淺談APC與DCS控制系統(tǒng)安全切換的設(shè)計與應用

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)中重要的動力設(shè)備。

1 DCS控制系統(tǒng)項目研發(fā)背景

在生產(chǎn)過程中，為實現(xiàn)水洗系統(tǒng)生產(chǎn)廠區(qū)全程、遠程、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)，對原有的生產(chǎn)系統(tǒng)進行了升級改造[1]。

2 先進控制技術(shù)（APC）

先進控制技術(shù)（APC）是以現(xiàn)代控制理論為基礎(chǔ)，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(chǔ)上進行拓展，增加了產(chǎn)品質(zhì)量、設(shè)備負荷等工藝生產(chǎn)需要監(jiān)控的經(jīng)濟指標，集前饋（多變量模型預測）、反饋及優(yōu)化于一體，通過減少關(guān)鍵工藝變量的波動，進而優(yōu)化工藝裝置操作，實現(xiàn)卡邊控制[2]。

3 改進的模糊Smith控制在DCS控制系統(tǒng)中應用

經(jīng)過前期仿真，改進的算法在對時滯系統(tǒng)中的應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ABB的Freelance DCS系統(tǒng)(AC800F控制器）的二次開發(fā)，將先進控制算法融入DCS系統(tǒng)中，使其達到先進控制的目的。DCS的溫壓、密度補償功能提高了測量信號的精度；信號濾波很容易加入前饋信號和史密斯預估方法，從而使測量信號更加平穩(wěn)，提高了控制系統(tǒng)的動態(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。如火電機組控制的DEH(數(shù)字電液調(diào)節(jié))中，有幾十個開關(guān)邏輯和幾個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)故障將會導致汽輪機飛車，造成重大經(jīng)濟損失[3]。

4 APC模式安全切換邏輯

每個控制回路設(shè)計了DCS請求APC控制的信號（REQUEST）和來自APC確認的APC已經(jīng)準備好的信號（ACCEPT）。控制回路將有一個可以接受的時間延遲，也就是要等待APC的ACCEPT信號的到來，通常是通過增加一個延時模塊來實現(xiàn)，作為DCS和APC握手的時間通常以秒為單位，這個值應該根據(jù)現(xiàn)場實際情況而定，一般設(shè)定為30秒左右。還有一點值得注意的是，“握手”成功的先決條件是控制回路處在自動模式（AUT），并且“握手”成功后要在操作面板上進行指示，失敗時也要有報警。串級回路PID一般用于滯后較大、干擾作用強、對控制質(zhì)量要求較高的場合。下面以串級回路PID為例，簡要介紹安全切換邏輯的組態(tài)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(shù)（MV），控制現(xiàn)場設(shè)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(guān)處于投用位置，串級副回路處于自動狀態(tài)，串級主回路處于程序手動狀態(tài)，此時將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(diào)整狀態(tài)[4]。

5 自動化控制及儀表

中央控制室設(shè)一個主站：工程師站兼操作員站。操作員站用于系統(tǒng)設(shè)計、DCS編程及監(jiān)控，工程師站主要用于設(shè)計、組態(tài)、調(diào)試、監(jiān)視整個系統(tǒng)。中央控制室設(shè)不間斷電源保證PC系統(tǒng)的正常運行。DCS系統(tǒng)由監(jiān)控級操作站及高速數(shù)據(jù)傳輸總線組成。操作站對全廠生產(chǎn)的運行數(shù)據(jù)進行處理、儲存和管理，以分級顯示的形式反映工廠的運行狀況。分級顯示的畫面一般有總貌顯示、組顯示、單回路細目顯示、歷史趨勢顯示、在線流程圖畫面顯示、報警顯示等。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)場的各種測量信號，把其轉(zhuǎn)換成標準的系統(tǒng)內(nèi)部信號進行各種運算和處理?，F(xiàn)場控制站通過高速數(shù)據(jù)總線向監(jiān)控級操作站傳輸工藝過程的各種參數(shù)，同時接受監(jiān)控級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，控制站及遠程站的信號采集范圍同相應電氣室的配電范圍。

6 結(jié)束語

綜上所述，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(wěn)，未出現(xiàn)APC誤動作導致DCS參數(shù)突然變化的情況。經(jīng)測試和實際使用，切換方式操作合理可靠，組態(tài)方案簡化，減輕了操作人員和儀表維護人員的負擔。實現(xiàn)了DCS控制與APC控制的無擾切換，確保裝置平穩(wěn)運行，并準備在其他裝置中推廣使用。