綠色工廠控制系統節能設計方案探析

王謹，楊金城

（中石化揚子石化有限公司，南京210048）

石化工業的原料來源于自然界天然形成的化石能源，主要有石油、天然氣、煤炭、頁巖氣、煤層氣等品種。這些原料具有稀缺性、不可再生性、開采成本高等特點。全球已探明的石油儲量僅可使用50年，如中國大慶油田，現在采出的原油中含水量高達85%以上，可見原油開采越來越難。儲量比較豐富的煤資源也僅能使用220年［1］。由此可見地球上人類賴以生存的能源是有限的，如不控制自然資源的消耗，若干年后，世界能源將會枯竭。

按照世界能源委員會在1979年對節能提出的定義：“采取技術上可行、經濟上合理、環境和社會可接受的一切措施，來提高能源資源的利用效率”［2］。

科學技術的飛速發展，促進了測控技術的快速發展，從技術層面上來分析，測控技術的進步主要體現在向數字化、智能化、網絡化、微型化四個方向發展，以軟件功能代替硬件功能，用軟件解決信息處理、信息計算、信號模擬、仿真等多種功能。軟件替代硬件，硬件向小型化、微型化方向發展，由此可以節約大量的自然資源。

在石化行業，從傳統的全模擬儀表到數字化的第一、第二代DCS，再到最新的現場總線控制系統，軟件技術的應用發展是很主要的，控制系統從以硬件結構為主體的構成模式，上升到以軟件應用為主，軟件應用量達到70%以上，使得控制室內的二次儀表徹底消失，這是控制現代化的里程碑。由于采用了計算機控制系統，使生產裝置的規模可以向大型化、超大型化方向發展，大型聯合生產裝置應用而生?？刂七^程更加精確、安全，上、下游裝置之間的銜接更加流暢，以過程數據為核心的工廠信息系統（MES）得到開發應用，生產實時優化（APC＆RTO）得到重視和應用，企業資源計劃管理系統（ERP）等管理現代化手段得以實現。因此，能源的利用效率進一步提高，為各項目的運行節約了大量的成本。

1 電子信息技術的發展

科學技術的飛速發展，促進了測控技術的快速發展，新成果不斷涌現。

1.1 儀器儀表關鍵技術的發展

a）信息獲取技術：傳感器技術、精密測試技術、智能儀表技術、現場溯源技術。

b）精密測試技術：自動測量技術、在線測試技術、多參數綜合測量技術、視覺測量技術、人工智能測試技術、測試軟件技術、微成像技術、儀器儀表標定技術。

c）智能儀表技術：專用電路技術、現場信號集成技術、傳感變送一體化技術。

1.2 信息處理控制技術

a）現場總線技術：微計算機技術、集成電路技術、通信技術、網絡互聯技術、現場控制技術。

b）智能控制技術：模糊控制技術、專家控制技術、神經網絡控制技術、自適應控制技術。

c）系統集成技術：多媒體技術、故障診斷技術、通信接口技術、數據技術。

2 儀表技術的發展趨勢

儀表技術向數字化、智能化、網絡化、微型化方向發展。

a）數字化、智能化。由于微電子技術的進步，儀器儀表產品進一步與微處理器、PC機融合，使儀器儀表的數字化、智能化水平不斷提高。以美國德州儀器公司提出的“DSP”概念為先導，配合先進的混合信號電路、ASIC電路、元件及開發工具等提供整個應用系統的解決方案。測控儀表廣泛地應用超大規模集成電路、SMP表面貼裝、多層線路板印刷、圓片規模集成（WSI）等新技術、新工藝，促進了測控技術的發展。

b）網絡化。當前國際上現場總線技術與智能儀表迅速發展，HART，FF，Profibus，Lonworks，WorldFIP，CAN等總線都在某一領域得到很好的發展。多種形式的儀表管理網絡應運而生，如設備管理網絡普遍在項目中應用。在線色譜儀與其他在線分析儀全面提供網絡功能，方便管理和診斷；在線質量流量計通過網絡化可以提供介質的多種參數和屬性數據。

c）微型化。微機電系統（MEMS）技術是20世紀80年代末期最重要的技術之一，其中之一是傳感器和信號處理技術，其核心是儀表微型化技術，應用MEMS技術的儀表稱為芯片上的儀表。

d）智能控制技術。包括模糊控制技術、專家控制技術、分級遞階智能控制技術、神經網絡控制技術、擬人智能控制技術、自適應控制技術等。

e）系統集成技術。包括多媒體技術、故障診斷技術、通信接口技術、數據技術等。

f）材料技術。儀表的智能化逐步向通用模塊化及即插即用方向發展。目前科學儀器已遠遠超出“光機電一體化”，除了引入智能技術，還大量引進納米、MEMS、高性能芯片、網絡、通信、無線技術、仿真學、基因工程等新技術，大力促進了工業控制水平的提高，也促進了控制系統和儀器儀表節能技術的進步。

g）軟儀表技術、虛擬儀器的發展。進入21世紀，軟儀表、虛擬儀器的概念在業界引進轟動，實際上軟儀表、虛擬儀器就是用計算機的數字化測量運算的一種儀器，通過生產裝置內的相關模型建立軟儀表，實現一些復雜的測控功能，如乙烯、丙烯精餾塔的質量控制，聚合物裝置的熔體流動速率檢測，煉油裝置的閃點檢測等復雜功能均得以實現，但這些模塊的數據源還是來自于現場的檢測儀表。這些軟儀表提供的計算功能豐富、強大和靈活，可以根據需要及時調整模型。

h）儀表集成技術的發展。從原理上來講，現在的儀表可以做到火柴盒大小。在電磁閥等常見大功率器件中，可以通過提高線圈的集成技術，降低功率消耗，從而實現節能。電源模塊的設計也充分將大功率器件小型化設計，使得體積縮小一大半，從而使模塊的散熱量也大幅度地減少。

提高控制模塊的集成度和硬件的通用性是技術發展的方向之一，Emerson最新推出的SIS，只提供一種I／O模塊，輸入／輸出功能由軟件定義，該模塊體積小，耗電量低，還具有通信功能。

3 控制系統的節能設計理念

3.1 DCS的應用狀況

以Honeywell公司為例分析該公司控制系統的技術發展歷程。從20世紀80年代第1套DCS開始在國內石化生產裝置應用，至今已有270余套DCS在運行系統，約80%是TDC3000系統（少部分TDC2000系統），其升級版本為TPS，屬于該公司20世紀80年代初到90年代末的產品。

3.2 早期TDC3000／TPS3000系統技術

從目前的技術角度看，TDC3000／TPS3000系統技術已經落后了。其中有些系統的運行周期接近或超過15a，從產品的生命周期來講已進入故障高發時期，已經影響到裝置的正常運行。TDC3000／TPS3000系統結構如圖1所示。

圖1 TDC3000／TPS3000系統結構

3.3 新一代PKS系統的特點

PKS C300是Honeywell近年來推出的新一代控制系統，包含了Honeywell 30年來在過程控制、資產管理、行業知識等方面積累的經驗，采用先進的開放平臺和網絡技術，為工業企業提供一個統一的、全廠化的，集自動過程控制、設備和資產管理、操作管理、生產管理、集成制造等為一體的知識系統結構和全系列的解決方案，PKS系統框架如圖2所示。

圖2 PKS系統結構示意

3.4 TPS和PKS性能分析

從圖1和圖2的對比可以分析出：TPS系統采用的是局域控制網絡（LCN），網絡采用的是IEEE 802.4通信協議，每條網絡最多可以掛接32對冗余設備，網絡上主要設備有 HM，AM，HG，PLCG，PLNM，NIM，US，GUS等，與過程相連接的設備必須掛接在NIM下面的UCN網絡上，過程的I／O信號必須通過NIM來轉換通信。系統結構復雜，HM，AM，HG，NIM，PLCG，PLNM，US，GUS等設備有多個模塊構成，導致設備的購置費用過大，能耗增加，容易發生故障。另外每個控制器的機柜內必須配置冗余的電源組件和蓄電池組，導致機柜占用空間大，造成控制系統公共部分占用空間過大。

以太網是應用廣泛的、標準化的通信結構，它采用多種通信介質（同軸電纜、雙線電纜、光纖、無線電）進行通信，并且與上層通信軟件相結合形成了眾多局域網基礎［3］。新一代的控制系統已由復雜的、多功能的網絡結構轉變為以簡單的功能模塊結構和以通用服務器為主體的新型以太網絡架構，實現了控制數據和信息數據流的集成，簡化了硬件結構，從而達到了減少占用空間，節能降耗的目標?？刂葡到y的信息化、智能化能力也得到極大的提高。PKS系統具有下列節能優勢：

a）高速工業容錯以太網FTE（Fault Tolerant Ethernet）構成的新型控制系統，提高系統的可靠性和開放性。FTE提供了4路冗余通信專利技術，可通過網絡通信接口與控制器、操作站、服務器、第三方設備及其他PC機連接通信，避免了因單點故障引起的系統癱瘓，極大地提高了系統的性能?；诳刂茍绦协h境的CEE控制器可同時掛接兩個I／O網絡，提高了系統的集成度，節省了成本。以通用PC機構成工程師站、操作站，從而節省了大量的購置成本，提高了設備的通用性。工程師站既可以作為系統的配置與組態工具，又可以作為數據服務器實現對過程數據的保存和存檔。

b）取消了卡籠箱，系統應用更加開放，空間浪費更少。

c）取消了FTA，從而也取消了50芯連接電纜，使安裝密度提高30%以上，減少了機柜占地面積，節省采購費用。

d）供電采用導軌式設計，使安裝更加方便，提高了機柜的集成度。具有混合分布I／O卡件功能，使設計更加便攜，同時也減少了機柜閑置空間。

e）獨特的散熱管理技術，使系統壽命延長，有利于系統的穩定。

TPS與PKS控制系統的比較見表1所列。

表1 TPS與PKS控制系統比較

4 現場遠程機柜間設計

4.1 設計理念的變化

a）遠程技術的來源。早在20世紀80年代初，TDC2000系統中，就提出了遠程I／O的概念，即多路切換箱。每個采樣箱（多路切換箱）可以采集16路熱電偶信號，1條鏈路上可以配16個采樣箱共計采集256個點，通過Modbus方式組成1條非冗余的鏈路與DCS通信，地址通過BCD碼開關設置。由于當時通信技術比較落后，通信的可靠性不夠高，該方案僅用于溫度顯示點的測量，但沒用于比較重要的控制回路。這是早期在工業現場應用的通過現場通信總線方式的一個經典的數據采集方案，也是后來總線技術、遠程技術早期的版本。

b）遠程技術的發展。從2000年開始，一種新遠程I／O方案得到了用戶的重視。當時的設計理念是為解決距離較遠的設備的控制問題，如罐區、壓縮機組或其他公用工程系統，所檢測的點數一般在幾十點到上百點之間，一般僅用于信號的采集而不進行控制。這些產品的推出引起了市場的高度重視，之后眾多控制系統廠家也相繼開發出了遠程I／O的方案。

4.2 基本方法分析

2005年以來，隨著大規模的聯合裝置的推出，要將所有的信息綜合起來的要求越來越高。新的聯合裝置在設計時要求實現管控一體化，即以一個中心控制室作為信息流的處理和交換中心，實現人機會話并作為管理的集中處，外圍設計若干個機柜間，放置過程信號處理控制機柜，通信距離可以達到數千米以上。某1Mt／a乙烯裝置就是采用將控制站與操作站分開的方案，通過使用光纜代替大量的銅纜，以獨立路徑設置的雙回路光纜就可以安全地實現現場機柜間和中心控制室之間的數據傳遞。該項目總的I／O點數有1.4×105多點，節省的儀表電纜的數量有數百千米，整個項目節約的電纜費用和安裝費用經過核算約有五千多萬元。現在這種設計方式已越來越得到用戶的認可，在神華等多個大型項目中的應用案例也越來越多。

現場機柜間內的控制器獨立設置，與控制室之間傳送控制信息并執行指令，一旦與控制室之間發生通信問題，不會影響生產的安全?，F場機柜間的設置方便了維修，減少了人工消耗，也使控制室內的操作環境更加幽靜，更便于管理。因此，獨立設置機柜間是一項綠色節能的設計方案。

5 硬件旁路開關改為軟件旁路開關

通常在安全系統中設置有大量的旁路開關，傳統的設計方法是設置專用的旁路開關柜。這種設計方法增加了大量的儀表柜。新項目已取消了這種做法，而是采用專用的工作站方法，在工作站上設置軟件旁路開關，有的項目中也在操作站上直接設計旁路界面，以方便操作人員操作，這些設計都是綠色節能設計方案。

6 操作站雙屏顯示模式的設計

現在不少大型項目的聯合控制室中設置的操作站數量非常多，導致控制室的操作空間十分擁擠。為此在一些項目中將操作站設計成雙屏顯示模式，即1臺主機可以用2臺顯示器來顯示，使用多頻顯示軟件，操作人員可以同時打開更多的操作畫面，減少來回切換的頻率，減少勞動強度，以提高操作效率。這種設計最大好處是可以適當地減少操作員站的數量，從而也減少了控制室的使用面積，減少了投資成本。

7 現場總線控制系統的應用

現場總線是用于現場儀表與控制系統和控制室之間的一種全分散、全數字化、智能、雙向、互聯、多變量、多點、多站的通信網絡［4］。現場總線控制系統是另外一種先進的全數字化的控制系統，在國內的典型應用有上海賽科石化、中石化福建煉化、廣東惠州中海殼牌乙烯工程?，F場總線充分發揮軟件的功能，以軟件功能的大幅度提升直接減少了耗電量多的硬件設備，據統計現場總線控制系統的軟件在系統中占有的比重已超過了70%，從而使系統具有極高的優越性。應用現場總線控制系統有以下優點［5］：

a）節省硬件數量與投資。由于現場總線控制系統中分散在設備前端的智能設備能直接執行傳感、控制、報警和計算功能，因而可減少變送器的數量，不再需要單獨的控制器、計算單元等，也不再需要DCS的信號調理、轉換、隔離等功能單元及其復雜接線，還可以用普通PC機作為操作站，從而節省了硬件投資。由于設備的減少，還可減少控制室的占地面積。

b）節省安裝費用。現場總線的接線十分簡單，1對雙絞線或1條電纜上通常可掛接多個設備，因而電纜、端子、槽盒、橋架的用量減少，連接設計與接頭校對的工作量也大幅減少。據有關典型的工程測算，可節約安裝費用60%以上。

c）現場總線控制系統不但具有高度的自診斷能力，也具有簡單的故障處理能力，并可以通過設備管理系統進行維護。系統內的狀態非常透明，用戶只要在管理服務器上查看相關的信息并對故障進行相關的修復即可，維護簡單方便，從而縮短了維護停工時間。

d）用戶具有高度的系統集成主動權?，F場總線控制系統可以應用多種廠家生產的具有總線通信能力的產品，從而在選擇儀表時具有更大的彈性，用戶在系統集成時具有更多的自主權。

e）提高了系統的準確性與可靠性?，F場總線控制系統是高度智能化、數字化的控制系統，軟件應用量大幅度上升，減少了易出故障的硬件模塊，從而減少了系統故障，提高了可靠性和準確性。

現場總線在實際應用中的主要困難是傳統控制系統的應用習慣在目前的用戶中難以改變，現用的控制系統無法與現場總線控制系統直接對接。因此熟悉并消化這項技術需要一個過程。另外，國際現場總線基金會的標準不統一，使得儀表通用性比較差，各種儀表之間的兼容性不理想。

8 現場智能儀表和低功率儀表的應用

8.1 智能儀表

新一代的智能儀表具有體積小、功耗低、性能好等特點，儀表功能豐富，1臺多功能儀表往往可以替代傳統的數臺儀表，儀表的質量和體積都大幅度減小。比如1臺Emerson 3051變送器的體積僅相當于早期的1151型變送器的20%，相當于YOKOGAWA的6461變送器的10%。另外新型儀表具有多種通信和診斷功能，儀器設計上的變化使儀表的性能更優越，維護更方便，對于工業過程的測量優化起到了關鍵的作用。

8.2 智能調節閥

通常調節閥是高阻力的控制部件，智能調節閥必須配置智能定位器。智能定位器有只接受4～20mA直流信號的，也有接受HART信號的；還有只進行數字信號傳輸的現場總線閥門定位器［6］。選用智能定位器的優勢：

a）在選擇調節閥時盡量選用通用性好的智能定位器，以一體化連結方式為好，以方便互換，減少安裝底板的消耗。

b）智能定位器采用節氣技術，可以減少儀表空氣的消耗。

c）智能定位器具有多種功能，可以很方便地傳輸多種信號，使維護更方便。

合理選擇控制閥的控制特性和泄漏等級是實現節能控制的重要因素，要針對不同的工況選擇合適的調節閥，保證生產控制的需要。

8.3 低功率電磁閥

電磁閥是自動控制系統中執行安全控制的元件，在控制系統中起到關鍵的作用。從2000年開始，電磁閥正以其低功耗、質量輕、NAMUR標準化連接、彈簧排氣腔、E－matal涂層等先進技術占領市場。新型低功耗電磁閥的發展，促進了節能降耗技術的發展，也促進了儀表設計技術的進步。

電磁閥的功耗越大，線路電流就越大，線路壓降也大，傳輸距離就短，所選擇的輸出卡件的電流就越大，這樣導致了線路上的能耗大，而布線不宜過長，否則電磁閥工作電壓過低不能正常工作。若增加中間繼電器隔離，就會導致中間環節增多，系統的可靠性變差，而且不能實現回路診斷功能。早期設計的一些裝置上所用的電磁閥經常采用220V或110V交流電源，就是為了解決線路壓降的問題。但是交流電源傳輸到現場，無法構建本安回路，對檢修、維護很不方便，存在安全隱患。因此，當低功耗的直流電磁閥一經推出，就立即引起市場的高度關注并獲得廣泛應用。

通常瑞士歐根－賽馳（Eugen Seit）常規直動式電磁 閥 的 功 率 是 13W／24V（DC），電 流 為0.542A；而如果改用低功耗電磁閥，則電磁閥的功耗為1.8W／24V（DC），電流為0.075A［7－8］。后者的電能損耗約是前者的14%。在有些特殊的場合，如透平機、壓縮機上會用到大功率電磁閥，能耗高，發熱量大，影響電磁閥的安全使用，在這種應用中盡量改用低功率電磁閥驅動氣缸式閥門進行操作，以實現低能耗設計。

8.4 儀表設備管理系統的開發和應用

儀表設備管理系統是在無需增加任何硬件的基礎上開發應用，對運行在現場的儀表設備進行網絡化管理，提高現場儀表的運行診斷率有突出的作用。通過定期診斷儀表的狀態，可以實現現場設備的預防性維護。它的使用對于減少儀表維護工作量，減少人工成本具有一定的作用。

8.5 開關電源模塊

在2000年以后，西門子、菲尼克斯、魏德米勒等公司開發的開關電源，使用了高性能的電源轉換器，使得開關電源技術有了突飛猛進的發展。具有體積小、功耗低、性能好、品種多、組合靈活、價格低廉等特點，一經推出，就獲得市場的認可，解決了過去電源系統的結構復雜、功率高、體積大、故障多的問題。新型的開關電源，只要選擇同功率的電源模塊做關聯設計，并通過解耦模塊輸出即可實現安全供電。當傳輸線路長，現場電壓比較低時，可在模塊上根據現場電壓進行調節。

9 應用新型節能儀表

傳統的流量儀表通常由一次節流裝置和二次測量儀表構成，其運行能耗主要是工作所產生的，包括儀表本體的電力消耗以及測量過程中推動流體通過儀表所消耗的能量。

9.1 平衡流量計

平衡流量計是一個多孔的圓盤節流整流器，安裝在管道的截面上，每個孔的尺寸和分布基于獨特的公式和測試數據定制，又稱為函數孔。當流體穿過圓盤上的函數孔時，流體將被平衡整流，渦流被最小化，形成近似理想流體，通過常規的取壓裝置，可獲得穩定的差壓信號，然后根據伯努利方程計算出體積流量、質量流量。平衡流量計優勢在于將多孔整流器和測量孔板合二為一，能最大限度地將流場平衡調整成理想狀態，從而將差壓式流量計的優勢發揮到極致［9］。

平衡流量計的測量精度比傳統節流裝置高5～10倍，流動噪聲為傳統節流裝置的67%，永久壓力損失約33.3%，壓力恢復快2倍，最小直管段可以小于0.5 D；沒有活動的部件，安裝和使用方便簡單，可省去大量直管段，減少了流體運行所需的能量消耗，是一種具有廣闊應用前景的節能儀表。

據測算當采用1臺孔板時，能耗換算成年度電費約為3萬元；當采用平衡流量計測量時，單臺能耗換算成年度電費約為1萬元；采用德爾塔巴流量計測量時，單臺能耗換算成年度電費約為600元。1套普通的裝置至少也有上百臺流量孔板，如果全部使用節能儀表，就能節省大量的動力輸送能量。

9.2 德爾塔巴流量計

流量測量技術十分復雜，流量計的種類繁多。研究分析流量測量技術，對于推廣節能型流量計的應用具有極高的價值。近年來新推出的一批流量儀表，采用隱藏式傳感器的設計方法，對流體的傳輸沒有阻力影響。因此在測量過程中不產生傳輸能耗。這類儀表有超聲波流量計、電磁流量計、渦街流量計、熱式流量計等，幾乎沒有壓損，能實現真正的節能傳輸。

德爾塔巴流量計是插入式流量計中壓損比較小的儀表，在管道中插入1根德爾塔巴傳感器，當流體流過傳感器時，在其前部迎流方向產生1個高壓分布區，在其后部產生1個低壓分布區。德爾塔巴傳感器的曲面設計具有壓損小、易準確測量，使得德爾塔巴流量計的應用廣泛，可用于測量干燥氣體、潮濕氣體、液體或蒸汽等介質，不受介電常數限制。適用通徑廣，從3mm～15m的各種規格的管道都可以測量。德爾塔巴流量計的壓力損失只有孔板的5%～10%。因此選擇該流量計替代普通的孔板可以達到理想的節能效果。常用流量計的壓損比較見表2所列。

表2 常用典型流量計壓損比較

10 控制器性能的改善

10.1 國內企業控制回路的狀態分析

近幾年，在國內生產企業實施APC和RTO已蔚然成風。實施先進控制可以提高產品收率、減少能耗物耗，是確保裝置運行平穩且節能的重要舉措。

但在國內的煉油和化工生產過程中，約85%的控制回路是簡單的PID控制回路，并且各企業普遍存在參數整定不理想、控制回路投用自動率不高、調節余差大或穩定性差等問題，影響生產裝置的收率，也不利于節能降耗。APC實施后大多處于擺設狀態，投入的資金起不到應有的作用。PID與目前常用先進控制之間的關系如圖3所示。因此，研究并解決控制回路中存在的PID問題，并使自控率提高到95%以上，是企業的強烈愿望。燕山石化、揚子石化等單位與北京化工大學合作開展了這方面的研究，使裝置的自控率達到了98%以上，取得了好的效果。

圖3 PID與目前常用先進控制之間的關系

10.2 解決控制器PID參數問題的方法

a）根據不同對象的不同特點，選定不同類型的控制器［10］。

b）對于選定的PID控制形式，根據對象的具體特點，用先進控制去整定PID參數，使對象穩定、響應速度快、控制精度高。

用先進控制的思想來整定PID控制器的形式和控制參數，既保留了先進控制的優點，又保持了PID的魯棒性，并且避免了一些先進控制單獨應用的缺點。圖4描述了PID控制與內?？刂浦g的等價關系，可以從內模控制GC求解出PID控制器的C（S），得到正確的PID參數，完成內模PID參數的整定，并且整定后的PID參數具有內模先進控制的優點。

圖4 用內?？刂普ǖ腜ID控制器參數原理

開展控制器優化與PID參數整定是解決當前PID控制問題的有效方法。在裝置正常生產與裝置不產生干擾的情況下實施裝置的控制器優化與PID參數整定，可以提高自控率，改善控制效果，提高裝置效率，降低裝置能耗。

11 結束語

國家節能減排目標的提出推動了控制技術的進步，而儀表和控制系統的設計及應用是一項復雜的系統工程。為了開展此項工作，必須要從方案的設計規劃、儀表的選型、方案的選擇和執行以及運行管理的全過程進行控制?？刂破鞯腜ID參數優化和控制模式的提升是工廠運行過程中重要的工作，開展好先進控制（APC＆RTO）有利于實現優化生產指標，充分實現精確控制，減少人工操作過程中的誤差，有利于節能工作的開展。研究生產過程中的節能問題，針對性地提出解決方案并加以改進是企業經營中一項長期而艱巨的工作。

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