建置APC先進製程系統 協助工廠達成增產減碳目標

— 智能事業群 新鼎 AI應用開發部 經理 張文政
— 智能事業群 新鼎 智能服務部 經理 王躍樺
— 智能事業群 新鼎 AI應用開發部 工程師 洪浩嘉

以智能科技推動永續發展，已成為世界趨勢，尤其在科技的快速進步發展下，先進製程控制（Advanced Process Control, APC）在各產業的應用也愈加廣泛，其透過電腦的高速運算，處理大量數據，快速做出反應，可為生產過程中的多變數控制，建立穩健的基礎，顯著提高生產效率、節省成本，最大化利潤，並兼具節能減碳等效益。本文以石化產業為例，分享CTCI團隊如何以豐富的經驗，協助客戶於既有工廠中建置APC系統，提升營運效能，助力產業邁向更節能減碳的未來。

APC系統的建置與其優勢

Aspen DMC3™軟體，是由美國AspenTech公司開發的APC系統工具，能幫助企業實現並達成產量提升、產率增加、能耗減少、品質改善等目標。而APC系統的建置需循序漸進，透過專家的指導，經歷控制器設計、製程分析、現場討論、控制迴路調校、預測試、模型建置、階躍測試、及高階控制器上線等各階段，方能導入。

一、控制器設計
導入APC系統的目的，是為了提升操作效率。因此，透過控制器設計以確認效益目標，為首要前提。為了最大化APC系統的建置成效，效益目標的訂定，主要應考量盈利能力的提升，實際做法包含：提高產量、提升產品品質、降低能耗等。

二、製程分析
製程分析是至關重要的一步。APC系統的建置與導入人員需詳細了解生產流程，並分析P&ID圖（Piping and Instrumentation Diagram）及操作數據，以確定生產流程的關鍵控制點，找出影響生產的關鍵變因。

以CTCI團隊執行的輕油裂解廠為例，主要製程包括裂解反應、驟冷、產品分離純化等步驟，可歸納出溫度、壓力、流量等參數對產品的品質和產量有直接的影響。因此，製程分析階段需重點關注這些參數的變化規律，及其對生產的影響。

三、現場討論
取得製程分析的結果後，需與現場操作主管、製程工程師及工廠長討論，共同確定控制系統中的操作變數（MV）、控制變數（CV）、擾動變數（DV）及限制變數（LV）等，並深入了解具體操作情形。

四、控制迴路調校
控制迴路的調校（tuning）愈好，高階控制效果愈佳。為達成此目標，當現場儀錶及控制閥均處於正常狀態時，需將重要的控制迴路由手動調到自動控制狀態，以利高階控制系統對各控制迴路下達設定點。另外，也需對各控制迴路進行精細調校，以確保在自動控制狀態下的穩定性及響應速度。

五、預測試（Pre-test）
預測試是指通過小幅度一次調整一個控制迴路的設定點，記錄各製程測量值（CV）的變化或產品化驗數值，觀察此變化對其他變數的響應情況。此過程有助於了解各變數之間的相互影響及調整效果，為後續的模型建置提供數據支持。

六、模型建置
將預測試數據輸入到Aspen DMC3™軟體中建立模型，建立工廠在因應各擾動變數（DV）下，操作變數（MV）對應製程測量值（CV）的增益（Gain）。當模型建立後，製程能在承受一定程度的擾動時，由已建立的操作模型，自動對相關控制點下達設定點，從而維持製程的穩定性及產品的品質。

模型建置的過程中，需不斷調整及驗證模型，以確保其準確性及穩定性。此過程需要結合操作經驗及數據分析，反覆調整及優化。


七、I/O 介面準備與連線測試
APC控制器與現場分散式控制系統（distributed control system, DCS）的通訊是通過開放平台通訊（Open Platform Communications, OPC）協定進行資料讀寫交換。在此階段中，需透過軟硬體的妥善建置、維持數據通訊的穩定性，始能確保數據能夠正確地讀取和寫入，確保顯示數據的正確性。

八、階躍測試（Step Change Test）
階躍測試是指APC控制器切換至校驗模式（Calibration Mode）下，將高階控制主機正式與製程連接，並可輸出計算後的設定值到製程控制迴路，觀察其響應情況。這一過程與預測試類似，但範圍更廣，涉及更多的控制迴路及變數。

在階躍測試中，將由APC控制器對各項操作變數進行自動調校，以確保其在實際操作中的穩定性及響應速度。

九、高階控制器上線
最後一步，是連接高階控制器（主機）與控制系統（DCS/PLC）的輸入/輸出，並且啟動開關進行實際介入控制。此過程需結合實際操作情況及數據分析，對控制器的參數進行調整及優化，以達到最佳效果，步驟包括：控制器部署上線、確保系統穩定運行、選擇保守的上下限和調校參數、根據現場需求最後調整、保存模型和建立基準、完成操作人員培訓等。

總結

APC系統建置，為複雜且細緻的導入過程。過程中，需結合實際操作經驗及數據分析，對系統進行不斷調整及優化，以達到最佳控制效果。

通過APC系統的導入，可以使客戶的工廠顯著提高生產效率、降低能耗及減少操作變異，對石油化學工廠的生產具有重要的意義；同時，上述成果的產生，更可同步達成節能減碳效益，達成ESG效益，為產業邁向淨零轉型的必經之路。