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(zhù)DCS應用的深入，對DCS組態(tài)的工作也由制造商轉向設計院和用戶(hù)來(lái)完成，即通常所說(shuō)的用戶(hù)組態(tài)。目前，業(yè)內人士對DCS用戶(hù)組態(tài)工作的研究還局限于對DCS操作畫(huà)面組態(tài)的研究。本文結合先進(jìn)控制系統在中原石油化工總廠(chǎng)的成功應用以及作者在實(shí)踐中的經(jīng)驗，探討DCS用戶(hù)組態(tài)，提出一些想法。
先進(jìn)控制系統在中原石油化工總廠(chǎng)的成功應用有三套：1996年FOXBORO I/A’S成功應用于FCCU-2三機組控制，集控制、聯(lián)鎖一體化；1998年HONEYWELL TPS成功應用于FCCU-2裝置，同年SMAR EIC-2000成功應用于30t鍋爐控制。1999年FCCU-2增加脫硫裝置，納入TPS控制。三套系統自投用至今，一直運行正常，為總廠(chǎng)創(chuàng )造了很高的效益。而這三套系統的組態(tài)工作都是用戶(hù)組態(tài)完成的。
一套用戶(hù)組態(tài)的DCS能否被成功應用，提高控制品質(zhì)，使因其故障造成的影響減小，方便監視和操作，其關(guān)鍵是DCS組態(tài)設計的質(zhì)量。
1  用戶(hù)組態(tài)的內容
DCS用戶(hù)組態(tài)是指在DCS中，按照其廠(chǎng)商提供的功能部件的特點(diǎn)、數量和性能，為完成工程需求，設計、實(shí)現并確定有關(guān)的排列，包括硬、軟件排列。
DCS硬件排列是指DCS輸入/輸出設備上的接線(xiàn)位置與外部生產(chǎn)過(guò)程參數位置之間的分配。DCS軟件排列是指對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的調試等。
DCS用戶(hù)組態(tài)是一件十分細致的工作，所要求的知識面
廣。在組態(tài)過(guò)程中，既要了解生產(chǎn)過(guò)程對控制的要求，熟悉生產(chǎn)過(guò)程，深刻認識各種設備和過(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（即軟連接信號端子）的相互影響，DCS提供的順控語(yǔ)言；同時(shí)，還要有一定的計算機知識。只有從深度和廣度上對DCS、工藝生產(chǎn)過(guò)程以及控制要求有了足夠清楚的認識，才能更好的完成用戶(hù)組態(tài)工作。
在進(jìn)行DCS用戶(hù)組態(tài)工作時(shí)應注意以下幾點(diǎn)：
①  安全性和可靠性設計應貫穿整個(gè)用戶(hù)組態(tài)設計的全過(guò)程。
②  在設計時(shí)，合理分配輸入/輸出信號，要為系統擴展、調試做好鋪墊，控制模塊或算法的組合一定要有擴展余地。
③  控制模塊或算法的選擇要合適，充分發(fā)揮DCS的計算、邏輯等功能。選擇控制模塊或算法時(shí)，一定要考慮系統負載因素，選擇合適的模塊或算法可以減少系統負載和節省內存空間。
2  用戶(hù)組態(tài)的硬件設計
進(jìn)行用戶(hù)組態(tài)的硬件設計一定要有深度，要縱覽全局。在DCS選型時(shí)，應對儀表、變送器和執行機構等部件，傳輸信號電纜和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)濟性、運行的可靠性、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過(guò)程的溫度，由于采用標準電流信號傳送，電纜芯數可減少或不采用補償導線(xiàn)，因此，可在溫度檢測精度較高時(shí)選用。在溫度檢測點(diǎn)數較多、溫度檢測元件的類(lèi)型相同時(shí)，采用DCS的溫度處理卡件可節省較多的變送器投資費用。因此，儀表和執行機構選型不同，對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)的硬件設計時(shí)，應注意以下幾點(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)保護層。
DCS用戶(hù)組態(tài)在最初的工程設計、設備選型及安裝階段，都要對過(guò)程和設備的安全性進(jìn)行考慮。生產(chǎn)裝置本身是安全的第一道防線(xiàn)；控制系統對生產(chǎn)的連續動(dòng)態(tài)控制是安全的第二道防線(xiàn)；在過(guò)程控制之上設置一套緊急聯(lián)鎖停車(chē)系統，最大限度的保護設備和人身安全是最后一道安全防線(xiàn)。因此，在DCS用戶(hù)組態(tài)時(shí)，首先要確定DCS實(shí)現控制和聯(lián)鎖系統的形式。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。
根據資料提供的數據，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盡可能小
在用戶(hù)組態(tài)設計時(shí)，可靠性設計應貫穿其全過(guò)程。由于在系統的實(shí)際應用中不可能也不允許對DCS的硬件都采用冗余設計。為此，應考慮硬件的某些部件一旦發(fā)生故障時(shí)，它對生產(chǎn)過(guò)程的影響是否是最小的。例如，FCCU-2三機組聯(lián)鎖信號按機組分為若干組，每個(gè)組是各自獨立的，組內的聯(lián)鎖條件是所在組內的一個(gè)聯(lián)鎖狀態(tài)。在DCS控制的硬件組態(tài)設計時(shí)，考慮到獨立性問(wèn)題把各組的聯(lián)鎖信號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，僅對相應的組有影響，對其他組的聯(lián)鎖不造成影響。
③  合適的輸入和輸出信號配合，能有效地減小輸入/輸出部件故障的影響
DCS的設計思想之一是分散控制，合適的輸入和輸出信號的配合可以使負荷分散。例如，將所有信號按照實(shí)際變化率和重要性分配為不同的采樣周期，在設計時(shí)將不同采樣周期的信號合理的組態(tài)在一起，使輸入/輸出部件微處理單元的負荷較均勻，這樣會(huì )減少硬件因負載過(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，應把有關(guān)控制回路的輸入/輸出信號連接在同一輸入/輸出部件上，以減小因通信造成的負荷量。當采用數據庫共享時(shí)，為了減小某一部件故障的影響，可采用對每個(gè)回路都分配一個(gè)輸入或輸出信號。在實(shí)際應用時(shí)應權衡利弊，合適配置。
④  方便安裝和維護
在設計過(guò)程中，諸多因素將影響系統的安裝和系統投運后的日常維護。
3  用戶(hù)組態(tài)的軟件設計
在設計時(shí)應注意下列各點(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，是提高設計水平的重要方法。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中應利用計算機運算方便、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)現微分先行、積分分離、自整定等控制算法。在設計時(shí)，可根據工藝過(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，我們在FCCU-2反再系統上實(shí)現了超馳低值選擇控制系統。其控制原理如圖2所示。
TICA101是提升管反應溫度控制，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)現在不同工況下對再生閥TV101控制權的轉換，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)設計時(shí)，對無(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有運算方便的特長(cháng)，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)前饋放大系數也可實(shí)施設置。
③  采用按計算指標進(jìn)行控制的控制系統
在采用模擬儀表控制工藝過(guò)程時(shí)，由于實(shí)施按計算指標進(jìn)行控制的控制系統需要較多的運算單元儀表，因而應用面不廣。采用DCS，為按計算指標進(jìn)行控制提供了有效的運算工具，因此，在DCS組態(tài)的軟件設計時(shí)應對其予以考慮，提高控制品質(zhì)。例如，在FCCU-2三機組主風(fēng)流量、氣壓機入口富氣流量的計量檢測時(shí)，可采用溫壓補償運算，使計量更加準確。
④  采用純滯后補償控制系統
由于DCS能方便實(shí)施純滯后補償控制系統，因此，在DCS控制組態(tài)的軟件設計時(shí)，應根據對象的純滯后大小設計相應的控制系統，例如，在隨動(dòng)控制系統中采用史密斯控制方案。對定值控制系統，采用觀(guān)測補償器控制方案等。
⑤  邏輯開(kāi)關(guān)控制與常規PID控制相結合
在經(jīng)典的控制方案中，邏輯開(kāi)關(guān)控制與常規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PID控制可方便地結合在一起，形成復雜控制系統以適應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PID控制組合形成的復雜控制方案，如圖3所示。

圖3  FCCU-2分餾塔底液面控制方案

該方案根據不同工況很容易實(shí)現不同的控制方案。組態(tài)時(shí)對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??；當偏差在限值范圍內時(shí)，控制系統自動(dòng)切入常規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整時(shí)間，提高控制質(zhì)量。邏輯開(kāi)關(guān)控制與常規PID控制的結合也可在設備的啟停過(guò)程中實(shí)施。例如，設備運行信號使PID控制系統切入自動(dòng)，設備停止運動(dòng)時(shí)，PID控制系統切入手動(dòng)。由于在切入手動(dòng)時(shí)，系統保持原閥門(mén)開(kāi)度，因此，設備一旦運行就能迅速地進(jìn)入正常的運行工況，提高了自動(dòng)化水平，改善了控制品質(zhì)。
⑥  與操作流程圖設計相結合
除了DCS的輸入/輸出信號應設計有關(guān)的數據庫元素外，如果工藝操作需要某些中間變量，在控制組態(tài)軟件設計時(shí)也應建立相應數據庫元素。例如，經(jīng)溫度壓力運算后的計量信號、倒計時(shí)信號、操作人員可設置的信號等。這些信號在DCS的過(guò)程流程圖上顯示或被調整，在控制組態(tài)設計時(shí)應考慮在內。
⑦  有條件時(shí)，可采用DCS所提供的高級控制算法
隨著(zhù)現代控制理論的研究和深入，把現代控制理論的研究成果應用到DCS的控制中是其控制組態(tài)設計的一項重要的工作?；谀Ｐ偷念A測控制算法已有應用，模糊控制算法和自適應控制算法要求和實(shí)際的操作水平相適應。在設計選型時(shí)，結合操作人員的技能條件，有條件地采用高級算法，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(xiàn)調試、修改和擴展
在軟件設計時(shí)，留有余地是必要的。例如，在與門(mén)的輸入端增設一個(gè)高電平的端子（軟連接）；在或門(mén)輸入端增設低電平端子（軟連接），這利于在線(xiàn)修改時(shí)的擴展，而不必重新組建。
⑨  優(yōu)化設計控制算法或模塊的使用數量，減少內存和運算時(shí)間
優(yōu)化設計是在DCS軟件設計中非常關(guān)鍵的一步。由于工期限制，加上用戶(hù)經(jīng)驗較少，所以，DCS用戶(hù)組態(tài)過(guò)程中常會(huì )出現類(lèi)似“搭積木”的方式進(jìn)行軟件組態(tài)，結果使方案龐大，系統負載較大。因此，在用戶(hù)組態(tài)的后期進(jìn)行優(yōu)化設計，選擇更加合適的模塊或算法，做到方案精簡(jiǎn)，功能齊全，從而減少內存和運算時(shí)間，降低系統負載。