連續(xù)超馳控制在橫河DCS中的應(yīng)用

張 進(jìn) 程冠軍

(1. 橫河電機(jī)(中國(guó))有限公司，西安 710075；2. 大慶煉化公司設(shè)計(jì)院，黑龍江 大慶 163411)

連續(xù)超馳控制在橫河DCS中的應(yīng)用

張 進(jìn)1程冠軍2

(1. 橫河電機(jī)(中國(guó))有限公司，西安 710075；2. 大慶煉化公司設(shè)計(jì)院，黑龍江 大慶 163411)

通過(guò)工程實(shí)例介紹了連續(xù)超馳控制在橫河CENTUM VP DCS中的應(yīng)用和組態(tài)實(shí)現(xiàn)方法，超馳控制回路接到事故報(bào)警、偏差越限及故障等信號(hào)后，根據(jù)事故發(fā)生的原因執(zhí)行選擇控制、優(yōu)先增減及禁止增減等邏輯功能將系統(tǒng)切換至安全控制狀態(tài)，并發(fā)出報(bào)警信號(hào)，該過(guò)程相較傳統(tǒng)的控制方式更高效、平穩(wěn)。

連續(xù)超馳控制 CENTUM VP DCS 控制器 回路組態(tài)

隨著自動(dòng)化技術(shù)的不斷發(fā)展，在煉油、化工、電力、鋼鐵、冶金、造紙及紡織等工藝過(guò)程控制中，人為干預(yù)少、運(yùn)行平穩(wěn)且安全可靠的自動(dòng)控制方案深受歡迎。越來(lái)越多的生產(chǎn)裝置要求控制系統(tǒng)既能在正常工作狀況下發(fā)揮作用，又能在非正常工作狀況下起到自動(dòng)調(diào)整作用，使生產(chǎn)過(guò)程盡快恢復(fù)到正常工作狀況[1]。這種能處理非正常工作狀況的控制方案屬于安全保護(hù)措施。安全保護(hù)措施有硬保護(hù)措施和軟保護(hù)措施兩大類。

硬保護(hù)措施也稱聯(lián)鎖保護(hù)控制系統(tǒng)，當(dāng)生產(chǎn)工藝狀況超出一定范圍時(shí)，聯(lián)鎖保護(hù)控制系統(tǒng)采取一系列措施，比如報(bào)警、聯(lián)鎖強(qiáng)制動(dòng)作(急停、切斷)等，使生產(chǎn)過(guò)程退守到安全狀態(tài)。硬保護(hù)措施會(huì)使運(yùn)行中的工藝或設(shè)備停止，造成經(jīng)濟(jì)損失。因此，人們?cè)趯?shí)踐中探索出更多既安全又經(jīng)濟(jì)的軟保護(hù)措施以減少停車造成的損失。軟保護(hù)措施是當(dāng)生產(chǎn)工藝狀況超出一定控制范圍時(shí)，控制系統(tǒng)不采取聯(lián)鎖保護(hù)，而是自動(dòng)切換到另一種新的控制模式，該控制模式根據(jù)事故發(fā)生的原因立即執(zhí)行預(yù)先設(shè)定的安全措施，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行控制，當(dāng)工作狀況恢復(fù)正常時(shí)，又自動(dòng)切換到原來(lái)的控制方式中。由于要對(duì)工作狀況是否正常進(jìn)行判斷，且在兩個(gè)控制系統(tǒng)中選擇，上述控制模式稱為選擇性控制系統(tǒng)，也稱為取代控制或超馳控制。

隨著技術(shù)的發(fā)展，超馳控制的運(yùn)用越來(lái)越成熟，顯著的優(yōu)點(diǎn)使它成為當(dāng)前自動(dòng)控制技術(shù)中不可缺少的組成部分，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。筆者將通過(guò)工程實(shí)例介紹連續(xù)超馳控制在橫河CENTUM VP DCS中的應(yīng)用。

1 超馳控制

常規(guī)控制回路缺少識(shí)別系統(tǒng)自身品質(zhì)的能力，因此只要有偏差信號(hào)，控制器就會(huì)有相應(yīng)的控制運(yùn)算和輸出，而不管系統(tǒng)內(nèi)部或外部是否異常，有時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)控制背離給定值的現(xiàn)象，并因此造成事故[2]。超馳控制則能有效避免以上問(wèn)題，隨時(shí)檢測(cè)控制回路中信號(hào)的品質(zhì)、輸入輸出偏差限值等，當(dāng)控制儀表本身出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，超馳控制將使控制回路由自動(dòng)轉(zhuǎn)為手動(dòng)；若自動(dòng)控制儀表一切正常，主、輔設(shè)備或自動(dòng)控制系統(tǒng)之間的運(yùn)行狀態(tài)出現(xiàn)異常，超馳控制將根據(jù)邏輯判定來(lái)決定控制策略或運(yùn)行方向，使生產(chǎn)過(guò)程轉(zhuǎn)入安全通道，脫離危險(xiǎn)工況[3]。

超馳控制分為開(kāi)關(guān)型和連續(xù)型兩類，開(kāi)關(guān)型超馳控制系統(tǒng)一般是在主路控制器與調(diào)節(jié)閥門間設(shè)置一個(gè)電磁閥門，此電磁閥門由輔路超馳信號(hào)控制。當(dāng)超馳信號(hào)送過(guò)來(lái)時(shí)，電磁閥門斷開(kāi)，由于主路調(diào)節(jié)閥門失氣或失電，調(diào)節(jié)閥門自動(dòng)向預(yù)先設(shè)定的FC或FO動(dòng)作。也就是說(shuō)，當(dāng)超馳信號(hào)出現(xiàn)時(shí)，調(diào)節(jié)閥門的最終動(dòng)作只能是全開(kāi)或全關(guān)，而不會(huì)動(dòng)態(tài)地進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2 連續(xù)型超馳控制

連續(xù)型超馳控制是將開(kāi)關(guān)型超馳控制系統(tǒng)中的電磁閥門換成一個(gè)選擇性控制器，該控制器通過(guò)比較主路控制信號(hào)和超馳控制信號(hào)選擇安全有效的輸出。連續(xù)型超馳控制與開(kāi)關(guān)型超馳控制比較節(jié)省一個(gè)電磁閥，與常規(guī)控制比較則節(jié)省一個(gè)調(diào)節(jié)閥，而且能夠達(dá)到更優(yōu)的控制效果，既經(jīng)濟(jì)又安全高效。

在連續(xù)型超馳控制系統(tǒng)中，一般設(shè)置兩臺(tái)連續(xù)型控制器(簡(jiǎn)稱控制器A和控制器B)，通過(guò)一臺(tái)高(低)選擇器輸出往控制閥，控制器A在正常工況下工作，控制器B在非正常工況下工作。當(dāng)發(fā)生高(低)位超馳時(shí)(危險(xiǎn)工況被觸發(fā)時(shí))，選擇器選擇控制器B取代控制器A去調(diào)節(jié)控制閥輸出，同時(shí)A的輸出要跟蹤調(diào)節(jié)閥的輸出。當(dāng)超馳消失時(shí)選擇器選擇控制器A取代控制器B調(diào)節(jié)控制閥輸出，此時(shí)B的輸出要跟蹤調(diào)節(jié)閥的輸出。需要強(qiáng)調(diào)的是，不管哪個(gè)控制器控制輸出，它都處于動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)狀態(tài)。

3 模擬量比較變送器在超馳控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

圖1、2分別是超馳控制回路和清單，大量應(yīng)用于延長(zhǎng)DCC項(xiàng)目中，通過(guò)低(高)液位超馳控制，能夠使控制更加安全平穩(wěn)，同時(shí)減少一套輸出設(shè)備。

圖1 超馳控制回路

圖2 超馳控制回路清單

未被選中的控制器輸出隨時(shí)跟蹤被選中的控制器輸出。兩個(gè)控制器均在自動(dòng)狀態(tài)下，應(yīng)設(shè)置為外部反饋類型，選擇器的輸出反饋到兩個(gè)PID控制器。

連續(xù)超馳選擇性控制回路上包含一個(gè)模擬信號(hào)選擇器。高選器輸出信號(hào) OP是一路輸入信號(hào)IP1和另一路輸入信號(hào)IP2中數(shù)值較大的一個(gè)(例如：IP1=50，IP2=40；則OPmax=IP1=50，同時(shí)強(qiáng)制IP2=50)，控制器的輸出繼續(xù)下一個(gè)周期的比較。低選器輸出信號(hào) Y是一路輸入信號(hào)IP1和另一路輸入信號(hào)IP2中選出數(shù)值較小的一個(gè)(例如：IP1=50，IP2=40；則OPmin=IP2=40，同時(shí)強(qiáng)制IP1=40)，控制器的輸出繼續(xù)下一個(gè)周期的比較。

連續(xù)型超馳控制系統(tǒng)框圖如圖3所示。增加開(kāi)環(huán)零點(diǎn)，改善控制品質(zhì)，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。選擇器位于幾個(gè)檢測(cè)變送環(huán)節(jié)與控制器之間并利用選擇器實(shí)現(xiàn)非線性控制。

圖3 連續(xù)型超馳控制系統(tǒng)框圖

4 應(yīng)用與DCS實(shí)施

橫河DCS中的低液位超馳控制回路如圖4所示，選擇器(低選)位于兩個(gè)控制器和執(zhí)行器(調(diào)節(jié)閥)之間，正常工況下流量控制900FIC44009(簡(jiǎn)稱A)和液位控制900LIC44008(簡(jiǎn)稱B)都在自動(dòng)(AUT)模式，根據(jù)偏差自動(dòng)調(diào)整輸出，每個(gè)掃描周期，A與B輸出進(jìn)行比較，通過(guò)低選選擇器輸出較低的值給執(zhí)行器(調(diào)節(jié)閥)，同時(shí)將輸出值反饋給非低值的控制器，使得輸出一致，實(shí)現(xiàn)低選到另一個(gè)控制器時(shí)調(diào)節(jié)閥流量的控制。若發(fā)生液位低于液位設(shè)定值(此時(shí)為低液位超馳)的工況時(shí)，輸出鎖定在此最小開(kāi)度，保證生產(chǎn)安全，若液位恢復(fù)后，繼續(xù)在流量與液位中比較來(lái)控制閥門開(kāi)度。

圖4 橫河DCS中的低液位超馳控制回路

圖4中運(yùn)算塊(CALCU)的作用是通過(guò)程序輔助超馳回路實(shí)現(xiàn)把低選后的輸出，通過(guò)外反饋給高輸出，強(qiáng)制使高輸出跟蹤低輸出，具體程序如下：

!首先為了簡(jiǎn)化使用ALIAS指代功能，分3種情況完成外部反饋：

ALIAS TW1 900LIC44008.TSW

ALIAS TW2 900FIC44009.TSW

ALIAS MV1 900LIC44008.MV

ALIAS MV2 900FIC44009.MV

!若控制器A與B輸出一致，保持當(dāng)前狀態(tài)：

IF(MV1==MV2)THEN

TW1=0

TW2=0

END IF

！若控制器A輸出大于B輸出，選擇B輸出，同時(shí)強(qiáng)制A輸出等于B輸出：

IF(MV1gt;MV2)THEN

TW1=1

TW2=0

END IF

！若控制器A輸出小于B輸出，選擇A輸出，同時(shí)強(qiáng)制B輸出等于A輸出：

IF(MV1lt;MV2)THEN

TW1=0

TW2=1

END IF

END

掃描順序會(huì)影響到程序執(zhí)行的結(jié)果，調(diào)試后的基本表塊掃描順序如圖5所示。圖6為該超馳控制在工藝流程圖中的操作監(jiān)控畫面。

圖5 DCS中的掃描順序

圖6 超馳控制在工藝流程圖中的操作監(jiān)控畫面

當(dāng)超馳發(fā)生時(shí)，超馳信號(hào)會(huì)低于主回路控制信號(hào)，選擇器就選擇超馳信號(hào)。連續(xù)型控制系統(tǒng)的超馳信號(hào)可動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)閥門，在超馳過(guò)程中，選擇器始終在比較兩個(gè)輸出信號(hào)的數(shù)值，選擇低值輸出。有一臺(tái)控制器處于開(kāi)環(huán)狀態(tài)。若這臺(tái)控制器具有積分作用，則會(huì)產(chǎn)生積分飽和。防止積分飽和的方法有限幅法、外反饋法和積分切除法，常采用外反饋法。當(dāng)控制器A處于工作狀態(tài)時(shí)，選擇器輸出的信號(hào)既反饋到控制器A，又反饋到控制器B作為控制器B的輸出值，使得A、B輸出一致。

5 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，自動(dòng)控制一方面能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的工藝過(guò)程控制，提高經(jīng)濟(jì)效益，減輕人員勞動(dòng)強(qiáng)度，另一方面其可靠性有待提高，特別是工藝過(guò)程發(fā)生大的擾動(dòng)時(shí)，自動(dòng)控制可能放大擾動(dòng)，出現(xiàn)不可預(yù)見(jiàn)的結(jié)果。超馳控制由監(jiān)測(cè)狀態(tài)、邏輯判定及選擇超馳等功能構(gòu)成，可自動(dòng)決定控制回路的工作方式，使自動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)行更加可靠，是目前國(guó)外比較流行的控制方法。筆者所述超馳控制系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)已經(jīng)投運(yùn)兩年多，生產(chǎn)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

[1] 楊慶柏.超馳控制及其應(yīng)用前景[J].自動(dòng)化與儀表，2000，15(6)：28.

[2] 姚金環(huán)，王立地.現(xiàn)代自動(dòng)調(diào)節(jié)不可缺少的超馳控制[R].杭州：中國(guó)電機(jī)工程學(xué)會(huì)，1997.

[3] 姚金環(huán).分散控制系統(tǒng)中的超馳控制[J].華東電力，2000，28 (3)：53～54.

TH165+.2

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1000-3932(2016)05-0550-04

2016-03-30(修改稿)