APC已经在炼油、石化、化工、建材、冶金、热电等流程工业得到运用，有效地帮助企业提升了生产效率、产品质量和资源利用效率。本文将先容流程工业的APC技能及运用，并盘点国内外紧张的APC厂商。
作者：e-works研究院 张洋
前辈过程掌握（Advanced Process Control，APC）是一类差异于常规PID掌握的掌握策略的统称，紧张用来处理常规掌握效果不好，乃至无法掌握的繁芜工业过程掌握问题。APC已经在炼油、石化、化工、建材、冶金、热电等流程工业得到运用，有效地帮助企业提升了生产效率、产品质量和资源利用效率。
本文将先容流程工业的APC技能及运用，并盘点国内外紧张的APC厂商。
在此特殊感谢中控技能创始人褚健、中控技能过程掌握与优化领域专家金晓明两位老师对本文的辅导和建议。
01
APC技能简述
1.工业过程掌握发展概述
掌握的历史可追溯年夜公元前1500年，当时的计时器-水钟已经蕴含了早期的掌握思想。时至今日，掌握在日常生活中无处不在，家用电器、交通工具、运载火箭、载人飞船都是被掌握的工具，运用了掌握理论和干系技能。工业过程掌握是掌握理论在工业生产中的运用，例如对温度、压力、流量、物位、身分等过程量的丈量和掌握。
工业过程掌握紧张经历了大略掌握、繁芜掌握和前辈掌握的阶段。常日将单回路掌握称为大略掌握，它以经典掌握理论为根本，常日采取PID（Proportional-Integral-Derivative，即比例-积分-微分）掌握策略。目前，PID掌握仍旧得到广泛运用，在许多DCS、PLC系统中，均设有PID掌握模块或算法软件。
如何理解PID掌握？以掌握水槽水位为例，比例环节会根据水位和目标水位的偏差大小来调度进水阀门，偏差越大，调度幅度越强；积分环节则考虑偏差的累积，如果水位持续低于设定值，积分浸染会使阀门逐渐开大，反之则关小，以肃清稳态偏差；微分环节则依据偏差的变革趋势，提前做出调度，减少颠簸和超调。
常日的大略掌握紧张针对单变量工具，之后陆续涌现串级、比值、前馈、均匀、分程、选择性、Smith预估掌握等繁芜掌握系统，不仅实现了对付单变量掌握的一些分外、严苛的掌握性能哀求，例如减小超调或减少调节韶光，而且在很大程度上为实现繁芜生产过程多个回路的协作和多个变量的折衷掌握供应有力支撑。
以管式加热炉的掌握为例，在单回路掌握系统中，燃料压力或燃料热值变革影响炉膛温度变革，进而将热传导给质料，再根据质料出口温度调度燃料阀门。而在串级掌握系统中，通过加测炉膛温度变革，在发生扰动时先通过T2T、T2C回路提前掌握（粗调），再通过T1T、T1C回路实现精调，一定程度地增强了系统的抗滋扰性，使其能够更快地从扰动中规复至稳定的运行状态。
图1 单回路掌握系统与串级掌握系统举例 （来源：王再英等《过程掌握系统与仪表》）
然而，在工业生产过程中，仍有一部分上述掌握系统难以办理的掌握问题，例如具有大时滞、强耦合、多约束等繁芜特性的工具。这些问题每每存在于生产过程的核心环节，直接关系到产品质量、产率等关键指标。
与此同时，随着工业不断发展，尤其是流程工业走向大型化、集成化、连续化、繁芜化，对生产过程掌握的哀求日益提高，增加了更多经济效益、安全管控、绿色节能等指标哀求，而传统的根本掌握技能难以知足需求，急迫须要一类得当的、更前辈的掌握策略和技能来办理过程掌握与效益指标的抵牾。因此，前辈过程掌握应运而生并不断发展。
图2 从常规PID掌握到前辈过程掌握
2.APC及关键技能
前辈过程掌握APC是相对付常规掌握而言的，能处理常规掌握所不能处理的问题的技能，都可称为前辈过程掌握。作为掌握方法的统称，前辈过程掌握席卷了许多不同的掌握技能。
表1 传统掌握技能与前辈过程掌握技能
比较常规PID掌握，前辈过程掌握在处理大时滞、多变量、多约束掌握问题，实现平稳掌握与卡边操作，提升掌握系统适应性和鲁棒性等方面具有上风。
表2 传统PID掌握与前辈过程掌握比较
目前，模型预测掌握（Model Predictive Control，MPC）运用最为广泛的前辈掌握策略。模型预测掌握是一种基于过程动态模型的掌握策略，通过预测模型预估被控变量未来的变革趋势，并以被控变量确当前实测值与上一时候对当前时候的预测值之间的偏差，改动对未来时候的预测，进而提前做出掌握决策，优化当前时候的掌握输入。模型预测掌握通过模型预测、反馈校正和滚动优化三大核心步骤，使模型失落配、外部滋扰等引起的不愿定性及时得到战胜，从而大大改进掌握系统的动态性能。
模型预测掌握犹如汽车的智能驾驶系统，这个别系不仅知道车辆当前位置，还理解前方的路况、交通规则，能够预测未来可能碰着的情形。基于这些预测，系统为驾驶员方案出一条最优的行驶路线，并辅导车辆何时加速、何时减速、何时转弯，以安全、高效地到达目的地。
图3 模型预测掌握基本事理示意
前辈过程掌握运用的根本是生产过程的大量实时数据、过程动态数学模型以及前辈掌握策略。相应地，APC产品一样平常包括多变量预测掌握、软丈量、性能评估、建模设计等紧张模块和功能。例如，中控的InPlant APC产品包含多变量预测掌握APC-Adcon、智能软丈量APC-Sensor、性能监控和性能优化APC-Watch、前辈掌握平台APC-iSYS等。以MPC为核心的APC系统架构可参考下图。
图4 APC软件架构示意
APC系统的硬件架构可参考下图。APC系统通过前辈掌握软件与DCS上的常规掌握器集成，对装置工艺参数全面调节，实现生产过程中多个掌握目标。APC并不直接掌握仪表和设备，APC与DCS之间常日通过OPC进行通讯，在一定情形下APC和DCS常规掌握可以实现相互切换，确保设备安全稳定运行。
图5 APC网络架构案例
虽然APC可以帮助企业提高生产装置平稳性，实现卡边操作，但是APC须要设定好被控变量的目标值以及事情范围。而借助实时优化（Real Time Optimization，RTO）技能，通过工艺机理模型和全流程仿照，可以为APC供应被控变量的优化目标值和操纵变量的空想静态值等参数，使装置在不同负荷和不同生产方案下，都能保持在优化运行状态。因此，“APC+RTO”这一组合在过程掌握领域常常被提及。
例如，在乙烯裂解过程中，APC卖力监控和掌握裂解炉的炉管出口温度COT、精馏塔灵敏板温度等关键变量，确保操作的稳定性和产品的同等性。同时，RTO剖析质料质量、质料本钱、设备性能等数据，实时调度操作策略，以最大化烯烃收率和整体效益为目标，给出COT温度、灵敏板温度等的优化目标值等。
“RTO+APC”相结合的范例流程行业分层过程掌握构造图如图6所示。
RTO层：根据上层给出的物料价格、生产工艺等参数来周期性地优化出一个目标函数，将其打算出的变量优化值作为APC中关键变量的设定值。APC层：通过APC实现过程掌握的最优调节，同时完成紧急情形相应和诊断等事情。常规掌握层：通过DCS/PLC等自动掌握系统实现工业装置的数据获取、缺点检测、常规掌握和性能监控。图6 APC和RTO在不同空间尺度的优化和优化周期
3.APC发展方向
前辈过程掌握APC是一类基于数学模型的高等掌握策略和技能，涉及运行数据的采集剖析，工业运行模型的辨识和建立，以及掌握策略和算法的优化。从技能层面来看，APC与人工智能、工业大数据等新一代信息技能领悟发展趋势日益显著，新技能的引入也为APC技能发展供应了新的思路和方法。
例如，AI可以用于识别系统的繁芜行为，赞助创造生产过程中隐蔽的模式和关联，用于设计和优化掌握器；强化学习可以运用于掌握系统的参数寻优，提升智能掌握算法的性能。
借助工业大数据技能，可以得到丰富的历史数据和实时数据，利用数据剖析赞助知识挖掘，帮助APC更加准确地描述系统的动态特性和约束条件，从而设计出更有效的掌握器。
02
APC运用现状
1.APC运用概述
国外在上世纪70年代末、80年代初就开始流程工业前辈过程掌握技能的商品化软件开拓，并在上千家大型炼油、石化、化工、冶金等企业中运用。在石化行业，美国、西欧、日本等发达国家超过半数以上的生产装置履行了前辈过程掌握技能，美国超过90%的重点装置（例如常减压蒸馏、催化裂化、延迟焦化、加氢裂化等）遍及了前辈过程掌握。
海内较晚开展APC项目的运用和履行。国外前辈掌握软件于1992年在齐鲁石化的催化裂化妆置上首次成功投运。随后在90年代中期，国外前辈掌握软件公司开始进入中国，快速盘踞市场。2000年初，仅中石化就先后履行了近百套APC，但紧张以艾斯本（AspenTech）、霍尼韦尔（Honeywell）的软件产品为主，用度高。
虽然海内的高校、研究机构和企业从上世纪80年代开始研究前辈过程掌握理论和技能，并在90年代将预测掌握、模糊掌握等前辈掌握技能运用于一些繁芜工业生产过程，但是在商业化产品的开拓与运用方面与国外存在较大差距。从90年代中后期开始，中控技能公司、浙江大学等结合多年理论和技能积累，开展干系工程化产品的研究和开拓，并与国外公司互助，快速借鉴和接管国际上的前辈技能，逐步形成了一批商品化软件，并在炼油、石化、制药等多个大型企业的关键设备中得到实践运用。
目前，APC已经成功运用于海内多个流程行业，覆盖炼油、石化、化工、质料药、冶金和热电等多个行业的几十种范例流程化生产装置。
炼油行业：常减压装置、催化裂化妆置、连续重整装置、加氢裂化妆置、加氢精制装置、延迟焦化妆置、气体分馏装置。石化行业：乙烯装置、芳烃联合装置、芳烃抽提装置、烷基苯装置、分子筛脱蜡、苯乙烯装置、PTA装置、聚丙烯装置、聚乙烯装置。化工行业：纯碱装置、氯碱装置、合成氨装置、氟化工装置、电石炉装置、有机硅装置、多晶硅装置、甲醇装置、硫酸/磷酸装置。其它行业：锅炉、空分装置、硬质合金反应过程、煤气稠浊过程等。2.APC运用案例前辈掌握系统的运用可以改进过程动态掌握的性能、减少过程变量的颠簸幅度，使之能更靠近其优化目标值而将生产装置推向更靠近其约束边界条件下运行，终极达到增强装置运行的稳定性和安全性、担保产品质量的均匀性、提高目标产品收率、增加装置处理量、降落运行本钱、减少环境污染等目的。
例如，在石化行业，中国石油化工株式会社镇海炼化分公司研发裂解炉裂解深度掌握与实时优化软件（APC+RTO），RTO根据质料质量、裂解炉运行周期、价格体系等变革自动打算优化值，APC自动实行调度，在装置总投料负荷不变的情形下，年节约7190余吨标准煤；中国石油天然气株式会社独山子石化分公司开拓乙烯装置APC前辈掌握和RTO实时优化系统，裂解深度调度更加及时准确，乙烯、丙烯收率分别提高0.2%和0.1%。
在煤化工行业，神化包头煤化工公司在聚乙烯和聚丙烯装置上引进APC系统，运用于反应器自动掌握、循环气组分掌握、产品性能打算和产率掌握等主要生产单元，大幅提高了工艺生产掌握的自动化程度，并实现聚合反应转化率、产品质量、产率的提升。
在冶金行业，鞍钢鲅鱼圈分公司在三座转炉中运用转炉自动化炼钢过程掌握系统，实现氧枪过程掌握自动化、下料自动化、副枪自动化、冶炼终点抬枪自动化的“一键式”炼钢，实现转炉冶炼初始条件精密感知，实现冶炼过程掌握稳定，碳温双中命中率达到 90.4%，稳定掌握并最大限度降落钢液终点氧，提高初始钢液质量。
在热电行业，浙江巨化热电有限公司对其 #8机组锅炉掌握进行优化。APC改造投运后，风机自动调节，锅炉风机电耗低落，同时锅炉主蒸汽压力、温度更加平稳，颠簸幅度减小明显，提高了锅炉的安全、经济运行水平，锅炉效率提高0.3个百分点。
在水泥行业，陕西某水泥熟料生产线窑通过履行APC系统，明显降落操作职员的劳动强度和误操作可能，肃清操作职员水平的差异，保持操作的同等性，降落烧成工序关键被控变量的标准差40%～70%，有效提高系统的稳定性，并降落熟料工序标准煤耗2.22%和熟料工序电耗1.55%。
3.APC运用寻衅
比较传统PID掌握，前辈过程掌握确实具有明显上风，值得被推广和运用。但是，同样须要关注的一个问题是APC的运用难度不小。
首先，在范例的ERP/MES/PCS 三层构造中，APC与DCS/PLC一起被划分为PCS层，视为生产掌握层面的系统，与DCS/PLC等底层掌握系统会进行紧密的集成和协同。其次，APC还涉及到工艺事理、机理建模等多个方面，须要深入理解工业过程的物理和化学事理，以及各种操作变量之间的关系，对职员的专业知识和实践履历哀求非常高。而且，APC的有效运行高度依赖于模型，但工业过程每每具有大量不愿定性、非线性、多变量耦合、大滞后等特色，建立精确可靠的动态模型十分困难。此外，受环境变革、设备性能退化等成分影响，掌握器模型的性能会发生变革，模型参数须要不断改动和完善。综合以上成分来看，APC的运用、掩护面临较大的寻衅。
03
主流APC厂商巡礼
1.国际厂商
根据e-works不完备统计，比较有名的供应流程工业干系APC产品和技能的国际厂商有12家，分别来自于美国、德国、日本、瑞士、英国、丹麦，大部分是仪表与自动化掌握领域厂商。除了独立的厂商之外，如埃克森美孚、壳牌等大型企业也建立了自己的前辈过程掌握项目履行军队及前辈过程掌握系统掩护团队。
收购和吞并是国际工业自动化厂商扩展和转型的一个主要手段。APC领域同样发生了多次收购。例如：
1995年底，霍尼韦尔收购Profimatics，霍尼韦尔供应RMPC算法与Profimatics PCT掌握器合并，推出RMPCT产品。1996年初，艾斯本收购Setpoint（旗下有IDCOM-M、SMCA）和美国DMC公司（旗下有DMC），随后于1998年收购加拿大Treiber Controls公司（旗下有OPC），艾斯本将SMCA和DMC技能被合并，推出了DMCplus产品。2021年，艾默生收购艾斯本55%的股权。2014年，施耐德电气并购英维思（旗下有SimSci-Esscor），后者曾收购美国Foxboro公司（旗下有Connoisseur）。2017年施耐德电气收购AVEVA剑维软件约60%股权，2023年1月施耐德电气完成对AVEVA剑维软件100%的并购控股。2016年，罗克韦尔自动化收购MAVERICK Technologies。表3 国际APC厂商
（e-works整理，按厂商名称英文首字母排序）
2.海内厂商
我国的工业自动化领域发展起步较晚。在上世纪90年代之后，清华大学、浙江大学、上海交通大学、东北大学等高校逐渐开拓出功能强大的前辈掌握软件。这个中先后发展了中控技能、清云智通等厂商，另有一批厂商起源于中石油、中石化的子公司，以及国外厂商在海内的互助伙伴。但整体上看，比较于MES、DCS、PLC领域，海内APC市场参与者数量偏少。根据e-works不完备统计，海内有21家供应流程工业干系APC产品和解决方案的厂商。
表4 海内流程工业APC厂商
（e-works整理，按厂商名称拼音首字母排序）
中控技能是海内最早推出APC产品且处于领先地位的APC厂商，截止2022年，其InPlant APC 已在石化、化工、电力和冶金等行业的生产装置上运用超过 1000 套。和隆优化是海内流程工业“APC+RTO”掌握技能专业做事商，紧张为冶金、热电、化工、水泥行业供应办理方案和做事，在冶金工业窑炉及热电锅炉智能优化掌握市场霸占上风。石化盈科与艾斯本、霍尼韦尔以及中控技能互助，为中石化APC/RTO装置供应运维事情，公司也有自主知识产权的通用前辈掌握软件PROCET-APC，在常减压、催化裂化、重整等装置得到成功运用；昆仑数智是中石油的子公司，紧张为石油化工行业供应前辈掌握与优化运用。和利时HOLLiAS APC运用于化工精馏塔、热电锅炉、水泥等行业。
04
总结与展望
当前，我国制造业在发展过程中须要进一步办理能耗偏高、资源花费量大、产品附加值较低、环境污染较严重等问题。而APC的目标和浸染是优化过程掌握系统的稳定性、准确性等性能，提高产品质量和生产效率，降落能耗和本钱，在推动企业实现制造过程的高效化、绿色化方面，其赋能浸染显著。
放眼未来，针对未来的工业制造，有专家学者提出“智能自主掌握系统”、“类似自动驾驶的过程自动化”的设想。可以期待，未来工业过程掌握系统将变得更加智能化，能够应对更加繁芜多变的过程掌握寻衅，并通过领悟人工智能等新兴技能，它们将具备更加强大的自主学习能力，实现更高水平的智能化决策和运行。
解释：文中厂商的盘点由e-works基于公开信息所得，若有遗漏，欢迎与e-works联系补充（zy@e-works.net.cn），感激。
[1] 王再英等.过程掌握系统与仪表[M]. 北京：机器工业出版社.
[2] 浙江中控软件技能有限公司.国产前辈掌握软件的开拓、运用与前景展望.自动化博览, 2012,29(12):34-37.
[3] 化工装置实时优化系统值不值得？
https://mp.weixin.qq.com/s/lpjEsE7Ncxe3XhuvNhzIIQ
[4] 金晓明,褚健.前辈掌握技能及其运用[J].天下仪表与自动化, 2001(9):10-15.
[5] 赵恒平.中国石化前辈过程掌握运用现状[J].化工进展, 2015, 34(4):930-934.
[6] 黄德先.化工过程前辈掌握的发展过程、海内分外问题的办理和展望［J］.化工自动化及仪表, 2023, 50(5):597-610.
[7] 前辈掌握技能在流程工业中的运用.
https://mp.weixin.qq.com/s/5L2u1Tr2IOYELRWZ83KTlA
[8] 工信部:《2022年重点用能行业能效“领跑者”企业范例履历与实践案例（乙烯行业）》.
[9] 郭永增,李亦方.APC在煤化工聚烯烃装置中的运用[J].能源与节能, 2015(11):153-155.
[10] 李立勋,田勇,史页殊,等.冶金工艺前辈过程掌握系统定义高品质钢材生产[C].第十一届中国钢铁年会论文集——S18.冶金自动化与智能管控.2017.
[11] 祝路平,毛双华,林国辉.APC先控在浙江巨化热电有限公司#8机组的利用[J].自动化博览, 2019(7):88-94.
[12] 徐立东,杨宏兴,郭军锋,等.AVEVA APC系统在水泥窑烧成系统中的运用[J].化工自动化及仪表, 2022,49(5):638-643;668.
[13] 柴天佑,刘强,丁进良,等.工业互联网驱动的流程工业智能优化制造新模式研究展望. 中国科学:技能科学, 2022,52:14-25.
[14] 金晓明.过程自动化系统的发展现状与展望［J］.化工自动化及仪表, 2024,51(1):1-9.
