DCS自動控制方案的優(yōu)化與實現(xiàn)

韓 灝，熊敏智，張 川，吳 翔

（中國石油長慶石化公司，陜西咸陽 712000）

2017年長慶石化公司完成10余套主要裝置自控率提升改進(jìn)，達(dá)到全公司裝置自控率95%以上，為提升自控率，通過分析測試最終對DCS系統(tǒng)很多控制程序進(jìn)行了修改，優(yōu)化部分控制方案，取得很好的實際效果[1-4]。

1 控制方案優(yōu)化背景

長慶石化DCS全部采用ABB公司的AC800F控制系統(tǒng)[5]，在對DCS控制回路進(jìn)行投自動調(diào)節(jié)中，存在幾個主要問題造成投自動不穩(wěn)或者無法投，使自控率無法提高，歸納總結(jié)為以下幾條：

（1）在投自動過程中，有很多流量計儀表存在量程不夠、低流量不顯示、測量值波動大、出現(xiàn)過幾次瞬間歸零等情況；

（2）各裝置采用的工藝包內(nèi)有些控制方案或多或少不符合當(dāng)前的工藝操作條件，需要完善或優(yōu)化；

（3）部分裝置PID參數(shù)范圍過小，無法調(diào)節(jié)；

（4）測量儀表毛刺較大，影響到PID控制精度。

以上問題，除第一種情況需要檢查或者更換儀表外，其余問題需要修改各裝置DCS軟件組態(tài)程序，完成控制方案的變更和優(yōu)化，實現(xiàn)之前不具備的自動控制功能，并新增加很多實用性的控制方案。

2 DCS控制優(yōu)化的解決方案

長慶石化公司以安全實用為原則，在盡可能保持原有控制方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改和優(yōu)化組態(tài)程序，實現(xiàn)以下功能：

（1）對原方案增加備選方案，如串級主控切換，控制方案多選；

（2）修正原有不合理控制方案，提供更有效控制策略；

（3）完善原有控制方案，消除潛在風(fēng)險和安全隱患。

具體修改控制方案變更有三大類，一是串級主控回路切換控制，二是選擇切換控制，三是PID控制塊參數(shù)優(yōu)化。這三大類控制方案里根據(jù)不同的工藝條件和現(xiàn)場儀表設(shè)備又有很多不同的控制類型。

2.1 串級和主回路切換控制功能描述（適用于ABB DCS）

串級和主控的區(qū)別在于誰來控制閥門。串級控制情況下，主回路輸出值給副回路做設(shè)定值，副回路輸出值給閥門；主控情況下，主回路輸出值直接給閥門，副回路只做顯示，不能投用自動（遠(yuǎn)程按鈕仍可投用，但不影響控制）。串級控制情況下，投用自動要下面的步驟：

步驟一：確認(rèn)主副回路全部為手動狀態(tài)串級按鈕為“本地”模式；

步驟二：副回路投用單自動；

步驟三：副回路串級按鈕切成“外部”模式；

步驟四：主回路投用自動，串級完全投用，可以開始修改主回路設(shè)定值。

應(yīng)急處理時，直接將副回路切成手動，修改閥位即可，下次投用串級前按以上一到四步驟來。增加串級主控切換功能后，在切換時投自動的過程有所變化。

2.1.1 直接串級主控切換（適用于ABB DCS） 串級控制閥門和主回路直接控制閥門的切換（簡稱“串級主控切換”），直接串級主控切換，通過新增切換按鈕實現(xiàn)（見圖1）。

圖1 直接串級主控切換

以柴油加氫裝置原料進(jìn)料緩沖罐液位控制串級LICA10401-FIC20401為例（見圖2），紅圈內(nèi)為串級主控切換按鈕，點擊按鈕彈出窗口如右圖所示，當(dāng)前處于串級控制模式下，通過“串級按鈕”來切換狀態(tài)。

圖2 LICA10401-FIC20401串級主控切換控制

在串級模式下，可以按照串級投用順序?qū)⒏被芈泛椭骰芈芬来瓮队米詣印粹o切換到主控模式下，按鈕和畫面上的狀態(tài)都有相應(yīng)的變化，為便于區(qū)分，在畫面中對顯示的文字和顏色做了區(qū)別設(shè)置。

串級切換成主控可以在串級投用自動的情況下直接通過按鈕切換，切換之后主回路LICA10401仍然處于自動狀態(tài)下，其輸出直接控制閥門，而閥門不會有任何波動。此時流量回路只做顯示，因而強(qiáng)制手動。切換成主控模式時，副回路FIC20401的狀態(tài)由“自動、外部”狀態(tài)變成了“手動、外部”狀態(tài)。此時副回路FIC20401的輸出跟隨閥位變化（確保無擾動切換）。需要注意再次由主控模式切換為串級模式時，主回路狀態(tài)仍是“自動、內(nèi)部”，而副回路依然是“手動、外部”，需要操作人員將副回路投回自動狀態(tài)“自動、外部”，在此過程中，閥門是不會有波動的。

在裝置出現(xiàn)異常狀況時，應(yīng)急處置要先明確當(dāng)前控制模式，串級模式下直接將副回路切成手動，修改閥位；主控模式下直接點開主回路修改閥位。程序里對控制回路切換增加了脈沖和延遲程序塊，保證了切換瞬間閥位跟蹤值保持，但是為確保不出現(xiàn)任何波動，建議在所有回路手動情況下切換控制模式，切換完畢后再按順序投用自動。

2.1.2 新增（復(fù)制）主回路的串級主控切換（適用于ABB DCS） 通過新增復(fù)制一個主回路和切換按鈕實現(xiàn)串級主控切換，程序模塊（見圖3）。

圖3 新增主回路的串級主控切換程序模塊

以汽油加氫裝置C9202溫度控制串級TIC6094-FIC6030為例說明。紅圈內(nèi)為串級主控切換按鈕和新增的回路TIC6094B，點擊按鈕彈出窗口（見圖4），當(dāng)前處于串級控制模式下。這種做法本質(zhì)是TIC6094-FIC6030串級和TIC6094B直接控閥兩種控制方案之間進(jìn)行切換，二選其一。在串級模式下，可以按照串級投用順序?qū)⒏被芈泛椭骰芈芬来瓮队米詣樱耆队煤骉IC6094B處于鎖定狀態(tài)，不能投用自動。切換按鈕彈出面板中FIC6030和TIC6094B表示選擇哪個回路來控制閥門，選FIC6030表示串級模式。

將按鈕切換到主控模式（TIC6094B控閥）下，可以在串級投用自動的情況下直接通過按鈕切換，切換后TIC6094-FIC6030串級自行切為手動，而閥門不會有任何波動。此時串級主副回路只做顯示，因而強(qiáng)制手動。切換成主控模式時，副回路FIC6030狀態(tài)由“自動、外部”變成了“手動、內(nèi)部”，主回路TIC6094的狀態(tài)由“自動、內(nèi)部”變成了“手動、外部”。主控模式下串級副回路FIC6030輸出跟隨TIC6094B輸出變化，以保證再次切換時閥門不會波動（無擾動切換）（見圖5）。

需要注意的是剛切換為主控模式時，TIC6094B是手動狀態(tài)，需要操作人員投用自動。再次由主控模式切換為串級模式時，TIC6094B將被強(qiáng)制手動，串級主回路和副回路處于手動狀態(tài)，需要操作人員重新按順序投用串級。應(yīng)急情況下處置要先明確當(dāng)前控制模式，串級模式下直接將副回路FIC6030切成手動，修改閥位；主控模式下直接點開TIC6094B修改閥位。這種切換模式下，由于每一次切換后所有控制回路都處在手動狀態(tài)下，相對來說更加保險，但是需要人多投用一次自動。當(dāng)然，在所有回路都是手動的情況下切換控制模式更加安全。

圖4 TIC6094-FIC6030串級和TIC6094B直接控閥

圖5 切換成主控模式串級副回路輸出跟蹤

2.2 新增功能性選擇按鈕

新增的功能性選擇按鈕主要是在原有選擇控制方案基礎(chǔ)上做無擾動切換或者增加可選控制方案。根據(jù)實際操作工況，分為3類：

2.2.1 一選多或多選一控制 這種控制方案在DCS控制里比較常見，主要有從多個測量儀表選擇一個作為單一控制回路的測量點參與控制、單一控制回路選擇控制多個閥門/手操器、多個控制回路選擇控制同一個閥門/手操器、串級主回路多選一、串級副回路多選這幾種控制形式。在優(yōu)化過程中，對不同回路來回切換時可能造成的閥位波動或設(shè)定值跳變情況，新增了大量的無擾動切換和閥位跟蹤設(shè)置，但是在裝置正常投用階段還是要求操作人員在所有控制回路和手操器手動狀態(tài)下進(jìn)行控制選擇，并確認(rèn)串級回路投用前主回路PV、SV的偏差大小，待具備條件再按照投自動順序投用。并且出于安全考慮選中的控制回路或手操器可以手自動狀態(tài)切換，未選中的回路或手操器強(qiáng)制手動、內(nèi)部狀態(tài)。

2.2.2 串級主副回路交叉互選 存在兩個主回路和兩個副回路互相切換的情況比較少見，目前僅重整裝置有一例（見圖6）。

圖6 串級主副回路交叉互選

C102頂回流罐液位串級和塔頂溫度串級方案有兩種。方案一是TIC1033-FIC1017串級，LIC1011-FIC1016串級。方案二是TIC1033-FIC1016串級，LIC1011-FIC1017串級。FIC1036由于下游裝置未投用，目前鎖定在手動狀態(tài)，不參與自動控制。選擇按鈕做在流量回路FIC1016上，通過選擇FIC1016的主回路來確定串級關(guān)系。一旦選定LIC1011做回路與FIC1016串級，那么TIC1033自動切換成和FIC1017串級，反之亦然。由于流量回路有兩個，二者沒有明顯的關(guān)聯(lián)性，所以其測量值和閥位差距較大，每次選擇按鈕切換后，兩個流量回路都會被重置為手動狀態(tài)，以保證閥門不會波動。所以每次切換后都需要重新按順序投用串級。

2.2.3 兩套控制方案互選 兩套控制方案只能投用一種，比如柴油加氫反應(yīng)器液位控制方案的選擇。以第二床層為例原方案是右側(cè)LICA10603-PIC10605串級，新增左側(cè)LICA10603B-FIC10602串級。這兩個控制方式分別是通過排氫量和補(bǔ)氫量來調(diào)節(jié)床層液位，一旦左側(cè)串級投用，右側(cè)的串級會被鎖定為手動，反之亦然（見圖7）。兩套方案互選沒有明確的選擇按鈕，由操作人員自己來決定使用哪套方案，然后投用自動或串級即可。

從反應(yīng)器床層液位控制方案可以看出，除了兩個方案需要選擇外，還有串級主控切換按鈕和閥位控制選擇按鈕。多個選擇按鈕都出現(xiàn)在這里，實現(xiàn)各自的功能。在使用時它們互相沒有干擾，但是要注意，選定控制方案后再去調(diào)整相應(yīng)方案下的按鈕。如果選擇左側(cè)液位串級來控制反應(yīng)器液位，那右側(cè)閥位選擇按鈕需要切換到FIC10608控閥，保證排氫量恒定。同時左側(cè)液位串級也可以切換成主控模式。

在這次方案優(yōu)化中有個別選擇控制方案因為原方案存在復(fù)雜高選和低選等功能塊，無法實現(xiàn)切換過程中的無擾動切換。雖然有選擇按鈕存在但是需要大家在切換的時候?qū)Ρ纫袚Q的PID控制的輸出OP是否一致，如果不一致則人為手動修改要選擇哪個PID控制器OP值，保持其OP值與當(dāng)前PID控制器OP值一致，實現(xiàn)無擾動切換。

2.3 PID控制模塊參數(shù)優(yōu)化

由于原先大多數(shù)裝置未投用自動控制，PID（比例、積分、微分）模塊內(nèi)很多參數(shù)未進(jìn)行調(diào)節(jié)和設(shè)置，這并不影響閥門手動調(diào)節(jié)，因此投自動必須要對PID模塊參數(shù)進(jìn)行更改，主要從三個方面進(jìn)行。

2.3.1 PID調(diào)節(jié)范圍擴(kuò)大 部分裝置PID調(diào)節(jié)模塊初始值范圍過小，利用大修停工期間將所有控制回路比例、積分、微分調(diào)節(jié)范圍調(diào)整到合理區(qū)間。

2.3.2 增加濾波延遲功能 在投自動過程中，由于工藝條件、操作波動和設(shè)備精度問題造成了很多裝置出現(xiàn)測量值在一定范圍內(nèi)頻繁跳動的情況，為了消除這些毛刺，保證操作平穩(wěn)，投自動控制，對這些測量點增加濾波延遲功能，很好的解決了這個問題。

2.3.3 設(shè)定閥門高低限位 為確保裝置關(guān)鍵部位的閥門既能夠在自動環(huán)境下安全工作，又能在緊急情況時保護(hù)裝置，為這些閥位輸出在PID模塊內(nèi)增加了高低限位，這些閥位高低限位只在投自動情況下起作用，手動情況下閥位是不受限制的。

除以上三個情況進(jìn)行PID模塊參數(shù)修改外，還根據(jù)工藝情況和閥門特性，一一對應(yīng)的對各個閥位進(jìn)行了投自動正反作用、風(fēng)開風(fēng)關(guān)形式核對，去除回路死區(qū)設(shè)定，修改儀表量程等，確保閥門投自動的安全，并且鎖定不必要的狀態(tài)按鈕，降低工藝操作人員誤動作幾率。

圖7 兩套控制方案互選

3 優(yōu)化后的控制效果

通過對組態(tài)程序更改和優(yōu)化控制方案，控制回路PID參數(shù)整定后效果很好，工藝控制操作平穩(wěn)合理。在投自動過程中，從歷史趨勢上可以看出，優(yōu)化后的控制回路投自動曲線基本上是一條直線，這說明控制效果明顯改善，大大減少了操作工頻繁操作，降低設(shè)備出故障的幾率，相信全部裝置開工運行正常后自控率將顯著提升。

4 結(jié)論

通過對DCS控制方案進(jìn)行優(yōu)化，自控率得到了顯著提高，工藝操作更加平穩(wěn)，提升了裝置物料平衡、節(jié)能降耗、加工量等綜合指標(biāo)。此外裝置運行更加安全高效，在平穩(wěn)運行下設(shè)備壽命也將得到延長，從而保證裝置長周期運行。