浅谈APC与DCS控制系统安全切换的设计与应用

冯军海

河南能源鹤壁煤化工有限公司 河南 鹤壁 458000

引言

在工业生产过程中，时间延迟现象普遍存在。工业生产过程中温度控制是极其重要的一个环节，在石油、化工、热电行业中显得尤为重要。其中锅炉是上述行业中重要的动力设备。

1 DCS控制系统项目研发背景

在生产过程中，为实现水洗系统生产厂区全程、远程、无人操控和管理的生产模式，最大限度的杜绝各类安全事故的发生。通过多方调研、攻关，对原有的生产系统进行了升级改造[1]。

2 先进控制技术（APC）

先进控制技术（APC）是以现代控制理论为基础，采用先进的控制软件，对被控对象（如加热炉、分馏塔等）进行多变量控制。被控变量也在温度、压力、流量、液位的基础上进行拓展，增加了产品质量、设备负荷等工艺生产需要监控的经济指标，集前馈（多变量模型预测）、反馈及优化于一体，通过减少关键工艺变量的波动，进而优化工艺装置操作，实现卡边控制[2]。

3 改进的模糊Smith控制在DCS控制系统中应用

经过前期仿真，改进的算法在对时滞系统中的应用是可以解决以上问题的，目前在工业控制领域中ABB公司的Freelance(ac800F控制器）控制系统是主流，通过对ABB的Freelance DCS系统(AC800F控制器）的二次开发，将先进控制算法融入DCS系统中，使其达到先进控制的目的。DCS的温压、密度补偿功能提高了测量信号的精度；信号滤波很容易加入前馈信号和史密斯预估方法，从而使测量信号更加平稳，提高了控制系统的动态功能；使用DCS内折线处理功能克服调节阀的非线性，提高了系统稳定性和控制系统质量。如火电机组控制的DEH(数字电液调节)中，有几十个开关逻辑和几个快速回路耦合在一起，而且控制周期必须小于0.15ms，可靠性要求特别高，如果控制系统出现故障将会导致汽轮机飞车，造成重大经济损失[3]。

4 APC模式安全切换逻辑

每个控制回路设计了DCS请求APC控制的信号（REQUEST）和来自APC确认的APC已经准备好的信号（ACCEPT）。控制回路将有一个可以接受的时间延迟，也就是要等待APC的ACCEPT信号的到来，通常是通过增加一个延时模块来实现，作为DCS和APC握手的时间通常以秒为单位，这个值应该根据现场实际情况而定，一般设定为30秒左右。还有一点值得注意的是，“握手”成功的先决条件是控制回路处在自动模式（AUT），并且“握手”成功后要在操作面板上进行指示，失败时也要有报警。串级回路PID一般用于滞后较大、干扰作用强、对控制质量要求较高的场合。下面以串级回路PID为例，简要介绍安全切换逻辑的组态策略。当APC控制器操纵变量（MVs）中的DCS位号对应串级PID回路中副回路的串级给定值（CSV）时，说明APC控制器在该回路对串级回路进行控制。APC将控制副回路的串级给定值（CSV），从而改变副回路输出参数（MV），控制现场设备。投用串级回路顺序为：①副回路切换至自动；②副回路切换至串级；③主回路切换至自动。APC模式切换：当APC控制器通讯正常，APC控制器开关处于投用位置，串级副回路处于自动状态，串级主回路处于程序手动状态，此时将APC回路的投用开关置为ON位置，即切换至APC模式。切换至APC模式后：APC回路状态指示为ON，操作画面中该回路状态显示为MV。副回路手自动控制源（MAN_OPT）置为ON，切换至程序控制模式；副回路内外给定控制源（SV_OPT）置为ON，回路定值受程序控制使用串级给定值CSV。副回路处于程序自动模式，串级给定值（CSV）接收APC控制器预测值进行控制，即APC控制器介入回路控制，且副回路功能块面板将处于不可调整状态[4]。

5 自动化控制及仪表

中央控制室设一个主站：工程师站兼操作员站。操作员站用于系统设计、DCS编程及监控，工程师站主要用于设计、组态、调试、监视整个系统。中央控制室设不间断电源保证PC系统的正常运行。DCS系统由监控级操作站及高速数据传输总线组成。操作站对全厂生产的运行数据进行处理、储存和管理，以分级显示的形式反映工厂的运行状况。分级显示的画面一般有总貌显示、组显示、单回路细目显示、历史趋势显示、在线流程图画面显示、报警显示等。工程师除了拥有逻辑控制、顺序控制功能外，更拥有模拟控制系统的全部功能，能够接受来自现场的各种测量信号，把其转换成标准的系统内部信号进行各种运算和处理。现场控制站通过高速数据总线向监控级操作站传输工艺过程的各种参数，同时接受监控级操作站的各种控制指令。DCS系统的中央控制室设在中央控制楼一层，控制站及远程站的信号采集范围同相应电气室的配电范围。

6 结束语

综上所述，在实际应用中，由于受到安全切换逻辑的约束，APC控制器投用效果良好，切换时DCS运行平稳，未出现APC误动作导致DCS参数突然变化的情况。经测试和实际使用，切换方式操作合理可靠，组态方案简化，减轻了操作人员和仪表维护人员的负担。实现了DCS控制与APC控制的无扰切换，确保装置平稳运行，并准备在其他装置中推广使用。