过程建模与优化控制技术在清洁生产中的应用

李 平
（浙江大学工业控制技术研究所, 杭州, 310027）

　　摘 要：环境污染是当今世界备受关注的严重问题之一，污染防治已成为几乎所有行业，特别是工业界所需解决的紧迫课题，清洁生产策略是解决这一难题的有效手段。流程工业的生产过程中普遍存在复杂的化学、物理、生化等反应，产生的大量三废物质是造成工业污染的主要源头。本文首先提出了实施清洁生产策略的两个层次概念，即通过产品全生命周期工艺改造方法和生产过程控制与优化方法。然后针对流程工业的特点及其对清洁生产的要求，提出了在流程工业实施面向清洁生产策略的过程建模、控制与优化技术应用方法。最后以给环境造成严重污染压力的制浆造纸工业的硫酸盐制浆过程为例，介绍了在流程工业综合自动化系统中实现清洁生产策略的技术路线与方法。通过一个实际应用的黑液蒸发计算机控制系统和一个采用实际操作数据进行数字仿真的连续蒸煮操作优化例子表明，应用过程建模、优化控制等综合自动化技术，可以在不影响产品质量和企业经济效益的前提下，获得很好的环境与社会效益。
　　关键词：清洁生产策略 流程工业 过程建模 控制与优化技术

1 引言

　　1.1 清洁生产的概念
　　工业化的发展，一方面推动经济的发展、满足人类对物质生活不断增长的需求，从而推动着社会的发展；另一方面，也消耗着地球上大量的自然资源，并在制造人类所需产品的同时不断产生各种污染和有害物质，成为地球环境最大的污染来源。这是人类经过漫长的工业化发展道路面临日益严重的环境污染之害后逐步形成的共识。
　　较长时期以来，我国工业界（特别是流程工业）走的是以高投入、高消耗、高污染换取较高经济增长的粗放型发展道路。这种发展模式一方面导致资源和能源利用不合理，另一方面给环境带来严重污染，而环境和资源所承受的压力反过来又对经济发展产生了严重的制约作用。因此，污染防治已成为我国工业可持续发展的当务之急。
　　随着科学技术的发展，对工业防治污染研究和实践的不断深入，工业防治污染方法已逐步从过去单纯进行污染物排出后减量化、无害化处理的末端治理方式，发展到在产品的整个生命周期，包括产品及生产工艺的设计、产品的生产制造过程和产品的销售、服务及使用等各个阶段，以及从原料、生产工艺、产品性能等各个方面全方位考虑减少污染物产生、改善环境性能、降低成本的“清洁生产”策略。该策略将综合预防污染、考虑环境保护的策略持续地应用于生产以及产品售后的服务、使用等各个阶段，实施的目的是在产品的整个生命周期内全方位地减少污染物产生、改善环境性能、降低成本。据国内外推行清洁生产的实践报告，在投入少量资金的条件下，短期内即可减少原材料5%～10%，污染物排放减少10%～50%，经济效益明显提高，并腾出了环境容量满足进一步发展的需要^[1]。因此实施清洁生产是经济持续增长的必由之路。
　　在各个工业门类中，以化工、炼油、石化、造纸、冶金等为代表的流程工业是污染最为严重的，在这些工业行业实施清洁生产策略对减少工业对环境的污染尤为重要。

　　1.2 清洁生产策略的层次分析
　　清洁生产策略在工业生产中的实施可以分为两个层次。
　　第一个层次，是产品整个生命周期的清洁化，即从产品的设计、生产工艺（包括工艺原理、设备、原料等）的选择到对生产中产生的副产品和废料的处理以至对产品的使用和回收都考虑采取减少对环境污染的措施。这一层次的清洁生产策略涉及到具体的工艺过程，较难总结出适合于一般工业过程的通用技术与方法，主要应在各行业工艺专家指导下进行。此外，这一层次的清洁生产策略一般要改变已有的生产工艺和设备或者原料，往往耗资巨大，但一旦实施则效果显著。
　　第二个层次，是在产品的生产全过程实施清洁生产策略，即在所确定的工业生产过程中，通过运用测量、建模、实时监控、优化操作、生产调度、经营管理等综合自动化技术，利用在流程工业中已经普遍存在的过程控制系统（如DCS）和计算机网络，在生产过程的各个环节实施清洁生产策略，在不降低企业经济效益的前提下，不增加大量投资进行工艺和设备改造，尽量使生产过程中产生的污染物或给后续工段造成的污染处理负荷尽可能地少，达到清洁生产的目的。这个层次的任务一般是在管理与控制专家的指导下进行，得到的清洁生产策略适合于大多数流程工业过程，便于实施与推广，且投资较少，是第一层次实现清洁生产的补充和完善。从观上看，这两个层次的关系应该是相辅相成、缺一不可的。
　　目前大多数有关流程工业清洁生产策略的研究与应用均侧重于第一层次，如改变化学反应条件，选择更清洁的原料和能源，改进工艺机理等。除了少数专用的污染处理控制系统外，属于第二个层次的研究与应用还未受到广泛重视，例如在各种自动化系统与管理系统中自觉地将清洁生产策略作为研究或应用的对象等，有关这方面研究的文献还不多见。从理论上来说，清洁生产与其说是一种策略，还不如说是一种理念和思想。实施清洁生产，与传统的先生产、后治理的方法全然不同，它强调的是在生产全过程的各个环节加以规划、控制与管理，使物料和能源消耗最少，使产出的废物/污染物减量化、资源化和无害化，同时能够从中产生经济效益。
　　基于上述清洁生产策略的层次分析，本文立足于第二个层次介绍利用过程建模与优化控制技术实现清洁生产的方法。其基本内涵是通过对工业生产过程中污染物产生的模型描述，建立考虑减少污染量的综合优化指标，对生产过程施以实时监视, 以先进的优化控制手段，使工业过程始终处于产生污染物最少的最佳操作状态。下面分别从建模、控制、优化几个方面加以阐述。

2 过程建模技术在清洁生产中的应用

　　针对清洁生产的要求，过程建模技术主要有以下两方面的应用。

　　2.1 污染指标参数的软测量技术
　　环境污染指标的检测是生产过程监控和污染防治的基础。要有效地监控生产过程中污染物的产生，需要大量价格低、性能可靠的自动检测仪表。目前虽然几乎所有的环境污染指标都可以通过化验手段检测，国外也有一些能够连续测量污染指标的自动化仪表，但实验室化验无法满足对污染指标实时监控的要求，进口仪表价格又十分昂贵，多数工业企业难以承受，而国内能够用于连续自动检测的技术和仪表还十分缺乏，尤其是在恶劣的自然条件下能够长期运行并保持测量精度的自动化仪表更为少见。
　　解决这一问题主要有两条途径。一是新型环保测量仪表的开发研制，包括测量原理、敏感元件和高性能信号变送装置。目前较为现实的产业化道路是采用国外较为成熟的测量原理，引进或仿制关键的敏感元件，自行开发高性能信号变送装置，从而生产出性能好、价格低的国产自动化仪表。国内已有一些厂家引进了国外技术生产污染指标测量仪表，但由于各种原因，质量往往不过关，如烟道气二氧化硫检测仪等，较好的解决方法是组织力量对其进行攻关研究，解决其中的技术关键。另一种方法是采用软测量技术。这是一条很有发展前途的途径，目前有很多研究，但总的看来，研究的方法论多，解决实际问题少。软测量的实质是建立被测参数与其他可测参数之间关系的模型，然后根据可测参数计算出所需要的被测参数。因此，必须针对要测量的污染指标踏踏实实地研究其具有一定精度和可靠性的测量模型。
　　建立污染指标软测量模型的方法主要有两类：一类是根据物理或化学反应动力学理论，通过详尽地机理分析，找出污染因素与其他变量之间的关系，建立含有污染指标的机理模型；另一类是在大量生产数据的历史记录基础上，通过某种算法对数据进行回归处理，建立起含有污染指标的经验模型。前一种方法由于人们往往对复杂工业过程的机理不甚清晰，加上机理模型中的系数常常不易获得，因而在实际中单独应用较少；后一种方法相当于是一种黑箱建模方法，它直接源自于生产数据的历史累积，不需要另外测试，对生产过程也无任何影响，因此仍是常常采用的方法，但由于其是针对特定工艺条件回归，具有较大的局限性。更有效的方法是，对特定的过程深入研究其过程机理，在经验模型的基础上，结合机理与实验进行模型的修正。

　　2.2 与生产过程技术指标、经济指标关联的污染指标模型
　　一般的控制系统是以被控变量的稳定或产品质量的达标为目的，而与此不太相同的是，在本文提出的策略中，清洁生产的目的是应该在保证原有产品质量指标不变的条件下，针对车间或工段的污染物优化指标作局部的最小量化，将优化的结果用于确定过程控制级各相关控制变量的最佳设定值。而要达到这个目标，必须要建立与生产过程技术指标、经济指标关联的、含有污染物变量的数学模型，给出合适的使污染物最小量化的优化目标函数，然后可以选择某种优化的算法求解，最后通过计算机控制系统实施。这种模型是以往人们常常忽视的，而且也往往更为困难，因为模型的形式更具有多样性，不仅有机理模型、辨识模型等数值模型，而且可能会有语言模型、规则模型等智能模型。近年来，对以人工神经元网络(Artificial Neural Network, ANN)为代表的智能过程建模及其控制系统的研究成为一大热点。这是因为ANN具有很强的学习能力或者说是自适应能力；其本身是非线性的，可以通过学习达到以所要求的非线性形状来模拟对象模型，并且适合多输入多输出系统。因此用它来建立复杂工业过程中含有污染量指标的模型值得研究与尝试，特别是将ANN建模和机理建模结合起来，发挥它们的各自优势，建立机理与ANN的混合模型，以达到比经典参数估计方法柔性更好，而比黑箱式ANN建模更易推广的目的。

3 过程控制技术在清洁生产中的应用

　　3.1 清洁生产策略需要性能更好的过程控制系统加以保证
　　从上面的简述可以看出，基于过程建模、控制与优化的清洁生产策略的实现一般是以不改变生产工艺作为前提的，它只是在工艺允许的条件下改变操作变量，以达到使污染物产生最小量化的目的。对于已有的过程控制系统而言，它首先必须完成保证生产正常进行、产品质量达标的任务，其次才是兼顾清洁生产策略的实现。由于清洁生产策略的特殊性，可能存在模型更为复杂、优化性能指标计算繁琐等原因，清洁生产策略对过程控制系统的性能提出了更高的要求，以保证在工艺允许的条件下清洁生产策略的实施，最大程度地减少污染物的产生，达到清洁生产的目的。在这样的系统中，清洁生产的优化指标可以和考虑整个企业全局运行最优的目标函数，诸如能源消耗、生产率及其它因素的优化经济指标等一起考虑，理想的结果是既获得环境效益，又获得经济效益，而不应忽视其中一项。

　　3.2 过程控制系统面向清洁生产事半功倍
　　目前，自动控制系统以及计算机网络系统已成为现代化工业生产过程中不可缺少的部分。DCS等先进的自动控制系统在相应的模型、控制和优化软件支持下能够保证生产过程的安全平稳、优质高产。但除少数专用的污染处理过程控制系统外，一般不将污染量作为控制目标，这实际上是资源的一种严重浪费。从污染物产生的源头看，目前的许多工业污染物产生在生产过程的中间环节（例如因必需的化学和/或物理过程中产生的废物等），当还没有或不可能找到完全杜绝污染产生的清洁生产工艺方式时，如果能够利用自动控制领域中日趋成熟的建模、控制以及优化技术，在生产过程的各个环节通过已有的过程控制系统（如DCS系统）和计算机网络来进行考虑减少污染的综合优化控制，就可以在不增加大量投资进行工艺和设备改造的情况下大大减少污染的产生，达到清洁生产的目的。这是一种投资省、见效快的实施清洁生产策略方法，是第一层次实现清洁生产的补充和完善。这样做一方面将充分发挥自动化系统的潜在功能，另一方面则把清洁生产的概念引入一个更广泛的应用空间，达到事半功倍的目的。

4 过程优化与综合自动化技术在清洁生产中的应用

　　4.1 面向生产装置的生产过程操作优化技术
　　清洁生产的概念需要落实到生产过程的每一个环节，优化与控制也必须考虑到每一个环节。由于复杂的流程工业生产过程中普遍存在化学、物理、生化反应，存在着相变以及物质与能量的转换与传递；生产往往处于伴随着高温、高压、低温、真空、易燃、易爆、有毒污染等环境中；产品质量对生产过程条件要求苛刻，所以必须对生产的全过程进行监督控制，因此面向清洁生产的优化与控制应该直接面对过程、建立在车间或工段一级的监督控制层与过程优化层，从生产装置一级就提出含有清洁生产策略的优化目标函数，并在该装置的基础过程控制系统中加以实施。具体地说，装置级的控制系统要根据上一层的调度指令实现生产过程优化操作、先进控制以及对故障的及时诊断与处理，使过程操作始终处于最佳工作点附近。在这一层实施清洁生产策略是希望在保障生产安全操作、产品质量产量不变、提高或保障同等经济效益的前提下，针对本工段的废物/污染物采取有效措施，使其产生的处理负荷量最小。

　　4.2 面向全流程或企业的综合自动化技术
　　随着市场经济的全球化，企业间的竞争也必然愈来愈剧烈，建立集监督控制、在线优化、生产调度、企业管理、经营决策等功能于一体的计算机集成制造系统CIMS（Computer Integrated Manufacturing Systems）或综合自动化系统，形成节能降耗、少投入多产出的高效生产模式，已逐步成为流程工业自动化发展的一个趋势。
　　随着对CIMS研究与应用的深入，也由于日益增长的环境压力，一些从事CIMS研究与应用的专家学者已开始致力于对清洁生产的研究，在CIMS环境中采用综合自动化技术实施清洁生产的重要性与前景逐渐展现在人们面前^[2-5]。而对于流程工业来说，推行清洁生产更是非常重要且势在必行。
　　建立流程CIMS的目的是将信息流、物料流、资金流以及人、技术、经营等要素有机地集成，使企业所有生产、经营等活动都围绕着获取尽可能大的经济效益目标优化运行。根据流程工业CIMS的体系结构，可以将流程CIMS划分为企业决策、经营管理、生产计划调度、过程优化及监督控制的递阶控制结构。由前面的清洁生产策略层次分析可以发现，在CIMS递阶结构中的每一级都可结合该级的功能和任务，在提高或不影响企业经济效益的前提下，基于各种先进的综合自动化技术，提出面向清洁生产的优化策略和实施技术方案，从而使清洁生产策略成为流程CIMS的一个有机组成部分，并与整个企业的生产经营活动、经济效益以及环境保护措施紧密相关。文^[6]详细地分析了流程工业的特点及其对清洁生产的迫切需求，然后提出了在流程工业CIMS中各个层次实施面向清洁生产的优化策略。

　　4.3 制浆造纸厂应用综合自动化技术实施清洁生产策略的例子
　　制浆造纸工业是造成环境污染最严重的行业之一，而制浆产生的污染又占整个行业污染负荷的80%以上。同时，制浆还是木材、化学品、水、电等原材料和能源的消耗大户，下面就以制浆工业过程为例说明采用自动化技术实施清洁生产带来的环境效益与经济效益。
　　4.3.1 蒸煮过程中面向清洁生产的优化策略
　　前道工序分离出来的废液(俗称黑液)是造成制浆过程污染的主要原因，其主要含量是碱(以氢氧化钠和硫化钠为主)。虽然后续的碱回收工艺可以对黑液进行处理，回收其中的碱重复利用。但一方面回收率不可能达到100%(况且许多企业没有碱回收装置)；另一方面减轻后续工段的负荷本身就是清洁生产的指标之一。因此本工段选择蒸煮过程的用碱量作为污染变量，建立含有污染控制变量的数学模型，在蒸煮过程中优化工艺操作参数，使成浆在满足质量指标的同时，尽可能地降低碱的用量，从而减少碱回收装置的负荷和碱的流失。
　　由于蒸煮机理复杂，难以建立其精确的机理模型。笔者针对实际的Kamyr连续蒸煮器, 由某厂实际操作数据回归得到包含污染控制变量模型中的各常数，在此基础上优化得到生产操作参数――初始碱用量Es和蒸煮温度T的最佳设定值。将优化结果与平常采用的操作参数相比，考虑清洁生产策略时的碱用量、回收装置的负荷和碱的流失最多可减少5.4%，最少可减少4.4%。若以该厂日产风干浆380吨、硫化度为27%～30%的Kamyr连续蒸煮器为例，并假设后续工段的碱回收率为90%，则通过优化操作，每天在回收过程中损失的碱可以减少0.68吨。在环境效益明显的情况下，同时还可获得年收益为42万元的经济效益^[7]。
　　4.3.2　蒸发过程中面向清洁生产的优化策略
　　另一个实际应用的例子来自于同一个企业蒸煮过程的后续工段--黑液蒸发过程。在制浆过程，经蒸煮、洗选之后的黑液含水量达80％以上。按目前普遍采用的黑液燃烧法进行碱回收，对于这样的稀黑液，必须首先通过蒸发工段去除其中的大部分水分，使稀黑液浓缩成为符合燃烧要求的浓黑液（含固形物50％左右）之后，才能送至后续的碱回收炉燃烧，从而回收黑液中的碱。
　　在黑液蒸发过程诸多的工艺参数中，出效的黑液浓度最为重要，若它低于某个值，送到后续燃烧炉后将可能由于黑液不能燃烧而导致燃烧炉熄火，影响整个回收过程的正常生产；但浓度也不能偏高，否则会带来其它问题，如粘度过大可能导致黑液无法正常流动等。
　　在这一工段，面向清洁生产的优化目标函数与生产过程控制系统的控制目标是一致的，因此，黑液蒸发过程计算机优化控制系统的设计目标便是尽可能地提高生产效率及控制精度，实现最佳工作点的"卡边"控制。按此思想设计的黑液浓度优化控制系统已投入实际运行多年。该系统明显地改善了蒸发过程工艺运行的稳定性，提高了生产效率，降低了能源消耗，增加了碱回收率，并大幅度地扩大了生产能力，延长了设备的使用周期，取得良好的经济效益、环境效益和社会效益^[8]。
　　4.3.3　碱回收炉面向清洁生产的优化操作
　　加拿大一家纸浆厂运用了先进的自动化技术对碱回收炉进行面向清洁生产的优化操作，不仅减少了约80%的残碱污染排放，而且提高设备的黑液处理能力11.5%，同时每年节省燃料和原料成本达42.5万美元^[9]。

5 实施清洁生产策略的困难、对策与基础

　　尽管将过程建模与优化控制技术应用于清洁生产具有广阔的前景，可以将对清洁生产的研究与应用拓宽到一个更广泛的空间，但在具体实施时，还会遇到相当多的困难。
　　首先，由于传统上在进行工业过程的工艺设计时，对主产品工艺考虑比较仔细，机理比较明确，而对副产品及废弃物工艺则往往不甚清楚，因此面向清洁生产的过程建模难度更大。
　　其次，由于复杂工业过程一般都有流程长、工艺复杂等特点，加之面向清洁生产的优化策略需要落实到生产及经营过程的每一个环节，因此面向清洁生产的优化策略所涉及的问题一般都具有较大的规模，更具复杂性。
　　再者，在一个企业中，面向清洁生产的优化策略在各个控制、优化、计划、调度等子系统中一般并非单独存在，而是与现有的以生产的安全、优质、高产为目标的各子系统并存，且有可能由于目标的不一致，两种系统之间存在矛盾与冲突，因此必须考虑多目标优化与多任务协调问题，同时其实时性也不容忽视。
　　对于上述问题，采用传统的方法往往难以解决，一种比较理想的解决方案是采用近年来正日益受到重视的以多智能体（Multi Agent）技术为代表的分布式智能系统进行描述。
　　由于所有实际系统在本质上都是分布式的，而基于Agent所特有的自治性、交互性、协作性以及可通讯性等特点，有可能将具有不同知识与能力的人及具有不同智能程度的系统放在统一的智能体的概念下来进行研究。通过各智能体（有可能是异构型的）间的通讯、合作、互解、冲突、协调、调度、管理及控制来表达具有清洁生产优化策略的实际结构、功能及行为特性。由于多智能体技术对复杂系统具有无可比拟的表达力，从而为实际CIMS中面向清洁生产的优化策略研究提供了一种统一的框架。初步的研究结果已证明了这点^[10]。
　　除了上述困难与对策外，必须要意识到的是，采用综合的自动化技术实现清洁生产策略的基础是先进的面向污染指标的检测技术和仪器仪表，而这一点正是目前国内普遍存在的薄弱环节，是仪器仪表行业需要努力的方向。

6 结论

　　随着科技的进步，工业现代化步伐加快，人类面临的环境压力日益加大。本文首先提出了实施清洁生产策略的两个层次概念，然后针对流程工业的特点及其对清洁生产的要求，提出了在流程工业实施面向清洁生产策略的过程建模、控制与优化技术应用方法。并以给环境造成严重污染压力的制浆造纸工业的硫酸盐制浆过程为例，介绍了在流程工业利用过程建模、优化控制等综合自动化技术实现清洁生产策略的技术路线与方法。通过例子表明了其可以带来很好的环境与社会效益，为减少环境的污染压力探索一条新的思路。

参考文献
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