分散自控系統(tǒng)實現(xiàn)統(tǒng)一集控難點分析與對策研究

禹俊 張健偉 陳祥毅

（四川紅華實業(yè)有限公司，四川 樂山 614200）

xx 工廠為流水作業(yè)生產(chǎn)模式，已不間斷運行超過10 年。目前包含五套獨立的DCS 子系統(tǒng)，分別控制五套不通的工序。子系統(tǒng)由經(jīng)典DCS 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：上位機+過程站+現(xiàn)場設(shè)備[1]。部分點位經(jīng)PLC 控制器、就地控制柜、閥門控制柜等控制多種類型的設(shè)備、儀表、閥門。涉及到通訊接口匹配、線纜敷設(shè)、閥門改造、控制站設(shè)計等內(nèi)容。

僅系統(tǒng)一進行保護性自動聯(lián)鎖算法設(shè)置，當故障、管道參數(shù)波動到一定限值時，自動開關(guān)相應(yīng)閥門、啟停相應(yīng)設(shè)備，將管道內(nèi)物料進行轉(zhuǎn)移，確保工藝管道、設(shè)備、儀表的安全，避免在異常狀態(tài)下發(fā)生生產(chǎn)事故。

從設(shè)計的角度看，目前僅有的自動聯(lián)鎖算法僅僅是為了安全保護，缺少減少人工操作方面的自動設(shè)置考慮；缺少對于采集參數(shù)的分析，僅僅用作故障時進行分析判斷，利用率較低，如自動參數(shù)偏離發(fā)現(xiàn)（限值報警已經(jīng)達到了質(zhì)變，）、自動設(shè)備運行模式切換、自動趨勢分析。

1 現(xiàn)狀及不足

1.1 分散的監(jiān)控室不利于綜合考慮工廠運行狀態(tài)，無法迅速做出全盤最優(yōu)決策。

1.2 3 處值班室就需設(shè)置3 個崗位，不利于人力資源的合理利用。

1.3 目前5 套系統(tǒng)中，除系統(tǒng)一設(shè)置有較高的自動聯(lián)鎖、保護、報警功能外，其他系統(tǒng)主要作為監(jiān)視、遠程啟停使用，無法將運行人員從日常運行中真正解放出來，實現(xiàn)預(yù)警式自動控制。

1.4 部分工作點，如壓空、局排、冷卻塔、鍋爐房、水泵房等，均采用就地手動啟停、人工巡檢等方式進行維護，操作點較分散，且無遠程監(jiān)控功能。

1.5 5 套系統(tǒng)運行參數(shù)需要根據(jù)工況變化實時手動調(diào)整，浪費大量人力資源。

2 改造內(nèi)容

2.1 集中監(jiān)控

將5 套獨立子系統(tǒng)統(tǒng)一傳輸至1 個中央控制室，具備對傳輸數(shù)據(jù)存儲、分析、處理的功能，并在大屏中統(tǒng)一顯示，在控制室可對各廠房數(shù)據(jù)進行遠程監(jiān)控。

2.2 控制算法優(yōu)化

以預(yù)先性調(diào)節(jié)的理念對控制算法進行優(yōu)化，提高系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)問題的能力，提前根據(jù)趨勢變化進行參數(shù)調(diào)整。相較于目前的事故保護調(diào)整，能更加有效提高系統(tǒng)運行安全可靠性。梳理異構(gòu)通訊連接方式及算法，對系統(tǒng)進行合并并消除干擾。

2.3 遠控改造

對現(xiàn)場就地操作的手閥、設(shè)備、儀表進行就地集控，并傳輸至中央控制室，實現(xiàn)遠控功能，并增設(shè)自動控制程序。

2.4 數(shù)據(jù)處理

實現(xiàn)對所有參數(shù)的存儲、分析、處理功能，提前發(fā)現(xiàn)異常。

3 難點分析

3.1 如何實現(xiàn)統(tǒng)一監(jiān)控

目前共有5 套獨立DCS 系統(tǒng)，分別位于不同的監(jiān)控室，如何實現(xiàn)集控合一，主要存在以下難題：

受限于ECS-100 系統(tǒng)本身性能，無法將5 套系統(tǒng)直接進行合并，若合并，存在著控制點位超限；同時，將過程站主控卡地址重新設(shè)置可能會引起工藝運行參數(shù)波動，影響連續(xù)穩(wěn)定運行，如何實現(xiàn)集中監(jiān)控存在難題。五套子系統(tǒng)獨立運行，若直接進行系統(tǒng)合并，需進行過程站及操作站IP 地址從新定義。

3.2 工藝參數(shù)調(diào)整

系統(tǒng)一需時刻觀察運行參數(shù)變化，出現(xiàn)壓力波動、溫度超限時，需手動進行參數(shù)調(diào)整，設(shè)備啟停。目前主工藝系統(tǒng)自動控制主要考慮事故保護自動聯(lián)鎖及自動超限聲光報警，未進行自動參數(shù)調(diào)整設(shè)計，無法完全脫離人工操作。聯(lián)鎖功能優(yōu)化：目前加熱及空調(diào)系統(tǒng)聯(lián)鎖控制采用傳統(tǒng)PID 單回路控制，存在較大遲滯。存在著溫度超限、能源浪費的可能，不僅造成能源浪費同時存在著一定安全風險。如何在現(xiàn)有100 系統(tǒng)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)精準控制并增設(shè)安全保護聯(lián)鎖功能。目前的參數(shù)調(diào)整流程如圖1 所示。

圖1 參數(shù)調(diào)整流程

目前采用手動模式進行系統(tǒng)參數(shù)調(diào)節(jié)，不僅無法將人從日常操作中解放出來，同時，存在著調(diào)節(jié)不精準、不及時等問題。

3.3 空調(diào)工況切換

工廠所在環(huán)境外部溫度度變化較大且無規(guī)律性，在確保廠房溫度度的前提下，日常管理中需進行接本降耗考慮，進行實時的工況轉(zhuǎn)換，該部分操作較復(fù)雜，需根據(jù)員工經(jīng)驗結(jié)合外部溫濕度測量參數(shù)進行調(diào)整。

3.4 水處理系統(tǒng)設(shè)備切換

水處理系統(tǒng)采用PLC 加現(xiàn)場設(shè)備的模式進行控制，設(shè)立獨立的控制室，同時需觀察現(xiàn)場的液位、氧含里、風機狀況等，但該部分目前采用較多就地模式，且不具備信號遠程功能。

3.5 壓空自動化

壓空站需控制空壓機閥門并傳輸儀表信號。目前采用就地顯示、手動啟停的方式運行。實現(xiàn)集中控制需解決以下難題：

3.5.1 手閥改電閥。目前壓空站空間較小，采用手動閥門進行控制，實現(xiàn)無人遠控需解決閥門自動控制問題。但閥門安裝較密集，存在施工難題。

3.5.2 空壓機遠控端口改造。目前空壓機采用就地手動啟停模式，該設(shè)備為早期購買運行十年設(shè)備，未設(shè)計遠控端口。同時，由于生產(chǎn)連續(xù)穩(wěn)定的要求，不具備設(shè)備更新改造條件，因此，需解決舊設(shè)備遠控改造問題。

3.5.3 集控通訊。壓空站目前無遠控通訊網(wǎng)絡(luò)，需設(shè)計一個集控網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)就地設(shè)備的集中監(jiān)控。同時需解決控制信號傳輸至中央控制室的難題。

3.6 局排遠控

局排廠房包括2 臺局排風機、2 個風閥以及2 臺全排風機及儀表的監(jiān)控。目前局排系統(tǒng)采用就地手動的方式進行控制，盤柜不具備遠控接口，無法直接實現(xiàn)遠控。全排采用PLC 控制軟件獨立于DCS 系統(tǒng)進行控制，且與02、04 排風機組成485 網(wǎng)絡(luò)，需解決系統(tǒng)合并及遠控改造功能。

3.7 鍋爐、水泵

水泵房采用就地PLC 控制閥門進行恒壓供水，需解決PLC 與DCS 系統(tǒng)合并問題。DCS 系統(tǒng)與PLC 系統(tǒng)為兩套獨立的異構(gòu)系統(tǒng)，無法直接進行信息交互，需聽過通訊的方式解決信號交互問題。

3.8 自動化設(shè)計

目前的dcs 延續(xù)十年前的設(shè)計理念，安全、可靠、穩(wěn)定。但當下的企業(yè)發(fā)展提出了新的發(fā)展要求、去人工化、高效、數(shù)字化。需解決自動趨勢比對分析功能、大量數(shù)據(jù)自動掃描、預(yù)判、分析兵給出結(jié)論功能；溫度、空調(diào)系統(tǒng)控制功能優(yōu)化，解決遲滯問題。

4 對策研究

4.1 控制功能合并

將5 套子系統(tǒng)進行合并。Ecs-100 系統(tǒng)由于性能和設(shè)計上的限制，無法直接容納五套子系統(tǒng)到1 套系統(tǒng)中，因此采用新建管理層的方式進行功能合并，以二次計算的方式組建上層網(wǎng)絡(luò)，將子系統(tǒng)中的重要點位合并至統(tǒng)一的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中，實現(xiàn)統(tǒng)一監(jiān)控。如圖2 所示，設(shè)置全流程動態(tài)模擬屏，系統(tǒng)地全流程顯示整個生產(chǎn)過程。增加巡檢監(jiān)控模式、報警彈出模式、畫面自動切換等功能。該管理層僅作為集中監(jiān)視使用，系統(tǒng)真正的報警、聯(lián)鎖、遠控功能依然靠分散的五個站，避免通訊丟包造成系統(tǒng)不穩(wěn)定或是掃描周期丟包，未能及時發(fā)現(xiàn)故障隱患、聯(lián)鎖觸發(fā)信號。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

通過此模擬盤，流動顯示各崗位關(guān)鍵參數(shù)或控制值，巡檢人員只需關(guān)注控制參數(shù)是否正常，即可判斷系統(tǒng)是否失控，將系統(tǒng)失控作為判斷控制是否有效的根本。具體相關(guān)點位的控制交給系統(tǒng)、程序執(zhí)行。若出現(xiàn)多點同時異常，也可在全流程上掌握全廠房狀態(tài)變化趨勢，進行全局分析。運行參數(shù)判斷流程如圖3 所示。

由圖3 可以看出，合并后的控制系統(tǒng)擁有更加智能、多選擇的運行參數(shù)調(diào)整算法，可根據(jù)實際參數(shù)變化自動進行工控選擇、設(shè)備啟停以達到參數(shù)穩(wěn)定調(diào)節(jié)的目的。在整個調(diào)整環(huán)節(jié)中剔除了人的作用，值班人員只需要關(guān)注控制系統(tǒng)是否處于正常工作狀態(tài)即可。

圖3 運行參數(shù)判斷流程

將分散在各個廠房的設(shè)備運行狀態(tài)、閥門狀態(tài)、管道壓力、溫度等參數(shù)實時遠傳至集中控制室。主要通過過程站及現(xiàn)場儀表、行程開關(guān)、通訊等方式實現(xiàn)。其中儀表及行程開關(guān)采用硬接線連接至模擬量輸入板卡即可傳遞儀表信息。現(xiàn)場智能設(shè)備可通過通訊卡的方式進行運行參數(shù)讀取，常見的包括modebus 、485 、232 等通訊方式[3]。通過硬接線可以方便單通道檢測及維護，運行穩(wěn)定性較高。重要的檢測儀表、運行參數(shù)采用直接硬接線。通訊是以智能設(shè)備為集控基礎(chǔ)，進行信息共享與控制，節(jié)約線纜，但采用通訊的方式存在著丟包、通訊中斷等風險，擔心大面積參數(shù)丟失，因此采集相對不重要的點位。通訊受大功率設(shè)備、環(huán)境影響較大。設(shè)置自動檢測系統(tǒng)，將廠房內(nèi)的各個關(guān)鍵控制點的運行參數(shù)采集進DCS系統(tǒng)，主要包括：運行相關(guān)的壓力、溫度、流量、閥門狀態(tài)、開度、狀態(tài)以及供電參數(shù)、冷卻水系統(tǒng)參數(shù)等。

采用modbus 通訊的方式與DCS 系統(tǒng)進行合并，可以將獨立的小系統(tǒng)低成本地進行系統(tǒng)整合，實現(xiàn)中央控制室對整個廠房的集控功能。但受限于通訊網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，該模式控制指令可能會因通訊網(wǎng)絡(luò)延時、干擾等造成控制失效。因此采用一下方式進行優(yōu)化：（1）通過通訊過來的控制設(shè)備，均為冗余或者具備長時間停機條件設(shè)備；（2）通訊設(shè)備涉及到的安全保護連鎖、自動控制連鎖均設(shè)置在就地異構(gòu)過程站中，確保相應(yīng)的及時性，消除了通訊質(zhì)量對于控制功能的影響；（3）通訊指令采用循環(huán)發(fā)送、反饋校驗的方式，能夠確保每條指令執(zhí)行到位。同時，消除反饋信號收通訊線路中大功率干擾信號的影響。

4.2 工藝參數(shù)調(diào)整

采用先控系統(tǒng)，對工藝參數(shù)調(diào)整進行學習、記錄、診斷、給出運行建議，以此作為整個工藝系統(tǒng)質(zhì)量控制，自動進行參數(shù)微調(diào)，并增設(shè)調(diào)整限值，對于異常波動、超過幅值的參數(shù)進行報警彈出、標記等。增設(shè)外掛軟件、提供包括趨勢分析、預(yù)先性參數(shù)調(diào)整判斷、歷史經(jīng)驗累積庫等功能。優(yōu)化PID 調(diào)節(jié)參數(shù)，對于控制不準點進行多段聯(lián)鎖限制設(shè)置，確保硬接線保護。主工藝參數(shù)優(yōu)化：

4.2.1 外掛軟件

增設(shè)外掛軟件，提供包括趨勢分析、預(yù)先性參數(shù)調(diào)整判斷、歷史經(jīng)驗累積庫等功能，對于值班人員參數(shù)調(diào)整做出指導(dǎo)、參考，同時可作為崗位培訓、學習的一個平臺。

4.2.2 優(yōu)化PID,轉(zhuǎn)化人工經(jīng)驗為程序段

進一步梳理工藝日常操作，如溫度超限調(diào)整、泵閥主備切換等，將人工經(jīng)驗轉(zhuǎn)換為程序段，實現(xiàn)自投自復(fù)。人員的主要精力用在巡檢控制系統(tǒng)是否穩(wěn)定，而不是時刻觀察運行參數(shù)是否變化。優(yōu)化PID 控制程序，針對目前的難點控制，如調(diào)節(jié)閥開度、溫度超限等進行雙路PID 控制，確保調(diào)節(jié)曲線平穩(wěn)、有效。增設(shè)關(guān)鍵點報警，趨勢變化比較，出現(xiàn)異常立即進行備用方案自動切換。

4.2.3 增設(shè)硬接線保護

增設(shè)關(guān)鍵點硬接線切換、切斷功能，提升自動運行可靠性。比如溫度、壓力類，設(shè)置硬接線強行超限切換、斷電等功能，獨立于現(xiàn)有控制系統(tǒng)外增設(shè)一套安全保底措施，確保安全措施可靠，提升控制系統(tǒng)信心。

4.3 空調(diào)工況切換

設(shè)計4 套四季工況，進行常規(guī)切換，再設(shè)計1 套自動調(diào)節(jié)運行模式，加裝外部環(huán)境溫濕度探測點、參數(shù)分析；調(diào)整廠房平均溫濕度測點并優(yōu)化計算方式，使其更加符合實際溫濕度變化[4]。利用PID 算法進行比對分析，實時調(diào)整內(nèi)外部設(shè)備運行狀態(tài)。根據(jù)能耗控制要求，將人工經(jīng)驗翻譯為運行陳谷，例如：夏季新風、春季新風等，停用熱水器、制冷機組等，再確保廠房溫濕度的同時，降低能耗，同時增設(shè)廠房各處門窗狀態(tài)探測器，確保減少漏風情況。通訊的方式遠傳至中央控制室。優(yōu)化空調(diào)平均溫度計算方式，采集點，將位于房頂?shù)牟杉c作為參考點，在設(shè)備相關(guān)位置設(shè)置平均溫度計算點，同時分區(qū)域進行溫度計算與傳遞，將大循環(huán)內(nèi)設(shè)置小區(qū)域進行控制，有針對性地進行探測與控制。避免了PID大循環(huán)的滯后，提升廠房內(nèi)溫濕度控制能力與精準性，減少需要調(diào)整的環(huán)節(jié)。同時，根據(jù)日常經(jīng)驗、邏輯判斷、理論分析，預(yù)設(shè)參數(shù)調(diào)整程序段[5]。當出現(xiàn)偏差時，直接執(zhí)行補救措施，回歸控制線。優(yōu)化內(nèi)外部溫差探測、判斷、切換程序，設(shè)計更加符合節(jié)能減排實際的控制程序段優(yōu)化季節(jié)變化工況運行方案，以充分利用外部溫濕度基礎(chǔ)上進行氣體溫濕度再加工，利用已有資源進行控制，而不是將外部氣體當成一中原材料進行直接的加工。

4.4 過程站設(shè)置

針對目前的大量就地閥門、設(shè)備、儀表、控制箱等，統(tǒng)一設(shè)置就地過程站，將其集控起來，同時通過通訊合并至DCS系統(tǒng)中，首先實現(xiàn)其遠程集控。然后根據(jù)整個廠房運行要求，將日常泵閥切換、液位查看、主備切換、故障報警等進行程序化設(shè)置。新增包括事故保護、應(yīng)急處置、遠傳、程序巡檢等功能。

4.5 水處理系統(tǒng)設(shè)備切換

通過增設(shè)就地小型過程站的方式，將就地的泵閥、溫度、壓力、流量等參數(shù)集中遠傳至系統(tǒng)四值班室，同時，進行自動控制程序優(yōu)化，將人工經(jīng)驗的判斷、設(shè)備切換等操作固化為自動程序。比對風機的啟停、故障切換、報警。同時對部分水閥、液位進行自動功能升級，使其具備遠程集控功能。通過通訊線纜，將系統(tǒng)四值班室集控功能整體轉(zhuǎn)移至中央控制室，實現(xiàn)中央控制室對水處理廠房的遠控。

4.6 壓空及局排控制

壓空站目前采用就地啟停設(shè)備的模式運行。現(xiàn)場設(shè)置一個過程站，集中控制整個壓空站的運行設(shè)備、儀表參數(shù)、閥門狀態(tài)等。同時，對部分手閥進行升級改造，更新為自動控制閥門。對運行設(shè)備控制接口進行改造，新增遠控接口，部分進行技術(shù)升級，部分進行線路改造。對壓空站新增事故護功能，新增緩沖端口。

局排設(shè)置就地過程站，將就地控制的局排風機、閥門、儀表等進行集中監(jiān)控。同時，設(shè)置485 通訊網(wǎng)絡(luò)，將整個分散廠房的排風機組網(wǎng)到該過程站，實現(xiàn)就地集控。采用MODBUS通訊協(xié)議，實現(xiàn)就地過程站與DCS 系統(tǒng)過程站的通訊，將整個就地過程站的信息打包送入DCS 系統(tǒng)。在中央控制室，通過二次算法的方式將就地過程站的信息解析出來，并進行監(jiān)控組態(tài)。

5 結(jié)論

5.1 DCS 系統(tǒng)實現(xiàn)子系統(tǒng)集控升級改造方法可行，通過改造可實現(xiàn)中央控制室監(jiān)控全廠房。

5.2 實現(xiàn)集控改造后，使用自動程序段代替人工操作，可大幅減少運行人員。