摘 要：簡(jiǎn)要回顧了國(guó)產(chǎn)先進(jìn)控制軟件的研發(fā)歷程，在此基礎(chǔ)上介紹了國(guó)產(chǎn)先進(jìn)控制軟件APC-Suite的功能特點(diǎn)及其在流程工業(yè)企業(yè)的應(yīng)用情況，最后展望了先進(jìn)控制軟件的發(fā)展前景。

  關(guān)鍵詞：先進(jìn)控制；模型預(yù)測(cè)控制；軟測(cè)量；控制性能監(jiān)控；流程工業(yè)

   1 引言

   現(xiàn)代流程工業(yè)正朝著大型化、高集成度和高效化等方向發(fā)展，其中的物料流、能量流和信息流也日趨復(fù)雜多變。在生產(chǎn)單元、裝置乃至流程不斷強(qiáng)化的同時(shí)，過(guò)程控制對(duì)象也表現(xiàn)出如下特點(diǎn)：系統(tǒng)復(fù)雜性增加、耦合性增強(qiáng)和約束條件增多等。隨著人們對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的安全、高效、優(yōu)質(zhì)、低耗的要求不斷提高，追求著更大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，因而對(duì)控制技術(shù)水平與性能的要求也越來(lái)越高。因此，以單回路PID控制和復(fù)雜控制為代表的常規(guī)控制策略已面臨著多方面的挑戰(zhàn)，必須采用新的控制策略與技術(shù)來(lái)適應(yīng)復(fù)雜工業(yè)過(guò)程多目標(biāo)優(yōu)化、多層次協(xié)調(diào)和多變量控制等要求。

   先進(jìn)控制技術(shù)正是在這個(gè)時(shí)代背景下，通過(guò)大量的過(guò)程控制實(shí)踐，由工業(yè)界和理論界共同推出的，其核心技術(shù)包括：模型預(yù)測(cè)控制、智能控制、軟測(cè)量和控制性能監(jiān)控等。目前，先進(jìn)控制技術(shù)仍在不斷地發(fā)展和完善中，未來(lái)將更多地引入各種非線性控制技術(shù)、自適應(yīng)控制技術(shù)和魯棒控制技術(shù)等，同時(shí)將更多地與過(guò)程模擬與優(yōu)化技術(shù)相結(jié)合形成優(yōu)化與控制一體化解決方案。

   國(guó)外先進(jìn)控制軟件出現(xiàn)于上個(gè)世紀(jì)70年代末，經(jīng)過(guò)10多年的發(fā)展，已形成了以DMC、Setpoint、Profimatic和Adersa等專業(yè)公司為代表的先進(jìn)控制軟件供應(yīng)商和服務(wù)商，并于上個(gè)世紀(jì)90年代初進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)。以AspenTech收購(gòu)和整合DMC、Setpoint，Honeywell收購(gòu)Profimatic為契機(jī)，到本世紀(jì)初，先進(jìn)控制軟件已得到迅速發(fā)展，全球已有幾十家公司推出了上百種先進(jìn)控制和優(yōu)化軟件產(chǎn)品，形成了一個(gè)強(qiáng)大的流程工業(yè)應(yīng)用軟件產(chǎn)業(yè)。目前，國(guó)外先進(jìn)控制軟件的主流供應(yīng)商及其產(chǎn)品包括：AspenTech公司的DMCplus和Apollo（非線性預(yù)測(cè)控制軟件）、Honeywell公司的Profit系列產(chǎn)品、Invensys公司的Connoisseur、Rockwell公司的Process Perfecter（非線性預(yù)測(cè)控制軟件）以及Yokogawa公司代理的Shell SMOC產(chǎn)品等。此外，還有一些專業(yè)從事先進(jìn)控制與優(yōu)化服務(wù)的顧問(wèn)公司。

   國(guó)內(nèi)先進(jìn)控制軟件的研發(fā)始于上個(gè)世紀(jì)90年代中期，在國(guó)家科技攻關(guān)項(xiàng)目的支持下，清華大學(xué)、浙江大學(xué)、上海交通大學(xué)、石油大學(xué)（北京）、中國(guó)科技大學(xué)等高校的科研團(tuán)隊(duì)分別針對(duì)煉油、石化和化工等行業(yè)的具體生產(chǎn)裝置研發(fā)了專用先進(jìn)控制軟件并取得了成功應(yīng)用。同時(shí)，國(guó)內(nèi)一些專業(yè)的自動(dòng)化公司開(kāi)發(fā)研發(fā)相關(guān)的軟件產(chǎn)品，特別是浙江中控軟件技術(shù)有限公司開(kāi)發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的領(lǐng)先的先進(jìn)控制和優(yōu)化軟件，對(duì)于打破國(guó)外產(chǎn)品的壟斷，替代進(jìn)口，具有十分重要的戰(zhàn)略意義。

   本文將簡(jiǎn)要回顧浙江中控軟件技術(shù)有限公司先進(jìn)控制產(chǎn)品APC-Suite的研發(fā)歷程，重點(diǎn)介紹APC-Suite的功能特點(diǎn)及其在流程工業(yè)企業(yè)的應(yīng)用情況，最后展望先進(jìn)控制軟件的發(fā)展前景。

   2　中控先進(jìn)控制軟件的研發(fā)歷程

   自20世紀(jì)90年代開(kāi)始，浙江中控軟件技術(shù)有限公司采用預(yù)測(cè)控制、智能控制和軟測(cè)量等現(xiàn)代控制理論與技術(shù)，開(kāi)展了先進(jìn)控制軟件工程化產(chǎn)品的研發(fā)工作，形成了先進(jìn)控制平臺(tái)APC-iSYS、高級(jí)多變量預(yù)測(cè)控制APC-Adcon、智能軟測(cè)量軟件APC-Sensor、控制性能評(píng)估與監(jiān)控軟件APC-Watch于一體的先進(jìn)控制軟件APCSuite。以下簡(jiǎn)要回顧一下中控軟件公司先進(jìn)控制軟件的研發(fā)歷程。

   第一階段：工程化。1996年成功研發(fā)RLS辨識(shí)算法，隨后形成了先進(jìn)控制產(chǎn)品并推向市場(chǎng)，經(jīng)過(guò)努力，該產(chǎn)品在煉油、石化和化工等多家企業(yè)取得了10多個(gè)應(yīng)用業(yè)績(jī)，不僅提升了先進(jìn)控制產(chǎn)品的成熟度，而且推動(dòng)了產(chǎn)品更新?lián)Q代。

   第二階段：體系化。在市場(chǎng)和工程兩方面的推動(dòng)下，到2005年，中控軟件公司初步完成了先進(jìn)控制產(chǎn)品體系化工作，形成了以先進(jìn)控制平臺(tái)APC-iSYS為支撐，以高級(jí)多變量魯棒預(yù)測(cè)控制軟件APC-Adcon和智能軟測(cè)量軟件APC-Sensor為核心模塊的軟件體系架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)服務(wù)、界面與服務(wù)分離、各類算法可插件式管理。這期間，APC-Suite產(chǎn)品在煉油、石化行業(yè)的許多裝置化工領(lǐng)域的純堿等行業(yè)取得了首次突破，進(jìn)一步擴(kuò)大了該產(chǎn)品的市場(chǎng)影響力，同時(shí)對(duì)產(chǎn)品可靠性與性能、工程服務(wù)的規(guī)范化與標(biāo)準(zhǔn)化提出了更高的要求。

   第三階段：高效化。自2007年以來(lái)，中控軟件公司先后升級(jí)了多變量預(yù)測(cè)控制的核心優(yōu)化算法引擎，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)；集成了一系列基于機(jī)理建模的工藝計(jì)算模塊以豐富智能軟測(cè)量模塊的功能；將子空間辨識(shí)等算法等引入多變量過(guò)程辨識(shí)中，實(shí)現(xiàn)了辨識(shí)軟件的升級(jí)；集成了自定義算法編譯調(diào)試環(huán)境，并實(shí)現(xiàn)了界面優(yōu)化，從而提高工程實(shí)施效率。迄今，APC-Suite產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)流程工業(yè)企業(yè)已推廣應(yīng)用70余套，不僅實(shí)現(xiàn)了純堿企業(yè)全流程多目標(biāo)、多層次和多變量協(xié)調(diào)優(yōu)化控制，使單個(gè)控制器的變量規(guī)模突破500個(gè)，而且首次進(jìn)入大型合資企業(yè)主裝置，使得產(chǎn)品與品牌認(rèn)可度達(dá)到新的高度。

   目前，中控軟件公司正在進(jìn)一步豐富和完善產(chǎn)品體系，繼續(xù)發(fā)揮產(chǎn)品簡(jiǎn)單易用、可擴(kuò)展性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，提升產(chǎn)品在處理特定非線性過(guò)程控制的能力，增強(qiáng)與國(guó)外同類產(chǎn)品在性能與功能等方面的競(jìng)爭(zhēng)力，以滿足國(guó)內(nèi)流程工業(yè)企業(yè)對(duì)于先進(jìn)控制軟件的采購(gòu)需求和第三方工程服務(wù)的要求。

   3　先進(jìn)控制軟件APC-Suite的功能特點(diǎn)
 
               
                        圖1 中控先進(jìn)控制產(chǎn)品體系架構(gòu)   

   圖1給出了中控軟件公司的先進(jìn)控制軟件產(chǎn)品架構(gòu)及其與流程模擬優(yōu)化的關(guān)系。

   3.1　先進(jìn)控制平臺(tái)APC-iSYS

   先進(jìn)控制平臺(tái)是一個(gè)模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、開(kāi)放性的數(shù)據(jù)平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲(chǔ)和應(yīng)用，并支持對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的監(jiān)控、先進(jìn)控制與優(yōu)化以及過(guò)程統(tǒng)計(jì)管理等，是先進(jìn)控制軟件APC-Suite的基礎(chǔ)平臺(tái)。先進(jìn)控制平臺(tái)APC-iSYS主要由如下軟件組成：

   （1）APC-iMonitor監(jiān)控軟件：通過(guò)直觀、形象的方式反映當(dāng)前先進(jìn)控制平臺(tái)的運(yùn)行狀態(tài)，是先進(jìn)控制平臺(tái)的核心控制臺(tái)；

   （2）APC-iConfig組態(tài)軟件：以方便、友好、高效的操作為先進(jìn)控制平臺(tái)提供組態(tài)功能，包括服務(wù)器組態(tài)、源位號(hào)組態(tài)、虛位號(hào)組態(tài)等，并可以編寫(xiě)虛位號(hào)處理腳本；

   （3）APC-iTrend趨勢(shì)圖軟件：能夠任意添加變量，通過(guò)趨勢(shì)曲線進(jìn)行比較分析，更好地掌握生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)的變化規(guī)律；這些組成軟件都有各自獨(dú)立的功能，綜合使用這些軟件，能使先進(jìn)控制平臺(tái)發(fā)揮出最大的作用。

   3.2　高級(jí)多變量預(yù)測(cè)控制軟件APC-Adcon

   高級(jí)多變量預(yù)測(cè)控制軟件APC-Adcon是先進(jìn)控制軟件APCSuite的核心產(chǎn)品，適用于多變量、強(qiáng)耦合、大時(shí)滯、帶約束的復(fù)雜生產(chǎn)過(guò)程的平穩(wěn)控制和動(dòng)態(tài)優(yōu)化，具有當(dāng)前主流多變量預(yù)測(cè)控制軟件的所有主要功能，包括測(cè)試建模、控制器設(shè)計(jì)、離線仿真、系統(tǒng)組態(tài)和在線應(yīng)用等多個(gè)組件，分為離線軟件和在線軟件兩部分。APC-Adcon的主要功能特點(diǎn)如下：

   （1）實(shí)現(xiàn)定值控制與區(qū)域控制：區(qū)域控制使控制器在噪聲環(huán)境下更平滑，在變量耦合情況下更魯棒；

   （2）有效抑制可測(cè)擾動(dòng)：對(duì)可測(cè)擾動(dòng)同時(shí)建模，預(yù)測(cè)擾動(dòng)對(duì)過(guò)程的影響，有效地進(jìn)行補(bǔ)償和及時(shí)克服；

   （3）多目標(biāo)動(dòng)態(tài)優(yōu)化：對(duì)操作變量、受控變量和各變量之間的線性組合可以定義理想駐留值（IRV）、極大化和極小化等次優(yōu)化目標(biāo)，所有次優(yōu)化目標(biāo)按控制自由度和變量的權(quán)重優(yōu)先級(jí)依次滿足。

   3.3　智能軟測(cè)量軟件APC-Sensor

   智能軟測(cè)量軟件APC-Sensor以先進(jìn)控制平臺(tái)APC-iSYS為支撐，在一個(gè)開(kāi)放的構(gòu)架下，實(shí)現(xiàn)了用多種軟測(cè)量算法建立軟測(cè)量模型、開(kāi)展模型仿真驗(yàn)證和實(shí)現(xiàn)模型工程應(yīng)用等功能。APCSensor包括算法選擇、輔助變量選擇、離線建模等部分，并與數(shù)據(jù)預(yù)處理、智能軟測(cè)量設(shè)計(jì)環(huán)境模塊集成，讀取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)離線仿真等，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)變量的檢測(cè)和估計(jì)。軟測(cè)量結(jié)果可作為APC-Adcon的被控變量或輔助變量使用，從而為多變量預(yù)測(cè)控制提供有力支持。APC-Sensor的主要功能特點(diǎn)如下：

   （1）采用工藝計(jì)算與基于機(jī)理模型以豐富軟測(cè)量模塊，這些工藝機(jī)理模型包括：分餾塔工藝計(jì)算、重整裝置芳烴收率和結(jié)焦量計(jì)算、焦炭塔焦高計(jì)算、PTA裝置OD340、4CBA含量計(jì)算等；

   （2）采用多種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的軟測(cè)量算法，這些算法包括部分最小二乘算法、主元分析與回歸算法、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)BP算法、TSKFuzzyNeur算法、OPTFuzzyNeur算法等；

   （3）采用雙重校正技術(shù)來(lái)提高軟測(cè)量?jī)x表的精度和有效性，在通常的化驗(yàn)值校正的基礎(chǔ)上，增加了在線模型滾動(dòng)校正，形成了雙重校正的專利技術(shù)。

   3.4　控制性能評(píng)估與監(jiān)控軟件APC-Watch

   隨著先進(jìn)控制軟件APC-Suite應(yīng)用數(shù)量的增多，先進(jìn)控制系統(tǒng)需要由傳統(tǒng)的人工監(jiān)視、手動(dòng)維護(hù)轉(zhuǎn)向自動(dòng)監(jiān)視與維護(hù)。先進(jìn)控制性能評(píng)估與監(jiān)視軟件APC-Watch可提供如下功能：

   （1）能夠生成先進(jìn)控制性能日?qǐng)?bào)、周報(bào)、月報(bào)、以及自定義時(shí)間段報(bào)告；

   （2）能夠?qū)刂破髂Ｐ唾|(zhì)量與失配情況做出評(píng)判；

   （3）具備監(jiān)控先進(jìn)控制軟件應(yīng)用情況的能力。

   先進(jìn)控制性能評(píng)估軟件支持自動(dòng)導(dǎo)入中控的先進(jìn)控制器的組 態(tài)信息，并支持配置第三方控制器；支持制定自定義時(shí)間段的評(píng)估計(jì)劃，和生成每日、每周、每月的評(píng)估報(bào)告；支持自動(dòng)從先進(jìn)控制平臺(tái)獲取歷史數(shù)據(jù)，評(píng)估控制器性能、統(tǒng)計(jì)過(guò)程相關(guān)指標(biāo)、分析模型質(zhì)量；評(píng)估報(bào)告生成后，自動(dòng)將相關(guān)數(shù)據(jù)保存到關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)；用戶可以通過(guò)Web瀏覽器查看評(píng)估結(jié)果和評(píng)估報(bào)告。

   此外，中控軟件公司還提供了PID控制回路性能評(píng)估軟件來(lái)輔助儀控工程師完成對(duì)PID控制回路的自動(dòng)評(píng)估，為提高先進(jìn)控制軟件的全生命周期應(yīng)用效果提供必要的支撐。

   4　先進(jìn)控制軟件APC-Suite的工業(yè)應(yīng)用

   從1996年底開(kāi)始，中控軟件公司的先進(jìn)控制軟件APC-Suite已經(jīng)在中國(guó)石化、中國(guó)石油和中國(guó)海油的下屬煉油、石化企業(yè)以及云天化集團(tuán)、唐山三友、山東海天等許多大型流程工業(yè)企業(yè)獲得成功應(yīng)用，取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。下面簡(jiǎn)要介紹工業(yè)應(yīng)用情況。

   （1）煉油企業(yè)先進(jìn)控制應(yīng)用

   先進(jìn)控制軟件APC-Suite在揚(yáng)子石化、鎮(zhèn)海煉化、錦州石化、惠州煉油和大榭石化等企業(yè)的煉油裝置上已經(jīng)有超過(guò)連續(xù)10年的應(yīng)用，現(xiàn)已覆蓋常減壓、催化裂化、加氫裂化、加氫精制、延遲焦化、催化重整和氣體分餾等煉油企業(yè)核心裝置。其中包括：惠州煉油的300萬(wàn)噸/年連續(xù)重整裝置（目前國(guó)內(nèi)單裝置規(guī)模最大），鎮(zhèn)海煉化180萬(wàn)噸/年重油催化裂化裝置和揚(yáng)子石化200萬(wàn)噸/年高壓加氫裂化裝置和大榭石化600萬(wàn)噸/年常減壓裝置等。

   （2）石化企業(yè)先進(jìn)控制應(yīng)用

   先進(jìn)控制軟件APC-Suite在揚(yáng)子石化、金陵石化、鎮(zhèn)海煉化、蘭州石化、洛陽(yáng)石化和齊魯石化等企業(yè)的石化裝置上也已經(jīng)有超過(guò)連續(xù)10年的應(yīng)用，現(xiàn)已覆蓋芳烴系列裝置中的芳烴抽提、吸附分離、二甲苯精餾、甲苯歧化和二甲苯異構(gòu)化等裝置，乙烯系列裝置的乙烯裂解爐、乙烯精餾和丁二烯等裝置。其中包括：鎮(zhèn)海煉化45萬(wàn)噸/年P(guān)X聯(lián)合裝置（目前國(guó)內(nèi)單系列規(guī)模最大），揚(yáng)子石化兩套PX聯(lián)合裝置、金陵石化PX聯(lián)合裝置、洛陽(yáng)石化PX聯(lián)合裝置、齊魯石化芳烴抽提裝置和丁二烯裝置以及蘭州石化芳烴抽提裝置。此外，先進(jìn)控制軟件APC-Suite還分別在蘭州石化、齊魯石化和茂名石化的苯乙烯裝置中得到成功應(yīng)用。

   （3）化工企業(yè)先進(jìn)控制應(yīng)用

   先進(jìn)控制軟件APC-Suite自2000年進(jìn)入儀征化纖以后，先后在中國(guó)石化儀征化纖的I套和II套PTA裝置、金陵石化的烷基化裝置和Molex裝置、中國(guó)石油大慶油田化工集團(tuán)的20萬(wàn)噸/年輕烴分餾裝置和5萬(wàn)噸/年戊烷精分裝置（均為國(guó)內(nèi)單套規(guī)模最大）、中國(guó)海油山東?；膬商准儔A裝置（共300萬(wàn)噸/年產(chǎn)能，目前亞洲產(chǎn)能最大）、唐山三友的230萬(wàn)噸/年純堿裝置（目前全球單套規(guī)模最大）、中國(guó)石化連云港堿廠的110萬(wàn)噸/年純堿裝置、山東海天的110萬(wàn)噸/年純堿裝置、云天化集團(tuán)硫酸裝置、磷酸裝置和黃磷裝置、天津堿廠的聚甲醛裝置、浙江新安化工的有機(jī)硅裝置和柳化集團(tuán)造氣爐等30多套裝置中取得成功應(yīng)用。尤其是在山東海天率先完成了國(guó)內(nèi)首套氨堿法純堿裝置的全流程先進(jìn)控制與優(yōu)化，從整體上解決了聯(lián)合裝置級(jí)的控制與優(yōu)化問(wèn)題，不僅在純堿裝置先進(jìn)控制技術(shù)與服務(wù)方面引領(lǐng)國(guó)內(nèi)行業(yè)發(fā)展方向，而且被中國(guó)純堿工業(yè)協(xié)會(huì)列為“十二五”期間重點(diǎn)推廣的新技術(shù)。

   （4）其他行業(yè)先進(jìn)控制應(yīng)用

   先進(jìn)控制軟件APC-Suite不僅在煉油、石化和化工行業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用，而且通過(guò)近年來(lái)的努力，已經(jīng)在邯鋼和天鋼的空分裝置優(yōu)化控制與自動(dòng)變負(fù)荷，柳化集團(tuán)和山東海天的工業(yè)鍋爐優(yōu)化控制，株州硬質(zhì)合金的粉末冶金還原爐優(yōu)化控制等應(yīng)用中取得了突破性應(yīng)用，為先進(jìn)控制軟件開(kāi)拓更廣闊的市場(chǎng)空間奠定了良好基礎(chǔ)。HHHH5　發(fā)展展望

   本文在簡(jiǎn)要回顧國(guó)產(chǎn)先進(jìn)控制軟件研發(fā)歷程的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)介紹APC-Suite的功能特點(diǎn)及其在流程工業(yè)企業(yè)的應(yīng)用情況，強(qiáng)調(diào)了國(guó)產(chǎn)先進(jìn)控制軟件的有效性與適應(yīng)性。

   展望未來(lái)，在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中，國(guó)產(chǎn)先進(jìn)控制軟件仍然要抓住國(guó)內(nèi)流程企業(yè)生產(chǎn)裝置的特點(diǎn)和要求，提高產(chǎn)品的適應(yīng)性和魯棒性，增強(qiáng)軟件的開(kāi)放性和易用性，繼續(xù)完善產(chǎn)品體系結(jié)構(gòu)，增加產(chǎn)品功能，打造符合中國(guó)特色的軟件精品。

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   [6] 王樹(shù)青,等編著.先進(jìn)控制技術(shù)及應(yīng)用[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2001.

   [7] 先進(jìn)控制軟件APC-Suite開(kāi)發(fā)文檔[Z].浙江中控軟件技術(shù)有限公司內(nèi)部資料. 

   摘自《自動(dòng)化博覽》2012年第12期