關(guān)于石化公司DCS自動(dòng)控制方案的優(yōu)化與實(shí)現

 

2017 年長(cháng)慶石化公司完成 10 余套主要裝置自控率提升改進(jìn)，達到全公司裝置自控率 95 %以上，為提升自控率，通過(guò)分析測試#終對 DCS 系統很多控制程序進(jìn)行了修改，優(yōu)化部分控制方案，取得很好的實(shí)際效果[1-4]。 

 

1 控制方案優(yōu)化背景

長(cháng)慶石化 DCS 全部采用 ABB 公司的 AC800F 控制系統[5]，在對 DCS 控制回路進(jìn)行投自動(dòng)調節中，存在幾個(gè)主要問(wèn)題造成投自動(dòng)不穩或者無(wú)法投，使自控率無(wú)法提高，歸納總結為以下幾條：

（1）在投自動(dòng)過(guò)程中，有很多流量計儀表存在量程不夠、低流量不顯示、測量值波動(dòng)大、出現過(guò)幾次瞬間歸零等情況；

（2）各裝置采用的工藝包內有些控制方案或多或少不符合當前的工藝操作條件，需要完善或優(yōu)化；

（3）部分裝置 PID 參數范圍過(guò)小，無(wú)法調節；

（4）測量?jì)x表毛刺較大，影響到 PID 控制精度。

 

以上問(wèn)題，除地衣種情況需要檢查或者更換儀表外，其余問(wèn)題需要修改各裝置 DCS 軟件組態(tài)程序，完成控制方案的變更和優(yōu)化，實(shí)現之前不具備的自動(dòng)控制功能，并新增加很多實(shí)用性的控制方案。

 

2 DCS 控制優(yōu)化的解決方案

長(cháng)慶石化公司以安全實(shí)用為原則，在盡可能保持原有控制方案的基礎上進(jìn)行修改和優(yōu)化組態(tài)程序，實(shí)現以下功能：

（1）對原方案增加備選方案，如串級主控切換，控制方案多選；

（2）修正原有不合理控制方案，提供更有效控制策略；

（3）完善原有控制方案，消除潛在風(fēng)險和安全隱患。

 

具體修改控制方案變更有三大類(lèi)，一是串級主控回路切換控制，二是選擇切換控制，三是 PID 控制塊參數優(yōu)化。這三大類(lèi)控制方案里根據不同的工藝條件和現場(chǎng)儀表設備又有很多不同的控制類(lèi)型。

 

2.1 串級和主回路切換控制功能描述 （適用于 ABBDCS）

串級和主控的區別在于誰(shuí)來(lái)控制閥門(mén)。串級控制情況下，主回路輸出值給副回路做設定值，副回路輸出值給閥門(mén)；主控情況下，主回路輸出值直接給閥門(mén)，副回路只做顯示，不能投用自動(dòng)（遠程按鈕仍可投用，但不影響控制）。串級控制情況下，投用自動(dòng)要下面的步驟：

步驟一：確認主副回路全部為手動(dòng)狀態(tài)串級按鈕為“本地”模式；

步驟二：副回路投用單自動(dòng)；

步驟三：副回路串級按鈕切成“外部”模式；

步驟四：主回路投用自動(dòng)，串級完全投用，可以開(kāi)始修改主回路設定值。

 

應急處理時(shí)，直接將副回路切成手動(dòng)，修改閥位即可，下次投用串級前按以上一到四步驟來(lái)。增加串級主控切換功能后，在切換時(shí)投自動(dòng)的過(guò)程有所變化。

 

2.1.1 直接串級主控切換（適用于 ABB DCS） 串級控制閥門(mén)和主回路直接控制閥門(mén)的切換（簡(jiǎn)稱(chēng)“串級主控切換”），直接串級主控切換，通過(guò)新增切換按鈕實(shí)現（見(jiàn)圖 1）。

 

以柴油加氫裝置原料進(jìn)料緩沖罐液位控制串級LICA10401-FIC20401 為例（見(jiàn)圖 2），紅圈內為串級主控切換按鈕，點(diǎn)擊按鈕彈出窗口如右圖所示，當前處于串級控制模式下，通過(guò)“串級按鈕”來(lái)切換狀態(tài)。

在串級模式下，可以按照串級投用順序將副回路和主回路依次投用自動(dòng)。將按鈕切換到主控模式下，按鈕和畫(huà)面上的狀態(tài)都有相應的變化，為便于區分，在畫(huà)面中對顯示的文字和顏色做了區別設置。

 

串級切換成主控可以在串級投用自動(dòng)的情況下直接通過(guò)按鈕切換，切換之后主回路 LICA10401 仍然處于自動(dòng)狀態(tài)下，其輸出直接控制閥門(mén)，而閥門(mén)不會(huì )有任何波動(dòng)。此時(shí)流量回路只做顯示，因而強制手動(dòng)。切換成主控模式時(shí)，副回路 FIC20401 的狀態(tài)由“自動(dòng)、外 部”狀態(tài)變成了“手動(dòng)、外部”狀態(tài) 。此時(shí)副回路FIC20401 的輸出跟隨閥位變化（確保無(wú)擾動(dòng)切換）。需要注意再次由主控模式切換為串級模式時(shí)，主回路狀態(tài)仍是“自動(dòng)、內部”，而副回路依然是“手動(dòng)、外部”，需要操作人員將副回路投回自動(dòng)狀態(tài)“自動(dòng)、外部”，在此過(guò)程中，閥門(mén)是不會(huì )有波動(dòng)的。

 

在裝置出現異常狀況時(shí)，應急處置要先明確當前控制模式，串級模式下直接將副回路切成手動(dòng)，修改閥位；主控模式下直接點(diǎn)開(kāi)主回路修改閥位。程序里對控制回路切換增加了脈沖和延遲程序塊，保證了切換瞬間閥位跟蹤值保持，但是為確保不出現任何波動(dòng)，建議在所有回路手動(dòng)情況下切換控制模式，切換完畢后再按順序投用自動(dòng)。

 

2.1.2 新增 （復制） 主回路的串級主控切換 （適用于A(yíng)BB DCS） 通過(guò)新增復制一個(gè)主回路和切換按鈕實(shí)現串級主控切換，程序模塊（見(jiàn)圖 3）。

以汽油加氫裝置 C9202 溫度控制串級TIC6094-FIC6030 為例說(shuō)明。紅圈內為串級主控切換按鈕和新增的回路 TIC6094B，點(diǎn)擊按鈕彈出窗口（見(jiàn)圖 4），當前處于串級控制模式下。這種做法本質(zhì)是 TIC6094 -FIC6030 串級和 TIC6094B 直接控閥兩種控制方案之間進(jìn)行切換，二選其一。在串級模式下，可以按照串級投用順序將副回路和主回路依次投用自動(dòng)，完全投用后 TIC6094B 處于鎖定狀態(tài)，不能投用自動(dòng)。切換按鈕彈出面板中 FIC6030 和 TIC6094B 表示選擇哪個(gè)回路來(lái)控制閥門(mén)，選 FIC6030 表示串級模式。

將按鈕切換到主控模式（ TIC6094B 控閥）下，可以在串級投用自動(dòng)的情況下直接通過(guò)按鈕切換，切換后 TIC6094-FIC6030 串級自行切為手動(dòng)，而閥門(mén)不會(huì )有任何波動(dòng)。此時(shí)串級主副回路只做顯示，因而強制手動(dòng)。切換成主控模式時(shí)，副回路 FIC6030 狀態(tài)由“自動(dòng)、外部”變成了“手動(dòng)、內部”，主回路 TIC6094 的狀態(tài)由“自動(dòng)、內部”變成了“手動(dòng)、外部”。主控模式下串級副回路 FIC6030 輸出跟隨 TIC6094B 輸出變化，以保證再次切換時(shí)閥門(mén)不會(huì )波動(dòng)（無(wú)擾動(dòng)切換）（見(jiàn)圖 5）。需要注意的是剛切換為主控模式時(shí)，TIC6094B 是手動(dòng)狀態(tài)，需要操作人員投用自動(dòng)。再次由主控模式切換為串級模式時(shí)，TIC6094B 將被強制手動(dòng)，串級主回路和副回路處于手動(dòng)狀態(tài)，需要操作人員重新按順序投用串級。應急情況下處置要先明確當前控制模式，串級模式下直接將副回路 FIC6030 切成手動(dòng)，修改閥位；主控模式下直接點(diǎn)開(kāi) TIC6094B 修改閥位。這種切換模式下，由于每一次切換后所有控制回路都處在手動(dòng)狀態(tài)下，相對來(lái)說(shuō)更加保險，但是需要人多投用一次自動(dòng)。當然，在所有回路都是手動(dòng)的情況下切換控制模式更加安全。

 

2.2 新增功能性選擇按鈕

新增的功能性選擇按鈕主要是在原有選擇控制方案基礎上做無(wú)擾動(dòng)切換或者增加可選控制方案。根據實(shí)際操作工況，分為 3 類(lèi)：

 

2.2.1 一選多或多選一控制 這種控制方案在 DCS控制里比較常見(jiàn)，主要有從多個(gè)測量?jì)x表選擇一個(gè)作為單一控制回路的測量點(diǎn)參與控制、單一控制回路選擇控制多個(gè)閥門(mén)/手操器（HART手操器）、多個(gè)控制回路選擇控制同一個(gè)閥門(mén)/手操器、串級主回路多選一、串級副回路多選這幾種控制形式。在優(yōu)化過(guò)程中，對不同回路來(lái)回切換時(shí)可能造成的閥位波動(dòng)或設定值跳變情況，新增了大量的無(wú)擾動(dòng)切換和閥位跟蹤設置，但是在裝置正常投用階段還是要求操作人員在所有控制回路和手操器手動(dòng)狀態(tài)下進(jìn)行控制選擇，并確認串級回路投用前主回路 PV、SV 的偏差大小，待具備條件再按照投自動(dòng)順序投用。并且出于安全考慮選中的控制回路或手操器可以手自動(dòng)狀態(tài)切換，未選中的回路或手操器（HART475手操器）強制手動(dòng)、內部狀態(tài)。

 

2.2.2 串級主副回路交叉互選 存在兩個(gè)主回路和兩個(gè)副回路互相切換的情況比較少見(jiàn)，目前僅重整裝置有一例（見(jiàn)圖 6）。

C102 頂回流罐液位串級和塔頂溫度串級方案有兩 種。方 案 一 是 TIC1033 -FIC1017 串 級 ，LIC1011 -FIC1016 串 級。方 案 二 是 TIC1033 -FIC1016 串 級 ，LIC1011-FIC1017 串級。FIC1036 由于下游裝置未投用，目前鎖定在手動(dòng)狀態(tài)，不參與自動(dòng)控制。選擇按鈕做在流量回路 FIC1016 上，通過(guò)選擇 FIC1016 的主回路來(lái)確定串級關(guān) 系。一 旦 選 定 LIC1011 做 回 路 與FIC1016 串級，那么 TIC1033 自動(dòng)切換成和 FIC1017串級，反之亦然。由于流量回路有兩個(gè)，二者沒(méi)有明顯的關(guān)聯(lián)性，所以其測量值和閥位差距較大，每次選擇按鈕切換后，兩個(gè)流量回路都會(huì )被重置為手動(dòng)狀態(tài)，以保證閥門(mén)不會(huì )波動(dòng)。所以每次切換后都需要重新按順序投用串級。

 

2.2.3 兩套控制方案互選 兩套控制方案只能投用一種，比如柴油加氫反應器液位控制方案的選擇。以第二床層為例原方案是右側 LICA10603-PIC10605 串級，新增左側 LICA10603B-FIC10602 串級。這兩個(gè)控制方式分別是通過(guò)排氫量和補氫量來(lái)調節床層液位，一旦左側串級投用，右側的串級會(huì )被鎖定為手動(dòng)，反之亦然（見(jiàn)圖 7）。兩套方案互選沒(méi)有明確的選擇按鈕，由操作人員自己來(lái)決定使用哪套方案，然后投用自動(dòng)或串級即可。

 

從反應器床層液位控制方案可以看出，除了兩個(gè)方案需要選擇外，還有串級主控切換按鈕和閥位控制選擇按鈕。多個(gè)選擇按鈕都出現在這里，實(shí)現各自的功能。在使用時(shí)它們互相沒(méi)有干擾，但是要注意，選定控制方案后再去調整相應方案下的按鈕。如果選擇左側液位串己么控制反應器液位，那右側閥位選擇按鈕需要切換到 FIC10608 控閥，保證排氫量恒定。同時(shí)左側液位串級也可以切換成主控模式。

 

在這次方案優(yōu)化中有個(gè)別選擇控制方案因為原方案存在復雜高選和低選等功能塊，無(wú)法實(shí)現切換過(guò)程中的無(wú)擾動(dòng)切換。雖然有選擇按鈕存在但是需要大家在切換的時(shí)候對比要切換的 PID 控制的輸出 OP 是否一致，如果不一致則人為手動(dòng)修改要選擇哪個(gè) PID 控制器 OP 值，保持其 OP 值與當前 PID 控制器 OP 值一致，實(shí)現無(wú)擾動(dòng)切換。

 

2.3 PID 控制模塊參數優(yōu)化

由于原先大多數裝置未投用自動(dòng)控制，PID（比例、積分、微分）模塊內很多參數未進(jìn)行調節和設置，這并不影響閥門(mén)手動(dòng)調節，因此投自動(dòng)必須要對 PID 模塊參數進(jìn)行更改，主要從三個(gè)方面進(jìn)行。

 

2.3.1 PID 調節范圍擴大 部分裝置 PID 調節模塊初始值范圍過(guò)小，利用大修停工期間將所有控制回路比例、積分、微分調節范圍調整到合理區間。

 

2.3.2 增加濾波延遲功能 在投自動(dòng)過(guò)程中，由于工藝條件、操作波動(dòng)和設備精度問(wèn)題造成了很多裝置出現測量值在一定范圍內頻繁跳動(dòng)的情況，為了消除這些毛刺，保證操作平穩，投自動(dòng)控制，對這些測量點(diǎn)增加濾波延遲功能，很好的解決了這個(gè)問(wèn)題。

 

2.3.3 設定閥門(mén)高低限位 為確保裝置關(guān)鍵部位的閥門(mén)既能夠在自動(dòng)環(huán)境下安全工作，又能在緊急情況時(shí)保護裝置，為這些閥位輸出在 PID 模塊內增加了高低限位，這些閥位高低限位只在投自動(dòng)情況下起作用，手動(dòng)情況下閥位是不受限制的。除以上三個(gè)情況進(jìn)行 PID 模塊參數修改外，還根據工藝情況和閥門(mén)特性，一一對應的對各個(gè)閥位進(jìn)行了投自動(dòng)正反作用、風(fēng)開(kāi)風(fēng)關(guān)形式核對，去除回路死區設定，修改儀表量程等，確保閥門(mén)投自動(dòng)的安全，并且鎖定不必要的狀態(tài)按鈕，降低工藝操作人員誤動(dòng)作幾率。

3 優(yōu)化后的控制效果

通過(guò)對組態(tài)程序更改和優(yōu)化控制方案，控制回路PID 參數整定后效果很好，工藝控制操作平穩合理。在投自動(dòng)過(guò)程中，從歷史趨勢上可以看出，優(yōu)化后的控制回路投自動(dòng)曲線(xiàn)基本上是一條直線(xiàn)，這說(shuō)明控制效果明顯改善，大大減少了操作工頻繁操作，降低設備出故障的幾率，相信全部裝置開(kāi)工運行正常后自控率將顯著(zhù)提升。 

 

4 結論

通過(guò)對 DCS 控制方案進(jìn)行優(yōu)化，自控率得到了顯著(zhù)提高，工藝操作更加平穩，提升了裝置物料平衡、節能降耗、加工量等綜合指標。此外裝置運行更加安全高效，在平穩運行下設備壽命也將得到延長(cháng)，從而保證裝置長(cháng)周期運行。