先進控制是現(xiàn)代大工業(yè)生產(chǎn)過程中最重要的技術之一。采用先進控制，可以解決常規(guī)控制中不能解決的各種難題，以滿足人們對生產(chǎn)過程的安全、高效、優(yōu)質、低耗的要求，使用戶以較小的投入獲得較大的經(jīng)濟效益。據(jù)有關資料統(tǒng)計，國外著名的先進控制軟件包已有5000多套的應用，目前正在搶占我們國內的市場。國內的許多高校、研究機構和大型石化企業(yè)從上世紀80年末代就開始探討和研究各種先進控制理論和技術，并針對一些復雜工業(yè)過程進行應用研究，取得了一定的研究成果和技術經(jīng)驗積累。
純堿即碳酸鈉（Na2CO3），是重要的基本工業(yè)原料，被稱為“化工之母”，其產(chǎn)量和消費量通常被作為衡量一個國家工業(yè)發(fā)展水平的標志之一。但由于純堿生產(chǎn)過程工藝流程長，連續(xù)性強，存在較強的變量關聯(lián)和耦合特性，常規(guī)控制不能很好的解決這種復雜工業(yè)生產(chǎn)控制難題。某大型純堿生產(chǎn)企業(yè)率先在純堿生產(chǎn)過程中采用先進控制軟件包APC-Adcon和智能控制等先進技術手段，結合純堿生產(chǎn)裝置的生產(chǎn)工藝控制的思路和實際的工藝操作經(jīng)驗，開發(fā)了純堿裝置先進控制系統(tǒng)，提高了裝置操作平穩(wěn)性和控制性能，降低了能耗，減少了操作人員的勞動強度。先進控制技術極大地提升了純堿生產(chǎn)過程的控制效果，引起了純堿行業(yè)和社會各界的廣泛關注。
先進控制軟件包體系結構
高級多變量預測控制軟件包APC-Adcon是浙江中控軟件技術有限公司開發(fā)的面向工業(yè)過程的多變量預測控制軟件包，可用于煉油、石化、化工、冶金等大型工業(yè)過程的控制，特別適合于需要采用多種控制策略和控制結構的復雜多變量過程。它可以方便的集成到任何DCS或PLC控制系統(tǒng)中工作。其基本功能是: 在受控變量和操縱變量滿足位置和速度硬約束的前提下，每個被控變量可以按照指定的閉環(huán)性能達到設定值；對可測擾動的前饋控制；局部優(yōu)化等。APC-Adcon還充分考慮了實際控制系統(tǒng)中的各種要求，保證了系統(tǒng)性能和控制器的魯棒性。APC-Adcon高級多變量預測控制軟件實現(xiàn)生產(chǎn)過程的實時控制，提供上傳接口，可向企業(yè)管理網(wǎng)絡實時提供有關數(shù)據(jù)，為企業(yè)過程控制系統(tǒng)與信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成提供方便。
APC-Adcon采用計算機、網(wǎng)絡通訊、工業(yè)自動化、技術管理等領域先進成熟的技術并保持關鍵技術領先，在結構體系上采用先進的分布式多層組件化應用體系，提供分布式軟件結構和分布式應用結構，現(xiàn)已在催化裂化、連續(xù)重整、PTA、PX等重點煉油、石化和化工裝置中得到廣泛應用，是多變量過程先進控制的最佳商品化工程軟件產(chǎn)品之一。基于COM的組件化先進控制軟件的結構如圖1所示。
從圖1可以看出，先進控制器的每一個功能模塊作為控制器的標準件，分別包裝不同的先進控制算法和功能，且與程序設計語言無關，可以實現(xiàn)即插即用。而且根據(jù)現(xiàn)場需求，控制裝置必須與先進控制算法一一對應，組件化的框架恰好滿足了這種需求，而且簡化了編程，極大的增加了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
1. 生產(chǎn)工藝及控制問題簡介
某大型純堿企業(yè)采用氨堿法制堿，其工藝過程主要是將原鹽精制成飽和鹽水后，吸氨形成氨鹽水，氨鹽水與煅燒石灰石產(chǎn)生的二氧化碳氣在清洗塔內反應生成預碳化液，預碳化液在碳化塔內與高濃度的二氧化碳氣進行碳酸化反應（俗稱碳化）生成的碳酸氫鈉懸浮液，經(jīng)過濾得到的碳酸氫鈉結晶在煅燒爐內煅燒獲得純堿產(chǎn)品和高濃度的二氧化碳氣，二氧化碳氣經(jīng)冷卻、壓縮后通入碳化塔參與碳酸化反應。把濾去碳酸氫鈉的制堿母液進行加熱蒸餾回收母液中的氨。
氨堿法的主要生產(chǎn)流程有：化鹽和鹽水精制、氨鹽水的制備、碳化和重堿過濾、重堿的煅燒、氨的回收以及石灰石的煅燒等。由于純堿各生產(chǎn)崗位已全部實現(xiàn)了DCS控制，因此生產(chǎn)效率明顯提高，產(chǎn)品次品率大大降低。但常規(guī)的控制不能很好的適應純堿生產(chǎn)過程的一些復雜特性，比如大的純滯后、多變量的耦合等等，重要工藝過程參數(shù)需要操作人員手動控制，因此裝置過程參數(shù)和產(chǎn)品質量得不到保證，勞動強度較大。為進一步提高自動化控制水平，我們在純堿生產(chǎn)過程的重要工序——石灰窯工序、碳化工序、壓縮工序實施了先進控制技術。通過先進控制技術的應用，提高裝置操作的平穩(wěn)性，將關鍵工藝參數(shù)的波動幅度降低，比如石灰窯出灰溫度、碳化塔中部溫度、碳化塔塔壓、碳化塔出堿溫度等。并以先進控制系統(tǒng)平穩(wěn)性提高為前提，實現(xiàn)石灰窯自動出灰、自動配料功能，實現(xiàn)石灰窯、碳化塔生產(chǎn)負荷分配、工況平衡等優(yōu)化控制，并通過實時調節(jié)壓縮機的轉速滿足碳化過程對清洗氣、中段氣、下段氣總流量的需求變化。
2.先進控制方案
該項目設計三個APC-Adcon控制器以控制純堿生產(chǎn)過程中的石灰窯、碳化塔和壓縮機裝置，Ⅰ石灰系統(tǒng)控制器，下設石灰工序控制器；Ⅱ碳化系統(tǒng)控制器，下設碳化工序控制器；Ⅲ壓縮系統(tǒng)控制器，下設壓縮工序控制器。它們之間的聯(lián)系通過物料平衡、工藝計算等來體現(xiàn)。針對裝置的特殊要求，基于自定義控制器技術為石灰窯、碳化塔和壓縮機裝置制定了特殊的控制和優(yōu)化策略。先進控制系統(tǒng)控制方案的總體框架如圖2所示。
該企業(yè)的純堿生產(chǎn)裝置先進控制系統(tǒng)是在DCS集散控制系統(tǒng)平臺上實施的，先進控制系統(tǒng)軟件運行在此集 散控制系統(tǒng)的上位機中。先控上位機以DCS提供的接口軟件作為OPC Server，通過HUB進行數(shù)據(jù)雙向交換，從而可靠的實現(xiàn)了上位機與DCS的雙向數(shù)據(jù)通訊。
3. 先進控制系統(tǒng)控制器結構
控制結構是被控變量和調節(jié)變量關于控制要求的完整描述。APC-Adcon采用的控制結構具有較強的可操作性，可以是固定的，也可以由用戶在線修改。APC-Adcon控制器結構如圖3所示。
其中包括：
（1）操作變量的描述
·約束：最小、最大和速度
·理想滯留值（IRV）：數(shù)值和趨向IRV 值的速率
·最大化（或最小化）：數(shù)值和趨向最大（或最?。┲档乃俾?/p>
（2）受控變量（輔助變量）的描述
·約束：最小、最大和速度
·設定值控制：閉環(huán)時間響應
·區(qū)域設定值控制：設定值區(qū)域邊界，邊界內及邊界外閉環(huán)時間響應
·理想滯留值（IRV）：數(shù)值和趨向IRV 值的速率
·最大化（或最小化）：數(shù)值和趨向最大（或最?。┲档乃俾?/p>
（3）容錯控制功能
不同的工作條件及操作模式下控制目標可能不同，各種變量的具體要求也可能不同。當傳感器或執(zhí)行器失效，控制對象將發(fā)生改變。對于這種意外情況，APC-Adcon提供安全的解決方案，包括：改變受控變量和操縱變量集，實時調度控制結構等。
4.APC-Adcon運行效果分析
純堿生產(chǎn)過程先進控制系統(tǒng)——石灰窯先進控制系統(tǒng)、碳化塔先進控制系統(tǒng)、壓縮機先進控制系統(tǒng)投運后效果顯著，主要表現(xiàn)在如下幾個方面：
先進控制系統(tǒng)根據(jù)設定目標值實時自動調節(jié)相關參數(shù)，降低了操作人員的勞動強度，并大大減少了人為調節(jié)所帶來的干擾；
先進控制系統(tǒng)使各裝置的運行參數(shù)趨向平穩(wěn)，波動范圍減小；
先進控制系統(tǒng)根據(jù)并聯(lián)生產(chǎn)裝置的運行工況進行生產(chǎn)負荷協(xié)調，既充分發(fā)揮出各裝置的潛力又平衡了各裝置的工況；
先進控制系統(tǒng)通過平穩(wěn)裝置的各項運行指標，使石灰石有效分解率、窯氣濃度及碳化轉化率保持在較高的水平。
先進控制系統(tǒng)通過實時調節(jié)壓縮機的轉速，滿足碳化工序對清洗氣、中段氣、下段氣的實時需求，降低了勞動強度，平穩(wěn)了生產(chǎn)。
下面分別說明純堿生產(chǎn)過程三個子系統(tǒng)在先進控制系統(tǒng)運行前和運行后的運行狀況。
（1）石灰窯系統(tǒng)
石灰窯窯底溫度是石灰窯系統(tǒng)的重要控制參數(shù)，是反映石灰窯運行狀況的主要指標，下邊是先進控制系統(tǒng)投運前后比較：
石灰窯先進控制系統(tǒng)投運前：
石灰窯先進控制系統(tǒng)投運后：
