PCSD 技術(shù)在精細(xì)化工全自動(dòng)化過程生產(chǎn)的應(yīng)用

楊豫渤

（利安隆（珠海）新材料有限公司，廣東珠海 519050）

0 引言

PCSD（PMO Configuration Standard for DeltaV）是艾默生公司開發(fā)的工藝生產(chǎn)管理系統(tǒng)的自動(dòng)化開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，其全流程自動(dòng)控制在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用越來越廣泛。目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)有若干大型項(xiàng)目應(yīng)用的成功案例，如Albemarle、BASF 等大型化工企業(yè)。這些項(xiàng)目的實(shí)施和使用效果顯示，DCS（Distributed Control System，集散控制系統(tǒng)）利用PCSD 標(biāo)準(zhǔn)確實(shí)能簡(jiǎn)化工程實(shí)施，減少調(diào)試時(shí)間，自動(dòng)化程度更高，充分利用DCS 結(jié)合PCSD 標(biāo)準(zhǔn)能提高工廠的自動(dòng)化運(yùn)行水平。從利安隆新材料有限公司在抗氧劑生產(chǎn)過程中DCS 利用PCSD 標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)、實(shí)施、組態(tài)、調(diào)試、應(yīng)用等方面入手，闡述PCSD 技術(shù)在DCS DeltaV 系統(tǒng)中的應(yīng)用，達(dá)到全球同行業(yè)一流的全流程自動(dòng)化水平。

1 PCSD 和項(xiàng)目介紹

1.1 PCSD

PCSD 是DeltaV 的PMO 組態(tài)標(biāo)準(zhǔn)，是艾默生過程管理DeltaV過程自動(dòng)化系統(tǒng)開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)，PCSD 為各種過程工業(yè)應(yīng)用開發(fā)定制解決方案提供結(jié)構(gòu)化和模塊化的方案。

由DeltaV 工程團(tuán)隊(duì)開發(fā)的PCSD 庫包括一系列完整的功能模塊，合并了各個(gè)行業(yè)的通用需求，并結(jié)合操作經(jīng)驗(yàn)，基于Class 的配置方法使配置管理更加高效。PCSD 庫還提供了用于排序和批處理需求的設(shè)備模塊Class 和階段Class。

PCSD 包含了批量控制及S88 的結(jié)構(gòu)，對(duì)于精細(xì)化工（Fine Chemical）行業(yè)如間歇性、多配方、多產(chǎn)線的生產(chǎn)尤為適合。

1.2 項(xiàng)目介紹

利安?。ㄖ楹＃┬虏牧嫌邢薰靖叻肿硬牧峡寡趸鷦┥a(chǎn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)產(chǎn)能12.5 萬噸/年，主要生產(chǎn)化工添加劑產(chǎn)品，包括抗氧劑1010、1076、168 等。

整個(gè)工廠集成多總線通信及分散的CIOC 光纖通信，采用PCSD 控制技術(shù)。過程控制控制點(diǎn)合計(jì)24 000 點(diǎn)左右（其中含各種總線通信控制網(wǎng)段60 多個(gè)，顯示控制點(diǎn)約6000 點(diǎn)）。

DCS 控制系統(tǒng)采用艾默生公司的電子布線結(jié)構(gòu)DeltaV 14.3（Charm 箱130 多個(gè)）和DeltaV SIS（Charm 箱多個(gè)）和其他控制系統(tǒng)及智能儀表等。DCS/SIS 硬件系統(tǒng)（電子布線）網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

本項(xiàng)目也存在設(shè)計(jì)變更及工藝變更大、工期要求緊、間歇生產(chǎn)、工藝復(fù)雜的精細(xì)化工項(xiàng)目常態(tài)，因此，對(duì)于軟件組態(tài)及測(cè)試和調(diào)試進(jìn)度要求很高。

2 DeltaV（PCSD）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

PCSD 為基礎(chǔ)的軟件系統(tǒng)包括：聯(lián)鎖回路800 多路，聯(lián)動(dòng)控制8000 多路，控制回路3000 多路，PCSD 程序自動(dòng)控制各個(gè)層級(jí)設(shè)備模塊500 多個(gè)。

DeltaV（PCSD）系統(tǒng)是在傳統(tǒng)DCS 系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)基礎(chǔ)上、結(jié)合批量控制及PCSD 解決方案提供了結(jié)構(gòu)化和模塊化的方法技術(shù)、并基于最新需求開發(fā)的新一代控制軟件系統(tǒng)。

PSCD 軟件系統(tǒng)項(xiàng)目特點(diǎn)：

（1）利用類Class&EM（設(shè)備模塊）的編程方法節(jié)省了組態(tài)、調(diào)試和驗(yàn)證的時(shí)間，提高效率。

（2）動(dòng)態(tài)設(shè)備選擇，最大化設(shè)備的使用率，滿足多功能、多牌號(hào)產(chǎn)品的靈活性需求，提高產(chǎn)能。

（3）工藝操作實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化生產(chǎn)。

（4）簡(jiǎn)單控制，減少了人為因素造成的產(chǎn)品質(zhì)量波動(dòng)。

（5）靈活的PCSD 操作方式，可應(yīng)對(duì)復(fù)雜的突發(fā)事件而無需重啟批次。

（6）豐富的操作信息，增加了批量運(yùn)行的“透明度”，有利于操作員監(jiān)控和應(yīng)急處理。

PCSD 在利安隆珠海項(xiàng)目抗氧劑全流程自動(dòng)化生產(chǎn)中應(yīng)用的很成功。其Class 模塊化設(shè)計(jì)的模塊通用性較強(qiáng)，便于應(yīng)用在其他項(xiàng)目中，從而大大減少了同類項(xiàng)目的設(shè)計(jì)工作量及時(shí)間。

2.1 項(xiàng)目DeltaV（PCSD）物理模型

項(xiàng)目的物理模型由廠區(qū)、工藝車間、單元、設(shè)備模塊、控制模塊組成（圖2、圖3），廠區(qū)、工藝車間、單元由設(shè)備模塊的套用來完成。

圖2 DeltaV（PCSD）物理模型

圖3 DeltaV（PCSD）物理模型對(duì)應(yīng)圖

2.2 項(xiàng)目DeltaV（PCSD）軟件結(jié)構(gòu)

PCSD 庫組成：基本控制模塊類別、擴(kuò)展控制模塊類別、遷移控制模塊類別、設(shè)備模塊類別、階段（釜）的類別、單元模塊類別、標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)合結(jié)構(gòu)、顯示元素等。

針對(duì)抗氧化劑項(xiàng)目，分別設(shè)置了基本的設(shè)備模塊類別及生產(chǎn)線的主設(shè)備模塊類別等。項(xiàng)目中的設(shè)備模塊類別架構(gòu)如圖4 所示。

圖4 DeltaV（PCSD）設(shè)備模塊結(jié)構(gòu)

利用類Class&EM（設(shè)備模塊）的編程方法節(jié)省了組態(tài)、調(diào)試和驗(yàn)證的時(shí)間，提高效率。動(dòng)態(tài)設(shè)備選擇，最大化設(shè)備的使用率，滿足多功能靈活性需求，提高產(chǎn)能。簡(jiǎn)單控制，減少了人為因素造成的產(chǎn)品質(zhì)量波動(dòng)。靈活的操作方式，可應(yīng)對(duì)復(fù)雜的突發(fā)事件，而無需重啟批次。豐富的操作信息，增加了批量運(yùn)行的“透明度”，有利于操作員監(jiān)控和應(yīng)急處理，并且有內(nèi)置工藝故障處理及恢復(fù)機(jī)制。

2.3 編制基本控制模塊類別

（1）編制基本控制模塊類別是項(xiàng)目的基礎(chǔ)部分，編制了如AI、DI、DO、AO、PID、RAMP、各種閥門模塊VLV、各種泵攪拌模塊MTS、量累計(jì)、各種控制模塊等。模塊設(shè)計(jì)多采用如圖5 所示的形式。

圖5 DeltaV（PCSD）基礎(chǔ)模塊結(jié)構(gòu)

（2）控制模塊將算法、條件、告警、顯示等特性連接在一起，是物理模型中能夠進(jìn)行基本控制的設(shè)備的最低級(jí)別分組。

（3）基本控制模塊包括：模擬監(jiān)控（模擬輸入）、數(shù)字監(jiān)控（數(shù)字輸入）、控制功能（PID、模擬輸出、數(shù)字輸出）、閥門和電機(jī)監(jiān)控。

（4）控制模塊功能范圍包括：①模擬輸入模塊：模擬輸入，模擬輸入選擇器，壓力—溫度—密度補(bǔ)償，模擬差壓信號(hào)，軟件模型；②模擬輸出模塊：模擬輸出，模擬軟件輸出；③數(shù)字輸入模塊：離散開關(guān)，多離散輸入監(jiān)控，軟件離散模型；④數(shù)字輸出模塊：離散輸出，離散軟件輸出，總線設(shè)備模塊。

（5）具有聯(lián)鎖、許可和強(qiáng)制設(shè)定功能的離散閥門控制器：①單速電機(jī)控制器與聯(lián)鎖、許可和強(qiáng)制設(shè)定功能，（手動(dòng)—關(guān)—自動(dòng)）和本地啟動(dòng)/停止開關(guān)；②雙速電機(jī)控制器聯(lián)鎖、許可和強(qiáng)制設(shè)定功能和本地啟動(dòng)/停止開關(guān)。正向/反向電機(jī)聯(lián)鎖、許可和強(qiáng)制設(shè)定功能和本地啟動(dòng)/停止開關(guān)。變速電機(jī)聯(lián)鎖和強(qiáng)制設(shè)定功能和本地啟動(dòng)/停止開關(guān)。

（6）模擬控制模塊：標(biāo)準(zhǔn)PID、串級(jí)PID、分程PID、壓力溫度補(bǔ)償PID、模糊邏輯控制、比例控制器、手動(dòng)加載器、覆蓋控制器、偏置/增益控制器、斜坡模塊，可以與這些模擬控制模塊相關(guān)聯(lián)，斜坡設(shè)置和輸出參數(shù)。

2.4 編制設(shè)備模塊類別

編制設(shè)備模塊類別是本項(xiàng)目的重點(diǎn)，包括基礎(chǔ)的設(shè)備模塊、主生產(chǎn)設(shè)備模塊、生產(chǎn)線設(shè)備模塊。

設(shè)備模塊通常用于協(xié)調(diào)多個(gè)模塊設(shè)備的操作，這些模塊需要一起工作來控制相關(guān)的設(shè)備。PCSD 提供設(shè)備模塊外殼封裝工藝特定的設(shè)備模塊功能。包括帶有狀態(tài)驅(qū)動(dòng)、命令驅(qū)動(dòng)、功能框圖和順序功能圖算法的Class。狀態(tài)驅(qū)動(dòng)和命令驅(qū)動(dòng)設(shè)備模塊外殼默認(rèn)支持8、16 或32 個(gè)設(shè)備。

特定流程的設(shè)備模塊庫可以方便調(diào)用，設(shè)備模塊庫包括：工藝加熱系統(tǒng)、容器轉(zhuǎn)進(jìn)/轉(zhuǎn)出、夾套加熱、液體累加與定量控制、變速攪拌器控制、帶聯(lián)鎖的變速電機(jī)控制器、造粒模塊具有變速和工藝等，這些模塊基本包含了化工流程工藝的工藝需求。圖6 是本項(xiàng)目的設(shè)備模塊類別。EM 模塊設(shè)計(jì)較多使用該形式。

圖6 （PCSD）設(shè)備模塊類別及實(shí)際設(shè)備對(duì)應(yīng)圖

2.5 PCSD 庫的版本更新

與很多軟件模塊一樣，PCSD 庫也在不斷地更新。從2012年至今針對(duì)已經(jīng)實(shí)施的項(xiàng)目反饋，該庫的各個(gè)模塊已經(jīng)有十幾次的版本更新。這樣不僅及時(shí)修正了模塊及庫的不足，同時(shí)提升了程序的穩(wěn)定性及實(shí)用性。

3 PCSD 設(shè)備模塊命令

3.1 運(yùn)行命令

運(yùn)行命令見圖7 中的Command（命令）模塊。EM 和階段Shell中的默認(rèn)運(yùn)行邏輯被設(shè)置為流程操作方式。它允許將所需的項(xiàng)目特定過程操作分組到任務(wù)中，可以允許從失敗中恢復(fù)后恢復(fù)中斷的任務(wù)或任何其他預(yù)定義任務(wù)。這個(gè)結(jié)構(gòu)還支持在序列開始后只發(fā)生一次的動(dòng)作配置，例如Totalisers（累計(jì)器）的重置。一旦獲得了所有從屬設(shè)備，EM（設(shè)備模塊）和Phase Shel（l階段層）中的Run Logic 配置將啟用保持監(jiān)視和監(jiān)控監(jiān)視。這個(gè)配置還會(huì)重置Hold Request，使得操作人員無法在驅(qū)動(dòng)從屬設(shè)備之前控制它們。在運(yùn)行命令行的EM 配置中，將Hold Request 參數(shù)設(shè)置為true（真），這使操作人員能夠控制下級(jí)命令，以便操作人員可以及時(shí)的使用這些命令。EM 和Phase shell 中的默認(rèn)Run Logic 還包含配置，用于檢測(cè)操作執(zhí)行錯(cuò)誤，并通過模塊流程圖上顯示的消息通知操作人員流程操作。EM 和階段shell 中的默認(rèn)運(yùn)行邏輯在每個(gè)任務(wù)結(jié)束時(shí)執(zhí)行內(nèi)務(wù)操作。

3.2 Hold 命令

Hold 命令見圖7 中的Hold 模塊。EM 和Phase Shell 中的默認(rèn)Hold 保持邏輯被構(gòu)造為一系列動(dòng)作，以使流程處于安全狀態(tài)。保持邏輯重置運(yùn)行邏輯使用的臨時(shí)變量，也重置任何活動(dòng)的取消等待或操作符提示。它還禁用保持監(jiān)視和監(jiān)控監(jiān)視。EM 和Phase shell 中的默認(rèn)Hold 保持邏輯使用模塊流程圖上的消息顯示，將故障原因通知操作人員。

3.3 故障處理

故障處理見圖7 中的Failure Monito（r故障診斷）模塊。EM和Phase shell 包含監(jiān)控異常流程條件的默認(rèn)配置，稱為Hold保持監(jiān)視。它監(jiān)視指定的從屬設(shè)備的故障，被稱為監(jiān)控監(jiān)視。除此之外，EM 和Phase shell 在默認(rèn)情況下還監(jiān)視某些預(yù)定義的異常執(zhí)行條件。

圖7 設(shè)備模塊類別結(jié)構(gòu)

如果故障處理邏輯檢測(cè)到發(fā)生了已定義的故障條件，它會(huì)立即命令EM 或Phase 邏輯執(zhí)行Hold 保持邏輯，并采取必要的步驟將流程置于安全狀態(tài)。

默認(rèn)配置允許指定所需的監(jiān)控監(jiān)視，而不考慮每個(gè)單獨(dú)的單元或設(shè)備模塊內(nèi)的資源可用性。通常這種資源在單個(gè)單位或設(shè)備模塊中被忽略。

EM 和Phase Shell 配置支持檢測(cè)故障的“優(yōu)先”獲取。這些信息與故障狀態(tài)一起被傳播到管理邏輯，并使用模塊流程圖上的消息顯示給操作人員。這些信息也可以在EM 和Unit 模塊詳細(xì)顯示。

在EM 和Unit 模塊的詳細(xì)顯示中，操作人員可以選擇繞過任何定義的保持監(jiān)控或監(jiān)控監(jiān)控條件。當(dāng)“Hold Monitor”或“Sentinel Monitor”條件被忽略時(shí)，會(huì)產(chǎn)生旁路“Bypass”告警。

當(dāng)檢測(cè)到故障時(shí)，故障處理邏輯產(chǎn)生網(wǎng)管的Fail 告警和單元模塊的Phase 告警。并有文本信息帶操作確認(rèn)，操作符提示邏輯允許EM 或Phase 從操作輸入。這些輸入也可以配置為需要來自管理器或上級(jí)的身份驗(yàn)證。所有操作符提示及其響應(yīng)都記錄在指定的事件日志中。操作人員通過提示警報(bào)和流程圖形上消息的外觀變化來通知活動(dòng)提示。操作人員還可以訪問來自EM 和UM 詳細(xì)顯示的提示消息。

3.4 PCSD 同步

同步消息傳遞可以添加到一個(gè)階段的運(yùn)行中，當(dāng)它需要與其他單元上的設(shè)備模塊通信聯(lián)絡(luò)，以同步操作，例如啟動(dòng)和停止物料的進(jìn)料或傳輸。對(duì)于每個(gè)需要同步的流程操作，階段運(yùn)行可以初始化同步消息傳遞邏輯排序，以與來自其他單元的階段的同步消息傳遞邏輯排序進(jìn)行協(xié)調(diào)。如果確定了相關(guān)單元及設(shè)備，就在運(yùn)行時(shí)建立這些控制選擇路徑和排序。

同步的配置包括監(jiān)控聯(lián)絡(luò)路徑故障和其他單元故障的問題。如果檢測(cè)到任何這些故障，則觸發(fā)階段的Hold 保持。另外，用于同步的配置允許在運(yùn)行時(shí)確定其他設(shè)備單元的標(biāo)識(shí)。

3.5 PCSD 設(shè)備模塊類基本模塊

根據(jù)工藝流程及對(duì)工藝流程的分割歸類，將整個(gè)工藝過程分成14 個(gè)基本設(shè)備模塊類，而主設(shè)備模塊類別則通過14 個(gè)基本設(shè)備模塊類別的調(diào)用及組合來完成。車間和單元自動(dòng)運(yùn)行則是通過主設(shè)備模塊類的排序及自動(dòng)選擇來執(zhí)行，其間包括排序、調(diào)用、動(dòng)態(tài)設(shè)備、動(dòng)態(tài)參數(shù)、循環(huán)、固體投料控制等。

以下為14 個(gè)基本設(shè)備模塊類別，這些Comd 命令基本包括了抗氧劑工藝流程的所有工序。

（1）進(jìn)料設(shè)備（表1）。

表1 進(jìn)料設(shè)備模塊命令明細(xì)

（2）氮?dú)庵脫Q設(shè)備（表2）。

表2 氮?dú)庵脫Q設(shè)備模塊命令明細(xì)

（3）反應(yīng)釜溫度設(shè)備（蒸汽—水系統(tǒng)）（表3）。

（4）反應(yīng)釜溫度EM（熱油—冷油系統(tǒng)）（表4）。

（5）傳輸設(shè)備（表5）。

表5 傳輸設(shè)備模塊命令明細(xì)

（6）冷凝器回流采出設(shè)備（表6）。

表6 冷凝器回流采出設(shè)備模塊命令明細(xì)

（7）1135 冷凝器回流采出設(shè)備（表7）。

表7 1135 冷凝器回流采出設(shè)備模塊命令明細(xì)

（8）過濾設(shè)備（表8）。

表8 過濾設(shè)備模塊命令明細(xì)

（9）塔設(shè)備（表9）。

表9 塔設(shè)備模塊命令明細(xì)

（10）塔（串控）設(shè)備（表10）。

表10 塔（串控）設(shè)備模塊命令明細(xì)

（11）離心機(jī)設(shè)備（表11）。

表11 離心機(jī)設(shè)備模塊命令明細(xì)

（12）離心機(jī)洗滌設(shè)備（表12）。

表12 離心機(jī)洗滌設(shè)備模塊命令明細(xì)

（13）干燥機(jī)設(shè)備（表13）。

表13 干燥機(jī)設(shè)備模塊命令明細(xì)

（14）薄膜刮板設(shè)備（表14）。

表14 薄膜刮板設(shè)備模塊命令明細(xì)

4 PCSD 應(yīng)用的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)

PCSD 是基于S88 及批量的部分功能，對(duì)于一般的精細(xì)化工，在配方不多、生產(chǎn)穩(wěn)定情況下，同時(shí)考慮到成本及預(yù)算，PCSD 非常適合也非常通用。

批量控制首先是成本較高，需要專門獨(dú)立的批量的服務(wù)器及相關(guān)軟件授權(quán)，PCSD 則只是應(yīng)用，批量控制運(yùn)行速度相應(yīng)比PCSD 應(yīng)用快，因?yàn)榕靠刂瞥绦蜻\(yùn)行在單獨(dú)的批量服務(wù)器中，而PCSD 的模塊是在控制器中運(yùn)行，需要精確的分配控制器，保證程序模塊在各個(gè)控制器中快速、穩(wěn)定運(yùn)行。因此批量控制的應(yīng)用更加廣泛，尤其是多配方控制。

本項(xiàng)目確定PCSD 的設(shè)計(jì)規(guī)范非常重要，PCSD 與傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)不同，傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立，而PCSD 的模塊與控制系統(tǒng)完全集成，本質(zhì)上是各個(gè)單元通過關(guān)聯(lián)及類別來完成項(xiàng)目的快速設(shè)計(jì)及調(diào)試運(yùn)行。因此整個(gè)設(shè)計(jì)理念與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)差別很大。

本項(xiàng)目實(shí)施和運(yùn)行情況表明，PCSD 的特點(diǎn)非常適用于本工程項(xiàng)目和生產(chǎn)工藝流程，能夠輕松實(shí)現(xiàn)可視化的全流程自動(dòng)化。其他同類精細(xì)化工項(xiàng)目可以根據(jù)本項(xiàng)目的控制系統(tǒng)、PCSD系統(tǒng)配套模塊庫，選出適合自己工程項(xiàng)目的標(biāo)準(zhǔn)化模塊，通過組合組成可靠的控制方案，快速完成其他項(xiàng)目DCS 工程。

5 結(jié)束語

DeltaV（PCSD）作為新生的技術(shù)已經(jīng)基本成熟，在本公司項(xiàng)目的使用中體現(xiàn)出了技術(shù)穩(wěn)定、可靠，擴(kuò)展性強(qiáng)的特點(diǎn)。經(jīng)過項(xiàng)目的組態(tài)、測(cè)試、運(yùn)行，不僅達(dá)到了生產(chǎn)設(shè)計(jì)和規(guī)劃的要求，也體現(xiàn)出選擇之初的技術(shù)要求，即模塊化組態(tài)、可視化操作、快速變更、及時(shí)的故障處理等，使抗氧劑生產(chǎn)從原來的基本靠人員和DCS 監(jiān)控生產(chǎn)的工藝流程，直接轉(zhuǎn)化升級(jí)為全流程自動(dòng)化，提升了產(chǎn)品質(zhì)量和企業(yè)管理水平，使利安隆的整體自動(dòng)化達(dá)到了全球同行業(yè)一流水平。