Усовершенствованное управление технологическими процессами (сокращенно APC – от Advanced Process Control) – сравнительно новое направление промышленной автоматизации, возникшее в начале 90-х гг. и завоевавшее широкую популярность в последнее десятилетие. Основная идея APC состоит в модернизации системы управления технологической установки путем введения в нее дополнительных элементов. Эти элементы представляют собой специальное программное обеспечение, реализующее алгоритмы многомерного прогнозирующего управления на основе модели технологического процесса (ТП). APC-система представляет собой своего рода «автопилот» для технологической установки: она берет на себя определенные функции оператора и, как показывает анализ работы APC-систем, проводившийся в течение многих лет с помощью как строгих математических методов так и экспертного анализа, выполняет эти функции в целом лучше, чем это делают операторы. Основные функции APC состоят в:
Движущей силой APC-проектов является получение прибыли. Основными источниками прибыли являются:
Опыт показывает, что в результате внедрения APC-системы изменчивость («вариабельность») параметров ТП, вызванная воздействиями на установку внешних факторов, существенно снижается. Это не только стабилизирует качество продукта, что ценно само по себе, но и позволяет вести процесс ближе к определенной стандартом предприятия и/или производственным заданием границе показателя качества продукта, т.е. уменьшить запас по качеству и, вследствие этого, увеличить отбор более ценного продукта без ухудшения его качества.
Причина более эффективной работы APC по сравнению с традиционными системами регулирования и управления заключается в использовании прогнозирующего управления на основе модели. Модель представляет собой набор математических зависимостей, связывающих входные и выходные переменные APC-системы. Эти зависимости определяются инженером-разработчиком APC-системы на основе данных, собранных в ходе испытаний установки на ступенчатые воздействия («пошагового тестирования»). Модель процесса, построенная по входо-выходным данным, никогда не бывает абсолютно точной, поэтому алгоритмы усовершенствованного управления должны быть робастными, т.е. работать устойчиво и эффективно в условиях неточной модели. Недостаточная робастность алгоритмов усовершенствованного управления может привести к потере устойчивости управляемого объекта и/или к снижению качества управления. Алгоритмы, используемые в APC-системе третьего поколения Profit® Controller корпорации Honeywell, подтвердили свою робастность.
Решая задачу управления, т.е. стабилизации установки или перевода ее на другой режим, APC-система следит, чтобы показатели качества продукции не выходили за допустимые границы. Показатели качества непосредственно на установке, как правило, не измеряются, а определяются в лаборатории не чаще 1 раза в смену. Поскольку для хорошего управления APC-системе нужно знать их текущие значения не реже чем 1 раз в 1-2 минуты, важнейшим элементом создания APC является разработка виртуальных анализаторов (ВА) качества продуктов. Honeywell обладает специальным инструментарием Profit® Sensor Pro для создания ВА и их последующей калибровки по данным лабораторно-аналитического контроля; этот инструментарий передается Заказчику по завершении APC-проекта. Опыт показывает, что разработка и эксплуатация ВА обходится во много раз дешевле, чем приобретение и обслуживание поточного анализатора. Не претендуя на функциональность дорогостоящего поточного анализатора, ВА во многих случаях представляет собой относительно дешевое альтернативное решение, достаточное для реализации целей управления и оптимизации, поставленных перед APC-системой.
Практика показывает, что наибольшая прибыль от APC достигается не столько за счет качественного управления (хотя оно является необходимым условием достижения прибыли и, до определенной степени, ее источником), сколько за счет оптимизации работы установки по экономическому критерию. Оптимизация имеет место там, где можно задать экономический критерий качества (целевую функцию) работы установки, а основным параметрам ТП дозволяется изменяться в определенных диапазонах вместо того, чтобы строго соответствовать заданиям. Если все технологические переменные соответствуют уставкам регуляторов, то целевая функция принимает фиксированное значение, и оптимизация невозможна. Если же параметрам разрешено изменяться в заданных пределах, то может быть поставлена, например, такая оптимизационная задача: максимизировать выход целевого продукта при соблюдении всех технологических и механических ограничений (спецификации продуктов, пределы по регулирующим клапанам, ограничения на работу ротационного оборудования и т.д.). APC-системы успешно решают подобные оптимизационные задачи для самых разных ТП.
Honeywell разработал уникальное семейство APC-продуктов, включающее в себя, в частности, оптимизаторы более высокого уровня, чем оптимизатор, встроенный в упомянутую выше систему многомерного прогнозирующего управления Profit® Controller. Такой оптимизатор высокого уровня, под названием Profit® Optimizer, координирует работу нескольких Profit® Controller’ов, функционирующих на различных технологических установках и/или блоках одной установки. В качестве задачи, эффективно решаемой с помощью системы Profit® Optimizer, можно указать управление водородным балансом НПЗ: при дефиците водорода Profit® Optimizer в сочетании с несколькими Profit® Controller’ами минимизирует потребление водорода установками гидроочистки и/или изомеризации и максимизирует выход водорода с установок каталитического риформинга бензина при соблюдении всех ограничений на качество продуктов (сера в гидрогенизате, октановое число катализата и т.д.). Другой пример – типичная конфигурация APC-системы на установке каталитического крекинга: 3 Profit® Controller’а работают соответственно на реакторно-регенераторном, нагревательно-фракционирующем и газофракционирующем блоках; их работу координирует Profit® Optimizer, в который введены целевые функции глобальной оптимизации всей установки.
Семейство APC-продуктов Honeywell Profit® Suite включает в себя десятки патентованных APC-приложений, выполненных в соответствии с международными стандартами разработки и тестирования программного обеспечения. Honeywell постоянно инвестирует средства в его развитие: с января 2009 г. начат выпуск нового релиза R320 с расширенным набором функций.
APC-системы Honeywell применяются в нефтедобыче (подготовка нефти), нефтепереработке, нефтехимии, химической, горно-обогатительной и пищевой промышленности, тепловой энергетике, а с недавних пор и в автостроении. В России к настоящему моменту инженеры Honeywell успешно реализовали несколько полномасштабных APC-проектов.