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

關(guān)鍵詞：分散控制系統(tǒng)；域；智能；應(yīng)用；冗余IO；設(shè)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(nèi)蒙古平莊煤業(yè)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(nèi)外先進技術(shù)，年產(chǎn)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(fā)展專項項目，是國電智深公司控制系統(tǒng)在大型化工領(lǐng)域的首次應(yīng)用。國電智深公司根據(jù)大型化工過程對智能控制系統(tǒng)的應(yīng)用需求，在大規(guī)模控制系統(tǒng)可靠性技術(shù)、全流程多裝置聯(lián)合控制技術(shù)等方面開展研究，研發(fā)出適應(yīng)化工應(yīng)用需求的控制系統(tǒng)產(chǎn)品，實現(xiàn)示范性應(yīng)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(zhuǎn)化、氨合成、尿素合成、大顆粒尿素裝置、動力鍋爐、發(fā)電機系統(tǒng)、汽輪機系統(tǒng)等。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計及實施

2.1 系統(tǒng)特點及配置

項目采用的是國電智深EDPF-NT+分散控制系統(tǒng)（DCS），該系統(tǒng)無實時數(shù)據(jù)服務(wù)器設(shè)計，可避免數(shù)據(jù)流量的集中點和系統(tǒng)級故障集中點；多系統(tǒng)為多域結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點最大規(guī)模為100個域，每域250個站；系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫規(guī)模可達百萬點，輸入輸出點數(shù)超過30000點；采用域管理技術(shù)，分解系統(tǒng)處理規(guī)模，實現(xiàn)不同功能的接入和隔離，支持各獨立裝置的監(jiān)控和全流程集中監(jiān)控。

項目的控制系統(tǒng)按實際需求分為中央控制系統(tǒng)（以下稱中控系統(tǒng)）和動力車間控制系統(tǒng)（以下稱動力系統(tǒng)）兩部分。中控系統(tǒng)設(shè)1套DCS，根據(jù)現(xiàn)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(xiàn)場設(shè)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(jiān)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(tǒng)機柜布置在中央控制室電子設(shè)備間內(nèi)。動力系統(tǒng)設(shè)1套DCS，根據(jù)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(tǒng)各分配一個域，控制系統(tǒng)機柜布置在動力車間電子設(shè)備間內(nèi)。系統(tǒng)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(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 通道級冗余I/O技術(shù)

化工控制系統(tǒng)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(xiàn)模件整體冗余切換，僅能解決備用卡件狀態(tài)良好的情況下實現(xiàn)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(shù)、通道選通與輸出冗余表決技術(shù)、故障模件隔離與在線更換等通道級I/O冗余的關(guān)鍵技術(shù)，解決了在冗余卡件上的HART通訊問題，支持可配置的開關(guān)量和模擬量的輸入輸出表決算法，實現(xiàn)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(guān)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(shù)

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

本項目研發(fā)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(xiàn)完全的3取2冗余結(jié)構(gòu)。在模件級即可完成專項控制任務(wù)，達到快速和可靠的目的。

針對不同系統(tǒng)對保護信號分組和保護邏輯的不同要求，設(shè)計開發(fā)FPGA芯片數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，解決信號輸入輸出通道、投退開關(guān)，測點常開/常閉、延時系數(shù)、輸出帶電跳閘/失電跳閘等保護邏輯設(shè)置問題，可通過上位機對TPM卡進行邏輯設(shè)置組態(tài)。

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

2.2.3 G3標(biāo)準(zhǔn)防腐技術(shù)

化工生產(chǎn)工藝復(fù)雜，在生產(chǎn)現(xiàn)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(chǎn)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(fēng)險。為了保證工業(yè)過程測量和控制裝置在污染環(huán)境中長期的安全穩(wěn)定運行，控制系統(tǒng)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(xué)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(jié)構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)的立柱、墊圈等采用PF-納米鋼鐵防銹劑（軟膜型）做防護。經(jīng)權(quán)威機構(gòu)認定，整體硬件防腐性達到G3標(biāo)準(zhǔn)。

2.2.4 工藝過程優(yōu)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(chǎn)品作為下一工段的原料，各工段緊密聯(lián)系最終組成整個的生產(chǎn)工藝流程。各工段又根據(jù)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(tǒng)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(xié)同的目標(biāo)，根據(jù)各工段的控制特點針對性的開發(fā)出不同的控制算法或制定相應(yīng)的優(yōu)化策略。

（1）先進控制

本項目研發(fā)的先進控制功能塊主要包括擴張狀態(tài)觀測器（ESO）、非線性跟蹤微分器（NLTD）、自抗擾控制器（ADRC）、預(yù)測控制器（MGPC），內(nèi)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(yù)測控制器，非線性被控對象可擬合成16段線性數(shù)學(xué)模型，該功能塊能通過組合能實現(xiàn)多變量輸入輸出控制，可應(yīng)用在純滯后、大遲延特性的工藝過程。

（2）適應(yīng)超長流程的順序控制

專用順控主控級模塊實現(xiàn)了雙方向跳步控制、累積計數(shù)控制和循環(huán)控制等多種功能，使復(fù)雜控制過程流程清晰、控制動作準(zhǔn)確、生產(chǎn)過程更加安全可靠。通過順控主控級及設(shè)備級模塊的級聯(lián)模式，可實現(xiàn)主流程127步的順序控制，同時，通過設(shè)計跳轉(zhuǎn)條件，可實現(xiàn)各步之間的跳轉(zhuǎn)、循環(huán)等處理模式。用戶還可以組態(tài)不同故障情況下的順控處理模式。

（3）多級串級復(fù)雜回路及超馳保護技術(shù)

采用了多級串級復(fù)雜回路控制，實現(xiàn)工藝的總體參數(shù)協(xié)調(diào)配置，提高了總體的自動化水平，解決了常規(guī)控制系統(tǒng)中大部分參數(shù)需要人工靠經(jīng)驗手動設(shè)置的問題和系統(tǒng)臨近報警值時反應(yīng)滯后的問題，提高了系統(tǒng)控制的精確性，降低了人工參與程度，提高了系統(tǒng)的總體穩(wěn)定性。

以煤氣化裝置氣化效率優(yōu)化控制為例，通過穩(wěn)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(yōu)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(shè)計指標(biāo)。

2.2.5 智能簡報系統(tǒng)

化工生產(chǎn)過程工藝過程多，整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，并將所需數(shù)據(jù)的來源、類型、報警級別及時、清晰、準(zhǔn)確的進行聲光顯示，對于幫助運行員定位事故源和嚴(yán)重程度十分重要。

本項目設(shè)計開發(fā)基于數(shù)據(jù)庫的特征字辨識技術(shù)及關(guān)鍵字過濾技術(shù)，將數(shù)據(jù)庫中的所有數(shù)據(jù)進行重新整理，按照報警類型、優(yōu)先級、關(guān)鍵字等設(shè)置，將數(shù)據(jù)的來源、類型、報警級等重要信息利用規(guī)定的特征字進行定義，并通過智能簡報系統(tǒng)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(qū)分，使整個簡報系統(tǒng)更為直觀、清晰。

對于關(guān)聯(lián)到的報警信息還可進行比對分析及處理指導(dǎo)，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(tài)，從數(shù)據(jù)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(tài)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(chǎn)效率和減少操作失誤。

2.2.6 現(xiàn)場總線設(shè)備管理及診斷軟件技術(shù)

主要基于EDDL技術(shù)，并結(jié)合FDT/DTM技術(shù)，開發(fā)現(xiàn)場總線設(shè)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(xiàn)場總線智能儀表。針對化工項目中使用的HART、PROFIBUS標(biāo)準(zhǔn)的變送器、定位器、執(zhí)行器等現(xiàn)場總線設(shè)備，為控制系統(tǒng)的現(xiàn)場總線接入卡件PB、AIH16D、AOH8D研發(fā)了相關(guān)驅(qū)動，上位機能通過接入卡件實現(xiàn)現(xiàn)場總線設(shè)備的接入、組態(tài)、運行、管理及診斷。

2.2.7 工控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲監(jiān)控技術(shù)

圖3 工控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲監(jiān)控界面

針對各類工控網(wǎng)絡(luò)節(jié)點采用模板化基線配置，涵蓋CPU、內(nèi)存、磁盤使用率、端口流量、關(guān)鍵進程、物理連接關(guān)系等關(guān)鍵信息，可靈活增減模板之外的監(jiān)視項，即滿足工控網(wǎng)管需求，又簡化配置過程。工控網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)拓撲技術(shù)，能夠以不同設(shè)備為中心，多視角實時直觀展現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)物理結(jié)構(gòu)狀態(tài)，幫助用戶快速定位網(wǎng)絡(luò)中斷、錯誤連接、非法接入等網(wǎng)絡(luò)異常。針對異常節(jié)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(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)。

3 智能化升級改進

通過赤峰化工項目，國電智深已經(jīng)擁有一套完整的化工控制系統(tǒng)解決方案，近幾年根據(jù)化工控制智能化需求，國電智深公司設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化的第三方應(yīng)用調(diào)用接口，提升了系統(tǒng)開放性；增強智能監(jiān)測、智能控制和高效運行功能，并實現(xiàn)了更便捷的跨廣域網(wǎng)控制方式。

3.1 智能監(jiān)測

智能監(jiān)測功能依靠控制系統(tǒng)增強的底層引擎的計算能力實現(xiàn)工藝過程、運行參數(shù)的智能化監(jiān)測、報警預(yù)警及診斷分析，協(xié)助運行人員全面解讀生產(chǎn)數(shù)據(jù)信息，提高工藝過程的監(jiān)控品質(zhì)，提升對故障工況的預(yù)測、識別、定位、處理能力。

智能監(jiān)測功能主要包括參數(shù)軟測量、運行監(jiān)測（轉(zhuǎn)機監(jiān)測、控制回路品質(zhì)、執(zhí)行機構(gòu)品質(zhì)、設(shè)備健康度、工質(zhì)與能量平衡、高低壓配電、三維聯(lián)動等）、智能報警、設(shè)備故障診斷、控制系統(tǒng)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(tǒng)辨識算法、機理平衡或補償技術(shù)等有機結(jié)合，進一步解決具有大遲延、大慣性、非線性、強耦合復(fù)雜特性對象控制問題，提升工藝過程控制性能，實現(xiàn)自趨優(yōu)控制。系統(tǒng)內(nèi)嵌先進控制算法庫，并可集成第三方按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范開發(fā)的定制化算法。

3.3 高效運行

主要基于數(shù)據(jù)挖掘的尋優(yōu)操作指導(dǎo)，以主要能效參數(shù)、燃料、環(huán)境溫度等為邊界條件，選取工藝過程主要監(jiān)視參數(shù)為判據(jù)參數(shù)，在判據(jù)參數(shù)穩(wěn)態(tài)條件下，挖掘歷史數(shù)據(jù)中當(dāng)前工況的最優(yōu)標(biāo)桿值作為操作指導(dǎo)，根據(jù)操作指導(dǎo)建議，操作員可手動改變控制回路設(shè)定值和運行方式，使工藝過程能效逐步趨優(yōu)。也可將其與底層控制回路關(guān)聯(lián)，以智能控制算法保證最優(yōu)設(shè)定值或運行方式的實現(xiàn)，形成生產(chǎn)過程“能效大閉環(huán)”控制，實現(xiàn)工藝過程的自趨優(yōu)運行。

3.4 跨廣域網(wǎng)控制 ^[1]

如圖4所示，在DCS系統(tǒng)之外設(shè)置Web服務(wù)器，DCS通過通訊站（COM站）與Web服務(wù)器進行通訊，通訊鏈路中可根據(jù)實際要求加裝不同等級的安全防護設(shè)備。

圖4 跨廣域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

該方案基于現(xiàn)代瀏覽器對HTML5標(biāo)準(zhǔn)的良好支持，結(jié)合Canvas繪圖技術(shù)、WebSocket實時通訊技術(shù)、SharedWorker跨頁面數(shù)據(jù)共享技術(shù)等，為DCS研發(fā)了Web擴展組件，使DCS具備了跨廣域網(wǎng)監(jiān)控能力。擴展組件可直接解析渲染EDPF-NT+監(jiān)控界面文件，降低工程實施成本，實現(xiàn)了與原生界面一致的功能與用戶體驗。現(xiàn)已在多個工程項目中應(yīng)用，取得預(yù)期效果。

4 結(jié)束語

化工控制系統(tǒng)智能化是一個持續(xù)的過程，只有通過不斷的應(yīng)用實踐才能向自主智能的目標(biāo)逐步靠近，在大數(shù)據(jù)人工智能的時代，提倡開放性、標(biāo)準(zhǔn)化，靠某個廠商獨立推動已不可行，這就需要產(chǎn)業(yè)鏈上下游攜手建立工業(yè)智能化應(yīng)用生態(tài)圈，共同推進我國工業(yè)智能化進程。

參考文獻：

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

[3] 陳峰, 劉思思, 等. MATLAB與EDPF-NT+系統(tǒng)OPC通訊實現(xiàn)及應(yīng)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(tǒng)應(yīng)用手冊[M]. 北京:化學(xué)工業(yè)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(yè)過程控制優(yōu)化、控制系統(tǒng)集成，現(xiàn)任北京國電智深控制技術(shù)有限公司技術(shù)委員會副主任。

摘自《自動化博覽》2020年3月刊