工業(yè)生產(chǎn)中先進(jìn)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)安全性的改進(jìn)

徐進(jìn)濤

(中國(guó)石化上海石油化工股份有限公司芳烴部，200540)

工業(yè)生產(chǎn)中先進(jìn)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)安全性的改進(jìn)

徐進(jìn)濤

(中國(guó)石化上海石油化工股份有限公司芳烴部，200540)

介紹了先進(jìn)控制系統(tǒng)(APC)控制結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成及其在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用，針對(duì)以往APC系統(tǒng)直接向集散控制系統(tǒng)(DCS)寫數(shù)值的情況，提出了在APC系統(tǒng)項(xiàng)目中優(yōu)化改進(jìn)措施，通過在DCS系統(tǒng)中新增防止APC系統(tǒng)向DCS系統(tǒng)寫異常值的程序，防止了APC系統(tǒng)異常導(dǎo)致生產(chǎn)波動(dòng)，提高了APC系統(tǒng)與DCS系統(tǒng)的安全性。

先進(jìn)控制系統(tǒng) 安全性 改進(jìn)

目前，世界上各主要石油公司都把提高生產(chǎn)過程自動(dòng)化水平作為少投入、多產(chǎn)出、快速挖潛增效、提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的有效途徑。先進(jìn)控制技術(shù)(APC)采用矩陣控制理論，通過裝置階躍測(cè)試，收集大量數(shù)據(jù)，進(jìn)行模型辨識(shí)，建立多個(gè)變量之間的關(guān)聯(lián)模型，將被控對(duì)象作為一個(gè)整體來處理，然后在比例-積分-微分(PID)單回路控制之上建立一個(gè)或幾個(gè)大的控制器，同時(shí)兼顧到多個(gè)變量之間相互變化的能力和設(shè)備能力，經(jīng)過預(yù)測(cè)、優(yōu)化出調(diào)節(jié)量后在線傳輸?shù)絇ID控制器的設(shè)定點(diǎn)上，對(duì)整個(gè)裝置進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制。

它與常規(guī)控制有明顯的不同，它是對(duì)被控對(duì)象(如反應(yīng)器等)進(jìn)行多變量控制而不是單回路控制，而且被控變量也由傳統(tǒng)的溫度、壓力、流量、液位四大參數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)和設(shè)備負(fù)荷，大大提高了整個(gè)裝置的平穩(wěn)性，為卡邊操作、挖掘效益創(chuàng)造了條件；同時(shí)石油化工生產(chǎn)過程復(fù)雜，建立精確數(shù)學(xué)模型非常困難，而應(yīng)用預(yù)估控制技術(shù)則降低了對(duì)數(shù)學(xué)模型精度的要求。

1 APC系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用

以某煉化企業(yè)600 kt/a 對(duì)二甲苯(PX)裝置為例，裝置興建于2009年，涉及到的裝置有重整、抽提、歧化、吸附分離、異構(gòu)化、二甲苯等裝置。裝置集散控制系統(tǒng)(DCS)采用霍尼韋爾公司的TPS系統(tǒng)，聯(lián)鎖系統(tǒng)采用TRICONEX公司的TRICON系統(tǒng)，新增APC項(xiàng)目采用的是Aspen Tech 公司DMCplus系統(tǒng)。

1.1 APC系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)

項(xiàng)目采用的APC系統(tǒng)是Aspen Tech 公司DMCplus控制系統(tǒng)，其核心內(nèi)容是DMC控制器，具體APC系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 APC控制結(jié)構(gòu)

DMC控制器通過DCS系統(tǒng)上的APP節(jié)點(diǎn)與DCS系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，從DCS系統(tǒng)上實(shí)時(shí)采集操作變量(MV)的數(shù)值、控制變量(CV)的值，前饋?zhàn)兞?DV)的值，經(jīng)DMC控制器的DMCplus Model模型計(jì)算得出操作變量MV的目標(biāo)值，該值的計(jì)算依據(jù)是產(chǎn)品質(zhì)量最佳、產(chǎn)量最高、物耗最低。實(shí)現(xiàn)操作變量MV目標(biāo)值的控制器操作過程力求平穩(wěn)并分布進(jìn)行，以確保控制變量CV在合理上下線范圍內(nèi)波動(dòng)。操作變量MV的控制結(jié)果最終寫入DCS系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)控制器的閉環(huán)優(yōu)化操作過程。其中預(yù)測(cè)、線性規(guī)劃、動(dòng)態(tài)控制是DMCplus的重心所在，其控制過程依據(jù)DMCplus的離線模型[1]。

1.2 APC系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成

APC系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示，整個(gè)系統(tǒng)由兩層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，第一層是APC系統(tǒng)局域網(wǎng)、第二層為公司的內(nèi)部網(wǎng)，在局域網(wǎng)上有APC服務(wù)器、APP節(jié)點(diǎn)、冗余交換機(jī)，DCS系統(tǒng)通過OPC工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口實(shí)現(xiàn)DCS系統(tǒng)與APC服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)傳輸。在公司內(nèi)部網(wǎng)上主要由各類辦公電腦組成，而硬件防火墻作為公司內(nèi)部網(wǎng)與局域網(wǎng)連接的關(guān)卡，只允許特定的IP賬號(hào)的用戶通過防火墻訪問APC系統(tǒng)服務(wù)器。

圖2 APC系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

1.3 APC系統(tǒng)服務(wù)器與DCS系統(tǒng)的連接

項(xiàng)目中DCS系統(tǒng)采用的是Honeywell公司的TPS系統(tǒng)，APC服務(wù)器與DCS通訊采用OPC技術(shù)，所需的OPC接口為Honeywell 公司的APP NODE OPC，OPC服務(wù)器為DCS系統(tǒng)上LCN網(wǎng)絡(luò)的APP節(jié)點(diǎn)，其節(jié)點(diǎn)名為AM55。項(xiàng)目一共設(shè)置了4臺(tái)APC服務(wù)器，其中2臺(tái)作為重整裝置、抽提裝置的APC冗余服務(wù)器，另外2臺(tái)作為歧化裝置、吸附裝置的APC冗余服務(wù)器，APC服務(wù)器通過冗余交換機(jī)后，再經(jīng)OPC服務(wù)器從DCS系統(tǒng)上讀取所需的數(shù)值，或者向DCS系統(tǒng)寫下所需的數(shù)值。

1.4 監(jiān)控平臺(tái)客戶機(jī)訪問APC服務(wù)器流程

有APC服務(wù)器訪問權(quán)限的客戶必須使用特定的IP地址登陸公司內(nèi)部網(wǎng)才能通過硬件防火墻，然后經(jīng)過本地冗余交換機(jī)中的任意一個(gè)即可以訪問任意一臺(tái)的APC服務(wù)器。這樣監(jiān)控平臺(tái)的用戶就可以坐在公司辦公室對(duì)APC控制器投用率、控制器投用情況實(shí)時(shí)進(jìn)行監(jiān)控、調(diào)整。

2 先進(jìn)控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中的改進(jìn)

2.1 存在的問題

以往項(xiàng)目中APC系統(tǒng)向DCS系統(tǒng)寫值方式是APC控制器通過模型算出操作變量的SP值或者OP值，直接通過APP節(jié)點(diǎn)修改DCS系統(tǒng)上操作變量的SP值或者OP值。具體見圖3所示。APC控制器直接通過APP節(jié)點(diǎn)向DCS系統(tǒng)寫值的方法，曾經(jīng)在其他單位出現(xiàn)過在控制器投用過程中向DCS系統(tǒng)寫入錯(cuò)誤值的問題，導(dǎo)致裝置生產(chǎn)發(fā)生波動(dòng)的情況。

證明 (ⅰ) 當(dāng)a>λ1且時(shí),系統(tǒng)(3)沒有半平凡解(0,θd),分量為0的解只有(0,0)和(θa,0),由引理5的(ⅰ)—(ⅴ)及不動(dòng)點(diǎn)指標(biāo)可加性可知

圖3 APC系統(tǒng)向DCS系統(tǒng)寫值方式

2.3 改進(jìn)方案

為了確保APC控制器向DCS系統(tǒng)寫入正確無誤的數(shù)值，同時(shí)為了提高APC與DCS系統(tǒng)的安全性，提出新的改進(jìn)方案，即在霍尼韋爾公司的TPS系統(tǒng)的AM應(yīng)用模塊上新建復(fù)雜CL程序，當(dāng)APC系統(tǒng)需要向DCS系統(tǒng)寫值時(shí)，首先將需要寫的值存入中間點(diǎn)中，然后看中間點(diǎn)是否符合防止APC系統(tǒng)向DCS系統(tǒng)寫異常值程序設(shè)定的條件要求，只有符合設(shè)定的條件后才能將中間點(diǎn)寫入DCS系統(tǒng)中，否則數(shù)據(jù)被拒絕寫入。

以APC系統(tǒng)項(xiàng)目中操作變量FC22304為例子，其中MF22304代表APC系統(tǒng)算出的需要給操作變量FC22304.SP賦值的中間值寄存點(diǎn)。而MFC22304.LOOPST代表操作變量FC22304的控制模式，當(dāng)MFC22304.LOOPST的值為0時(shí)代表操作變量FC22304未投用先進(jìn)控制模式，當(dāng)MFC22304.LOOPST的值為1時(shí)代表操作變量FC22304投用先進(jìn)控制模式，MD22304代表從工藝角度理解APC系統(tǒng)每次允許改變FC22304.SP的最大值。MFC22304.DMCSTAT代表操作變量FC22304投用開關(guān)狀態(tài)，當(dāng)其值為0時(shí)代表操作變量FC22304投用開關(guān)已投用。

具體程序功能如下，當(dāng)操作變量FC22304處于未投用APC模式，此時(shí)中間點(diǎn)MF22304.PV的值等于FC22304.SP，而當(dāng)操作變量FC22304處于APC模式并且操作變量FC22304.DMCSTAT投用開關(guān)已投用，此時(shí)如果中間點(diǎn)MF22304.PV與FC22304.SP的差值的絕對(duì)值小于等于最大允許差值MD22304.PV后，MF22304.PV會(huì)賦值給FC22304.SP，否則FC22304.SP將保持原來值不變。

具體編程代碼如下：

IF MFC22304.LOOPST=0 THEN SET MF22304.PV=FC22304.SP IF(MFC22304.DMCSTAT=0 AND MFC22304.LOOPST=1 AND MF22304.PV-FC22304.SP>=0 AND MF22304.PV-FC22304.SP-MD22304.PV<=0) THEN SET FC22304.SP=MF22304.PV IF (MFC22304.DMCSTAT=0 AND MFC22304.LOOPST=1 AND MF22304.PV-FC22304.SP+MD22304.PV>=0 AND MF22304.PV-FC22304.SP<0) THEN SET FC22304.SP=MF22304.PV

2.4 先進(jìn)控制系統(tǒng)投用后的效果

改進(jìn)后的新APC系統(tǒng)投運(yùn)后，裝置操作更加的平穩(wěn)，工藝指標(biāo)控制更加精確，同時(shí)還降低了操作工的勞動(dòng)強(qiáng)度，降低了裝置能耗，折合經(jīng)濟(jì)效益每年可以為生產(chǎn)裝置節(jié)約400萬元。通過新增APC系統(tǒng)與DCS系統(tǒng)之間的防護(hù)程序，生產(chǎn)裝置自投用先進(jìn)控制系統(tǒng)以來未因APC系統(tǒng)原因出現(xiàn)生產(chǎn)波動(dòng)或者停車事故，提高了裝置的安全性，降低了裝置非計(jì)劃停車概率。

3 結(jié)束語

在DCS系統(tǒng)上新建防止APC系統(tǒng)向DCS系統(tǒng)寫異常值程序可以增強(qiáng)APC控制器運(yùn)行的安全性，同時(shí)還可以提高DCS系統(tǒng)的安全性，既而提高了裝置的安全性，為裝置的長(zhǎng)圓滿平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)保駕護(hù)航。同時(shí)在裝置出現(xiàn)聯(lián)鎖停車事故或者生產(chǎn)波動(dòng)時(shí)，可以首先基本排除是APC系統(tǒng)的問題，提高問題排查的速度及效率。

[1] 金立華.APC技術(shù)在燕化HDPE裝置上的應(yīng)用[J].石化技術(shù),2002，9(2):99-104.

韓國(guó)LG化學(xué)完成麗水丙烯酸和SAP擴(kuò)能項(xiàng)目

韓國(guó)LG化學(xué)位于韓國(guó)麗水的丙烯酸和高吸水樹脂(SAP)擴(kuò)能項(xiàng)目已經(jīng)完成。

該項(xiàng)目中的丙烯酸裝置產(chǎn)能從430 kt/a擴(kuò)至為510 kt/a，SAP產(chǎn)能從200 kt/a擴(kuò)至360 kt/a。LG作為韓國(guó)唯一的丙烯酸生產(chǎn)商，現(xiàn)已成為全球第五大丙烯酸生產(chǎn)商，第四大SAP生產(chǎn)商。

(中國(guó)石化有機(jī)原料科技情報(bào)中心站供稿)

Improvement of Data Safety for Advanced Process Control System in Industrial Production

Xu Jintao

(AromaticsDivision,SINOPECShanghaiPetrochemicalCo.,Ltd. 200540)

The control structure, network constitution and industrial application of advanced process control (APC) system were introduced. In view of the past situation that APC system directly writes value to the distributed control system (DCS), the measures for optimization of APC system were proposed, which prevented production fluctuation caused by abnormalities of APC system, and therefore improved the safety of APC system and DCS through adding a procedure preventing APC system from writing outliers to DCS.

APC system, safety, improvement

2015-08-28。

徐進(jìn)濤，男，1987年出生，2010年畢業(yè)于常州大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)，工學(xué)學(xué)士，助理工程師，主要從事于儀表管理工作，已發(fā)表論文1篇。

1674-1099 (2015)05-0055-03

TP202+.1

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