APC 與DCS 控制系統安全切換的設計與應用

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（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裝置正常生產的需要。但隨著精細操作，優化生產理念的深入，DCS中固有控制算法已無法滿足某些復雜工藝、能耗和效率要求。

先進控制技術（APC）是以現代控制理論為基礎，采用先進的控制軟件，對被控對象（如加熱爐、分餾塔等）進行多變量控制。被控變量也在溫度、壓力、流量、液位的基礎上進行拓展，增加了產品質量、設備負荷等工藝生產需要監控的經濟指標，集前饋（多變量模型預測）、反饋及優化于一體，通過減少關鍵工藝變量的波動，進而優化工藝裝置操作，實現卡邊控制。

2 控制系統結構及應用

某石化企業常減壓裝置使用浙江中控ECS-700 DCS 系統，系統包括1 臺工程師站與4 臺操作站。APC系統采用Aspen公司DMC plus軟件。APC控制器運行在獨立的工控服務器端，進行數據計算、預測和模型修正，通過控制回路單位階躍響構建的模型進行有效地優化，在不違反工藝操作條件的前提下使裝置運行在盡可能接近最大效益的操作區域。DCS中的一臺操作站作為OPC服務器，APC系統通過OPC協議與DCS系統進行數據通訊，操作畫面在DCS中顯示。系統結構見圖1。

APC 和DCS 建立通訊后，存在先進控制模式（簡稱APC 模式）和DCS 控制模式兩種。當APC模式投用時，DCS 控制將停用。APC 控制器通過OPC讀取過程變量進行運算，并將結果輸出至DCS中控制回路的設定值（SV）、串級回路外部給定值（CSV）或閥位值（OP），控制生產過程。當切換回DCS控制模式時，DCS在APC控制的基礎上繼續進行常規控制。此時，APC控制器會繼續運行，但不再對控制回路進行控制。

為保證裝置安全平穩生產，當APC 與DCS 之間出現通訊故障或APC控制器故障時，需要立即停止APC控制器對生產過程的控制，防止寫入錯誤數據造成裝置波動。

圖1 DCS與APC系統結構

3 安全切換的設計和應用

APC常規控制方案有手操器回路、單回路PID和串級回路三種。APC切換回路在設計組態時，需要刪除DCS中原有的控制回路，還需要工藝人員在現場將控制閥切至副線運行，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的影響降低至最小，在實現平穩無擾切換的同時還需滿足DCS組態作業的便利性。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的制約關系，以原有DCS控制回路為基礎，新建獨立的切換回路，且在線下裝不會影響正常生產操作。

3.1 APC 模式投用標志

該裝置APC系統共有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計獨立投用開關和投用狀態指示。投用開關是DCS發至APC 的指令，而投用狀態是APC 控制器到DCS的反饋。投用開關由操作人員操作。

3.2 APC 控制器通訊保護

通過前期的階躍測試，將APC 控制器的運行周期定義為60 秒，并在DCS 側設置看門狗程序判斷通訊狀態。該程序使用上限為150 秒，通過檢測APC控制器周期發送的復位信號判斷通訊狀態。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，并發出提醒，引起操作人員注意，同時將回路控制恢復到DCS控制模式。

3.3 APC 模式安全切換邏輯

ECS-700系統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為：①確認操作參數在工藝指標范圍內；②控制回路處于DCS自動狀態；③對應的APC控制器處于投用狀態；④將控制回路切換至APC模式；⑤等待一個周期確認回路狀態是否正確。

手操器回路一般應用于煙道擋板、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，改變回路輸出值和設定值。APC模式下，利用PID功能塊中控制模式參數的順序變化，APC控制器對PID功能塊的設定值（SV）、串級設定值（CSV）、輸出值（MV）進行控制。

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

當APC 控制器操縱變量（MVs）中的DCS 位號對應串級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（MV），控制現場設備。切換程序見圖2。

當回路處于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）連接現場設備。投用串級回路順序為：①副回路切換至自動；②副回路切換至串級；③主回路切換至自動。

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

切換至APC模式后：APC回路狀態指示為ON，操作畫面中該回路狀態顯示為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控制器預測值進行控制，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整狀態。

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，主回路進入手動狀態，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）、副回路程序內外給定（PSWSV）同時變為OFF，副回路內外給定控制源選擇（SV_OPT）滯后變為OFF，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，副回路回到自動控制狀態。

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不滿足，都不能進行控制模式切換。且在APC模式運行下，出現通訊故障必然會導致切換條件中有不符合項，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行。說明安全切換邏輯達到了之前的設計要求，具有良好的安全性、穩定性和可靠性。

圖2 PID串級回路切換程序

4 安全切換程序在線測試與應用

切換程序下裝前，檢查各個參數是否連接正確，并與工藝溝通確認現場執行器運轉良好。數據庫下裝后，測試控制回路操作調節和切換功能是否完好。

確認裝置生產平穩無波動后，操作人員首先將APC控制器投入運行。通訊正常后，將需要投入APC的控制回路投入自動狀態，之后將該回路的獨立開關切至ON，進入APC 模式。當控制回路狀態指示為APC 模式運行后，再將控制模式切換為DCS 模式。確認控制參數未發生突變。

模擬在APC模式下出現通訊故障，確認控制回路參數受到安全邏輯的限制，均恢復到DCS自動狀態，各控制參數保持不變，無擾切換完成。

5 結論

在實際應用中，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運行平穩，未出現APC誤動作導致DCS參數突然變化的情況。經測試和實際使用，切換方式操作合理可靠，組態方案簡化，減輕了操作人員和儀表維護人員的負擔。實現了DCS控制與APC控制的無擾切換，確保裝置平穩運行，并在其他裝置推廣使用。