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苗立民

時(shí)至今日，DCS技術(shù)已經(jīng)十分成熟，越來(lái)越多的石化企業(yè)將改造為DCS控制。隨著DCS應(yīng)用的深入，對(duì)DCS組態(tài)的工作也由制造商轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)院和用戶來(lái)完成，即通常所說(shuō)的用戶組態(tài)。目前，業(yè)內(nèi)人士對(duì)DCS用戶組態(tài)工作的研究還局限于對(duì)DCS操作畫(huà)面組態(tài)的研究。本文結(jié)合先進(jìn)控制系統(tǒng)在中原石油化工總廠的成功應(yīng)用以及作者在實(shí)踐中的經(jīng)驗(yàn)，探討DCS用戶組態(tài)，提出一些想法。
先進(jìn)控制系統(tǒng)在中原石油化工總廠的成功應(yīng)用有三套：1996年FOXBORO I/A’S成功應(yīng)用于FCCU-2三機(jī)組控制，集控制、聯(lián)鎖一體化；1998年HONEYWELL TPS成功應(yīng)用于FCCU-2裝置，同年SMAR EIC-2000成功應(yīng)用于30t鍋爐控制。1999年FCCU-2增加脫硫裝置，納入TPS控制。三套系統(tǒng)自投用至今，一直運(yùn)行正常，為總廠創(chuàng)造了很高的效益。而這三套系統(tǒng)的組態(tài)工作都是用戶組態(tài)完成的。
一套用戶組態(tài)的DCS能否被成功應(yīng)用，提高控制品質(zhì)，使因其故障造成的影響減小，方便監(jiān)視和操作，其關(guān)鍵是DCS組態(tài)設(shè)計(jì)的質(zhì)量。
1  用戶組態(tài)的內(nèi)容
DCS用戶組態(tài)是指在DCS中，按照其廠商提供的功能部件的特點(diǎn)、數(shù)量和性能，為完成工程需求，設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)并確定有關(guān)的排列，包括硬、軟件排列。
DCS硬件排列是指DCS輸入/輸出設(shè)備上的接線位置與外部生產(chǎn)過(guò)程參數(shù)位置之間的分配。DCS軟件排列是指對(duì)DCS所提供的控制算法或模塊的選用、模塊間的連接以及系統(tǒng)的調(diào)試等。
DCS用戶組態(tài)是一件十分細(xì)致的工作，所要求的知識(shí)面
廣。在組態(tài)過(guò)程中，既要了解生產(chǎn)過(guò)程對(duì)控制的要求，熟悉生產(chǎn)過(guò)程，深刻認(rèn)識(shí)各種設(shè)備和過(guò)程的生產(chǎn)順序，明確生產(chǎn)過(guò)程和儀表的相互關(guān)系；還要熟練掌握DCS所提供的各個(gè)控制算法或模塊功能，以及各功能模塊提供的各參數(shù)（即軟連接信號(hào)端子）的相互影響，DCS提供的順控語(yǔ)言；同時(shí)，還要有一定的計(jì)算機(jī)知識(shí)。只有從深度和廣度上對(duì)DCS、工藝生產(chǎn)過(guò)程以及控制要求有了足夠清楚的認(rèn)識(shí)，才能更好的完成用戶組態(tài)工作。
在進(jìn)行DCS用戶組態(tài)工作時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：
①  安全性和可靠性設(shè)計(jì)應(yīng)貫穿整個(gè)用戶組態(tài)設(shè)計(jì)的全過(guò)程。
②  在設(shè)計(jì)時(shí)，合理分配輸入/輸出信號(hào)，要為系統(tǒng)擴(kuò)展、調(diào)試做好鋪墊，控制模塊或算法的組合一定要有擴(kuò)展余地。
③  控制模塊或算法的選擇要合適，充分發(fā)揮DCS的計(jì)算、邏輯等功能。選擇控制模塊或算法時(shí)，一定要考慮系統(tǒng)負(fù)載因素，選擇合適的模塊或算法可以減少系統(tǒng)負(fù)載和節(jié)省內(nèi)存空間。
2  用戶組態(tài)的硬件設(shè)計(jì)
進(jìn)行用戶組態(tài)的硬件設(shè)計(jì)一定要有深度，要縱覽全局。在DCS選型時(shí)，應(yīng)對(duì)儀表、變送器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等部件，傳輸信號(hào)電纜和DCS輸入/輸出卡件有全面的考慮。從工藝的合理性、投資的經(jīng)濟(jì)性、運(yùn)行的可靠性、維修的方便性等進(jìn)行綜合分析。例如，用一體化溫度變送器檢測(cè)過(guò)程的溫度，由于采用標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)傳送，電纜芯數(shù)可減少或不采用補(bǔ)償導(dǎo)線，因此，可在溫度檢測(cè)精度較高時(shí)選用。在溫度檢測(cè)點(diǎn)數(shù)較多、溫度檢測(cè)元件的類(lèi)型相同時(shí)，采用DCS的溫度處理卡件可節(jié)省較多的變送器投資費(fèi)用。因此，儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu)選型不同，對(duì)DCS的硬件選型和控制組態(tài)也有不同的影響。
實(shí)踐證明，在進(jìn)行DCS組態(tài)的硬件設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：
①  確定控制和聯(lián)鎖的關(guān)系，選擇合適的設(shè)備
生產(chǎn)裝置從安全角度講，可分為三個(gè)層次，如圖1所示。第一層為生產(chǎn)過(guò)程層；第二層為過(guò)程控制層；第三層為聯(lián)鎖停車(chē)保護(hù)層。
DCS用戶組態(tài)在最初的工程設(shè)計(jì)、設(shè)備選型及安裝階段，都要對(duì)過(guò)程和設(shè)備的安全性進(jìn)行考慮。生產(chǎn)裝置本身是安全的第一道防線；控制系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)的連續(xù)動(dòng)態(tài)控制是安全的第二道防線；在過(guò)程控制之上設(shè)置一套緊急聯(lián)鎖停車(chē)系統(tǒng)，最大限度的保護(hù)設(shè)備和人身安全是最后一道安全防線。因此，在DCS用戶組態(tài)時(shí)，首先要確定DCS實(shí)現(xiàn)控制和聯(lián)鎖系統(tǒng)的形式。目前通常有5種基本形式：① 控制、聯(lián)鎖一體化式；② 控制、聯(lián)鎖通訊網(wǎng)絡(luò)式；③ DCS+PLC；④ DCS+PLY；⑤ DCS+ESD。
根據(jù)資料提供的數(shù)據(jù)，采用上述5種形式，平均無(wú)故障間隔時(shí)間（MTBF）及可靠度（R）參見(jiàn)表1。

表1

具體采取何種形式，需考慮多方面的因素。
②  硬件故障造成的影響應(yīng)盡可能小
在用戶組態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，可靠性設(shè)計(jì)應(yīng)貫穿其全過(guò)程。由于在系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中不可能也不允許對(duì)DCS的硬件都采用冗余設(shè)計(jì)。為此，應(yīng)考慮硬件的某些部件一旦發(fā)生故障時(shí)，它對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的影響是否是最小的。例如，F(xiàn)CCU-2三機(jī)組聯(lián)鎖信號(hào)按機(jī)組分為若干組，每個(gè)組是各自獨(dú)立的，組內(nèi)的聯(lián)鎖條件是所在組內(nèi)的一個(gè)聯(lián)鎖狀態(tài)。在DCS控制的硬件組態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到獨(dú)立性問(wèn)題把各組的聯(lián)鎖信號(hào)分別連接到各自的輸入/輸出部件上，這樣，一旦某一輸入/輸出部件發(fā)生故障，僅對(duì)相應(yīng)的組有影響，對(duì)其他組的聯(lián)鎖不造成影響。
③  合適的輸入和輸出信號(hào)配合，能有效地減小輸入/輸出部件故障的影響
DCS的設(shè)計(jì)思想之一是分散控制，合適的輸入和輸出信號(hào)的配合可以使負(fù)荷分散。例如，將所有信號(hào)按照實(shí)際變化率和重要性分配為不同的采樣周期，在設(shè)計(jì)時(shí)將不同采樣周期的信號(hào)合理的組態(tài)在一起，使輸入/輸出部件微處理單元的負(fù)荷較均勻，這樣會(huì)減少硬件因負(fù)載過(guò)大而發(fā)生故障。再如，采用單回路或多回路控制時(shí)，為了減少通信的吞吐量，應(yīng)把有關(guān)控制回路的輸入/輸出信號(hào)連接在同一輸入/輸出部件上，以減小因通信造成的負(fù)荷量。當(dāng)采用數(shù)據(jù)庫(kù)共享時(shí)，為了減小某一部件故障的影響，可采用對(duì)每個(gè)回路都分配一個(gè)輸入或輸出信號(hào)。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)權(quán)衡利弊，合適配置。
④  方便安裝和維護(hù)
在設(shè)計(jì)過(guò)程中，諸多因素將影響系統(tǒng)的安裝和系統(tǒng)投運(yùn)后的日常維護(hù)。
3  用戶組態(tài)的軟件設(shè)計(jì)
在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意下列各點(diǎn)：
①  充分利用DCS所提供的各種控制算法或模塊，提高控制質(zhì)量

圖1  生產(chǎn)裝置的安全層次     圖2  TICA101與PDICA105超馳控制

針對(duì)不同的工藝過(guò)程特點(diǎn)，充分利用DCS所提供的各種控制算法或模塊，是提高設(shè)計(jì)水平的重要方法。從理論上來(lái)說(shuō)，控制度升高，控制質(zhì)量會(huì)下降，因此，在DCS中應(yīng)利用計(jì)算機(jī)運(yùn)算方便、離散的控制算法、軟連接等優(yōu)點(diǎn)，提高使用DCS后的控制質(zhì)量。例如，DCS能方便實(shí)現(xiàn)微分先行、積分分離、自整定等控制算法。在設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)工藝過(guò)程的不同要求選用有關(guān)的控制算法，使控制質(zhì)量提高。例如，我們?cè)贔CCU-2反再系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)了超馳低值選擇控制系統(tǒng)。其控制原理如圖2所示。
TICA101是提升管反應(yīng)溫度控制，PDICA105是再生塞閥壓差控制，ORST101是超馳低值選擇控制。這樣很容易實(shí)現(xiàn)在不同工況下對(duì)再生閥TV101控制權(quán)的轉(zhuǎn)換，不僅可以維持催化劑的正常流化，還可以防止發(fā)生催化劑倒流事故。該回路在組態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)無(wú)擾動(dòng)切換及抗積分飽和問(wèn)題進(jìn)行了特殊處理，在使用中可自由切換，無(wú)需平衡處理。
②  采取前饋反饋控制策略
在采用模擬儀表控制工藝過(guò)程時(shí)，由于前饋控制需要相關(guān)的運(yùn)算單元儀表完成，因此，除了干擾影響很大時(shí)才采用外，一般不常采用。由于DCS有運(yùn)算方便的特長(zhǎng)，因此，干擾量如果已經(jīng)引入DCS，則采用前饋反饋控制策略有利于克服干擾的影響，提高控制質(zhì)量。通常，采用靜態(tài)前饋就能大大改善控制品質(zhì)，靜態(tài)前饋放大系數(shù)也可實(shí)施設(shè)置。
③  采用按計(jì)算指標(biāo)進(jìn)行控制的控制系統(tǒng)
在采用模擬儀表控制工藝過(guò)程時(shí)，由于實(shí)施按計(jì)算指標(biāo)進(jìn)行控制的控制系統(tǒng)需要較多的運(yùn)算單元儀表，因而應(yīng)用面不廣。采用DCS，為按計(jì)算指標(biāo)進(jìn)行控制提供了有效的運(yùn)算工具，因此，在DCS組態(tài)的軟件設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)其予以考慮，提高控制品質(zhì)。例如，在FCCU-2三機(jī)組主風(fēng)流量、氣壓機(jī)入口富氣流量的計(jì)量檢測(cè)時(shí)，可采用溫壓補(bǔ)償運(yùn)算，使計(jì)量更加準(zhǔn)確。
④  采用純滯后補(bǔ)償控制系統(tǒng)
由于DCS能方便實(shí)施純滯后補(bǔ)償控制系統(tǒng)，因此，在DCS控制組態(tài)的軟件設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)對(duì)象的純滯后大小設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制系統(tǒng)，例如，在隨動(dòng)控制系統(tǒng)中采用史密斯控制方案。對(duì)定值控制系統(tǒng)，采用觀測(cè)補(bǔ)償器控制方案等。
⑤  邏輯開(kāi)關(guān)控制與常規(guī)PID控制相結(jié)合
在經(jīng)典的控制方案中，邏輯開(kāi)關(guān)控制與常規(guī)PID控制是很少在一起使用的，在DCS中，由于控制組態(tài)的方便，使邏輯開(kāi)關(guān)控制與常規(guī)PID控制可方便地結(jié)合在一起，形成復(fù)雜控制系統(tǒng)以適應(yīng)不同工況下的控制要求。例如，在FCCU-2分餾塔底液面控制方案中利用邏輯開(kāi)關(guān)控制與常規(guī)PID控制組合形成的復(fù)雜控制方案，如圖3所示。

圖3  FCCU-2分餾塔底液面控制方案

該方案根據(jù)不同工況很容易實(shí)現(xiàn)不同的控制方案。組態(tài)時(shí)對(duì)不同方案下的切換進(jìn)行了平衡處理，可以做到無(wú)擾動(dòng)切換。當(dāng)控制偏差大于某一限值時(shí)，采用開(kāi)關(guān)控制，使偏差迅速減小；當(dāng)偏差在限值范圍內(nèi)時(shí)，控制系統(tǒng)自動(dòng)切入常規(guī)PID控制，與積分分離的控制策略相類(lèi)似，該控制方法能有效地降低調(diào)整時(shí)間，提高控制質(zhì)量。邏輯開(kāi)關(guān)控制與常規(guī)PID控制的結(jié)合也可在設(shè)備的啟停過(guò)程中實(shí)施。例如，設(shè)備運(yùn)行信號(hào)使PID控制系統(tǒng)切入自動(dòng)，設(shè)備停止運(yùn)動(dòng)時(shí)，PID控制系統(tǒng)切入手動(dòng)。由于在切入手動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)保持原閥門(mén)開(kāi)度，因此，設(shè)備一旦運(yùn)行就能迅速地進(jìn)入正常的運(yùn)行工況，提高了自動(dòng)化水平，改善了控制品質(zhì)。
⑥  與操作流程圖設(shè)計(jì)相結(jié)合
除了DCS的輸入/輸出信號(hào)應(yīng)設(shè)計(jì)有關(guān)的數(shù)據(jù)庫(kù)元素外，如果工藝操作需要某些中間變量，在控制組態(tài)軟件設(shè)計(jì)時(shí)也應(yīng)建立相應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)元素。例如，經(jīng)溫度壓力運(yùn)算后的計(jì)量信號(hào)、倒計(jì)時(shí)信號(hào)、操作人員可設(shè)置的信號(hào)等。這些信號(hào)在DCS的過(guò)程流程圖上顯示或被調(diào)整，在控制組態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮在內(nèi)。
⑦  有條件時(shí)，可采用DCS所提供的高級(jí)控制算法
隨著現(xiàn)代控制理論的研究和深入，把現(xiàn)代控制理論的研究成果應(yīng)用到DCS的控制中是其控制組態(tài)設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要的工作。基于模型的預(yù)測(cè)控制算法已有應(yīng)用，模糊控制算法和自適應(yīng)控制算法要求和實(shí)際的操作水平相適應(yīng)。在設(shè)計(jì)選型時(shí)，結(jié)合操作人員的技能條件，有條件地采用高級(jí)算法，充分發(fā)揮DCS的優(yōu)點(diǎn)，不要為求新求高而盲目引進(jìn)。
⑧  留有余地，便于在線調(diào)試、修改和擴(kuò)展
在軟件設(shè)計(jì)時(shí)，留有余地是必要的。例如，在與門(mén)的輸入端增設(shè)一個(gè)高電平的端子（軟連接）；在或門(mén)輸入端增設(shè)低電平端子（軟連接），這利于在線修改時(shí)的擴(kuò)展，而不必重新組建。
⑨  優(yōu)化設(shè)計(jì)控制算法或模塊的使用數(shù)量，減少內(nèi)存和運(yùn)算時(shí)間
優(yōu)化設(shè)計(jì)是在DCS軟件設(shè)計(jì)中非常關(guān)鍵的一步。由于工期限制，加上用戶經(jīng)驗(yàn)較少，所以，DCS用戶組態(tài)過(guò)程中常會(huì)出現(xiàn)類(lèi)似“搭積木”的方式進(jìn)行軟件組態(tài)，結(jié)果使方案龐大，系統(tǒng)負(fù)載較大。因此，在用戶組態(tài)的后期進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，選擇更加合適的模塊或算法，做到方案精簡(jiǎn)，功能齊全，從而減少內(nèi)存和運(yùn)算時(shí)間，降低系統(tǒng)負(fù)載。