淺談APC與DCS控制系統安全切換的設計與應用

馮軍海

河南能源鶴壁煤化工有限公司 河南 鶴壁 458000

引言

在工業生產過程中，時間延遲現象普遍存在。工業生產過程中溫度控制是極其重要的一個環節，在石油、化工、熱電行業中顯得尤為重要。其中鍋爐是上述行業中重要的動力設備。

1 DCS控制系統項目研發背景

在生產過程中，為實現水洗系統生產廠區全程、遠程、無人操控和管理的生產模式，最大限度的杜絕各類安全事故的發生。通過多方調研、攻關，對原有的生產系統進行了升級改造[1]。

2 先進控制技術（APC）

先進控制技術（APC）是以現代控制理論為基礎，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、液位的基礎上進行拓展，增加了產品質量、設備負荷等工藝生產需要監控的經濟指標，集前饋（多變量模型預測）、反饋及優化于一體，通過減少關鍵工藝變量的波動，進而優化工藝裝置操作，實現卡邊控制[2]。

3 改進的模糊Smith控制在DCS控制系統中應用

經過前期仿真，改進的算法在對時滯系統中的應用是可以解決以上問題的，目前在工業控制領域中ABB公司的Freelance(ac800F控制器）控制系統是主流，通過對ABB的Freelance DCS系統(AC800F控制器）的二次開發，將先進控制算法融入DCS系統中，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，提高了控制系統的動態功能；使用DCS內折線處理功能克服調節閥的非線性，提高了系統穩定性和控制系統質量。如火電機組控制的DEH(數字電液調節)中，有幾十個開關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，如果控制系統出現故障將會導致汽輪機飛車，造成重大經濟損失[3]。

4 APC模式安全切換邏輯

每個控制回路設計了DCS請求APC控制的信號（REQUEST）和來自APC確認的APC已經準備好的信號（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，作為DCS和APC握手的時間通常以秒為單位，這個值應該根據現場實際情況而定，一般設定為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（MV），控制現場設備。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控制器開關處于投用位置，串級副回路處于自動狀態，串級主回路處于程序手動狀態，此時將APC回路的投用開關置為ON位置，即切換至APC模式。切換至APC模式后：APC回路狀態指示為ON，操作畫面中該回路狀態顯示為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整狀態[4]。

5 自動化控制及儀表

中央控制室設一個主站：工程師站兼操作員站。操作員站用于系統設計、DCS編程及監控，工程師站主要用于設計、組態、調試、監視整個系統。中央控制室設不間斷電源保證PC系統的正常運行。DCS系統由監控級操作站及高速數據傳輸總線組成。操作站對全廠生產的運行數據進行處理、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的全部功能，能夠接受來自現場的各種測量信號，把其轉換成標準的系統內部信號進行各種運算和處理。現場控制站通過高速數據總線向監控級操作站傳輸工藝過程的各種參數，同時接受監控級操作站的各種控制指令。DCS系統的中央控制室設在中央控制樓一層，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，未出現APC誤動作導致DCS參數突然變化的情況。經測試和實際使用，切換方式操作合理可靠，組態方案簡化，減輕了操作人員和儀表維護人員的負擔。實現了DCS控制與APC控制的無擾切換，確保裝置平穩運行，并準備在其他裝置中推廣使用。