PCSD 技術(shù)在精細化工全自動化過程生產(chǎn)的應用

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)的自動化開發(fā)標準，其全流程自動控制在工業(yè)生產(chǎn)中的應用越來越廣泛。目前國內(nèi)已經(jīng)有若干大型項目應用的成功案例，如Albemarle、BASF 等大型化工企業(yè)。這些項目的實施和使用效果顯示，DCS（Distributed Control System，集散控制系統(tǒng)）利用PCSD 標準確實能簡化工程實施，減少調(diào)試時間，自動化程度更高，充分利用DCS 結(jié)合PCSD 標準能提高工廠的自動化運行水平。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 標準的設計、實施、組態(tài)、調(diào)試、應用等方面入手，闡述PCSD 技術(shù)在DCS DeltaV 系統(tǒng)中的應用，達到全球同行業(yè)一流的全流程自動化水平。

1 PCSD 和項目介紹

1.1 PCSD

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

由DeltaV 工程團隊開發(fā)的PCSD 庫包括一系列完整的功能模塊，合并了各個行業(yè)的通用需求，并結(jié)合操作經(jīng)驗，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備模塊Class 和階段Class。

PCSD 包含了批量控制及S88 的結(jié)構(gòu)，對于精細化工（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 項目介紹

利安隆（珠海）新材料有限公司高分子材料抗氧化助劑生產(chǎn)項目設計產(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)。過程控制控制點合計24 000 點左右（其中含各種總線通信控制網(wǎng)段60 多個，顯示控制點約6000 點）。

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）和DeltaV SIS（Charm 箱多個）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)絡結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

本項目也存在設計變更及工藝變更大、工期要求緊、間歇生產(chǎn)、工藝復雜的精細化工項目常態(tài)，因此，對于軟件組態(tài)及測試和調(diào)試進度要求很高。

2 DeltaV（PCSD）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

PCSD 為基礎的軟件系統(tǒng)包括：聯(lián)鎖回路800 多路，聯(lián)動控制8000 多路，控制回路3000 多路，PCSD 程序自動控制各個層級設備模塊500 多個。

DeltaV（PCSD）系統(tǒng)是在傳統(tǒng)DCS 系統(tǒng)優(yōu)勢基礎上、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)項目特點：

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

（2）動態(tài)設備選擇，最大化設備的使用率，滿足多功能、多牌號產(chǎn)品的靈活性需求，提高產(chǎn)能。

（3）工藝操作實現(xiàn)了優(yōu)化生產(chǎn)。

（4）簡單控制，減少了人為因素造成的產(chǎn)品質(zhì)量波動。

（5）靈活的PCSD 操作方式，可應對復雜的突發(fā)事件而無需重啟批次。

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

PCSD 在利安隆珠海項目抗氧劑全流程自動化生產(chǎn)中應用的很成功。其Class 模塊化設計的模塊通用性較強，便于應用在其他項目中，從而大大減少了同類項目的設計工作量及時間。

2.1 項目DeltaV（PCSD）物理模型

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

圖2 DeltaV（PCSD）物理模型

圖3 DeltaV（PCSD）物理模型對應圖

2.2 項目DeltaV（PCSD）軟件結(jié)構(gòu)

PCSD 庫組成：基本控制模塊類別、擴展控制模塊類別、遷移控制模塊類別、設備模塊類別、階段（釜）的類別、單元模塊類別、標準的復合結(jié)構(gòu)、顯示元素等。

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

圖4 DeltaV（PCSD）設備模塊結(jié)構(gòu)

利用類Class&EM（設備模塊）的編程方法節(jié)省了組態(tài)、調(diào)試和驗證的時間，提高效率。動態(tài)設備選擇，最大化設備的使用率，滿足多功能靈活性需求，提高產(chǎn)能。簡單控制，減少了人為因素造成的產(chǎn)品質(zhì)量波動。靈活的操作方式，可應對復雜的突發(fā)事件，而無需重啟批次。豐富的操作信息，增加了批量運行的“透明度”，有利于操作員監(jiān)控和應急處理，并且有內(nèi)置工藝故障處理及恢復機制。

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目的基礎部分，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、各種控制模塊等。模塊設計多采用如圖5 所示的形式。

圖5 DeltaV（PCSD）基礎模塊結(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行基本控制的設備的最低級別分組。

（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—密度補償，模擬差壓信號，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，總線設備模塊。

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

（6）模擬控制模塊：標準PID、串級PID、分程PID、壓力溫度補償PID、模糊邏輯控制、比例控制器、手動加載器、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)，斜坡設置和輸出參數(shù)。

2.4 編制設備模塊類別

編制設備模塊類別是本項目的重點，包括基礎的設備模塊、主生產(chǎn)設備模塊、生產(chǎn)線設備模塊。

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

特定流程的設備模塊庫可以方便調(diào)用，設備模塊庫包括：工藝加熱系統(tǒng)、容器轉(zhuǎn)進/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 是本項目的設備模塊類別。EM 模塊設計較多使用該形式。

圖6 （PCSD）設備模塊類別及實際設備對應圖

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年至今針對已經(jīng)實施的項目反饋，該庫的各個模塊已經(jīng)有十幾次的版本更新。這樣不僅及時修正了模塊及庫的不足，同時提升了程序的穩(wěn)定性及實用性。

3 PCSD 設備模塊命令

3.1 運行命令

運行命令見圖7 中的Command（命令）模塊。EM 和階段Shell中的默認運行邏輯被設置為流程操作方式。它允許將所需的項目特定過程操作分組到任務中，可以允許從失敗中恢復后恢復中斷的任務或任何其他預定義任務。這個結(jié)構(gòu)還支持在序列開始后只發(fā)生一次的動作配置，例如Totalisers（累計器）的重置。一旦獲得了所有從屬設備，EM（設備模塊）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。這個配置還會重置Hold Request，使得操作人員無法在驅(qū)動從屬設備之前控制它們。在運行命令行的EM 配置中，將Hold Request 參數(shù)設置為true（真），這使操作人員能夠控制下級命令，以便操作人員可以及時的使用這些命令。EM 和Phase shell 中的默認Run Logic 還包含配置，用于檢測操作執(zhí)行錯誤，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 中的默認運行邏輯在每個任務結(jié)束時執(zhí)行內(nèi)務操作。

3.2 Hold 命令

Hold 命令見圖7 中的Hold 模塊。EM 和Phase Shell 中的默認Hold 保持邏輯被構(gòu)造為一系列動作，以使流程處于安全狀態(tài)。保持邏輯重置運行邏輯使用的臨時變量，也重置任何活動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配置，稱為Hold保持監(jiān)視。它監(jiān)視指定的從屬設備的故障，被稱為監(jiān)控監(jiān)視。除此之外，EM 和Phase shell 在默認情況下還監(jiān)視某些預定義的異常執(zhí)行條件。

圖7 設備模塊類別結(jié)構(gòu)

如果故障處理邏輯檢測到發(fā)生了已定義的故障條件，它會立即命令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)。

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

EM 和Phase Shell 配置支持檢測故障的“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 模塊詳細顯示。

在EM 和Unit 模塊的詳細顯示中，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“Hold Monitor”或“Sentinel Monitor”條件被忽略時，會產(chǎn)生旁路“Bypass”告警。

當檢測到故障時，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，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的身份驗證。所有操作符提示及其響應都記錄在指定的事件日志中。操作人員通過提示警報和流程圖形上消息的外觀變化來通知活動提示。操作人員還可以訪問來自EM 和UM 詳細顯示的提示消息。

3.4 PCSD 同步

同步消息傳遞可以添加到一個階段的運行中，當它需要與其他單元上的設備模塊通信聯(lián)絡，以同步操作，例如啟動和停止物料的進料或傳輸。對于每個需要同步的流程操作，階段運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行協(xié)調(diào)。如果確定了相關(guān)單元及設備，就在運行時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)絡路徑故障和其他單元故障的問題。如果檢測到任何這些故障，則觸發(fā)階段的Hold 保持。另外，用于同步的配置允許在運行時確定其他設備單元的標識。

3.5 PCSD 設備模塊類基本模塊

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

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

（1）進料設備（表1）。

表1 進料設備模塊命令明細

（2）氮氣置換設備（表2）。

表2 氮氣置換設備模塊命令明細

（3）反應釜溫度設備（蒸汽—水系統(tǒng)）（表3）。

（4）反應釜溫度EM（熱油—冷油系統(tǒng)）（表4）。

（5）傳輸設備（表5）。

表5 傳輸設備模塊命令明細

（6）冷凝器回流采出設備（表6）。

表6 冷凝器回流采出設備模塊命令明細

（7）1135 冷凝器回流采出設備（表7）。

表7 1135 冷凝器回流采出設備模塊命令明細

（8）過濾設備（表8）。

表8 過濾設備模塊命令明細

（9）塔設備（表9）。

表9 塔設備模塊命令明細

（10）塔（串控）設備（表10）。

表10 塔（串控）設備模塊命令明細

（11）離心機設備（表11）。

表11 離心機設備模塊命令明細

（12）離心機洗滌設備（表12）。

表12 離心機洗滌設備模塊命令明細

（13）干燥機設備（表13）。

表13 干燥機設備模塊命令明細

（14）薄膜刮板設備（表14）。

表14 薄膜刮板設備模塊命令明細

4 PCSD 應用的特點和優(yōu)勢

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

批量控制首先是成本較高，需要專門獨立的批量的服務器及相關(guān)軟件授權(quán)，PCSD 則只是應用，批量控制運行速度相應比PCSD 應用快，因為批量控制程序運行在單獨的批量服務器中，而PCSD 的模塊是在控制器中運行，需要精確的分配控制器，保證程序模塊在各個控制器中快速、穩(wěn)定運行。因此批量控制的應用更加廣泛，尤其是多配方控制。

本項目確定PCSD 的設計規(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)相對獨立，而PCSD 的模塊與控制系統(tǒng)完全集成，本質(zhì)上是各個單元通過關(guān)聯(lián)及類別來完成項目的快速設計及調(diào)試運行。因此整個設計理念與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)差別很大。

本項目實施和運行情況表明，PCSD 的特點非常適用于本工程項目和生產(chǎn)工藝流程，能夠輕松實現(xiàn)可視化的全流程自動化。其他同類精細化工項目可以根據(jù)本項目的控制系統(tǒng)、PCSD系統(tǒng)配套模塊庫，選出適合自己工程項目的標準化模塊，通過組合組成可靠的控制方案，快速完成其他項目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，在本公司項目的使用中體現(xiàn)出了技術(shù)穩(wěn)定、可靠，擴展性強的特點。經(jīng)過項目的組態(tài)、測試、運行，不僅達到了生產(chǎn)設計和規(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)化升級為全流程自動化，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化達到了全球同行業(yè)一流水平。