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苗立民

時至今日，DCS技術已經十分成熟，越來越多的石化企業將改造為DCS控制。隨著DCS應用的深入，對DCS組態的工作也由制造商轉向設計院和用戶來完成，即通常所說的用戶組態。目前，業內人士對DCS用戶組態工作的研究還局限于對DCS操作畫面組態的研究。本文結合先進控制系統在中原石油化工總廠的成功應用以及作者在實踐中的經驗，探討DCS用戶組態，提出一些想法。
先進控制系統在中原石油化工總廠的成功應用有三套：1996年FOXBORO I/A’S成功應用于FCCU-2三機組控制，集控制、聯鎖一體化；1998年HONEYWELL TPS成功應用于FCCU-2裝置，同年SMAR EIC-2000成功應用于30t鍋爐控制。1999年FCCU-2增加脫硫裝置，納入TPS控制。三套系統自投用至今，一直運行正常，為總廠創造了很高的效益。而這三套系統的組態工作都是用戶組態完成的。
一套用戶組態的DCS能否被成功應用，提高控制品質，使因其故障造成的影響減小，方便監視和操作，其關鍵是DCS組態設計的質量。
1  用戶組態的內容
DCS用戶組態是指在DCS中，按照其廠商提供的功能部件的特點、數量和性能，為完成工程需求，設計、實現并確定有關的排列，包括硬、軟件排列。
DCS硬件排列是指DCS輸入/輸出設備上的接線位置與外部生產過程參數位置之間的分配。DCS軟件排列是指對DCS所提供的控制算法或模塊的選用、模塊間的連接以及系統的調試等。
DCS用戶組態是一件十分細致的工作，所要求的知識面
廣。在組態過程中，既要了解生產過程對控制的要求，熟悉生產過程，深刻認識各種設備和過程的生產順序，明確生產過程和儀表的相互關系；還要熟練掌握DCS所提供的各個控制算法或模塊功能，以及各功能模塊提供的各參數（即軟連接信號端子）的相互影響，DCS提供的順控語言；同時，還要有一定的計算機知識。只有從深度和廣度上對DCS、工藝生產過程以及控制要求有了足夠清楚的認識，才能更好的完成用戶組態工作。
在進行DCS用戶組態工作時應注意以下幾點：
①  安全性和可靠性設計應貫穿整個用戶組態設計的全過程。
②  在設計時，合理分配輸入/輸出信號，要為系統擴展、調試做好鋪墊，控制模塊或算法的組合一定要有擴展余地。
③  控制模塊或算法的選擇要合適，充分發揮DCS的計算、邏輯等功能。選擇控制模塊或算法時，一定要考慮系統負載因素，選擇合適的模塊或算法可以減少系統負載和節省內存空間。
2  用戶組態的硬件設計
進行用戶組態的硬件設計一定要有深度，要縱覽全局。在DCS選型時，應對儀表、變送器和執行機構等部件，傳輸信號電纜和DCS輸入/輸出卡件有全面的考慮。從工藝的合理性、投資的經濟性、運行的可靠性、維修的方便性等進行綜合分析。例如，用一體化溫度變送器檢測過程的溫度，由于采用標準電流信號傳送，電纜芯數可減少或不采用補償導線，因此，可在溫度檢測精度較高時選用。在溫度檢測點數較多、溫度檢測元件的類型相同時，采用DCS的溫度處理卡件可節省較多的變送器投資費用。因此，儀表和執行機構選型不同，對DCS的硬件選型和控制組態也有不同的影響。
實踐證明，在進行DCS組態的硬件設計時，應注意以下幾點：
①  確定控制和聯鎖的關系，選擇合適的設備
生產裝置從安全角度講，可分為三個層次，如圖1所示。第一層為生產過程層；第二層為過程控制層；第三層為聯鎖停車保護層。
DCS用戶組態在最初的工程設計、設備選型及安裝階段，都要對過程和設備的安全性進行考慮。生產裝置本身是安全的第一道防線；控制系統對生產的連續動態控制是安全的第二道防線；在過程控制之上設置一套緊急聯鎖停車系統，最大限度的保護設備和人身安全是最后一道安全防線。因此，在DCS用戶組態時，首先要確定DCS實現控制和聯鎖系統的形式。目前通常有5種基本形式：① 控制、聯鎖一體化式；② 控制、聯鎖通訊網絡式；③ DCS+PLC；④ DCS+PLY；⑤ DCS+ESD。
根據資料提供的數據，采用上述5種形式，平均無故障間隔時間（MTBF）及可靠度（R）參見表1。

表1

具體采取何種形式，需考慮多方面的因素。
②  硬件故障造成的影響應盡可能小
在用戶組態設計時，可靠性設計應貫穿其全過程。由于在系統的實際應用中不可能也不允許對DCS的硬件都采用冗余設計。為此，應考慮硬件的某些部件一旦發生故障時，它對生產過程的影響是否是最小的。例如，FCCU-2三機組聯鎖信號按機組分為若干組，每個組是各自獨立的，組內的聯鎖條件是所在組內的一個聯鎖狀態。在DCS控制的硬件組態設計時，考慮到獨立性問題把各組的聯鎖信號分別連接到各自的輸入/輸出部件上，這樣，一旦某一輸入/輸出部件發生故障，僅對相應的組有影響，對其他組的聯鎖不造成影響。
③  合適的輸入和輸出信號配合，能有效地減小輸入/輸出部件故障的影響
DCS的設計思想之一是分散控制，合適的輸入和輸出信號的配合可以使負荷分散。例如，將所有信號按照實際變化率和重要性分配為不同的采樣周期，在設計時將不同采樣周期的信號合理的組態在一起，使輸入/輸出部件微處理單元的負荷較均勻，這樣會減少硬件因負載過大而發生故障。再如，采用單回路或多回路控制時，為了減少通信的吞吐量，應把有關控制回路的輸入/輸出信號連接在同一輸入/輸出部件上，以減小因通信造成的負荷量。當采用數據庫共享時，為了減小某一部件故障的影響，可采用對每個回路都分配一個輸入或輸出信號。在實際應用時應權衡利弊，合適配置。
④  方便安裝和維護
在設計過程中，諸多因素將影響系統的安裝和系統投運后的日常維護。
3  用戶組態的軟件設計
在設計時應注意下列各點：
①  充分利用DCS所提供的各種控制算法或模塊，提高控制質量

圖1  生產裝置的安全層次     圖2  TICA101與PDICA105超馳控制

針對不同的工藝過程特點，充分利用DCS所提供的各種控制算法或模塊，是提高設計水平的重要方法。從理論上來說，控制度升高，控制質量會下降，因此，在DCS中應利用計算機運算方便、離散的控制算法、軟連接等優點，提高使用DCS后的控制質量。例如，DCS能方便實現微分先行、積分分離、自整定等控制算法。在設計時，可根據工藝過程的不同要求選用有關的控制算法，使控制質量提高。例如，我們在FCCU-2反再系統上實現了超馳低值選擇控制系統。其控制原理如圖2所示。
TICA101是提升管反應溫度控制，PDICA105是再生塞閥壓差控制，ORST101是超馳低值選擇控制。這樣很容易實現在不同工況下對再生閥TV101控制權的轉換，不僅可以維持催化劑的正常流化，還可以防止發生催化劑倒流事故。該回路在組態設計時，對無擾動切換及抗積分飽和問題進行了特殊處理，在使用中可自由切換，無需平衡處理。
②  采取前饋反饋控制策略
在采用模擬儀表控制工藝過程時，由于前饋控制需要相關的運算單元儀表完成，因此，除了干擾影響很大時才采用外，一般不常采用。由于DCS有運算方便的特長，因此，干擾量如果已經引入DCS，則采用前饋反饋控制策略有利于克服干擾的影響，提高控制質量。通常，采用靜態前饋就能大大改善控制品質，靜態前饋放大系數也可實施設置。
③  采用按計算指標進行控制的控制系統
在采用模擬儀表控制工藝過程時，由于實施按計算指標進行控制的控制系統需要較多的運算單元儀表，因而應用面不廣。采用DCS，為按計算指標進行控制提供了有效的運算工具，因此，在DCS組態的軟件設計時應對其予以考慮，提高控制品質。例如，在FCCU-2三機組主風流量、氣壓機入口富氣流量的計量檢測時，可采用溫壓補償運算，使計量更加準確。
④  采用純滯后補償控制系統
由于DCS能方便實施純滯后補償控制系統，因此，在DCS控制組態的軟件設計時，應根據對象的純滯后大小設計相應的控制系統，例如，在隨動控制系統中采用史密斯控制方案。對定值控制系統，采用觀測補償器控制方案等。
⑤  邏輯開關控制與常規PID控制相結合
在經典的控制方案中，邏輯開關控制與常規PID控制是很少在一起使用的，在DCS中，由于控制組態的方便，使邏輯開關控制與常規PID控制可方便地結合在一起，形成復雜控制系統以適應不同工況下的控制要求。例如，在FCCU-2分餾塔底液面控制方案中利用邏輯開關控制與常規PID控制組合形成的復雜控制方案，如圖3所示。

圖3  FCCU-2分餾塔底液面控制方案

該方案根據不同工況很容易實現不同的控制方案。組態時對不同方案下的切換進行了平衡處理，可以做到無擾動切換。當控制偏差大于某一限值時，采用開關控制，使偏差迅速減小；當偏差在限值范圍內時，控制系統自動切入常規PID控制，與積分分離的控制策略相類似，該控制方法能有效地降低調整時間，提高控制質量。邏輯開關控制與常規PID控制的結合也可在設備的啟停過程中實施。例如，設備運行信號使PID控制系統切入自動，設備停止運動時，PID控制系統切入手動。由于在切入手動時，系統保持原閥門開度，因此，設備一旦運行就能迅速地進入正常的運行工況，提高了自動化水平，改善了控制品質。
⑥  與操作流程圖設計相結合
除了DCS的輸入/輸出信號應設計有關的數據庫元素外，如果工藝操作需要某些中間變量，在控制組態軟件設計時也應建立相應數據庫元素。例如，經溫度壓力運算后的計量信號、倒計時信號、操作人員可設置的信號等。這些信號在DCS的過程流程圖上顯示或被調整，在控制組態設計時應考慮在內。
⑦  有條件時，可采用DCS所提供的高級控制算法
隨著現代控制理論的研究和深入，把現代控制理論的研究成果應用到DCS的控制中是其控制組態設計的一項重要的工作。基于模型的預測控制算法已有應用，模糊控制算法和自適應控制算法要求和實際的操作水平相適應。在設計選型時，結合操作人員的技能條件，有條件地采用高級算法，充分發揮DCS的優點，不要為求新求高而盲目引進。
⑧  留有余地，便于在線調試、修改和擴展
在軟件設計時，留有余地是必要的。例如，在與門的輸入端增設一個高電平的端子（軟連接）；在或門輸入端增設低電平端子（軟連接），這利于在線修改時的擴展，而不必重新組建。
⑨  優化設計控制算法或模塊的使用數量，減少內存和運算時間
優化設計是在DCS軟件設計中非常關鍵的一步。由于工期限制，加上用戶經驗較少，所以，DCS用戶組態過程中常會出現類似“搭積木”的方式進行軟件組態，結果使方案龐大，系統負載較大。因此，在用戶組態的后期進行優化設計，選擇更加合適的模塊或算法，做到方案精簡，功能齊全，從而減少內存和運算時間，降低系統負載。