工业生产中先进控制系统数据安全性的改进

徐进涛

(中国石化上海石油化工股份有限公司芳烃部，200540)

工业生产中先进控制系统数据安全性的改进

徐进涛

(中国石化上海石油化工股份有限公司芳烃部，200540)

介绍了先进控制系统(APC)控制结构、网络构成及其在工业生产中的应用，针对以往APC系统直接向集散控制系统(DCS)写数值的情况，提出了在APC系统项目中优化改进措施，通过在DCS系统中新增防止APC系统向DCS系统写异常值的程序，防止了APC系统异常导致生产波动，提高了APC系统与DCS系统的安全性。

先进控制系统 安全性 改进

目前，世界上各主要石油公司都把提高生产过程自动化水平作为少投入、多产出、快速挖潜增效、提高企业竞争力的有效途径。先进控制技术(APC)采用矩阵控制理论，通过装置阶跃测试，收集大量数据，进行模型辨识，建立多个变量之间的关联模型，将被控对象作为一个整体来处理，然后在比例-积分-微分(PID)单回路控制之上建立一个或几个大的控制器，同时兼顾到多个变量之间相互变化的能力和设备能力，经过预测、优化出调节量后在线传输到PID控制器的设定点上，对整个装置进行统一协调控制。

它与常规控制有明显的不同，它是对被控对象(如反应器等)进行多变量控制而不是单回路控制，而且被控变量也由传统的温度、压力、流量、液位四大参数转变为产品质量指标和设备负荷，大大提高了整个装置的平稳性，为卡边操作、挖掘效益创造了条件；同时石油化工生产过程复杂，建立精确数学模型非常困难，而应用预估控制技术则降低了对数学模型精度的要求。

1 APC系统在工业生产中的应用

以某炼化企业600 kt/a 对二甲苯(PX)装置为例，装置兴建于2009年，涉及到的装置有重整、抽提、歧化、吸附分离、异构化、二甲苯等装置。装置集散控制系统(DCS)采用霍尼韦尔公司的TPS系统，联锁系统采用TRICONEX公司的TRICON系统，新增APC项目采用的是Aspen Tech 公司DMCplus系统。

1.1 APC系统控制结构

项目采用的APC系统是Aspen Tech 公司DMCplus控制系统，其核心内容是DMC控制器，具体APC系统控制结构见图1。

图1 APC控制结构

DMC控制器通过DCS系统上的APP节点与DCS系统进行数据通讯，从DCS系统上实时采集操作变量(MV)的数值、控制变量(CV)的值，前馈变量(DV)的值，经DMC控制器的DMCplus Model模型计算得出操作变量MV的目标值，该值的计算依据是产品质量最佳、产量最高、物耗最低。实现操作变量MV目标值的控制器操作过程力求平稳并分布进行，以确保控制变量CV在合理上下线范围内波动。操作变量MV的控制结果最终写入DCS系统，从而实现整个控制器的闭环优化操作过程。其中预测、线性规划、动态控制是DMCplus的重心所在，其控制过程依据DMCplus的离线模型[1]。

1.2 APC系统网络构成

APC系统网络结构如图2所示，整个系统由两层网络构成，第一层是APC系统局域网、第二层为公司的内部网，在局域网上有APC服务器、APP节点、冗余交换机，DCS系统通过OPC工业标准接口实现DCS系统与APC服务器之间的数据传输。在公司内部网上主要由各类办公电脑组成，而硬件防火墙作为公司内部网与局域网连接的关卡，只允许特定的IP账号的用户通过防火墙访问APC系统服务器。

图2 APC系统网络结构

1.3 APC系统服务器与DCS系统的连接

项目中DCS系统采用的是Honeywell公司的TPS系统，APC服务器与DCS通讯采用OPC技术，所需的OPC接口为Honeywell 公司的APP NODE OPC，OPC服务器为DCS系统上LCN网络的APP节点，其节点名为AM55。项目一共设置了4台APC服务器，其中2台作为重整装置、抽提装置的APC冗余服务器，另外2台作为歧化装置、吸附装置的APC冗余服务器，APC服务器通过冗余交换机后，再经OPC服务器从DCS系统上读取所需的数值，或者向DCS系统写下所需的数值。

1.4 监控平台客户机访问APC服务器流程

有APC服务器访问权限的客户必须使用特定的IP地址登陆公司内部网才能通过硬件防火墙，然后经过本地冗余交换机中的任意一个即可以访问任意一台的APC服务器。这样监控平台的用户就可以坐在公司办公室对APC控制器投用率、控制器投用情况实时进行监控、调整。

2 先进控制系统在工业生产中的改进

2.1 存在的问题

以往项目中APC系统向DCS系统写值方式是APC控制器通过模型算出操作变量的SP值或者OP值，直接通过APP节点修改DCS系统上操作变量的SP值或者OP值。具体见图3所示。APC控制器直接通过APP节点向DCS系统写值的方法，曾经在其他单位出现过在控制器投用过程中向DCS系统写入错误值的问题，导致装置生产发生波动的情况。

证明 (ⅰ) 当a>λ1且时,系统(3)没有半平凡解(0,θd),分量为0的解只有(0,0)和(θa,0),由引理5的(ⅰ)—(ⅴ)及不动点指标可加性可知

图3 APC系统向DCS系统写值方式

2.3 改进方案

为了确保APC控制器向DCS系统写入正确无误的数值，同时为了提高APC与DCS系统的安全性，提出新的改进方案，即在霍尼韦尔公司的TPS系统的AM应用模块上新建复杂CL程序，当APC系统需要向DCS系统写值时，首先将需要写的值存入中间点中，然后看中间点是否符合防止APC系统向DCS系统写异常值程序设定的条件要求，只有符合设定的条件后才能将中间点写入DCS系统中，否则数据被拒绝写入。

以APC系统项目中操作变量FC22304为例子，其中MF22304代表APC系统算出的需要给操作变量FC22304.SP赋值的中间值寄存点。而MFC22304.LOOPST代表操作变量FC22304的控制模式，当MFC22304.LOOPST的值为0时代表操作变量FC22304未投用先进控制模式，当MFC22304.LOOPST的值为1时代表操作变量FC22304投用先进控制模式，MD22304代表从工艺角度理解APC系统每次允许改变FC22304.SP的最大值。MFC22304.DMCSTAT代表操作变量FC22304投用开关状态，当其值为0时代表操作变量FC22304投用开关已投用。

具体程序功能如下，当操作变量FC22304处于未投用APC模式，此时中间点MF22304.PV的值等于FC22304.SP，而当操作变量FC22304处于APC模式并且操作变量FC22304.DMCSTAT投用开关已投用，此时如果中间点MF22304.PV与FC22304.SP的差值的绝对值小于等于最大允许差值MD22304.PV后，MF22304.PV会赋值给FC22304.SP，否则FC22304.SP将保持原来值不变。

具体编程代码如下：

IF MFC22304.LOOPST=0 THEN SET MF22304.PV=FC22304.SP IF(MFC22304.DMCSTAT=0 AND MFC22304.LOOPST=1 AND MF22304.PV-FC22304.SP>=0 AND MF22304.PV-FC22304.SP-MD22304.PV<=0) THEN SET FC22304.SP=MF22304.PV IF (MFC22304.DMCSTAT=0 AND MFC22304.LOOPST=1 AND MF22304.PV-FC22304.SP+MD22304.PV>=0 AND MF22304.PV-FC22304.SP<0) THEN SET FC22304.SP=MF22304.PV

2.4 先进控制系统投用后的效果

改进后的新APC系统投运后，装置操作更加的平稳，工艺指标控制更加精确，同时还降低了操作工的劳动强度，降低了装置能耗，折合经济效益每年可以为生产装置节约400万元。通过新增APC系统与DCS系统之间的防护程序，生产装置自投用先进控制系统以来未因APC系统原因出现生产波动或者停车事故，提高了装置的安全性，降低了装置非计划停车概率。

3 结束语

在DCS系统上新建防止APC系统向DCS系统写异常值程序可以增强APC控制器运行的安全性，同时还可以提高DCS系统的安全性，既而提高了装置的安全性，为装置的长圆满平稳运转保驾护航。同时在装置出现联锁停车事故或者生产波动时，可以首先基本排除是APC系统的问题，提高问题排查的速度及效率。

[1] 金立华.APC技术在燕化HDPE装置上的应用[J].石化技术,2002，9(2):99-104.

韩国LG化学完成丽水丙烯酸和SAP扩能项目

韩国LG化学位于韩国丽水的丙烯酸和高吸水树脂(SAP)扩能项目已经完成。

该项目中的丙烯酸装置产能从430 kt/a扩至为510 kt/a，SAP产能从200 kt/a扩至360 kt/a。LG作为韩国唯一的丙烯酸生产商，现已成为全球第五大丙烯酸生产商，第四大SAP生产商。

(中国石化有机原料科技情报中心站供稿)

Improvement of Data Safety for Advanced Process Control System in Industrial Production

Xu Jintao

(AromaticsDivision,SINOPECShanghaiPetrochemicalCo.,Ltd. 200540)

The control structure, network constitution and industrial application of advanced process control (APC) system were introduced. In view of the past situation that APC system directly writes value to the distributed control system (DCS), the measures for optimization of APC system were proposed, which prevented production fluctuation caused by abnormalities of APC system, and therefore improved the safety of APC system and DCS through adding a procedure preventing APC system from writing outliers to DCS.

APC system, safety, improvement

2015-08-28。

徐进涛，男，1987年出生，2010年毕业于常州大学自动化专业，工学学士，助理工程师，主要从事于仪表管理工作，已发表论文1篇。

1674-1099 (2015)05-0055-03

TP202+.1

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