淺談APC與DCS控制系統(tǒng)安全切換的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

馮軍海

河南能源鶴壁煤化工有限公司 河南 鶴壁 458000

引言

在工業(yè)生產(chǎn)過程中，時(shí)間延遲現(xiàn)象普遍存在。工業(yè)生產(chǎn)過程中溫度控制是極其重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，在石油、化工、熱電行業(yè)中顯得尤為重要。其中鍋爐是上述行業(yè)中重要的動(dòng)力設(shè)備。

1 DCS控制系統(tǒng)項(xiàng)目研發(fā)背景

在生產(chǎn)過程中，為實(shí)現(xiàn)水洗系統(tǒng)生產(chǎn)廠區(qū)全程、遠(yuǎn)程、無人操控和管理的生產(chǎn)模式，最大限度的杜絕各類安全事故的發(fā)生。通過多方調(diào)研、攻關(guān)，對(duì)原有的生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行了升級(jí)改造[1]。

2 先進(jìn)控制技術(shù)（APC）

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(duì)被控對(duì)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(cè)）、反饋及優(yōu)化于一體，通過減少關(guān)鍵工藝變量的波動(dòng)，進(jìn)而優(yōu)化工藝裝置操作，實(shí)現(xiàn)卡邊控制[2]。

3 改進(jìn)的模糊Smith控制在DCS控制系統(tǒng)中應(yīng)用

經(jīng)過前期仿真，改進(jìn)的算法在對(duì)時(shí)滯系統(tǒng)中的應(yīng)用是可以解決以上問題的，目前在工業(yè)控制領(lǐng)域中ABB公司的Freelance(ac800F控制器）控制系統(tǒng)是主流，通過對(duì)ABB的Freelance DCS系統(tǒng)(AC800F控制器）的二次開發(fā)，將先進(jìn)控制算法融入DCS系統(tǒng)中，使其達(dá)到先進(jìn)控制的目的。DCS的溫壓、密度補(bǔ)償功能提高了測(cè)量信號(hào)的精度；信號(hào)濾波很容易加入前饋信號(hào)和史密斯預(yù)估方法，從而使測(cè)量信號(hào)更加平穩(wěn)，提高了控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)功能；使用DCS內(nèi)折線處理功能克服調(diào)節(jié)閥的非線性，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性和控制系統(tǒng)質(zhì)量。如火電機(jī)組控制的DEH(數(shù)字電液調(diào)節(jié))中，有幾十個(gè)開關(guān)邏輯和幾個(gè)快速回路耦合在一起，而且控制周期必須小于0.15ms，可靠性要求特別高，如果控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障將會(huì)導(dǎo)致汽輪機(jī)飛車，造成重大經(jīng)濟(jì)損失[3]。

4 APC模式安全切換邏輯

每個(gè)控制回路設(shè)計(jì)了DCS請(qǐng)求APC控制的信號(hào)（REQUEST）和來自APC確認(rèn)的APC已經(jīng)準(zhǔn)備好的信號(hào)（ACCEPT）。控制回路將有一個(gè)可以接受的時(shí)間延遲，也就是要等待APC的ACCEPT信號(hào)的到來，通常是通過增加一個(gè)延時(shí)模塊來實(shí)現(xiàn)，作為DCS和APC握手的時(shí)間通常以秒為單位，這個(gè)值應(yīng)該根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況而定，一般設(shè)定為30秒左右。還有一點(diǎn)值得注意的是，“握手”成功的先決條件是控制回路處在自動(dòng)模式（AUT），并且“握手”成功后要在操作面板上進(jìn)行指示，失敗時(shí)也要有報(bào)警。串級(jí)回路PID一般用于滯后較大、干擾作用強(qiáng)、對(duì)控制質(zhì)量要求較高的場(chǎng)合。下面以串級(jí)回路PID為例，簡(jiǎn)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(hào)對(duì)應(yīng)串級(jí)PID回路中副回路的串級(jí)給定值（CSV）時(shí)，說明APC控制器在該回路對(duì)串級(jí)回路進(jìn)行控制。APC將控制副回路的串級(jí)給定值（CSV），從而改變副回路輸出參數(shù)（MV），控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。投用串級(jí)回路順序?yàn)椋孩俑被芈非袚Q至自動(dòng)；②副回路切換至串級(jí)；③主回路切換至自動(dòng)。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(jí)副回路處于自動(dòng)狀態(tài)，串級(jí)主回路處于程序手動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)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(dòng)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(jí)給定值CSV。副回路處于程序自動(dòng)模式，串級(jí)給定值（CSV）接收APC控制器預(yù)測(cè)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)[4]。

5 自動(dòng)化控制及儀表

中央控制室設(shè)一個(gè)主站：工程師站兼操作員站。操作員站用于系統(tǒng)設(shè)計(jì)、DCS編程及監(jiān)控，工程師站主要用于設(shè)計(jì)、組態(tài)、調(diào)試、監(jiān)視整個(gè)系統(tǒng)。中央控制室設(shè)不間斷電源保證PC系統(tǒng)的正常運(yùn)行。DCS系統(tǒng)由監(jiān)控級(jí)操作站及高速數(shù)據(jù)傳輸總線組成。操作站對(duì)全廠生產(chǎn)的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、儲(chǔ)存和管理，以分級(jí)顯示的形式反映工廠的運(yùn)行狀況。分級(jí)顯示的畫面一般有總貌顯示、組顯示、單回路細(xì)目顯示、歷史趨勢(shì)顯示、在線流程圖畫面顯示、報(bào)警顯示等。工程師除了擁有邏輯控制、順序控制功能外，更擁有模擬控制系統(tǒng)的全部功能，能夠接受來自現(xiàn)場(chǎng)的各種測(cè)量信號(hào)，把其轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)內(nèi)部信號(hào)進(jìn)行各種運(yùn)算和處理。現(xiàn)場(chǎng)控制站通過高速數(shù)據(jù)總線向監(jiān)控級(jí)操作站傳輸工藝過程的各種參數(shù)，同時(shí)接受監(jiān)控級(jí)操作站的各種控制指令。DCS系統(tǒng)的中央控制室設(shè)在中央控制樓一層，控制站及遠(yuǎn)程站的信號(hào)采集范圍同相應(yīng)電氣室的配電范圍。

6 結(jié)束語

綜上所述，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(shí)DCS運(yùn)行平穩(wěn)，未出現(xiàn)APC誤動(dòng)作導(dǎo)致DCS參數(shù)突然變化的情況。經(jīng)測(cè)試和實(shí)際使用，切換方式操作合理可靠，組態(tài)方案簡(jiǎn)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，并準(zhǔn)備在其他裝置中推廣使用。