水泥智能控制系統安全保護技術

張書法 胡建剛 壯炳良 歐丹林

（浙江邦業科技有限公司，浙江 杭州 310000）

水泥智能控制系統安全保護技術

張書法 胡建剛 壯炳良 歐丹林

（浙江邦業科技有限公司，浙江 杭州 310000）

本文以國內知名的CAM智能控制系統為例，闡述了由“通訊狀態自動偵測與保護技術”“儀表故障自動偵測與保護技術”“雙向無擾切換”“操作安全邊界約束與運行”四部分組成的安全保護技術的技術原理及實施案例，該技術能很好地保障智能控制系統安全穩定運行。

智能控制；安全保護；CAM；水泥

1. 言

隨著水泥行業“信息化與工業化深度融合”工作的逐步推進[1]，智能控制系統在水泥行業的應用得到越來越廣泛的重視[2],[3]，如浙江邦業科技有限公司的CAM智能控制系統，已經在國內多家行業標桿企業成功應用。

智能控制系統的效益是多層次的：在操作層面，智能控制系統取代了人工操作，大幅提升了勞動生產率，將操作人員從日常繁雜的簡單操作中解放出來，從“操作員”的層面轉化為“監督者/優化者”的角色。而在生產層面，智能控制系統通過其內置的強大算法實現了精細化操作，從而大幅提升了生產過程各關鍵變量的穩定性，最終保障了窯熱工制度的穩定性，從而帶來資源和能源浪費減少、產品質量提高和設備運轉率提高等多方面的效益,[4]。

然而，勞動生產率的提升也意味著關注度的下降。因此，在智能控制系統取代人工操作之后，如何保障系統長期穩定運行，如何避免系統或者儀表故障等偶發故障導致控制系統“誤動作”或“不動作”，也是生產企業和智能系統供應商所必須直面的問題。

作為水泥行業智能控制系統的領軍企業，浙江邦業科技有限公司有著豐富的實施經驗，也制定了安全保護技術的企業規范。本文將以“CAM系統”為例，詳細闡述智能控制的安全保護技術原理與實施案例。

2 智能控制系統安全保護技術原理

根據本公司多年項目實施的經驗總結，智能控制系統的安全隱患主要存在于三個方面，即數據通訊故障、儀表故障、控制模式切換故障，并針對這三大隱患開發出了“通訊狀態自動偵測與保護技術”、“儀表故障自動偵測與保護技術”和“雙向無擾切換”三項技術。更進一步，開發出了“操作安全邊界約束與運行”技術，使系統始終運行在安全邊界內。下面分章節介紹這四項安全保護技術。

2.1 通訊狀態自動偵測與保護技術

由于其智能控制系統算法的復雜性，及避免對DCS系統形成干擾，一般而言，智能控制系統運行在獨立的智能控制上位機，通過OPC接口與DCS系統進行雙向數據通信。為保證數據安全，兩者之間還需要安裝防火墻。

在上述網絡架構中，服務器、防火墻、網卡、網線等硬件，操作系統、OPC服務器、智能控制系統等軟件，都可能存在故障。而任何故障出現，都會導致數據通訊中斷，這時智能控制系統無法正常操作。從安全角度上看，安全保護系統必須能自動識別數據通訊故障，報警提示操作人員，并自動切換回手工操作模式[5]。

通信故障的識別是通過“心跳/看門狗”機制實現的。智能控制系統定期發送特定的信號給DCS，稱為“心跳”；而DCS系統則增加“看門狗”邏輯，定期自動檢測該信號。如在約定時間內未檢測到該信號，則認為通信故障，發出報警并將控制系統切換回手工操作模式。

2.2 關聯儀表故障

為追求強大的控制性能，智能控制系統往往關聯了非常多的輸入信號，如溫度、壓力、流量、液位等。信號的好壞對智能控制系統正確運行意義重大，對水泥這類儀表故障率高的過程更是如此。從安全角度上看，控制系統必須能自動識別儀表故障，并根據儀表的重要程度執行不同的動作。

儀表故障的識別有三種不同的方法。最簡單的一種方法是范圍檢查，如信號超過預先設定的上下限，則判定為儀表故障。這種方法雖然簡單但仍有效，能區分出大部分測量元件損壞所造成的故障。第二種方法是監測信號的變化率，如果信號在短期內發生跳變（即變化率超過限制），即可判定為儀表故障。這種方法要比第一種方法有更好的故障識別率。第三種方法是平值檢查，如信號在一定時間內保持不變，則判定為儀表故障。這種方法適用于檢測部分現場總線儀表的通訊故障。這三種方法要根據測量信號的實際情況選擇或者疊加使用。

而在識別儀表故障后，則需根據儀表重要度和損壞時間進行分級，執行不同的操作。一般而言，操作可分為三級：第一級，將故障儀表從控制系統中切除；第二級，將控制系統中部分回路切除；第三級，將整個控制系統切除。

2.3 雙向無擾切換

所謂雙向無擾切換，指智能控制模式切換到手工操作模式時，以及從手工操作模式切換到智能控制模式時，各控制回路能平穩過渡，不會出現任何跳變而導致過程不穩定。如果出現跳變，則稱之為“模式切換故障”。

為實現雙向無擾切換，消除“模式切換故障”，必須實現雙向跟蹤，即：

● 在智能控制模式時，手工控制的設定值自動跟蹤智能控制的設定值。

● 在手工控制模式時，智能控制的設定值自動跟蹤手工控制的設定值。

2.4 安全邊界約束與運行技術

智能控制系統是一種強大的輔助工具，能幫助操作人員實現更精細化操作，但其仍在操作人員監督下運行。從安全的角度來看，操作人員需設定合理的調節范圍，稱之為安全邊界；而智能控制系統必需時刻保持在安全邊界內運行。這可以看成一種“授權”的機制。這種機制可以很好地保障智能控制系統在極端情況下仍處于安全范圍，避免出現重大的安全事故。

安全邊界約束一般包含兩部分：變化率的限制和上下限限制。所謂變化率限制，是指操縱變量在兩個執行周期內，其變化率不超過約定的限值。所謂上下限限制，是指操縱變量的值始終保持在約定的限制范圍內。

3 安全保護邏輯的實施案例

安全保護系統包含的內容很多，其部分在智能控制系統中實現，部分在DCS端實現。對于在智能控制系統中實現的部分，由于編程相對簡單，本文不再贅述。

3.1 通訊狀態自動偵測與保護

所謂通訊狀態偵測和保護就是當通訊正常的時候，CAM智能控制系統以30S的周期發送信號1給DCS系統，DCS收到信號后，通過程序處理，將此信號復位為0。這樣控制器與DCS之間的通訊一直出現交替的0和1狀態，如果超過控制器2個周期以上，即通訊狀態一直為1或者一直為0，表示通訊異常，系統就會出現報警，提醒相關人員進行處理，通訊恢復正常后，需要進行復位消除報警。

3.2 儀表故障自動偵測

1）儀表故障自動偵測程序主要為了保護我們控制的目標儀表的準確性，在安全生產過程中如果在短時間內儀表數值的變化超過一定的范圍，我們即認為該儀表出現故障，它顯示的數值不作為控制的手段，所以智能控制系統會自動切除該變量的控制權，并彈出報警提醒操作人員。

3.3 雙向無擾切換程序保護

1）智能控制系統未投入時，操縱變量的動作與原DCS的數值一致，即智能控制系統輸出的變量自動跟蹤原DCS的變量

2）智能控制系統投入時，操縱變量的動作由智能控制器程序自動跟蹤，自動調節，原DCS變量自動跟蹤智能控制器輸出的變量

3.4 安全連鎖和邊界保護技術

1）安全連鎖主要是控制器總開關在投入的前提下，各個控制器的回路才可以正常進行控制。

● 當通訊中斷立即彈出報警并且自動切除總開關

● 如果總開關切除，立即切除控制器的所有分回路開關

2）操作安全邊界約束主要預防操縱變量在投用智能控制系統的過程中出現大幅度的變化或者誤動作，它的動作范圍只能在圖中紅色框的高低限范圍內動作，它的高低限數值即為操作安全邊界約束也叫硬約束。

5結論

為保障智能控制系統的長期穩定運行，安全保護技術的重要性是不言而喻的。根據本公司多年實踐的經驗，由“通訊狀態自動偵測與保護技術”、“儀表故障自動偵測與保護技術”、“雙向無擾切換”、“操作安全邊界約束與運行”四部分組成的安全保護技術，能很好地保證系統安全穩定運行，將故障風險降到最低。

[1]江源. 水泥行業兩化融合發展現狀及工作建議[J]. 中國建材產業轉型升級創新發展研究論文集, 2013.

[2]李學軍, 周元, 賓光富, 等. 基于三維模糊 PID 控制策略的水泥分解爐溫度控制系統研究 [J][J]. 電子測量與儀器學報, 2009, 23(10): 37-42.

[3]王永初. 智能控制理論與系統的發展評述[J]. 華僑大學學報: 自然科學版, 2004, 25(1): 1-4.

[4]張鐘俊, 蔡自興. 智能控制與智能控制系統[J]. 信息與控制, 1989, 5(1): 989.

[5]萬家國, 何謙. I/A 系列 DCS 通訊典型故障分析與處理[J]. 瀘天化科技, 2009 (3): 277-281.

TQ172

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1007-6344（2015）10-0003-02

國家科技支撐計劃2013BAE09B00”高強低鈣硅酸鹽水泥及生產控制關鍵技術的研究與示范”資助