李延浩，鮑建欣

（中國石化石家莊煉化公司電氣儀表中心，河北石家莊 050000）

1 概述

集散式控制系統(tǒng)（DCS）中單回路PID、串級控制、前饋控制、分程控制、比值控制等算法足夠滿足石化企業(yè)裝置正常生產(chǎn)的需要。但隨著精細(xì)操作，優(yōu)化生產(chǎn)理念的深入，DCS中固有控制算法已無法滿足某些復(fù)雜工藝、能耗和效率要求。

先進(jìn)控制技術(shù)（APC）是以現(xiàn)代控制理論為基礎(chǔ)，采用先進(jìn)的控制軟件，對被控對象（如加熱爐、分餾塔等）進(jìn)行多變量控制。被控變量也在溫度、壓力、流量、液位的基礎(chǔ)上進(jìn)行拓展，增加了產(chǎn)品質(zhì)量、設(shè)備負(fù)荷等工藝生產(chǎn)需要監(jiān)控的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，集前饋（多變量模型預(yù)測）、反饋及優(yōu)化于一體，通過減少關(guān)鍵工藝變量的波動，進(jìn)而優(yōu)化工藝裝置操作，實(shí)現(xiàn)卡邊控制。

2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及應(yīng)用

某石化企業(yè)常減壓裝置使用浙江中控ECS-700 DCS 系統(tǒng)，系統(tǒng)包括1 臺工程師站與4 臺操作站。APC系統(tǒng)采用Aspen公司DMC plus軟件。APC控制器運(yùn)行在獨(dú)立的工控服務(wù)器端，進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算、預(yù)測和模型修正，通過控制回路單位階躍響構(gòu)建的模型進(jìn)行有效地優(yōu)化，在不違反工藝操作條件的前提下使裝置運(yùn)行在盡可能接近最大效益的操作區(qū)域。DCS中的一臺操作站作為OPC服務(wù)器，APC系統(tǒng)通過OPC協(xié)議與DCS系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，操作畫面在DCS中顯示。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

APC 和DCS 建立通訊后，存在先進(jìn)控制模式（簡稱APC 模式）和DCS 控制模式兩種。當(dāng)APC模式投用時，DCS 控制將停用。APC 控制器通過OPC讀取過程變量進(jìn)行運(yùn)算，并將結(jié)果輸出至DCS中控制回路的設(shè)定值（SV）、串級回路外部給定值（CSV）或閥位值（OP），控制生產(chǎn)過程。當(dāng)切換回DCS控制模式時，DCS在APC控制的基礎(chǔ)上繼續(xù)進(jìn)行常規(guī)控制。此時，APC控制器會繼續(xù)運(yùn)行，但不再對控制回路進(jìn)行控制。

為保證裝置安全平穩(wěn)生產(chǎn)，當(dāng)APC 與DCS 之間出現(xiàn)通訊故障或APC控制器故障時，需要立即停止APC控制器對生產(chǎn)過程的控制，防止寫入錯誤數(shù)據(jù)造成裝置波動。

圖1 DCS與APC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 安全切換的設(shè)計(jì)和應(yīng)用

APC常規(guī)控制方案有手操器回路、單回路PID和串級回路三種。APC切換回路在設(shè)計(jì)組態(tài)時，需要刪除DCS中原有的控制回路，還需要工藝人員在現(xiàn)場將控制閥切至副線運(yùn)行，再將帶有切換功能的新建回路下裝。

新的安全切換程序需要將對生產(chǎn)的影響降低至最小，在實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)無擾切換的同時還需滿足DCS組態(tài)作業(yè)的便利性。利用PID功能塊、手操器功能塊、模擬量切換功能塊中各個參數(shù)的制約關(guān)系，以原有DCS控制回路為基礎(chǔ)，新建獨(dú)立的切換回路，且在線下裝不會影響正常生產(chǎn)操作。

3.1 APC 模式投用標(biāo)志

該裝置APC系統(tǒng)共有4個控制器，每個控制器下又有不同的控制變量MV 和操縱變量CV 的控制回路。在DCS中分別為每個控制器和控制回路設(shè)計(jì)獨(dú)立投用開關(guān)和投用狀態(tài)指示。投用開關(guān)是DCS發(fā)至APC 的指令，而投用狀態(tài)是APC 控制器到DCS的反饋。投用開關(guān)由操作人員操作。

3.2 APC 控制器通訊保護(hù)

通過前期的階躍測試，將APC 控制器的運(yùn)行周期定義為60 秒，并在DCS 側(cè)設(shè)置看門狗程序判斷通訊狀態(tài)。該程序使用上限為150 秒，通過檢測APC控制器周期發(fā)送的復(fù)位信號判斷通訊狀態(tài)。一旦歸零，說明OPC通訊中斷或APC控制器故障，將立即切除APC控制器，并發(fā)出提醒，引起操作人員注意，同時將回路控制恢復(fù)到DCS控制模式。

3.3 APC 模式安全切換邏輯

ECS-700系統(tǒng)的回路控制程序由功能塊（FBD）編寫，對控制源和控制方式的選擇上有時間順序的要求。操作人員切換控制模式的步驟應(yīng)為：①確認(rèn)操作參數(shù)在工藝指標(biāo)范圍內(nèi)；②控制回路處于DCS自動狀態(tài)；③對應(yīng)的APC控制器處于投用狀態(tài)；④將控制回路切換至APC模式；⑤等待一個周期確認(rèn)回路狀態(tài)是否正確。

手操器回路一般應(yīng)用于煙道擋板、變頻器控制等。APC模式下，APC控制器控制手操器功能塊的輸出值（MV）。

單回路PID使用最為廣泛。DCS模式下，操作人員通過回路控制面板切換手/自動狀態(tài)，改變回路輸出值和設(shè)定值。APC模式下，利用PID功能塊中控制模式參數(shù)的順序變化，APC控制器對PID功能塊的設(shè)定值（SV）、串級設(shè)定值（CSV）、輸出值（MV）進(jìn)行控制。

串級回路PID 一般用于滯后較大、干擾作用強(qiáng)、對控制質(zhì)量要求較高的場合。DCS模式下，操作人員切換至串級控制調(diào)整主回路設(shè)定值。在APC模式下，利用主副回路PID功能塊中參數(shù)的順序變化，對2個PID功能塊的設(shè)定值（SV）、串級設(shè)定值（CSV）、輸出值（MV）進(jìn)行控制。下面以串級回路PID為例，簡要介紹安全切換邏輯的組態(tài)策略。

當(dāng)APC 控制器操縱變量（MVs）中的DCS 位號對應(yīng)串級PID回路中副回路的串級給定值（CSV）時，說明APC 控制器在該回路對串級回路進(jìn)行控制。APC 將控制副回路的串級給定值（CSV），從而改變副回路輸出參數(shù)（MV），控制現(xiàn)場設(shè)備。切換程序見圖2。

當(dāng)回路處于DCS模式時：主回路的輸出（MV）連接副回路的串級給定值（CSV），副回路的輸出（MV）連接現(xiàn)場設(shè)備。投用串級回路順序?yàn)椋孩俑被芈非袚Q至自動；②副回路切換至串級；③主回路切換至自動。

APC模式切換：當(dāng)APC控制器通訊正常，APC控制器開關(guān)處于投用位置，串級副回路處于自動狀態(tài)，串級主回路處于程序手動狀態(tài)，此時將APC回路的投用開關(guān)置為ON位置，即切換至APC模式。

切換至APC模式后：APC回路狀態(tài)指示為ON，操作畫面中該回路狀態(tài)顯示為MV。

副回路手自動控制源（MAN_OPT）置為ON，切換至程序控制模式；副回路內(nèi)外給定控制源（SV_OPT）置為ON，回路定值受程序控制使用串級給定值CSV。副回路處于程序自動模式，串級給定值（CSV）接收APC控制器預(yù)測值進(jìn)行控制，即APC控制器介入回路控制，且副回路功能塊面板將處于不可調(diào)整狀態(tài)。

主控制器手自動控制源（MAN_OPT）置為OFF，主控制器程序手自動控制源選擇（PSWAM）滯后置為OFF，主回路進(jìn)入手動狀態(tài)，并與副回路原有的串級連接中斷，但由于原串級回路程序中的上下級功能塊保持連接，主回路輸出MV 會跟隨副回路的串級給定值（CSV）變化。

切換回DCS 模式：主、副回路手自動控制源（MAN_OPT）、副回路程序手自動控制（PSWAM）、副回路程序內(nèi)外給定（PSWSV）同時變?yōu)镺FF，副回路內(nèi)外給定控制源選擇（SV_OPT）滯后變?yōu)镺FF，副回路串級給定值（CSV）切換為主回路輸出值（MV），切換無擾動。串級控制的主回路保持手動狀態(tài)，副回路回到自動控制狀態(tài)。

由上述邏輯描述可看出，受到AND 邏輯塊的限制，切換條件中有任意一項(xiàng)不滿足，都不能進(jìn)行控制模式切換。且在APC模式運(yùn)行下，出現(xiàn)通訊故障必然會導(dǎo)致切換條件中有不符合項(xiàng)，因此控制模式會自動無擾切換回DCS模式，而不影響控制回路運(yùn)行。說明安全切換邏輯達(dá)到了之前的設(shè)計(jì)要求，具有良好的安全性、穩(wěn)定性和可靠性。

圖2 PID串級回路切換程序

4 安全切換程序在線測試與應(yīng)用

切換程序下裝前，檢查各個參數(shù)是否連接正確，并與工藝溝通確認(rèn)現(xiàn)場執(zhí)行器運(yùn)轉(zhuǎn)良好。數(shù)據(jù)庫下裝后，測試控制回路操作調(diào)節(jié)和切換功能是否完好。

確認(rèn)裝置生產(chǎn)平穩(wěn)無波動后，操作人員首先將APC控制器投入運(yùn)行。通訊正常后，將需要投入APC的控制回路投入自動狀態(tài)，之后將該回路的獨(dú)立開關(guān)切至ON，進(jìn)入APC 模式。當(dāng)控制回路狀態(tài)指示為APC 模式運(yùn)行后，再將控制模式切換為DCS 模式。確認(rèn)控制參數(shù)未發(fā)生突變。

模擬在APC模式下出現(xiàn)通訊故障，確認(rèn)控制回路參數(shù)受到安全邏輯的限制，均恢復(fù)到DCS自動狀態(tài)，各控制參數(shù)保持不變，無擾切換完成。

5 結(jié)論

在實(shí)際應(yīng)用中，由于受到安全切換邏輯的約束，APC控制器投用效果良好，切換時DCS運(yùn)行平穩(wěn)，未出現(xiàn)APC誤動作導(dǎo)致DCS參數(shù)突然變化的情況。經(jīng)測試和實(shí)際使用，切換方式操作合理可靠，組態(tài)方案簡化，減輕了操作人員和儀表維護(hù)人員的負(fù)擔(dān)。實(shí)現(xiàn)了DCS控制與APC控制的無擾切換，確保裝置平穩(wěn)運(yùn)行，并在其他裝置推廣使用。