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2021 OEM
控制系统

罗克韦尔自动化助力氯碱企业打造智能工厂新标杆

  2021年12月10日  

  盐为百味首,食盐不但是人们生活中不可或缺的调味品,其主要成分氯化钠,也是氯碱工业的重要原料。氯碱工业是最基本的化学工业之一,其生产的烧碱、液氯、氢气等产品广泛应用于轻工、纺织、冶金、石化以及公用事业等领域,在全球经济发展中具有举足轻重的地位。中国氯碱工业始于上世纪20年代末,历经90余年的发展,烧碱和PVC两大主产品规模稳居世界首位。

  随着产业规模的不断扩大,氯碱行业日益走向大型化、集成化、连续化和复杂化,对过程控制的品质也提出了更高的要求,控制的目标已不再局限于对某一个变量、或几个变量的平稳操作,而是越来越多地加入了以经济效益为代表的其他控制要求,传统的以单变量为基础的控制技术已无法满足这些需求。控制与经济效益的矛盾日趋尖锐,迫切需要一类合适的先进控制策略赋能企业实现高质量发展。

  某化学集团股份有限公司是一家全球化运营的化工新材料公司,集团旗下控股氯碱公司拥有年产52万吨离子膜烧碱装置,主要产品包括烧碱、液氯、盐酸、氢气、次氯酸钠等。该集团始终坚持创新和绿色发展,引领行业发展方向,积极推动企业的数字化和智能化转型,目标将旗下氯碱公司建设成为国内氯碱行业的标杆企业。

  为了克服目前DCS存在的“高能低用”的运行状态,氯碱公司决定引入先进控制技术(APC)和优化控制来提高效益。“公司自2018年成立智能工厂项目组以来,将APC先进控制的开发与应用作为智能工厂项目组的一个重要组成部分。”企业智能工厂项目组组长表示,“我们希望通过先进控制让装置始终保持在稳定、高效、低能耗的最优运行状态,为打造长周期稳定运转的精益工厂奠定基础。”

挑战

  氯碱公司APC项目于2018年启动,分多个阶段实施,目标通过APC先进控制平台保障装置的稳定高效运行,提高产品质量,实现节能降耗;同时,通过操作的标准化,减少人为操作的误差,降低操作人员的工作负荷。

  第一阶段项目包括盐酸合成炉、液氯汽化和烧碱蒸发装置,以控制产品质量为主要目标,提高产品的六西格玛控制水平,并通过卡边控制等措施,提高装置的经济效益。该阶段APC项目对合成炉的快速变负荷和产品浓度的稳定性要求较高,需要APC在合成炉负荷的快速变化中实现对进料量的精准控制,从而保证产品浓度严格控制在所定的范围内。

  第二阶段项目以电解装置的节能降耗和自动负荷调整为目标。针对氯碱公司大量的运行数据,结合APC软件的数据分析功能,通过大数据分析结合电解装置运行机理和设计参数,找到装置降耗的控制方案,保持装置始终运行在最优状态。不同于一般的APC以控制关键工艺参数波动为主,第二阶段项目以降低电解装置的能耗为主要目标,因此需要大量的数据分析研究来找到降低能耗的控制方案,并将这些优化控制方案内嵌到APC控制器中实现实时优化,对于APC系统的数据分析能力提出了更高的要求。

解决方案

  APC先进控制的开发与应用是氯碱公司智能工厂战略规划的重要一环。该氯碱企业选择与罗克韦尔自动化携手,共迎挑战。

  该化学集团与罗克韦尔自动化在先进控制领域的合作由来已久,自2014年至今,罗克韦尔自动化的Pavilion8先进控制系统在该集团一直得到广泛的应用,包括了净化工段、分离工段、苯胺精馏和甲醇精制、硫回收、氨合成和硝酸吸收等工艺段。

  罗克韦尔自动化Pavilion8在先进过程控制、数学建模和软件开发方面实力雄厚,公司一直致力于神经元网络非线性软仪表的开发,为石化行业各类产品质量指标提供实时预测,在此基础上于1995年成功开发出商用非线性多变量控制器,应用于流程工业的先进过程控制,拥有超过156项技术专利。

  化工装置的生产过程具有典型的非线性,即不同的工况或操作条件,其输入输出变量之间的关系是变化的。简单的线性过程控制技术已不足以解决复杂的化工和聚合反应的控制问题,唯有非线性技术才能够满足当今的控制要求。Pavilion的非线性模型包含稳态和动态的非线性,在开发机理和经验混合非线性模型的技术上占据主导地位,在全球石化领域有众多的应用案例。

  在氯碱公司APC项目中,罗克韦尔自动化的项目团队经过充分的客户现场调研,针对目标装置提出了定制化的APC先进控制整体解决方案。方案以Pavilion8软件平台为载体,提供了数据采集、数据分析、离线建模、在线控制和在线监控等功能。客户可以根据工艺流程的特点,方便地开发处适用于现场装置的控制器,并可将装置的各种优化运行方案和经验内嵌到APC系统中,同时结合Pavilion8软件强大的数据可视化界面对装置的运行优化状态进行监控和维护。Pavilion8软件安装在独立的APC服务器上,与客户的底层控制系统DCS通过OPC服务器实现数据连接。在DCS系统内添加APC控制的投用切除程序,以保证APC控制器控制与装置操作人员控制的平稳交接。

  在项目实施阶段,罗克韦尔自动化的工程师与客户的工程人员首先针对目标装置的运行数据进行分析,了解装置的运行历史,从而形成初步的优化控制方案。随后根据客户的生产运行情况进行建模测试,建立模型及控制器,经客户技术人员对模型的审核后,控制器投入在线调试,在调试过程中充分考虑了装置实际运行中的各种控制需求,最终完成了预定的控制目标。

效果

  2019年,在罗克韦尔自动化与氯碱公司团队历经7个月的通力协作下,盐酸合成炉、液氯汽化和烧碱蒸发三套装置的APC先进控制系统成功投入使用,并达成了预定目标。在Pavilion8的控制下,产品浓"度波动下降30%以上,质量控制稳定,实现卡边操作,同时Pavilion8可自动调整装置负荷,实现合成炉和烧碱蒸发器的自动控制,基本实"现无人操作,为装置的“安、稳、长、满、优”运行保驾护航。

  该氯碱公司对Pavilion8的运行效果非常满意,企业生产管理部工程师表示:“我们与罗克韦尔自动化合作利用Pavilion8软件实施的合成盐酸、烧碱蒸发等装置的先进控制项目成效显著。目前双方正在合作实施国内首套电解装置APC项目,我们期望将总管碱浓度波动控制在0.05%以内,并且可以根据电流密度、槽温、槽压、电流效率等参数,实现组合的自动优化分配,我们相信在双方的紧密合作及Pavilion8软件的帮助下,一定可以实现甚至超出预期,达成目标。”

  目前,该企业的工程人员在罗克韦尔自动化工程人员的培训和支持下,可以在Pavilion8系统平台上独立完成从数据分析到控制器调试的整个实施过程,以及对现有先进控制系统的维护和改造。Pavilion8作为助力企业提质增效的智能引擎,有效减少了关键工艺控制参数的波动,实现了装置的安全平稳运行,极大地降低了人为操作失误和"操作不及时带来的生产波动损失。工程人员可在APC控制器中实现能耗与操作变量的直接控制,从而将能耗始终控制在最优状态。同时,有效提高了产品质量控制的六西格玛水平,显著降低了由于产品质量波动大所带来的质量事故甚至产品损失。目前在APC的控制下,企业可以对产品质量指标参数的运行区间进行精准控制,满足下游客户的不同需求。

  罗克韦尔自动化Pavilion8系统的稳定性和服务的积极性也获得了客户的认可,企业智能工厂项目组组长对本次合作给予了高度的评价:“我们和罗克韦尔自动化共同实施的烧碱蒸发和液氯汽化装置Pavilion8APC项目实现了我们的预期目标。项目的成功离不开罗克韦尔自动化先进的产品和专业的团"队。未来,我们将在其他装置中进一步开展合作。”

  智能工厂建设是一个持续精进的过程。面对可期的未来,罗克韦尔自动化愿继续携手该化学集团,做智能制造的先行者,引领行业发展方向,为企业营造更安全、更环保、更节能、更高效的生产运营环境,提升企业的全球竞争力,助力石油化工行业迈向智能制造之路。

  氯碱行业作为化学工业最基本的应用领域,随着产业规模加大,传统技术已无法满足高质量发展需求。该企业决定与罗克韦尔自动化合作,通过阶段性开发与控制实现初步优化方案,在不断调试中解决各种需求。罗克韦尔自动化Pavilion8系统的稳定性与服务的积极性获得了客户极大的认可,未来也将继续携手共建更环保节能的生产运营环境。

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