摘要：本文主要通過(guò)國電智深控制系統在大化肥項目上的應用，闡述了控制系統在化工行業(yè)應用的特點(diǎn)及配置、相關(guān)軟硬件關(guān)鍵技術(shù)，針對化工智能化需求，對控制系統升級改進(jìn)后在智能監測、智能控制和高效運行等增強功能也做了簡(jiǎn)要介紹。

關(guān)鍵詞：分散控制系統；域；智能；應用；冗余IO；設備管理

1 項目概況

國電赤峰3052煤制尿素項目主要利用國電內蒙古平莊煤業(yè)集團元寶山露天礦褐煤資源，采用魯奇煤氣化、寬溫變換、低溫甲醇洗、液氮洗、低壓氨合成、二氧化碳氣提法尿素工藝、大顆粒造粒等國內外先進(jìn)技術(shù)，年產(chǎn)30萬(wàn)噸合成氨52萬(wàn)噸大顆粒尿素。

該項目也是智能制造裝備發(fā)展專(zhuān)項項目，是國電智深公司控制系統在大型化工領(lǐng)域的首次應用。國電智深公司根據大型化工過(guò)程對智能控制系統的應用需求，在大規?？刂葡到y可靠性技術(shù)、全流程多裝置聯(lián)合控制技術(shù)等方面開(kāi)展研究，研發(fā)出適應化工應用需求的控制系統產(chǎn)品，實(shí)現示范性應用?？刂品秶w了大化肥裝置各主要工段，主要包括氣化單元、凈化單元、合成單元及尿素合成單元、動(dòng)力單元，具體控制的化工裝置有：加壓氣化、變化冷卻、煤氣水分離、酚回收、硫回收、低溫甲醇洗、液氮洗、甲烷轉化、氨合成、尿素合成、大顆粒尿素裝置、動(dòng)力鍋爐、發(fā)電機系統、汽輪機系統等。

2 控制系統設計及實(shí)施

2.1 系統特點(diǎn)及配置

項目采用的是國電智深EDPF-NT+分散控制系統（DCS），該系統無(wú)實(shí)時(shí)數據服務(wù)器設計，可避免數據流量的集中點(diǎn)和系統級故障集中點(diǎn)；多系統為多域結構，系統網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)最大規模為100個(gè)域，每域250個(gè)站；系統數據庫規?？蛇_百萬(wàn)點(diǎn)，輸入輸出點(diǎn)數超過(guò)30000點(diǎn)；采用域管理技術(shù)，分解系統處理規模，實(shí)現不同功能的接入和隔離，支持各獨立裝置的監控和全流程集中監控。

項目的控制系統按實(shí)際需求分為中央控制系統（以下稱(chēng)中控系統）和動(dòng)力車(chē)間控制系統（以下稱(chēng)動(dòng)力系統）兩部分。中控系統設1套DCS，根據現場(chǎng)工藝車(chē)間共分為2個(gè)域，1號域是氣化單元，2號域是凈化、合成和尿素單元。其中1號域氣化單元的煤鎖和灰鎖控制機柜和操作單元布置在氣化樓，現場(chǎng)設防爆觸摸控制屏，加壓氣化工段除煤鎖和灰鎖外的其它部分均在中央控制室監控。酚回收、凈化合成、尿素等工藝單元布置在2號域，控制系統機柜布置在中央控制室電子設備間內。動(dòng)力系統設1套DCS，根據鍋爐、汽機、電氣車(chē)間共分為8個(gè)域，其中4臺鍋爐、2臺汽機、電氣、公用系統各分配一個(gè)域，控制系統機柜布置在動(dòng)力車(chē)間電子設備間內。系統配置如圖1。

圖1 3052大化肥項目DCS配置示意圖

2.2 軟硬件關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 通道級冗余I/O技術(shù)

化工控制系統硬件I/O冗余包括模件級冗余和通道級冗余。模件級冗余只能實(shí)現模件整體冗余切換，僅能解決備用卡件狀態(tài)良好的情況下實(shí)現主卡出錯時(shí)的冗余切換，并不能完成完全冗余容錯。

本項目研究了基于通道級冗余的輸入輸出自檢和故障報告技術(shù)、通道選通與輸出冗余表決技術(shù)、故障模件隔離與在線(xiàn)更換等通道級I/O冗余的關(guān)鍵技術(shù)，解決了在冗余卡件上的HART通訊問(wèn)題，支持可配置的開(kāi)關(guān)量和模擬量的輸入輸出表決算法，實(shí)現了冗余輸入輸出卡件的通道級冗余，提高DCS輸入輸出卡件的冗余容錯水平。使I/O模塊的故障比例降低萬(wàn)分之一以下。

圖2 冗余I/O原理圖

本項目主要使用的冗余I/O卡件為開(kāi)關(guān)量輸出模件DO16D、HART冗余AI輸入模件AI16HD和HART 冗余AO輸出件AO8HD。

2.2.2 緊急停車(chē)保護技術(shù)

化工工藝系統多為易燃易爆，配備緊急停車(chē)保護系統在控制系統出現故障或觸發(fā)保護動(dòng)作的情況下可以自動(dòng)或手動(dòng)使設備或工藝過(guò)程緊急停車(chē)，且任一種停車(chē)方式都不能損壞設備或造成人員傷害。

本項目研發(fā)專(zhuān)用的控制I/O模件——3冗余TPM卡。3塊TPM卡件獨立運算，通過(guò)3取2的邏輯表決實(shí)現完全的3取2冗余結構。在模件級即可完成專(zhuān)項控制任務(wù)，達到快速和可靠的目的。

針對不同系統對保護信號分組和保護邏輯的不同要求，設計開(kāi)發(fā)FPGA芯片數據結構，解決信號輸入輸出通道、投退開(kāi)關(guān)，測點(diǎn)常開(kāi)/常閉、延時(shí)系數、輸出帶電跳閘/失電跳閘等保護邏輯設置問(wèn)題，可通過(guò)上位機對TPM卡進(jìn)行邏輯設置組態(tài)。

同時(shí)為保證緊急停車(chē)故障判斷順序的準確度問(wèn)題，緊急停車(chē)系統專(zhuān)門(mén)設計開(kāi)發(fā)5ms數字滑動(dòng)濾波的算法及以0.2ms為時(shí)基的SOE系統，保證了事件記錄的高精度，采用512深度的FIFO實(shí)現SOE記錄的存儲，保證了事件的先后順序的絕對準確。

2.2.3 G3標準防腐技術(shù)

化工生產(chǎn)工藝復雜，在生產(chǎn)現場(chǎng)存在著(zhù)多種腐蝕性氣體，如氯氣、氯化氫、硫化物、氮氧化物等。生產(chǎn)過(guò)程具有高溫、高壓、易燃、易爆、易中毒、易泄漏、易腐蝕等許多安全風(fēng)險。為了保證工業(yè)過(guò)程測量和控制裝置在污染環(huán)境中長(cháng)期的安全穩定運行，控制系統的所有電路板正反面噴涂保護涂料即三防漆形成保護膜，有效隔離并保護電路免遭化學(xué)品、潮濕和其它污物的侵蝕，提供其可靠性、保證其使用壽命；對接插件、連接件金屬接觸部分部分和線(xiàn)纜端裸露部分采用DJB-823固體薄膜保護劑做防護；對于大的、結構件機械加工完成后進(jìn)行表面鍍鋅和噴塑、固定螺釘選用不銹鋼材料；對于非標準的立柱、墊圈等采用PF-納米鋼鐵防銹劑（軟膜型）做防護。經(jīng)權威機構認定，整體硬件防腐性達到G3標準。

2.2.4 工藝過(guò)程優(yōu)化控制

大化肥項目的工藝流程較長(cháng)，可分為幾個(gè)相對獨立的工段，上一工段的產(chǎn)品作為下一工段的原料，各工段緊密聯(lián)系最終組成整個(gè)的生產(chǎn)工藝流程。各工段又根據在整個(gè)工藝流程上的位置組織為氣化、凈化、合成和尿素分場(chǎng)，另外還有為整個(gè)工藝系統提供蒸汽和動(dòng)力的動(dòng)力分場(chǎng)和提供氮氣和氧氣的空分分場(chǎng)。

為達到智能協(xié)同的目標，根據各工段的控制特點(diǎn)針對性的開(kāi)發(fā)出不同的控制算法或制定相應的優(yōu)化策略。

（1）先進(jìn)控制

本項目研發(fā)的先進(jìn)控制功能塊主要包括擴張狀態(tài)觀(guān)測器（ESO）、非線(xiàn)性跟蹤微分器（NLTD）、自抗擾控制器（ADRC）、預測控制器（MGPC），內?？刂破鳎↖MC），自校正PID等，其中MGPC為滑動(dòng)多模帶前饋的階梯式廣義預測控制器，非線(xiàn)性被控對象可擬合成16段線(xiàn)性數學(xué)模型，該功能塊能通過(guò)組合能實(shí)現多變量輸入輸出控制，可應用在純滯后、大遲延特性的工藝過(guò)程。

（2）適應超長(cháng)流程的順序控制

專(zhuān)用順控主控級模塊實(shí)現了雙方向跳步控制、累積計數控制和循環(huán)控制等多種功能，使復雜控制過(guò)程流程清晰、控制動(dòng)作準確、生產(chǎn)過(guò)程更加安全可靠。通過(guò)順控主控級及設備級模塊的級聯(lián)模式，可實(shí)現主流程127步的順序控制，同時(shí)，通過(guò)設計跳轉條件，可實(shí)現各步之間的跳轉、循環(huán)等處理模式。用戶(hù)還可以組態(tài)不同故障情況下的順控處理模式。

（3）多級串級復雜回路及超馳保護技術(shù)

采用了多級串級復雜回路控制，實(shí)現工藝的總體參數協(xié)調配置，提高了總體的自動(dòng)化水平，解決了常規控制系統中大部分參數需要人工靠經(jīng)驗手動(dòng)設置的問(wèn)題和系統臨近報警值時(shí)反應滯后的問(wèn)題，提高了系統控制的精確性，降低了人工參與程度，提高了系統的總體穩定性。

以煤氣化裝置氣化效率優(yōu)化控制為例，通過(guò)穩定氣化層位置、氣化層厚度、氣化層溫度、物料上平衡（加煤平衡）、物料下平衡（排灰平衡）、熱量平衡等方面優(yōu)化控制策略實(shí)施，冷煤氣效率達到74%左右，有效能耗率可達到77%，超過(guò)設計指標。

2.2.5 智能簡(jiǎn)報系統

化工生產(chǎn)過(guò)程工藝過(guò)程多，整個(gè)系統的數據量巨大，對于特定的工藝單元運行人員，屏蔽其他工藝單元數據，并將所需數據的來(lái)源、類(lèi)型、報警級別及時(shí)、清晰、準確的進(jìn)行聲光顯示，對于幫助運行員定位事故源和嚴重程度十分重要。

本項目設計開(kāi)發(fā)基于數據庫的特征字辨識技術(shù)及關(guān)鍵字過(guò)濾技術(shù)，將數據庫中的所有數據進(jìn)行重新整理，按照報警類(lèi)型、優(yōu)先級、關(guān)鍵字等設置，將數據的來(lái)源、類(lèi)型、報警級等重要信息利用規定的特征字進(jìn)行定義，并通過(guò)智能簡(jiǎn)報系統對各工藝單元及其子單元進(jìn)行靈活篩選，同時(shí)利用聲音和畫(huà)面顏色對信息類(lèi)型和級別加以區分，使整個(gè)簡(jiǎn)報系統更為直觀(guān)、清晰。

對于關(guān)聯(lián)到的報警信息還可進(jìn)行比對分析及處理指導，為事件追溯和問(wèn)題分析提供充分詳細的資料。對于模擬量點(diǎn)能進(jìn)行組合功能組態(tài)，從數據庫中取到實(shí)時(shí)值、單位、高低報警值等具體信息，保證信息狀態(tài)來(lái)源的正確性。

通過(guò)智能簡(jiǎn)報，能夠從整體上對運行過(guò)程進(jìn)行判斷。使工程師和操作員對工藝過(guò)程加深理解，被控對象更加直觀(guān)透明，能提高生產(chǎn)效率和減少操作失誤。

2.2.6 現場(chǎng)總線(xiàn)設備管理及診斷軟件技術(shù)

主要基于EDDL技術(shù)，并結合FDT/DTM技術(shù)，開(kāi)發(fā)現場(chǎng)總線(xiàn)設備管理及診斷軟件，使得用戶(hù)可在相同的用戶(hù)界面和方式管理多種現場(chǎng)總線(xiàn)智能儀表。針對化工項目中使用的HART、PROFIBUS標準的變送器、定位器、執行器等現場(chǎng)總線(xiàn)設備，為控制系統的現場(chǎng)總線(xiàn)接入卡件PB、AIH16D、AOH8D研發(fā)了相關(guān)驅動(dòng)，上位機能通過(guò)接入卡件實(shí)現現場(chǎng)總線(xiàn)設備的接入、組態(tài)、運行、管理及診斷。

2.2.7 工控系統網(wǎng)絡(luò )拓撲監控技術(shù)

圖3 工控系統網(wǎng)絡(luò )拓撲監控界面

針對各類(lèi)工控網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)采用模板化基線(xiàn)配置，涵蓋CPU、內存、磁盤(pán)使用率、端口流量、關(guān)鍵進(jìn)程、物理連接關(guān)系等關(guān)鍵信息，可靈活增減模板之外的監視項，即滿(mǎn)足工控網(wǎng)管需求，又簡(jiǎn)化配置過(guò)程。工控網(wǎng)絡(luò )結構拓撲技術(shù)，能夠以不同設備為中心，多視角實(shí)時(shí)直觀(guān)展現網(wǎng)絡(luò )物理結構狀態(tài)，幫助用戶(hù)快速定位網(wǎng)絡(luò )中斷、錯誤連接、非法接入等網(wǎng)絡(luò )異常。針對異常節點(diǎn)，可自動(dòng)或手動(dòng)切斷交換機的端口連接，及時(shí)阻斷故障擴散、保護業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò )。

3 智能化升級改進(jìn)

通過(guò)赤峰化工項目，國電智深已經(jīng)擁有一套完整的化工控制系統解決方案，近幾年根據化工控制智能化需求，國電智深公司設計標準化的第三方應用調用接口，提升了系統開(kāi)放性；增強智能監測、智能控制和高效運行功能，并實(shí)現了更便捷的跨廣域網(wǎng)控制方式。

3.1 智能監測

智能監測功能依靠控制系統增強的底層引擎的計算能力實(shí)現工藝過(guò)程、運行參數的智能化監測、報警預警及診斷分析，協(xié)助運行人員全面解讀生產(chǎn)數據信息，提高工藝過(guò)程的監控品質(zhì)，提升對故障工況的預測、識別、定位、處理能力。

智能監測功能主要包括參數軟測量、運行監測（轉機監測、控制回路品質(zhì)、執行機構品質(zhì)、設備健康度、工質(zhì)與能量平衡、高低壓配電、三維聯(lián)動(dòng)等）、智能報警、設備故障診斷、控制系統診斷等。

3.2 智能控制

智能控制功能主要通過(guò)先進(jìn)控制算法、系統辨識算法、機理平衡或補償技術(shù)等有機結合，進(jìn)一步解決具有大遲延、大慣性、非線(xiàn)性、強耦合復雜特性對象控制問(wèn)題，提升工藝過(guò)程控制性能，實(shí)現自趨優(yōu)控制。系統內嵌先進(jìn)控制算法庫，并可集成第三方按標準規范開(kāi)發(fā)的定制化算法。

3.3 高效運行

主要基于數據挖掘的尋優(yōu)操作指導，以主要能效參數、燃料、環(huán)境溫度等為邊界條件，選取工藝過(guò)程主要監視參數為判據參數，在判據參數穩態(tài)條件下，挖掘歷史數據中當前工況的最優(yōu)標桿值作為操作指導，根據操作指導建議，操作員可手動(dòng)改變控制回路設定值和運行方式，使工藝過(guò)程能效逐步趨優(yōu)。也可將其與底層控制回路關(guān)聯(lián)，以智能控制算法保證最優(yōu)設定值或運行方式的實(shí)現，形成生產(chǎn)過(guò)程“能效大閉環(huán)”控制，實(shí)現工藝過(guò)程的自趨優(yōu)運行。

3.4 跨廣域網(wǎng)控制 ^[1]

如圖4所示，在DCS系統之外設置Web服務(wù)器，DCS通過(guò)通訊站（COM站）與Web服務(wù)器進(jìn)行通訊，通訊鏈路中可根據實(shí)際要求加裝不同等級的安全防護設備。

圖4 跨廣域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò )結構示意圖

該方案基于現代瀏覽器對HTML5標準的良好支持，結合Canvas繪圖技術(shù)、WebSocket實(shí)時(shí)通訊技術(shù)、SharedWorker跨頁(yè)面數據共享技術(shù)等，為DCS研發(fā)了Web擴展組件，使DCS具備了跨廣域網(wǎng)監控能力。擴展組件可直接解析渲染EDPF-NT+監控界面文件，降低工程實(shí)施成本，實(shí)現了與原生界面一致的功能與用戶(hù)體驗?，F已在多個(gè)工程項目中應用，取得預期效果。

4 結束語(yǔ)

化工控制系統智能化是一個(gè)持續的過(guò)程，只有通過(guò)不斷的應用實(shí)踐才能向自主智能的目標逐步靠近，在大數據人工智能的時(shí)代，提倡開(kāi)放性、標準化，靠某個(gè)廠(chǎng)商獨立推動(dòng)已不可行，這就需要產(chǎn)業(yè)鏈上下游攜手建立工業(yè)智能化應用生態(tài)圈，共同推進(jìn)我國工業(yè)智能化進(jìn)程。

參考文獻：

[1] 張文建, 李昊夫. 基于HTML5 的DCS 遠程實(shí)時(shí)監控關(guān)鍵技術(shù)研究及應用[J]. 熱力發(fā)電, 2019, 48 (11) : 63 - 67.

[2] 李清, 唐騫璘, 陳耀棠, 等. 智能制造體系架構、參考模型與標準化框架研究[J].計算機集成制造系統, 2018, 24 (3) : 539 - 549.

[3] 陳峰, 劉思思, 等. MATLAB與EDPF-NT+系統OPC通訊實(shí)現及應用[J].儀器儀表用戶(hù), 2016, 23 (12) : 38 - 42.

[4] 解懷仁. 石油化工儀表自控系統應用手冊[M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社. 2014.

作者簡(jiǎn)介：

陳峰（1969-），男，福建福州人，碩士，高級工程師，主要研究方向為工業(yè)過(guò)程控制優(yōu)化、控制系統集成，現任北京國電智深控制技術(shù)有限公司技術(shù)委員會(huì )副主任。

摘自《自動(dòng)化博覽》2020年3月刊