过程工业的先进控制
/Advanced Process Control for the Process Industry
多变量模型预测控制(MPC)是目前被应用于工业中最为广泛的一种先进控制技术。基于MPC的先进控制技术几乎遍布于所有炼油和石油化工的主要工艺装置，例如：原油蒸馏、流化床催化剂裂解、重整、乙烯、芳烃、化肥、甲醇等。MPC如此受到欢迎的原因主要有以下几点：
直观性；即使没有经过特殊的培训，操作工和工程师也可以很容易的理解这项技术
渐进性；这项技术可以很容易的部署在基层PID控制器之上
鲁棒性；这项技术的鲁棒性很强，可以消除操作模式变换和进料组分改变所带来的干扰。并且，在基层PID和工艺流程出现问题的时候，一部分操作变量和被控变量可以被摘掉，让程序实现部分先进控制
投资回报率高；为一套装置引进MPC技术有可能需要花费几十万美元，但是仅在短短的3到12个月里，以通过将高附加值或高负荷装置的操作点向约束界限推进来最大化高价值产品、提高加工量并降低能源消耗的方式，这些投资成本就可以被迅速收回。
在过去的十年间，工业生产的目光主要集中在使用一些大型的应用来控制数以百计的操作变量和被控变量。在过程操作的最优化上，相对于多个分散的小控制器而言，一个整体的大型控制应用可以做的更好。例如，加压蒸馏装置(VDU)处理常压蒸馏装置(CDU)的渣油的过程是受到加热炉炉管表面温度约束的，如果两个塔是通过相互独立的控制器进行控制的，那么就很难以做出以下协调：
- 一定程度上放宽对CDU渣油中汽油含量的控制，根据加热炉炉管表面的温度条件，利用VDU更有效地回收汽油
- 将VDU加热炉的负荷转移至CDU加热炉以降低其负荷
- 根据加热炉的温度约束来调整CDU的进料
因此，为了发挥控制器的优点来使得操作更为稳定以便将控制点调节至更接近约束的位置，许多炼油厂的CDU和VDU是通过一个大型控制器来整体控制的。虽然大型控制器在控制上有着纵观全局的优势，但控制器结构相对比较复杂，使得操作工并不能完全理解控制器的控制行为。因而，为了增加控制器的易用性，可以从操作工的角度出发来对常减压控制单元进行分组，例如分为：常压加热、常压蒸馏、减压加热、减压蒸馏。
与此相似，分组间的交叉控制同样存在于许多大型的MPC控制器中，例如场内（on-site）柴油加氢单元和场外（off-site）柴油调和就可以通过一个大型控制器来统一控制。事实上，这样的控制方案是十分流行的，大多数包含装置直调组份的低硫柴油调和就是这样控制的。
在石油化工行业中，类似的“大控制器”策略也同样被用于控制如乙烯、芳烃、氨、甲醇等大型的工艺装置。例如乙烯装置含有热区和冷区两个操作单元，通过一个整体控制器对它们进行控制是很常见的。
控制器设计会持续向大型化发展，尤其是针对那些八、九十年代的旧控制器的升级。另外，对于类似于电厂锅炉、纸浆厂蒸煮器、自动化工厂的油漆车间这样的小型工艺装置，即使所得效益并不高，也同样开始逐步引进MPC。在炼油厂和石油化工企业中，给一些小型工艺装置引进MPC所需要的额外花费其实是很少的。因此，即便每小时的经济效益只有25美元，MPC的引进还是非常划算的；同时，先进控制技术本身的进步，也大大降低了项目的成本与时间。
先进控制技术发展的关键突破点主要来自于3方面。第一，存在OPC(用于过程控制的OLE)这样的开放系统和软件技术的更新换代，使得工程师基本不需要在MPC和DCS的接口上花费时间；第二，自动阶跃测试技术的发展极大地降低了工程师测试过程动态响应的时间。自动阶跃技术不但对新项目十分有效，并且在模型周期性的更新和改造项目中的应用也是得心应手；第三，控制技术的进步使得在MPC控制器中嵌入用于实时监测产品质量的软仪表程序成为可能，这不但使程序的整体化程度更高，并且进一步改善了其控制性能。
在模型失配的情况下，通过控制性能的在线评估来触发自动阶跃测试以便更新控制器模型可以使控制器效益得以持续。
今后，我们相信MPC技术不仅应用在大型的复杂工艺装置，同样可用于小型工艺装置上。