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摘要：本文主要通過國電智深控制系統在大化肥項目上的應用，闡述了控制系統在化工行業應用的特點及配置、相關軟硬件關鍵技術，針對化工智能化需求，對控制系統升級改進后在智能監測、智能控制和高效運行等增強功能也做了簡要介紹。

關鍵詞：分散控制系統；域；智能；應用；冗余IO；設備管理

1 項目概況

國電赤峰3052煤制尿素項目主要利用國電內蒙古平莊煤業集團元寶山露天礦褐煤資源，采用魯奇煤氣化、寬溫變換、低溫甲醇洗、液氮洗、低壓氨合成、二氧化碳氣提法尿素工藝、大顆粒造粒等國內外先進技術，年產30萬噸合成氨52萬噸大顆粒尿素。

該項目也是智能制造裝備發展專項項目，是國電智深公司控制系統在大型化工領域的首次應用。國電智深公司根據大型化工過程對智能控制系統的應用需求，在大規模控制系統可靠性技術、全流程多裝置聯合控制技術等方面開展研究，研發出適應化工應用需求的控制系統產品，實現示范性應用。控制范圍涵蓋了大化肥裝置各主要工段，主要包括氣化單元、凈化單元、合成單元及尿素合成單元、動力單元，具體控制的化工裝置有：加壓氣化、變化冷卻、煤氣水分離、酚回收、硫回收、低溫甲醇洗、液氮洗、甲烷轉化、氨合成、尿素合成、大顆粒尿素裝置、動力鍋爐、發電機系統、汽輪機系統等。

2 控制系統設計及實施

2.1 系統特點及配置

項目采用的是國電智深EDPF-NT+分散控制系統（DCS），該系統無實時數據服務器設計，可避免數據流量的集中點和系統級故障集中點；多系統為多域結構，系統網絡節點最大規模為100個域，每域250個站；系統數據庫規模可達百萬點，輸入輸出點數超過30000點；采用域管理技術，分解系統處理規模，實現不同功能的接入和隔離，支持各獨立裝置的監控和全流程集中監控。

項目的控制系統按實際需求分為中央控制系統（以下稱中控系統）和動力車間控制系統（以下稱動力系統）兩部分。中控系統設1套DCS，根據現場工藝車間共分為2個域，1號域是氣化單元，2號域是凈化、合成和尿素單元。其中1號域氣化單元的煤鎖和灰鎖控制機柜和操作單元布置在氣化樓，現場設防爆觸摸控制屏，加壓氣化工段除煤鎖和灰鎖外的其它部分均在中央控制室監控。酚回收、凈化合成、尿素等工藝單元布置在2號域，控制系統機柜布置在中央控制室電子設備間內。動力系統設1套DCS，根據鍋爐、汽機、電氣車間共分為8個域，其中4臺鍋爐、2臺汽機、電氣、公用系統各分配一個域，控制系統機柜布置在動力車間電子設備間內。系統配置如圖1。

圖1 3052大化肥項目DCS配置示意圖

2.2 軟硬件關鍵技術

2.2.1 通道級冗余I/O技術

化工控制系統硬件I/O冗余包括模件級冗余和通道級冗余。模件級冗余只能實現模件整體冗余切換，僅能解決備用卡件狀態良好的情況下實現主卡出錯時的冗余切換，并不能完成完全冗余容錯。

本項目研究了基于通道級冗余的輸入輸出自檢和故障報告技術、通道選通與輸出冗余表決技術、故障模件隔離與在線更換等通道級I/O冗余的關鍵技術，解決了在冗余卡件上的HART通訊問題，支持可配置的開關量和模擬量的輸入輸出表決算法，實現了冗余輸入輸出卡件的通道級冗余，提高DCS輸入輸出卡件的冗余容錯水平。使I/O模塊的故障比例降低萬分之一以下。

圖2 冗余I/O原理圖

本項目主要使用的冗余I/O卡件為開關量輸出模件DO16D、HART冗余AI輸入模件AI16HD和HART 冗余AO輸出件AO8HD。

2.2.2 緊急停車保護技術

化工工藝系統多為易燃易爆，配備緊急停車保護系統在控制系統出現故障或觸發保護動作的情況下可以自動或手動使設備或工藝過程緊急停車，且任一種停車方式都不能損壞設備或造成人員傷害。

本項目研發專用的控制I/O模件——3冗余TPM卡。3塊TPM卡件獨立運算，通過3取2的邏輯表決實現完全的3取2冗余結構。在模件級即可完成專項控制任務，達到快速和可靠的目的。

針對不同系統對保護信號分組和保護邏輯的不同要求，設計開發FPGA芯片數據結構，解決信號輸入輸出通道、投退開關，測點常開/常閉、延時系數、輸出帶電跳閘/失電跳閘等保護邏輯設置問題，可通過上位機對TPM卡進行邏輯設置組態。

同時為保證緊急停車故障判斷順序的準確度問題，緊急停車系統專門設計開發5ms數字滑動濾波的算法及以0.2ms為時基的SOE系統，保證了事件記錄的高精度，采用512深度的FIFO實現SOE記錄的存儲，保證了事件的先后順序的絕對準確。

2.2.3 G3標準防腐技術

化工生產工藝復雜，在生產現場存在著多種腐蝕性氣體，如氯氣、氯化氫、硫化物、氮氧化物等。生產過程具有高溫、高壓、易燃、易爆、易中毒、易泄漏、易腐蝕等許多安全風險。為了保證工業過程測量和控制裝置在污染環境中長期的安全穩定運行，控制系統的所有電路板正反面噴涂保護涂料即三防漆形成保護膜，有效隔離并保護電路免遭化學品、潮濕和其它污物的侵蝕，提供其可靠性、保證其使用壽命；對接插件、連接件金屬接觸部分部分和線纜端裸露部分采用DJB-823固體薄膜保護劑做防護；對于大的、結構件機械加工完成后進行表面鍍鋅和噴塑、固定螺釘選用不銹鋼材料；對于非標準的立柱、墊圈等采用PF-納米鋼鐵防銹劑（軟膜型）做防護。經權威機構認定，整體硬件防腐性達到G3標準。

2.2.4 工藝過程優化控制

大化肥項目的工藝流程較長，可分為幾個相對獨立的工段，上一工段的產品作為下一工段的原料，各工段緊密聯系最終組成整個的生產工藝流程。各工段又根據在整個工藝流程上的位置組織為氣化、凈化、合成和尿素分場，另外還有為整個工藝系統提供蒸汽和動力的動力分場和提供氮氣和氧氣的空分分場。

為達到智能協同的目標，根據各工段的控制特點針對性的開發出不同的控制算法或制定相應的優化策略。

（1）先進控制

本項目研發的先進控制功能塊主要包括擴張狀態觀測器（ESO）、非線性跟蹤微分器（NLTD）、自抗擾控制器（ADRC）、預測控制器（MGPC），內模控制器（IMC），自校正PID等，其中MGPC為滑動多模帶前饋的階梯式廣義預測控制器，非線性被控對象可擬合成16段線性數學模型，該功能塊能通過組合能實現多變量輸入輸出控制，可應用在純滯后、大遲延特性的工藝過程。

（2）適應超長流程的順序控制

專用順控主控級模塊實現了雙方向跳步控制、累積計數控制和循環控制等多種功能，使復雜控制過程流程清晰、控制動作準確、生產過程更加安全可靠。通過順控主控級及設備級模塊的級聯模式，可實現主流程127步的順序控制，同時，通過設計跳轉條件，可實現各步之間的跳轉、循環等處理模式。用戶還可以組態不同故障情況下的順控處理模式。

（3）多級串級復雜回路及超馳保護技術

采用了多級串級復雜回路控制，實現工藝的總體參數協調配置，提高了總體的自動化水平，解決了常規控制系統中大部分參數需要人工靠經驗手動設置的問題和系統臨近報警值時反應滯后的問題，提高了系統控制的精確性，降低了人工參與程度，提高了系統的總體穩定性。

以煤氣化裝置氣化效率優化控制為例，通過穩定氣化層位置、氣化層厚度、氣化層溫度、物料上平衡（加煤平衡）、物料下平衡（排灰平衡）、熱量平衡等方面優化控制策略實施，冷煤氣效率達到74%左右，有效能耗率可達到77%，超過設計指標。

2.2.5 智能簡報系統

化工生產過程工藝過程多，整個系統的數據量巨大，對于特定的工藝單元運行人員，屏蔽其他工藝單元數據，并將所需數據的來源、類型、報警級別及時、清晰、準確的進行聲光顯示，對于幫助運行員定位事故源和嚴重程度十分重要。

本項目設計開發基于數據庫的特征字辨識技術及關鍵字過濾技術，將數據庫中的所有數據進行重新整理，按照報警類型、優先級、關鍵字等設置，將數據的來源、類型、報警級等重要信息利用規定的特征字進行定義，并通過智能簡報系統對各工藝單元及其子單元進行靈活篩選，同時利用聲音和畫面顏色對信息類型和級別加以區分，使整個簡報系統更為直觀、清晰。

對于關聯到的報警信息還可進行比對分析及處理指導，為事件追溯和問題分析提供充分詳細的資料。對于模擬量點能進行組合功能組態，從數據庫中取到實時值、單位、高低報警值等具體信息，保證信息狀態來源的正確性。

通過智能簡報，能夠從整體上對運行過程進行判斷。使工程師和操作員對工藝過程加深理解，被控對象更加直觀透明，能提高生產效率和減少操作失誤。

2.2.6 現場總線設備管理及診斷軟件技術

主要基于EDDL技術，并結合FDT/DTM技術，開發現場總線設備管理及診斷軟件，使得用戶可在相同的用戶界面和方式管理多種現場總線智能儀表。針對化工項目中使用的HART、PROFIBUS標準的變送器、定位器、執行器等現場總線設備，為控制系統的現場總線接入卡件PB、AIH16D、AOH8D研發了相關驅動，上位機能通過接入卡件實現現場總線設備的接入、組態、運行、管理及診斷。

2.2.7 工控系統網絡拓撲監控技術

圖3 工控系統網絡拓撲監控界面

針對各類工控網絡節點采用模板化基線配置，涵蓋CPU、內存、磁盤使用率、端口流量、關鍵進程、物理連接關系等關鍵信息，可靈活增減模板之外的監視項，即滿足工控網管需求，又簡化配置過程。工控網絡結構拓撲技術，能夠以不同設備為中心，多視角實時直觀展現網絡物理結構狀態，幫助用戶快速定位網絡中斷、錯誤連接、非法接入等網絡異常。針對異常節點，可自動或手動切斷交換機的端口連接，及時阻斷故障擴散、保護業務網絡。

3 智能化升級改進

通過赤峰化工項目，國電智深已經擁有一套完整的化工控制系統解決方案，近幾年根據化工控制智能化需求，國電智深公司設計標準化的第三方應用調用接口，提升了系統開放性；增強智能監測、智能控制和高效運行功能，并實現了更便捷的跨廣域網控制方式。

3.1 智能監測

智能監測功能依靠控制系統增強的底層引擎的計算能力實現工藝過程、運行參數的智能化監測、報警預警及診斷分析，協助運行人員全面解讀生產數據信息，提高工藝過程的監控品質，提升對故障工況的預測、識別、定位、處理能力。

智能監測功能主要包括參數軟測量、運行監測（轉機監測、控制回路品質、執行機構品質、設備健康度、工質與能量平衡、高低壓配電、三維聯動等）、智能報警、設備故障診斷、控制系統診斷等。

3.2 智能控制

智能控制功能主要通過先進控制算法、系統辨識算法、機理平衡或補償技術等有機結合，進一步解決具有大遲延、大慣性、非線性、強耦合復雜特性對象控制問題，提升工藝過程控制性能，實現自趨優控制。系統內嵌先進控制算法庫，并可集成第三方按標準規范開發的定制化算法。

3.3 高效運行

主要基于數據挖掘的尋優操作指導，以主要能效參數、燃料、環境溫度等為邊界條件，選取工藝過程主要監視參數為判據參數，在判據參數穩態條件下，挖掘歷史數據中當前工況的最優標桿值作為操作指導，根據操作指導建議，操作員可手動改變控制回路設定值和運行方式，使工藝過程能效逐步趨優。也可將其與底層控制回路關聯，以智能控制算法保證最優設定值或運行方式的實現，形成生產過程“能效大閉環”控制，實現工藝過程的自趨優運行。

3.4 跨廣域網控制 ^[1]

如圖4所示，在DCS系統之外設置Web服務器，DCS通過通訊站（COM站）與Web服務器進行通訊，通訊鏈路中可根據實際要求加裝不同等級的安全防護設備。

圖4 跨廣域網的網絡結構示意圖

該方案基于現代瀏覽器對HTML5標準的良好支持，結合Canvas繪圖技術、WebSocket實時通訊技術、SharedWorker跨頁面數據共享技術等，為DCS研發了Web擴展組件，使DCS具備了跨廣域網監控能力。擴展組件可直接解析渲染EDPF-NT+監控界面文件，降低工程實施成本，實現了與原生界面一致的功能與用戶體驗。現已在多個工程項目中應用，取得預期效果。

4 結束語

化工控制系統智能化是一個持續的過程，只有通過不斷的應用實踐才能向自主智能的目標逐步靠近，在大數據人工智能的時代，提倡開放性、標準化，靠某個廠商獨立推動已不可行，這就需要產業鏈上下游攜手建立工業智能化應用生態圈，共同推進我國工業智能化進程。

參考文獻：

[1] 張文建, 李昊夫. 基于HTML5 的DCS 遠程實時監控關鍵技術研究及應用[J]. 熱力發電, 2019, 48 (11) : 63 - 67.

[2] 李清, 唐騫璘, 陳耀棠, 等. 智能制造體系架構、參考模型與標準化框架研究[J].計算機集成制造系統, 2018, 24 (3) : 539 - 549.

[3] 陳峰, 劉思思, 等. MATLAB與EDPF-NT+系統OPC通訊實現及應用[J].儀器儀表用戶, 2016, 23 (12) : 38 - 42.

[4] 解懷仁. 石油化工儀表自控系統應用手冊[M]. 北京:化學工業出版社. 2014.

作者簡介：

陳峰（1969-），男，福建福州人，碩士，高級工程師，主要研究方向為工業過程控制優化、控制系統集成，現任北京國電智深控制技術有限公司技術委員會副主任。

摘自《自動化博覽》2020年3月刊