除了煉化，先進(jìn)控制（APC）還能在其他行業(yè)用嗎？如何用？要注意什么？
發(fā)布時(shí)間：2025-01-09 作者：Heath Stephens
圖片來(lái)源：Hargrove Controls & Automation
盡管先進(jìn)過(guò)程控制（APC）技術(shù)在煉化行業(yè)中很常見(jiàn)，但在其它很多行業(yè)尚未廣泛采用。學(xué)習(xí)如何優(yōu)化APC系統(tǒng)有助于企業(yè)最大限度地提高投資回報(bào)率。
很少有行業(yè)如此商品化，以至于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手經(jīng)常會(huì)銷售彼此的產(chǎn)品。然而，在煉油行業(yè)，這幾乎是常態(tài)。當(dāng)?shù)氐腂P公司石油站可能會(huì)出售附近煉油廠生產(chǎn)的汽油，反之亦然。在這樣的市場(chǎng)中，您要利用一切可以利用的工具來(lái)增加利潤(rùn)，而先進(jìn)過(guò)程控制（APC）是煉油公司幾十年來(lái)一直依賴的工具。其他行業(yè)的許多公司也可以使用APC來(lái)提高他們的效率和利潤(rùn)。
APC是一種多變量控制算法，工程師也可能聽(tīng)到相關(guān)術(shù)語(yǔ)模型預(yù)測(cè)控制（MPC）。這些系統(tǒng)使用矩陣數(shù)學(xué)和線性代數(shù)來(lái)建立變量之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，同時(shí)建立許多變量之間的因果關(guān)系。APC是一個(gè)控制層，它位于分布式控制系統(tǒng)（DCS）和可編程邏輯控制器（PLC）系統(tǒng)所用的傳統(tǒng)單回路比例-積分-微分（PID）控制算法之上。
煉油行業(yè)正在迅速發(fā)展。政府和當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)對(duì)水、空運(yùn)和管道運(yùn)輸許可證的審查越來(lái)越嚴(yán)格。隨著電動(dòng)汽車（EV）銷量的增加，機(jī)構(gòu)投資者正在質(zhì)疑他們?cè)趥鹘y(tǒng)石油公司的長(zhǎng)期持有。盡管關(guān)于電動(dòng)汽車的實(shí)用性以及任何過(guò)渡時(shí)間表可能是什么樣子仍有很多爭(zhēng)論，但毫無(wú)疑問(wèn)，這個(gè)行業(yè)正在發(fā)生變化。
甚至在這些不利因素發(fā)生之前，煉油廠就已經(jīng)面對(duì)類似的市場(chǎng)，在這個(gè)市場(chǎng)上，他們幾乎無(wú)法控制原料價(jià)格的波動(dòng)（石油是一種全球定價(jià)的商品），以及公眾和政治方面對(duì)價(jià)格上漲的抵制。
由于煉油廠處理規(guī)模很大，因此他們的設(shè)備資本投資成本都很高。只要能找到的任何從現(xiàn)有設(shè)備中獲得更多產(chǎn)量的技術(shù)，都可以節(jié)省數(shù)千萬(wàn)美元或數(shù)億美元。
通常有三個(gè)因素可以增加裝置的總產(chǎn)量：增加產(chǎn)量、提高質(zhì)量/轉(zhuǎn)化率和增加正常運(yùn)行時(shí)間。APC可以通過(guò)限值過(guò)程可變性以及將控制設(shè)定值點(diǎn)轉(zhuǎn)移到更理想的限值來(lái)提升前兩個(gè)因素。它還可以通過(guò)諸如將過(guò)程控制在可能導(dǎo)致結(jié)垢、設(shè)備過(guò)度磨損或其它導(dǎo)致意外停機(jī)或維護(hù)增加等問(wèn)題的區(qū)域之外，來(lái)增加機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)間，從而改善第三個(gè)因素。
01 APC在制造業(yè)中的作用
憑借這些優(yōu)勢(shì)，從20世紀(jì)70年代開(kāi)始煉油廠首次引入APC。20世紀(jì)90年代，APC在整個(gè)煉油行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。其它行業(yè)也注意到了這一點(diǎn)，大宗化工產(chǎn)品生產(chǎn)商開(kāi)始使用APC，但APC從未像在煉油行業(yè)那樣在其它行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。現(xiàn)在，APC已經(jīng)存在近四十年了，遠(yuǎn)遠(yuǎn)早于通常被歸入工業(yè)4.0框架的大多數(shù)其它“先進(jìn)”技術(shù)，但與這些技術(shù)一樣，仍未獲得完全采用。
這些系統(tǒng)歷來(lái)是獨(dú)立的軟件，通過(guò)外部數(shù)據(jù)連接將級(jí)聯(lián)設(shè)定值發(fā)送到DCS/PLC系統(tǒng)中的PID回路。一些較新的DCS平臺(tái)內(nèi)置了APC/MPC功能，但它仍然比可用的獨(dú)立系統(tǒng)受到更多限制。
APC系統(tǒng)從“大局”著眼，監(jiān)測(cè)諸多過(guò)程變量來(lái)觀察過(guò)程動(dòng)態(tài)，并確定要操縱哪些變量以改進(jìn)過(guò)程控制。然后，APC系統(tǒng)將過(guò)程轉(zhuǎn)移到一系列更具成本效益的運(yùn)行工況。目標(biāo)是使過(guò)程更接近運(yùn)行極限，從而節(jié)省資金。
02 適合APC應(yīng)用的行業(yè)特性
那么，既然APC具有如此突出的優(yōu)勢(shì)，成本效益如此明顯，為什么并不是每個(gè)企業(yè)都使用APC呢？首先，讓我們看看為何APC可以成功地部署于煉油行業(yè)中。煉油廠通常具有規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益。它們的規(guī)模和產(chǎn)量確保其有經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)力去嘗試新事物，而小的改進(jìn)累加起來(lái)可以帶來(lái)巨大的收益。
大多數(shù)煉油廠都隸屬于大公司，這些公司擁有豐富的企業(yè)資源和預(yù)算。煉油廠通常儀表齊全，維護(hù)良好，并且主要在自動(dòng)控制模式下運(yùn)行。其過(guò)程也適用于APC應(yīng)用，因?yàn)樗苋菀讘?yīng)用于穩(wěn)態(tài)連續(xù)操作。
煉油廠是此類運(yùn)營(yíng)的代表，通常可以連續(xù)運(yùn)行一年或更長(zhǎng)時(shí)間。大多數(shù)煉油廠都采用類似的工藝過(guò)程，并且這些工藝得到了很好的研究和理解。例如，通過(guò)一家煉油廠開(kāi)發(fā)的應(yīng)用所獲得的知識(shí)（無(wú)論是通過(guò)第三方還是人員流動(dòng)）通常可以應(yīng)用于其他煉油廠。
在其它行業(yè)中，很多與上述情況相反，許多公司沒(méi)有煉油廠那樣的規(guī)模經(jīng)濟(jì)。他們傾向于運(yùn)營(yíng)精益組織，沒(méi)有員工嘗試新事物或維護(hù)利基軟件包。APC應(yīng)用雖不是火箭等高精尖的科學(xué)，但它們確實(shí)需要知識(shí)、技能和時(shí)間來(lái)部署和維護(hù)。因此，在很多行業(yè)APC一直難以獲得廣泛應(yīng)用。
一些行業(yè)仍然使用許多手動(dòng)儀表或較差的儀器。如果控制系統(tǒng)不能在自動(dòng)模式下可靠地運(yùn)行他們的過(guò)程，那么 APC 控制的級(jí)聯(lián)層將幾乎沒(méi)有好處。最后，并非所有工藝都非常適合 APC。
在具有線性關(guān)系的穩(wěn)態(tài)過(guò)程中，APC的效果最佳。盡管APC解決方案在處理非線性過(guò)程方面已經(jīng)做得更好，但它們?cè)谂炕虬脒B續(xù)過(guò)程中的應(yīng)用仍然有限。
許多制造商還使用特殊過(guò)程制造特殊產(chǎn)品。在這些獨(dú)特的過(guò)程中，每個(gè)都需要額外的調(diào)查和實(shí)驗(yàn)工作以開(kāi)發(fā)高質(zhì)量的APC模型。
03 APC如何使過(guò)程設(shè)施受益？
盡管存在這些障礙，APC 可能仍然是過(guò)程設(shè)施的正確選擇。考慮到成本壓力、競(jìng)爭(zhēng)需求和軟件包的實(shí)施，APC具有降低成本和提高效率等的多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。
然而，有一些事情不會(huì)改變。如果DCS/PLC中的基本過(guò)程控制不穩(wěn)定或不可靠，APC將永遠(yuǎn)不會(huì)成功。無(wú)論公司是否選擇使用APC，出于財(cái)務(wù)和安全方面的原因，都需要將過(guò)程置于穩(wěn)定的DCS/PLC控制之下。這應(yīng)該是當(dāng)今運(yùn)營(yíng)現(xiàn)代化、安全和高效工廠的最低標(biāo)準(zhǔn)。高效運(yùn)行的第一步，是安裝或修復(fù)必要的儀表和閥門(mén)，然后專注于改進(jìn)DCS/PLC控制。
接下來(lái)，讓我們看看過(guò)程類型。批處理通常不適合APC應(yīng)用，但這不是一個(gè)嚴(yán)格的規(guī)則。詢問(wèn)有關(guān)過(guò)程的問(wèn)題，例如：
· 循環(huán)周期長(zhǎng)嗎？
· 批處理過(guò)程中的穩(wěn)態(tài)期，是否需要進(jìn)一步優(yōu)化？
· 是否有輔助操作可以支持在穩(wěn)態(tài)下的連續(xù)運(yùn)行，如批處理過(guò)程外的蒸餾塔？
如果符合應(yīng)用條件，下一步就是查看營(yíng)業(yè)利潤(rùn)率。由于原材料或能源使用欠佳，或轉(zhuǎn)化率低和質(zhì)量問(wèn)題，浪費(fèi)了多少潛在利潤(rùn)？基于這些節(jié)省，在一年或更短的時(shí)間內(nèi)，公司可以在APC應(yīng)用上花費(fèi)多少錢(qián)？?jī)?nèi)置于 DCS 軟件包中的 MPC/APC 功能可為某些用戶帶來(lái)重大效益。盡管這些軟件包有其局限性，但它們可以很好地驗(yàn)證概念，并充分利用現(xiàn)有控制系統(tǒng)工程師的技能。
為了APC的初始部署和持續(xù)維護(hù)更順暢，過(guò)程制造企業(yè)應(yīng)勇于尋求外部專業(yè)團(tuán)隊(duì)的幫助。第三方公司通常可以幫助部署系統(tǒng)，并比自行部署能更快地帶來(lái)收入。有些公司甚至在應(yīng)急費(fèi)用安排方面取得了成功，在這種安排下，前期成本可以最小化，從而獲得運(yùn)營(yíng)節(jié)省的份額。有鑒于此，現(xiàn)在也許正是借鑒煉化行業(yè)的成功經(jīng)驗(yàn)，采用APC的好時(shí)機(jī)。
關(guān)鍵概念：
■ 了解先進(jìn)過(guò)程控制（APC）的好處。
■ 探索可能妨礙制造企業(yè)部署APC的因素。
■ 盡管APC在煉化行業(yè)取得了成功，但在缺乏規(guī)模經(jīng)濟(jì)的行業(yè)中，更廣泛的應(yīng)用仍面臨障礙。
思考一下：
在您的工廠，應(yīng)用APC能帶來(lái)哪些收益？