Systemy Advanced Process Control w rafinerii Grupy Lotos

Elementem tego programu jest wdrożenie zaawansowanych systemów kontroli, które sterują procesami produkcyjnymi w różnych instalacjach rafinerii. Jednym z dostawców takich rozwiązań, który od wielu lat współpracuje z Grupą Lotos, jest firma Honeywell. W artykule przedstawiamy złożony i wieloletni proces wdrażania przez nią w różnych częściach zakładu systemów APC (Advanced Process Control), opisujemy przebieg tworzenia aplikacji i osiągane korzyści, a także przedstawiamy zagadnienia dotyczące instalacji technologicznych znajdujących się w gdańskiej rafinerii.

CZĘŚĆ I: WPROWADZENIE DO APC

Czasy, kiedy operator ręcznie sterował zaworami w zakładach produkcyjnych, dawno odeszły w niepamięć. Obecnie sterowanie ręczne występuje jeszcze tylko w wyjątkowych wypadkach lub ewentualnie w systemach blokadowych mających wpływ na bezpieczeństwo danej instalacji. Pierwsze systemy regulacji automatycznej bazowały na regulatorach pneumatycznych PID (Proportional Integration Derivative).

Rys.1 Poziomy możliwych rozwiązań sterowania procesami rafineryjno-petrochemicznymi

Następnie regulatory pneumatyczne zostały zastąpione elektronicznymi regulatorami PID, analogowymi i cyfrowymi. Obecnie kontrolę nad całymi grupami regulatorów na instalacji produkcyjnej zapewniają systemy sterowania DCS (Distributed Control System).

Właśnie dzięki wykorzystaniu DCS, powszechnie nazywanych rozproszonymi systemami sterowania, pierwsze próby zoptymalizowania kontroli procesów zachodzących w wybranych węzłach technologicznych w przemyśle rafineryjnym były możliwe i zakończyły się sukcesem. W systemach DCS tworzono logiki obsługujące kaskady regulatorów PID.

Programowano je tak, aby działały w sposób optymalny realizując sekwencje zadań. W DCS tworzono także algorytmy wyliczające optymalne wartości sterujące regulatorami PID, ale dopiero pojawienie się na rynku rozwiązań APC (Advanced Process Control) pozwoliło w pełni wykorzystać algorytmy optymalizacyjne oraz funkcjonalność systemów DCS nie tylko na poziomie jednego procesu, ale też wielu procesów jednocześnie. Poziomy możliwych rozwiązań sterowania procesami rafineryjno-petrochemicznymi firmy Honeywell przedstawiono na rysunku 1.

Dlaczego APC?

Jednoczesna możliwość optymalizacji wielu procesów technologicznych czyni rozwiązania APC bardzo atrakcyjnymi dla przemysłu rafineryjno-petrochemicznego, gdzie poszczególne procesy na różnych instalacjach są ściśle ze sobą powiązane i uzależnione jeden od drugiego. Warto w tym miejscu wspomnieć o rozwiązaniach optymalizacyjnych na poziomie planowania i ustalania harmonogramu produkcji APS (Advanced Planning and Scheduling), które służą do odpowiedniego rozdziału mocy przerobowych instalacji na poszczególne produkty w zależności od sytuacji rynkowej. Tak więc APC znajduje optymalne rozwiązanie na poziomie technologicznym (prowadzenie procesów), natomiast rozwiązania APS rozwiązują zagadnienia optymalizacji na poziomie wyższym - biznesowym, co przedstawia rysunek 1.

W przypadku instalacji z wieloma sprzężonymi ze sobą zależnościami procesowymi (coupling), klasyczne jednowymiarowe regulatory PID są często niewystarczające do zapewnienia poprawnego sterowania procesem. Dla tych przypadków (systemy MIMO - Multi Input Multi Output) stosuje się obecnie w algorytmach APC sterowanie z wykorzystaniem wielowymiarowych regulatorów. Firma Honeywell oferuje całą rodzinę rozwiązań z serii Profit Suite, wykorzystujących wymienioną powyżej technologię. Koncepcja tego typu rozwiązań została opracowana na początku lat 70 ubiegłego wieku.

Rozwiązanie układu macierzowego regulatora plus modelu wielowymiarowego jest znajdowane w czasie rzeczywistym z wykorzystaniem iteracji minimalizującej uchyb regulatora (least square error), wraz z predykcją trajektorii zmiennej sterowanej bazującej na otrzymanym modelu. Model obiektu otrzymywany jest w sposób empiryczny podczas tzw. step testów na pracującym obiekcie.

Step testy polegają na serii zaplanowanych i uzgodnionych z kierownictwem wymuszeń (zmian w wartościach sterujących procesem na tyle dużych, aby odbijały się w przebiegach zmiennych przewidzianych do kontroli i jednocześnie na tyle małych, aby nie zakłócały planów produkcyjnych). Znając zależności pomiędzy zadawanymi wymuszeniami i odpowiedziami instalacji oraz korzystając ze specjalistycznych narzędzi inżynierskich otrzymuje się model obiektu z reguły w postaci wielowymiarowej macierzy transmitancji.

Rys.2 Jedna z tabel Profit Controllera służąca do jego konfiguracji

Dodatkowym atutem rozwiązania APC jest możliwość jego optymalizacji w zależności od funkcji celu stawianej przed algorytmem sterowania. Najpopularniejszymi rozwiązaniami regulatorów wielowymiarowych z możliwością optymalizacji są regulatory wykorzystujące równania Riccati'ego, np. LQR (Linear Quadratic Regulator) czy LQG (Linear- Quadratic-Gaussian).

Bazując na powyższych rozwiązaniach, firma Honeywell opracowała własny podobny algorytm regulacji połączonej z optymalizacją sterowania. Przeprowadzając optymalizację w module Profit Controller, definiuje się odpowiednie współczynniki optymalizacyjne dla poszczególnych zmiennych. Dzięki temu regulator potrafi maksymalizować lub minimalizować ich wartości.

Wagi dla optymalizacji określane są za pomocą założeń przygotowywanych przez dział planowania produkcji zakładu (mogą to być to być np. ceny danych produktów i surowców, ropy, benzyn, diesla, rafinatu, pary, gazu oleju opałowego itp.). Ewentualnie definiuje je technolog lub inżynier procesowy.

Dodatkowo Profit Controller ma wbudowane algorytmy pozwalające na unikanie "gwałtownych" odpowiedzi wielowymiarowego regulatora dzięki dekompozycji SVT (Singular Value Technique), natomiast dzięki algorytmowi RCA (Range Control Algorithm ) kontroler działa optymalnie z możliwością jego strojenia w zależności od aktualnej jakości regulacji. Algorytm RCA zapewnia również utrzymanie minimalnych "oszczędnych" zmian w wartościach wyliczanych wartości zadanych dla regulatorów podrzędnych PID (minimum move solution).

Wszystkie wymienione powyżej funkcje oraz wiele innych narzędzi dostępnych w produkcie APC firmy Honeywell są stabelaryzowane i przedstawione w oprogramowaniu regulatora w bardzo przejrzysty sposób, co ułatwia jego konfigurację. Każda za zmiennych procesowych zdefiniowanych w kontrolerze ma przypisane konkretne własności, do których inżynier opiekujący się aplikacją ma bezpośredni dostęp. W związku z łatwością programowania wymienionych wyżej regulatorów ich algorytmy i pochodne są bardzo popularne również w rozwiązaniach APC dla innych gałęzi przemysłu chemicznego.

Rys.3 Struktura APC z użyciem Profit Controller

W rozwiązaniach APC regulator utrzymuje przebiegi zmiennych regulowanych (tzw. zmienne kontrolowane CV) w odpowiednich reżimach, natomiast korzystając z algorytmów optymalizacyjnych wylicza optymalne wartości zadane (SP) dla regulatorów PID już istniejących w DCS (tzw. zmienne manipulowane MV).

Dodatkowo, projektując regulator definiuje się zmienne zakłócające (DV) na które regulator APC nie ma wpływu (np. temperatura otoczenia, kaloryczność gazu/oleju opałowego, rodzaj i ilość wsadu), ale algorytm APC może uwzględnić ich wartości w rozwiązaniu zagadnienia optymalnego sterowania. Algorytm działania modułu Profit Controller przedstawia rysunek 3. Podstawowe dane o pracy APC są zwykle dostępne na konsoli operatorskiej.

Rys.4 Hardware APC w strukturze DCS

Dane szczegółowe oraz możliwości strojenia APC dostępne są na oddzielnym komputerze lub oddzielnej konsoli z ograniczonym dostępem operatorskim. Taka stacja inżynierska APC może służyć obsłudze technicznej oraz technologom w celu wprowadzania nowych modeli procesu, współczynników optymalizacyjnych itp.

Typowa struktura rozwiązania przedstawiona jest na rysunku 4. Aplikacja APC pracująca na oddzielnej maszynie pozwala na stosunkowo szybkie realizowanie algorytmu. Co więcej, pozwala na bezpieczne prace serwisowe, podczas których po odłączeniu komputera APC operator może bezpiecznie prowadzić proces "klasycznie", wprowadzając ręcznie wartości SP do regulatorów PID w DCS.

Cechy APC

Obecnie dostępne na rynku rozwiązania APC stosowane w przemyśle rafineryjno-petrochemicznym i, szerzej, w przemyśle chemicznym, bazują na nowoczesnych technologiach cyfrowych, a ich podstawowymi składowymi funkcjonalnymi są:

Rozwiązania z rodziny produktów Profit Suite firmy Honeywell spełniają wszystkie powyższe funkcje. Grupa Lotos S.A. zastosowała je na kilku swoich instalacjach w Rafinerii Gdańskiej jako narzędzia wspomagające do optymalizacji procesów.