摘要：很少有行业如此商品化，以至于竞争对手经常会销售彼此的产品。然而，在炼油行业，这几乎是常态。当地的BP公司石油站可能会出售附近炼油厂生产的汽油，反之亦然。在这样的市场中，您要利用一切可以利用的工具来增加利润，而先进过程控制（APC）是炼油公司几十年来一直依赖的工

图片来源：Hargrove Controls & Automation

作者：Heath Stephens

尽管先进过程控制（APC）技术在炼化行业中很常见，但在其它很多行业尚未广泛采用。学习如何优化APC系统有助于企业最大限度地提高投资回报率。

很少有行业如此商品化，以至于竞争对手经常会销售彼此的产品。然而，在炼油行业，这几乎是常态。当地的BP公司石油站可能会出售附近炼油厂生产的汽油，反之亦然。在这样的市场中，您要利用一切可以利用的工具来增加利润，而先进过程控制（APC）是炼油公司几十年来一直依赖的工具。其他行业的许多公司也可以使用APC来提高他们的效率和利润。

APC是一种多变量控制算法，工程师也可能听到相关术语模型预测控制（MPC）。这些系统使用矩阵数学和线性代数来建立变量之间的统计关系，同时建立许多变量之间的因果关系。APC是一个控制层，它位于分布式控制系统（DCS）和可编程逻辑控制器（PLC）系统所用的传统单回路比例-积分-微分（PID）控制算法之上。

炼油行业正在迅速发展。政府和当地社区对水、空运和管道运输许可证的审查越来越严格。随着电动汽车（EV）销量的增加，机构投资者正在质疑他们在传统石油公司的长期持有。尽管关于电动汽车的实用性以及任何过渡时间表可能是什么样子仍有很多争论，但毫无疑问，这个行业正在发生变化。

甚至在这些不利因素发生之前，炼油厂就已经面对类似的市场，在这个市场上，他们几乎无法控制原料价格的波动（石油是一种全球定价的商品），以及公众和政治方面对价格上涨的抵制。

由于炼油厂处理规模很大，因此他们的设备资本投资成本都很高。只要能找到的任何从现有设备中获得更多产量的技术，都可以节省数千万美元或数亿美元。

通常有三个因素可以增加装置的总产量：增加产量、提高质量/转化率和增加正常运行时间。APC可以通过限值过程可变性以及将控制设定值点转移到更理想的限值来提升前两个因素。它还可以通过诸如将过程控制在可能导致结垢、设备过度磨损或其它导致意外停机或维护增加等问题的区域之外，来增加机组正常运行时间，从而改善第三个因素。

01 APC在制造业中的作用

凭借这些优势，从20世纪70年代开始炼油厂首次引入APC。20世纪90年代，APC在整个炼油行业得到了广泛应用。其它行业也注意到了这一点，大宗化工产品生产商开始使用APC，但APC从未像在炼油行业那样在其它行业得到广泛应用。现在，APC已经存在近四十年了，远远早于通常被归入工业4.0框架的大多数其它“先进”技术，但与这些技术一样，仍未获得完全采用。

这些系统历来是独立的软件，通过外部数据连接将级联设定值发送到DCS/PLC系统中的PID回路。一些较新的DCS平台内置了APC/MPC功能，但它仍然比可用的独立系统受到更多限制。

APC系统从“大局”着眼，监测诸多过程变量来观察过程动态，并确定要操纵哪些变量以改进过程控制。然后，APC系统将过程转移到一系列更具成本效益的运行工况。目标是使过程更接近运行极限，从而节省资金。

02 适合APC应用的行业特性

那么，既然APC具有如此突出的优势，成本效益如此明显，为什么并不是每个企业都使用APC呢？首先，让我们看看为何APC可以成功地部署于炼油行业中。炼油厂通常具有规模经济效益。它们的规模和产量确保其有经济驱动力去尝试新事物，而小的改进累加起来可以带来巨大的收益。

大多数炼油厂都隶属于大公司，这些公司拥有丰富的企业资源和预算。炼油厂通常仪表齐全，维护良好，并且主要在自动控制模式下运行。其过程也适用于APC应用，因为它很容易应用于稳态连续操作。

炼油厂是此类运营的代表，通常可以连续运行一年或更长时间。大多数炼油厂都采用类似的工艺过程，并且这些工艺得到了很好的研究和理解。例如，通过一家炼油厂开发的应用所获得的知识（无论是通过第三方还是人员流动）通常可以应用于其他炼油厂。

在其它行业中，很多与上述情况相反，许多公司没有炼油厂那样的规模经济。他们倾向于运营精益组织，没有员工尝试新事物或维护利基软件包。APC应用虽不是火箭等高精尖的科学，但它们确实需要知识、技能和时间来部署和维护。因此，在很多行业APC一直难以获得广泛应用。

一些行业仍然使用许多手动仪表或较差的仪器。如果控制系统不能在自动模式下可靠地运行他们的过程，那么 APC 控制的级联层将几乎没有好处。最后，并非所有工艺都非常适合 APC。

在具有线性关系的稳态过程中，APC的效果最佳。尽管APC解决方案在处理非线性过程方面已经做得更好，但它们在批量或半连续过程中的应用仍然有限。

许多制造商还使用特殊过程制造特殊产品。在这些独特的过程中，每个都需要额外的调查和实验工作以开发高质量的APC模型。

03 APC如何使过程设施受益？

尽管存在这些障碍，APC 可能仍然是过程设施的正确选择。考虑到成本压力、竞争需求和软件包的实施，APC具有降低成本和提高效率等的多项优势。

然而，有一些事情不会改变。如果DCS/PLC中的基本过程控制不稳定或不可靠，APC将永远不会成功。无论公司是否选择使用APC，出于财务和安全方面的原因，都需要将过程置于稳定的DCS/PLC控制之下。这应该是当今运营现代化、安全和高效工厂的最低标准。高效运行的第一步，是安装或修复必要的仪表和阀门，然后专注于改进DCS/PLC控制。

接下来，让我们看看过程类型。批处理通常不适合APC应用，但这不是一个严格的规则。询问有关过程的问题，例如：

· 循环周期长吗？

· 批处理过程中的稳态期，是否需要进一步优化？

· 是否有辅助操作可以支持在稳态下的连续运行，如批处理过程外的蒸馏塔？

如果符合应用条件，下一步就是查看营业利润率。由于原材料或能源使用欠佳，或转化率低和质量问题，浪费了多少潜在利润？基于这些节省，在一年或更短的时间内，公司可以在APC应用上花费多少钱？内置于 DCS 软件包中的 MPC/APC 功能可为某些用户带来重大效益。尽管这些软件包有其局限性，但它们可以很好地验证概念，并充分利用现有控制系统工程师的技能。

为了APC的初始部署和持续维护更顺畅，过程制造企业应勇于寻求外部专业团队的帮助。第三方公司通常可以帮助部署系统，并比自行部署能更快地带来收入。有些公司甚至在应急费用安排方面取得了成功，在这种安排下，前期成本可以最小化，从而获得运营节省的份额。有鉴于此，现在也许正是借鉴炼化行业的成功经验，采用APC的好时机。

关键概念：

■ 了解先进过程控制（APC）的好处。

■ 探索可能妨碍制造企业部署APC的因素。

■ 尽管APC在炼化行业取得了成功，但在缺乏规模经济的行业中，更广泛的应用仍面临障碍。

来源：控制工程中文版