何伟1，周兵2，赵向远2，FENG XIONGFENG3，程向龙3
［1. 张家港盈鼎气体有限公司，江苏 张家港215625；2. 盈德气体（上海）有限公司，上海210035；3.上海福克斯波罗有限公司，上海200331］
［摘 要］张家港盈鼎气体有限公司二期空分装置采用经典的内压缩、全精馏无氢制氩流程，于2017年12月投产。该套空分装置原始设计没有考虑APC控制，经过约3 a的运行考核与调研，于2021年4月立项由盈德气体（上海）有限公司和上海福克斯波罗有限公司共同实施APC项目——首先采用APC理论方法在DCS层面实施PID结构和参数优化，然后基于AVEVA APC软件平台，经过阶跃测试、建模、控制器搭建、APC-DCS界面创建、APC投运调试等环节，成功实现了多个重要CV（被控变量）的稳定控制及卡边优化。2021年12月16日APC系统投运后，空分装置的智能化控制程度及能源利用率明显提升，氩与氧气的提取率上升，经济效益非常可观，并实现了空分装置的自动变负荷操作，同时减轻了操作人员的工作量、降低了人为操作中的风险因素。
［关键词］空分装置；APC项目；AVEVA APC软件；PID优化；阶跃测试与建模；控制器集成与投运；实时优化；自动变负荷
［中图分类号］TP273 ［文献标志码］B ［文章编号］1004-9932（2022）05-0073-03
0 引 言
空分装置作为化工、冶金等行业的上游装置，其可靠性对全厂生产系统的安全、稳定运行有着十分重要的意义。空分装置停车，全厂生产往往无法继续（一般空分装置均设有液体后备系统，空分装置停车，液体后备系统可短时供气，以保障系统安全停车；即使设有备用空分装置，备用空分装置开车约需24 h，而空分装置跳车重启一般仅需4 h），而仪表空气和安保氮气的供应更是保障着全厂的安全运行。空分行业历经近百年的发展，深冷分离技术已相当成熟，空分工艺越来越先进，装置规模越来越大，智能化控制程度越来越高。
近年来，先进过程控制（Advanced Process Control，简称APC）技术在流程工业过程中不断地推广应用，取得了良好的效果，其在空分装置上的应用也越来越受到重视。作为信息化技术在生产装置中的应用，APC不仅可提高装置的控制能力和管理水平，而且还可为企业创造可观的经济效益。以下就APC在张家港盈鼎气体有限公司（简称张家港盈鼎）二期空分装置上的应用作一简介。
1 空分装置及APC简介
张家港盈鼎二期空分装置为浙江智海化工设备工程有限公司自主设计（原始设计时没有考虑APC控制），设计产能为氧气60 000 m3/h、氮气120 000 m3/h，于2017年12月投产。本空分装置采用业内经典的内压缩、全精馏无氢制氩流程（氩提取率可达78%）：分子筛净化空气，出分子筛的部分空气由增压机增压至2.5 MPa，经高压节流和空气膨胀机进入主精馏塔（上塔、下塔均采用规整填料）下塔；增压透平空气膨胀机和增压透平氮气膨胀机各1台，膨胀空气进下塔，膨胀氮气常压反流出主精馏塔，汇入氮气总管；主精馏塔产出的液氧经冷箱内液氧泵加压至0.9 MPa，与高压空气换热后送用户管网。
张家港盈鼎二期空分装置APC项目实施由盈德气体（上海）有限公司APC项目组和上海福克斯波罗有限公司（简称福克斯波罗，SFCL）共同完成，采用SFCL的AVEVA APC软件予以实施。福克斯波罗作为施耐德电气集团专注于过程控制与流程行业数字化解决方案的独立业务单元，一直致力于为全球生产制造和基础设施行业提供自动化和信息技术、控制系统、软件解决方案和咨询服务。
张家港盈鼎二期空分装置APC系统基于AVEVA APC软件进行控制器搭建。AVEVA APC软件通过采集阶跃测试数据辨识出过程中变量之间的动态数学关系（即模型）；利用该模型，软件可预测被控变量在未来时段的变化趋势，从而施加有效调控动作，提高过程控制品质。AVEVA APC软件平台支持嵌入式编程语言Python，有助于实现基于专家知识的逻辑控制、自适应控制等多种智能控制功能。
2 APC项目的实施
2.1 APC与DCS的连接
APC的实施基于DCS，通过OPC服务器与现场DCS实现通讯。通过模型预测控制算法计算出操作变量（Manipulated Valuable，MV）的优化值，并将优化值写入DCS（通常写到PID回路设定点、阀位等），实现控制优化。通讯采用WatchDog看门狗机制，APC控制器每个运算周期发送0～99顺序序列至DCS，并读回；DCS侧的WatchDog状态判断在DCS逻辑中实现。当读写数据差值小于±0.1则延时发通讯故障，此时DCS控制逻辑会自动切除APC控制器涉及的所有MV，并发出相关报警信息，同时将这些MV无扰切换至其默认DCS控制状态，操作权限回归运行人员。
2.2 预测试及PID优化
预测试的目的主要是评价常规控制系统的性能，确定工艺过程响应时间的数量级，考察工艺约束及变量耦合情况，以及是否有变量需要进行变换。预测试主要通过MV的小幅度的阶跃测试实现。具体而言，需要将MV或在测试期间允许改变的前馈变量（Feedforwardvaluable，FV）进行几次阶跃调整，以检查相关控制回路的PID参数和控制阀的性能。
预测试过程中，若发现作为MV的PID回路性能不够理想，则需要进行PID参数整定。本APC项目的PID参数整定基于内模控制算法，结合特定DCS系统中PID算法类型（不同DCS系统中PID算法不同），在对PID回路输出与PID回路测量值关系进行建模的基础上计算PID回路比例、积分和微分参数的初始值，并在此基础上结合PID整定进行优化，以获得良好的控制性能，相较于传统的仅凭经验进行试错调整更为高效。
PID控制是现代化连续生产过程自动化控制的基础，也是APC实施的基石，PID参数的优化整定工作在APC项目中占有重要的地位。从控制机制上来说，PID与APC控制方式的主要区别在于：PID控制中1个手段能且仅能控制1个被控目标，属单变量反馈（事后）秒级自动控制，模式为设定点控制；APC控制属模型预测控制，M个控制手段控制N个被控目标（通常N＞M），运行周期为几秒到几分钟，可在区间控制，亦可以设定点控制。在APC项目的实施中，应该发挥两种控制机制（PID与APC控制）的优点，使其各施所长。
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