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HAPC优化控制系统在合成氨装置上的应用随着科学技术的飞速发展，世界各国对工业生产提出了不同的战略，比如德国的工业4.0，中国的两化融合、《中国制造2025》[1]，这些战略促使工业各个领域进行重大变化。促使流程工业朝着大型化、高集成度和高效化等方向发展，要求实现减少能源消耗，提高生产质量。

案例背景介绍

1、 引言

随着科学技术的飞速发展，世界各国对工业生产提出了不同的战略，比如德国的工业4.0，中国的两化融合、《中国制造2025》[1]，这些战略促使工业各个领域进行重大变化。促使流程工业朝着大型化、高集成度和高效化等方向发展，要求实现减少能源消耗，提高生产质量。这就导致了生产单元、装置乃至流程中所涉及的系统、过程控制对象，更加复杂、强耦合和更多约束条件，更多的目标优化，而且不断提高对工业生产过程的安全、高效、优质、低耗等方面的要求，以追求着更大的经济效益和社会效益，对控制技术水平与性能的要求也越来越高。因此，以单回路PID控制和串级控制策略为代表的常规控制策略已面临着多方面的挑战，必须采用新的控制策略与技术来适应复杂工业过程多目标优化、多层次协调和多变量控制等要求。需要先进过程控制APC（Advanced Process Control）和实时优化RTO（Real-TimeOptimization），通过动态优化来解决复杂控制的难题，同时，提供更加优化的稳态运行设定值、优化运行工况，实现工厂的利润最大化和成本最小化，已经成为自动化领域一个重要的研究课题和新的发展方向。

在优化控制软件开发上，国外先进控制软件出现于20世纪70年代末，经过几十年的发展，已经形成了一个强大的流程工业应用软件产业。目前，国外先进控制软件的主流供应商及其产品包括：AspenTech公司的DMCplus和Apollo（非线性预测控制软件）、Invensys公司的Connoisseur、Rockwell公司的ProcessPerfecter（非线性预测控制软件）、Honeywell公司的Profit系列产品以及Yokogawa公司代理的Shell SMOC产品等。

国内先进控制软件的研发起步晚，始于20世纪90年代中期，在国家科技攻关项目的支持下，清华大学、浙江大学、上海交通大学、石油大学（北京）、中国科技大学、北京化工大学等高校的科研团队分别针对炼油、石化和化工等行业的具体生产装置研发了专用先进控制软件并取得了成功应用[4]。国内的许多自动化企业也研究和开发了一系列的优化控制软件包，经过20多年的飞速发展，已迎头赶上，与国外的先进控制软件差距越来越小，甚至一些团队开发的先进控制软件的性能已经达到世界先进水平。例如，和利时集团开发的HOLLiAS-APC Suit软件包[7]已成功应用于化工，电力、水泥等行业，为客户提高了装置运行效率，减少了能源消耗，提高了产品品质。

在化工领域，氨是重要的无机化工产品之一，它可以应用于军事、农业等很多领域，尤其是现代农业领域，氨是生产尿素等化肥的主要原料，因此氨的工业生产，也是决定一个国家经济发展的一个重要因素。合成氨工艺装置是一种典型的化工装置，具有复杂过程工业所具备的一切特点[2]。而且在实际生产中，许多采用单纯的PID控制回路无法实现对被控对象良好的控制，这是导致能源及原料消耗大、氨的纯度低等现象的重要原因。而接下来，将介绍和利时开发的HOLLiAS-APC Suit优化控制软件包用于合成氨部分重点控制回路的优化方案。

2、 合成氨工艺说明

这里的合成氨工艺装置[3]是国内某厂的实际生产工艺流程，主要原料是天然气，然后通过压缩、脱硫、一段转化、二段转化、高低温变换、脱碳、甲烷化、压缩、合成等工序，得到氨，其主要流程如图1所示。

合成氨的纯度受反应炉温度、合成气比例、催化剂等因素的影响。在其他因素稳定的条件下，保持反应炉温度在一定范围内（430℃~450℃），可获得满意的氨纯度。开工加热炉（R1801）的温度受氨气、氮气混合气体温度、合成氨反应程度的影响。开始反应时，需要提高加热炉的床入温度，以促进反应的进行。氨合成是放热反应，随着反应的进行，需要降低床入温度以保持加热炉温度在合理区间。进入开工加热炉的氨氮混合气体分为三个支路：两路顶部进气和一路底部进气。顶部的床入温度调节阀（TV_1814）通过压缩机的作用调节合成气体的温度， 阀门开度越小，进入开工加热炉的合成气温度越高。底部进口合成气手动调节阀（HV_1802）开度越大，进入开工加热炉的合成气温度越高。顶部进口合成气手动调节阀（HV_1803）开度越小，进入开工加热炉的合成气温度越高。其装置图如图2所示。

案例实施与应用情况

3、 和利时HOLLiAS-APCSuit优化控制软件介绍

和利时（HollySys）始创于1993年，是中国领先的自动化与信息技术解决方案提供商。经过这20多年的发展，在自动化领域积累了深厚的技术基础与丰富的现场经验。而随着国家工业控制软件国产化战略的提出，和利时公司开发了一系列适合于过程自动化等领域的工业控制产品软件，并拥有实现产业化的丰富经验，提高了公司业务在国内市场占有率，而且已将业务拓展至国外，公司产值在逐渐增加。和利时基于现场丰富的项目经验以及实际需求，增加和利时工控软件的附加值及服务，以及打破国外产品的垄断，替代进口，开发了具有自主产权的优化控制系统软件包HOLLiAS-APC Suit。图3所示是和利时优化控制软件包中HAPC软件的运行架构。