羅克韋爾自動化助力氯堿企業實現提質增效和可持續發展

背景

鹽為百味首，食鹽不但是人們生活中不可或缺的調味品，其主要成分氯化鈉，也是氯堿工業的重要原料。氯堿工業是最基本的化學工業之一，其生產的燒堿、液氯、氫氣等產品廣泛應用于輕工、紡織、冶金、石化以及公用事業等領域，在全球經濟發展中具有舉足輕重的地位。中國氯堿工業始于上世紀20年代末，歷經90余年的發展，燒堿和PVC兩大主產品規模穩居世界首位。

隨著產業規模的不斷擴大，氯堿行業日益走向大型化、集成化、連續化和復雜化，對過程控制的品質也提出了更高的要求，控制的目標已不再局限于對某一個變量、或幾個變量的平穩操作，而是越來越多地加入了以經濟效益為代表的其他控制要求，傳統的以單變量為基礎的控制技術已無法滿足這些需求。控制與經濟效益的矛盾日趨尖銳，迫切需要一類合適的先進控制策略賦能企業實現高質量發展。

某化學集團股份有限公司是一家全球化運營的化工新材料公司，集團旗下控股氯堿公司擁有年產52萬噸離子膜燒堿裝置，主要產品包括燒堿、液氯、鹽酸、氫氣、次氯酸鈉等。該集團始終堅持創新和綠色發展，引領行業發展方向，積極推動企業的數字化和智能化轉型，目標將旗下氯堿公司建設成為國內氯堿行業的標桿企業。

為了克服目前DCS存在的“高能低用”的運行狀態，氯堿公司決定引入先進控制技術（APC）和優化控制來提高效益。“公司自2018年成立智能工廠項目組以來，將APC先進控制的開發與應用作為智能工廠項目組的一個重要組成部分。”企業智能工廠項目組組長表示，“我們希望通過先進控制讓裝置始終保持在穩定、高效、低能耗的最優運行狀態，為打造長周期穩定運轉的精益工廠奠定基礎。”

挑戰

氯堿公司APC項目于2018年啟動，分多個階段實施，目標通過APC先進控制平臺保障裝置的穩定高效運行，提高產品質量，實現節能降耗；同時，通過操作的標準化，減少人為操作的誤差，降低操作人員的工作負荷。

第一階段項目包括鹽酸合成爐、液氯汽化和燒堿蒸發裝置，以控制產品質量為主要目標，提高產品的六西格瑪控制水平，并通過卡邊控制等措施，提高裝置的經濟效益。該階段APC項目對合成爐的快速變負荷和產品濃度的穩定性要求較高，需要APC在合成爐負荷的快速變化中實現對進料量的精準控制，從而保證產品濃度嚴格控制在所定的范圍內。

第二階段項目以電解裝置的節能降耗和自動負荷調整為目標。針對氯堿公司大量的運行數據，結合APC軟件的數據分析功能，通過大數據分析結合電解裝置運行機理和設計參數，找到裝置降耗的控制方案，保持裝置始終運行在最優狀態。不同于一般的APC以控制關鍵工藝參數波動為主，第二階段項目以降低電解裝置的能耗為主要目標，因此需要大量的數據分析研究來找到降低能耗的控制方案，并將這些優化控制方案內嵌到APC控制器中實現實時優化，對于APC系統的數據分析能力提出了更高的要求。

解決方案

APC先進控制的開發與應用是氯堿公司智能工廠戰略規劃的重要一環。該氯堿企業選擇與羅克韋爾自動化攜手，共迎挑戰。

該化學集團與羅克韋爾自動化在先進控制領域的合作由來已久，自2014年至今，羅克韋爾自動化的Pavilion8先進控制系統在該集團一直得到廣泛的應用，包括了凈化工段、分離工段、苯胺精餾和甲醇精制、硫回收、氨合成和硝酸吸收等工藝段。

羅克韋爾自動化Pavilion8在先進過程控制、數學建模和軟件開發方面實力雄厚，公司一直致力于神經元網絡非線性軟儀表的開發，為石化行業各類產品質量指標提供實時預測，在此基礎上于1995年成功開發出商用非線性多變量控制器，應用于流程工業的先進過程控制，擁有超過156項技術專利。

化工裝置的生產過程具有典型的非線性，即不同的工況或操作條件，其輸入輸出變量之間的關系是變化的。簡單的線性過程控制技術已不足以解決復雜的化工和聚合反應的控制問題，唯有非線性技術才能夠滿足當今的控制要求。Pavilion的非線性模型包含穩態和動態的非線性，在開發機理和經驗混合非線性模型的技術上占據主導地位，在全球石化領域有眾多的應用案例。

在氯堿公司APC項目中，羅克韋爾自動化的項目團隊經過充分的客戶現場調研，針對目標裝置提出了定制化的APC先進控制整體解決方案。方案以Pavilion8軟件平臺為載體，提供了數據采集、數據分析、離線建模、在線控制和在線監控等功能。客戶可以根據工藝流程的特點，方便地開發處適用于現場裝置的控制器，并可將裝置的各種優化運行方案和經驗內嵌到APC系統中，同時結合Pavilion8軟件強大的數據可視化界面對裝置的運行優化狀態進行監控和維護。Pavilion8軟件安裝在獨立的APC服務器上，與客戶的底層控制系統DCS通過OPC服務器實現數據連接。在DCS系統內添加APC控制的投用切除程序，以保證APC控制器控制與裝置操作人員控制的平穩交接。

在項目實施階段，羅克韋爾自動化的工程師與客戶的工程人員首先針對目標裝置的運行數據進行分析，了解裝置的運行歷史，從而形成初步的優化控制方案。隨后根據客戶的生產運行情況進行建模測試，建立模型及控制器，經客戶技術人員對模型的審核后，控制器投入在線調試，在調試過程中充分考慮了裝置實際運行中的各種控制需求，最終完成了預定的控制目標。

效果

2019年，在羅克韋爾自動化與氯堿公司團隊歷經7個月的通力協作下，鹽酸合成爐、液氯汽化和燒堿蒸發三套裝置的APC先進控制系統成功投入使用，并達成了預定目標。在Pavilion8的控制下，產品濃"度波動下降30%以上，質量控制穩定，實現卡邊操作，同時Pavilion8可自動調整裝置負荷，實現合成爐和燒堿蒸發器的自動控制，基本實"現無人操作，為裝置的“安、穩、長、滿、優”運行保駕護航。

該氯堿公司對Pavilion8的運行效果非常滿意，企業生產管理部工程師表示：“我們與羅克韋爾自動化合作利用Pavilion8軟件實施的合成鹽酸、燒堿蒸發等裝置的先進控制項目成效顯著。目前雙方正在合作實施國內首套電解裝置APC項目，我們期望將總管堿濃度波動控制在0.05%以內，并且可以根據電流密度、槽溫、槽壓、電流效率等參數，實現組合的自動優化分配，我們相信在雙方的緊密合作及Pavilion8軟件的幫助下，一定可以實現甚至超出預期，達成目標。”

"目前，該企業的工程人員在羅克韋爾自動化工程人員的培訓和支"持下，可以在Pavilion8系統平臺上獨立完成從數據分析到控制器調試的整個實施過程，以及對現有先進控制系統的維護和改造。Pavilion8作為助力企業提質增效的智能引擎，有效減少了關鍵工藝控制參數的波動，實現了裝置的安全平穩運行，極大地降低了人為操作失誤和"操作不及時帶來的生產波動損失。工程人員可在APC控制器中實現能耗與操作變量的直接控制，從而將能耗始終控制在最優狀態。同時，有效提高了產品質量控制的六西格瑪水平，顯著降低了由于產品質量波動大所帶來的質量事故甚至產品損失。目前在APC的控制下，企業可以對產品質量指標參數的運行區間進行精準控制，滿足下游客戶的不同需求。

羅克韋爾自動化Pavilion8系統的穩定性和服務的積極性也獲得了客戶的認可，企業智能工廠項目組組長對本次合作給予了高度的評價：“我們和羅克韋爾自動化共同實施的燒堿蒸發和液氯汽化裝置Pavilion8APC項目實現了我們的預期目標。項目的成功離不開羅克韋爾自動化先進的產品和專業的團"隊。未來，我們將在其他裝置中進一步開展合作。”

智能工廠建設是一個持續精進的過程。面對可期的未來，羅克韋爾自動化愿繼續攜手該化學集團，做智能制造的先行者，引領行業發展方向，為企業營造更安全、更環保、更節能、更高效的生產運營環境，提升企業的全球競爭力，助力石油化工行業邁向智能制造之路。