，经过10多年的发展，已形成了以DMC、Setpoint、Profimatic和Adersa等专业公司为代表的先进控制软件供应商和服务商，并于上个世纪90年代初进入中国市场。以AspenTech收购和整合DMC、Setpoint，Honeywell收购Profimatic为契机，到本世纪初，先进控制软件已得到迅速发展，全球已有几十家公司推出了上百种先进控制和优化软件产品，形成了一个强大的流程工业应用软件产业。目前，国外先进控制软件的主流供应商及其产品包括：AspenTech公司的DMCplus和Apollo（非线性预测控制软件）、Honeywell公司的Profit系列产品、Invensys公司的Connoisseur、Rockwell公司的Process Perfecter（非线性预测控制软件）以及Yokogawa公司代理的Shell SMOC产品等。此外，还有一些专业从事先进控制与优化服务的顾问公司。

   国内先进控制软件的研发始于上个世纪90年代中期，在国家科技攻关项目的支持下，清华大学、浙江大学、上海交通大学、石油大学（北京）、中国科技大学等高校的科研团队分别针对炼油、石化和化工等行业的具体生产装置研发了专用先进控制软件并取得了成功应用。同时，国内一些专业的自动化公司开发研发相关的软件产品，特别是浙江中控软件技术有限公司开发了具有自主知识产权的领先的先进控制和优化软件，对于打破国外产品的垄断，替代进口，具有十分重要的战略意义。

   本文将简要回顾浙江中控软件技术有限公司先进控制产品APC-Suite的研发历程，重点介绍APC-Suite的功能特点及其在流程工业企业的应用情况，最后展望先进控制软件的发展前景。

   2　中控先进控制软件的研发历程

   自20世纪90年代开始，浙江中控软件技术有限公司采用预测控制、智能控制和软测量等现代控制理论与技术，开展了先进控制软件工程化产品的研发工作，形成了先进控制平台APC-iSYS、高级多变量预测控制APC-Adcon、智能软测量软件APC-Sensor、控制性能评估与监控软件APC-Watch于一体的先进控制软件APCSuite。以下简要回顾一下中控软件公司先进控制软件的研发历程。

   第一阶段：工程化。1996年成功研发RLS辨识算法，随后形成了先进控制产品并推向市场，经过努力，该产品在炼油、石化和化工等多家企业取得了10多个应用业绩，不仅提升了先进控制产品的成熟度，而且推动了产品更新换代。

   第二阶段：体系化。在市场和工程两方面的推动下，到2005年，中控软件公司初步完成了先进控制产品体系化工作，形成了以先进控制平台APC-iSYS为支撑，以高级多变量鲁棒预测控制软件APC-Adcon和智能软测量软件APC-Sensor为核心模块的软件体系架构，实现了统一的数据服务、界面与服务分离、各类算法可插件式管理。这期间，APC-Suite产品在炼油、石化行业的许多装置化工领域的纯碱等行业取得了首次突破，进一步扩大了该产品的市场影响力，同时对产品可靠性与性能、工程服务的规范化与标准化提出了更高的要求。

   第三阶段：高效化。自2007年以来，中控软件公司先后升级了多变量预测控制的核心优化算法引擎，实现了产品完全自主知识产权；集成了一系列基于机理建模的工艺计算模块以丰富智能软测量模块的功能；将子空间辨识等算法等引入多变量过程辨识中，实现了辨识软件的升级；集成了自定义算法编译调试环境，并实现了界面优化，从而提高工程实施效率。迄今，APC-Suite产品在国内流程工业企业已推广应用70余套，不仅实现了纯碱企业全流程多目标、多层次和多变量协调优化控制，使单个控制器的变量规模突破500个，而且首次进入大型合资企业主装置，使得产品与品牌认可度达到新的高度。

   目前，中控软件公司正在进一步丰富和完善产品体系，继续发挥产品简单易用、可扩展性强的优势，提升产品在处理特定非线性过程控制的能力，增强与国外同类产品在性能与功能等方面的竞争力，以满足国内流程工业企业对于先进控制软件的采购需求和第三方工程服务的要求。

   3　先进控制软件APC-Suite的功能特点
 
               
                        图1 中控先进控制产品体系架构   

   图1给出了中控软件公司的先进控制软件产品架构及其与流程模拟优化的关系。

   3.1　先进控制平台APC-iSYS

   先进控制平台是一个模块化、标准化、开放性的数据平台，可实现工业生产过程数据的采集、处理、存储和应用，并支持对生产过程的监控、先进控制与优化以及过程统计管理等，是先进控制软件APC-Suite的基础平台。先进控制平台APC-iSYS主要由如下软件组成：

   （1）APC-iMonitor监控软件：通过直观、形象的方式反映当前先进控制平台的运行状态，是先进控制平台的核心控制台；

   （2）APC-iConfig组态软件：以方便、友好、高效的操作为先进控制平台提供组态功能，包括服务器组态、源位号组态、虚位号组态等，并可以编写虚位号处理脚本；

   （3）APC-iTrend趋势图软件：能够任意添加变量，通过趋势曲线进行比较分析，更好地掌握生产过程数据的变化规律；这些组成软件都有各自独立的功能，综合使用这些软件，能使先进控制平台发挥出最大的作用。

   3.2　高级多变量预测控制软件APC-Adcon

   高级多变量预测控制软件APC-Adcon是先进控制软件APCSuite的核心产品，适用于多变量、强耦合、大时滞、带约束的复杂生产过程的平稳控制和动态优化，具有当前主流多变量预测控制软件的所有主要功能，包括测试建模、控制器设计、离线仿真、系统组态和在线应用等多个组件，分为离线软件和在线软件两部分。APC-Adcon的主要功能特点如下：

   （1）实现定值控制与区域控制：区域控制使控制器在噪声环境下更平滑，在变量耦合情况下更鲁棒；

   （2）有效抑制可测扰动：对可测扰动同时建模，预测扰动对过程的影响，有效地进行补偿和及时克服；

   （3）多目标动态优化：对操作变量、受控变量和各变量之间的线性组合可以定义理想驻留值（IRV）、极大化和极小化等次优化目标，所有次优化目标按控制自由度和变量的权重优先级依次满足。

   3.3　智能软测量软件APC-Sensor

   智能软测量软件APC-Sensor以先进控制平台APC-iSYS为支撑，在一个开放的构架下，实现了用多种软测量算法建立软测量模型、开展模型仿真验证和实现模型工程应用等功能。APCSensor包括算法选择、辅助变量选择、离线建模等部分，并与数据预处理、智能软测量设计环境模块集成，读取实时数据，实现离线仿真等，进而实现对变量的检测和估计。软测量结果可作为APC-Adcon的被控变量或辅助变量使用，从而为多变量预测控制提供有力支持。APC-Sensor的主要功能特点如下：

   （1）采用工艺计算与基于机理模型以丰富软测量模块，这些工艺机理模型包括：分馏塔工艺计算、重整装置芳烃收率和结焦量计算、焦炭塔焦高计算、PTA装置OD340、4CBA含量计算等；

   （2）采用多种基于数据驱动的软测量算法，这些算法包括部分最小二乘算法、主元分析与回归算法、模糊神经网络算法、神经网络BP算法、TSKFuzzyNeur算法、OPTFuzzyNeur算法等；

   （3）采用双重校正技术来提高软测量仪表的精度和有效性，在通常的化验值校正的基础上，增加了在线模型滚动校正，形成了双重校正的专利技术。

   3.4　控制性能评估与监控软件APC-Watch

   随着先进控制软件APC-Suite应用数量的增多，先进控制系统需要由传统的人工监视、手动维护转向自动监视与维护。先进控制性能评估与监视软件APC-Watch可提供如下功能：

   （1）能够生成先进控制性能日报、周报、月报、以及自定义时间段报告；

   （2）能够对控制器模型质量与失配情况做出评判；

   （3）具备监控先进控制软件应用情况的能力。

   先进控制性能评估软件支持自动导入中控的先进控制器的组 态信息，并支持配置第三方控制器；支持制定自定义时间段的评估计划，和生成每日、每周、每月的评估报告；支持自动从先进控制平台获取历史数据，评估控制器性能、统计过程相关指标、分析模型质量；评估报告生成后，自动将相关数据保存到关系数据库；用户可以通过Web浏览器查看评估结果和评估报告。

   此外，中控软件公司还提供了PID控制回路性能评估软件来辅助仪控工程师完成对PID控制回路的自动评估，为提高先进控制软件的全生命周期应用效果提供必要的支撑。

   4　先进控制软件APC-Suite的工业应用

   从1996年底开始，中控软件公司的先进控制软件APC-Suite已经在中国石化、中国石油和中国海油的下属炼油、石化企业以及云天化集团、唐山三友、山东海天等许多大型流程工业企业获得成功应用，取得显著的经济效益和社会效益。下面简要介绍工业应用情况。

   （1）炼油企业先进控制应用

   先进控制软件APC-Suite在扬子石化、镇海炼化、锦州石化、惠州炼油和大榭石化等企业的炼油装置上已经有超过连续10年的应用，现已覆盖常减压、催化裂化、加氢裂化、加氢精制、延迟焦化、催化重整和气体分馏等炼油企业核心装置。其中包括：惠州炼油的300万吨/年连续重整装置（目前国内单装置规模最大），镇海炼化180万吨/年重油催化裂化装置和扬子石化200万吨/年高压加氢裂化装置和大榭石化600万吨/年常减压装置等。

   （2）石化企业先进控制应用

   先进控制软件APC-Suite在扬子石化、金陵石化、镇海炼化、兰州石化、洛阳石化和齐鲁石化等企业的石化装置上也已经有超过连续10年的应用，现已覆盖芳烃系列装置中的芳烃抽提、吸附分离、二甲苯精馏、甲苯歧化和二甲苯异构化等装置，乙烯系列装置的乙烯裂解炉、乙烯精馏和丁二烯等装置。其中包括：镇海炼化45万吨/年PX联合装置（目前国内单系列规模最大），扬子石化两套PX联合装置、金陵石化PX联合装置、洛阳石化PX联合装置、齐鲁石化芳烃抽提装置和丁二烯装置以及兰州石化芳烃抽提装置。此外，先进控制软件APC-Suite还分别在兰州石化、齐鲁石化和茂名石化的苯乙烯装置中得到成功应用。

   （3）化工企业先进控制应用

   先进控制软件APC-Suite自2000年进入仪征化纤以后，先后在中国石化仪征化纤的I套和II套PTA装置、金陵石化的烷基化装置和Molex装置、中国石油大庆油田化工集团的20万吨/年轻烃分馏装置和5万吨/年戊烷精分装置（均为国内单套规模最大）、中国海油山东海化的两套纯碱装置（共300万吨/年产能，目前亚洲产能最大）、唐山三友的230万吨/年纯碱装置（目前全球单套规模最大）、中国石化连云港碱厂的110万吨/年纯碱装置、山东海天的110万吨/年纯碱装置、云天化集团硫酸装置、磷酸装置和黄磷装置、天津碱厂的聚甲醛装置、浙江新安化工的有机硅装置和柳化集团造气炉等30多套装置中取得成功应用。尤其是在山东海天率先完成了国内首套氨碱法纯碱装置的全流程先进控制与优化，从整体上解决了联合装置级的控制与优化问题，不仅在纯碱装置先进控制技术与服务方面引领国内行业发展方向，而且被中国纯碱工业协会列为“十二五”期间重点推广的新技术。

   （4）其他行业先进控制应用

   先进控制软件APC-Suite不仅在炼油、石化和化工行业中得到广泛的应用，而且通过近年来的努力，已经在邯钢和天钢的空分装置优化控制与自动变负荷，柳化集团和山东海天的工业锅炉优化控制，株州硬质合金的粉末冶金还原炉优化控制等应用中取得了突破性应用，为先进控制软件开拓更广阔的市场空间奠定了良好基础。HHHH5　发展展望

   本文在简要回顾国产先进控制软件研发历程的基础上，重点介绍APC-Suite的功能特点及其在流程工业企业的应用情况，强调了国产先进控制软件的有效性与适应性。

   展望未来，在激烈的市场竞争中，国产先进控制软件仍然要抓住国内流程企业生产装置的特点和要求，提高产品的适应性和鲁棒性，增强软件的开放性和易用性，继续完善产品体系结构，增加产品功能，打造符合中国特色的软件精品。

   参考文献：

   [1] 王树青,金晓明,荣冈.先进控制技术及应用[J].化工自动化及仪表,1999,26(2): 61-65.

   [2] 王树青,金晓明,等著.先进控制技术应用实例[M].化学工业出版社，2005.

   [3] 薛耀锋,袁景淇.先进过程控制技术及应用[J].自动化博览,2004, 12: 5-9.

   [4] 孙德敏,吴刚,薛美盛,等.工业过程先进控制及优化软件产业[J].自动化博览,2003(2):5-13.

   [5] 邵惠鹤.流程工业自动化发展趋向与先进控制技术[J].自动化博览,2002(2): 27-32.

   [6] 王树青,等编著.先进控制技术及应用[M].化学工业出版社，2001.

   [7] 先进控制软件APC-Suite开发文档[Z].浙江中控软件技术有限公司内部资料. 

   摘自《自动化博览》2012年第12期