綠色工廠控制系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)方案探析

王謹(jǐn)，楊金城

（中石化揚(yáng)子石化有限公司，南京210048）

石化工業(yè)的原料來源于自然界天然形成的化石能源，主要有石油、天然氣、煤炭、頁巖氣、煤層氣等品種。這些原料具有稀缺性、不可再生性、開采成本高等特點(diǎn)。全球已探明的石油儲(chǔ)量僅可使用50年，如中國大慶油田，現(xiàn)在采出的原油中含水量高達(dá)85%以上，可見原油開采越來越難。儲(chǔ)量比較豐富的煤資源也僅能使用220年［1］。由此可見地球上人類賴以生存的能源是有限的，如不控制自然資源的消耗，若干年后，世界能源將會(huì)枯竭。

按照世界能源委員會(huì)在1979年對(duì)節(jié)能提出的定義：“采取技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)上合理、環(huán)境和社會(huì)可接受的一切措施，來提高能源資源的利用效率”［2］。

科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，促進(jìn)了測(cè)控技術(shù)的快速發(fā)展，從技術(shù)層面上來分析，測(cè)控技術(shù)的進(jìn)步主要體現(xiàn)在向數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、微型化四個(gè)方向發(fā)展，以軟件功能代替硬件功能，用軟件解決信息處理、信息計(jì)算、信號(hào)模擬、仿真等多種功能。軟件替代硬件，硬件向小型化、微型化方向發(fā)展，由此可以節(jié)約大量的自然資源。

在石化行業(yè)，從傳統(tǒng)的全模擬儀表到數(shù)字化的第一、第二代DCS，再到最新的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，軟件技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展是很主要的，控制系統(tǒng)從以硬件結(jié)構(gòu)為主體的構(gòu)成模式，上升到以軟件應(yīng)用為主，軟件應(yīng)用量達(dá)到70%以上，使得控制室內(nèi)的二次儀表徹底消失，這是控制現(xiàn)代化的里程碑。由于采用了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，使生產(chǎn)裝置的規(guī)?？梢韵虼笮突?、超大型化方向發(fā)展，大型聯(lián)合生產(chǎn)裝置應(yīng)用而生?？刂七^程更加精確、安全，上、下游裝置之間的銜接更加流暢，以過程數(shù)據(jù)為核心的工廠信息系統(tǒng)（MES）得到開發(fā)應(yīng)用，生產(chǎn)實(shí)時(shí)優(yōu)化（APC＆RTO）得到重視和應(yīng)用，企業(yè)資源計(jì)劃管理系統(tǒng)（ERP）等管理現(xiàn)代化手段得以實(shí)現(xiàn)。因此，能源的利用效率進(jìn)一步提高，為各項(xiàng)目的運(yùn)行節(jié)約了大量的成本。

1 電子信息技術(shù)的發(fā)展

科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，促進(jìn)了測(cè)控技術(shù)的快速發(fā)展，新成果不斷涌現(xiàn)。

1.1 儀器儀表關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展

a）信息獲取技術(shù)：傳感器技術(shù)、精密測(cè)試技術(shù)、智能儀表技術(shù)、現(xiàn)場溯源技術(shù)。

b）精密測(cè)試技術(shù)：自動(dòng)測(cè)量技術(shù)、在線測(cè)試技術(shù)、多參數(shù)綜合測(cè)量技術(shù)、視覺測(cè)量技術(shù)、人工智能測(cè)試技術(shù)、測(cè)試軟件技術(shù)、微成像技術(shù)、儀器儀表標(biāo)定技術(shù)。

c）智能儀表技術(shù)：專用電路技術(shù)、現(xiàn)場信號(hào)集成技術(shù)、傳感變送一體化技術(shù)。

1.2 信息處理控制技術(shù)

a）現(xiàn)場總線技術(shù)：微計(jì)算機(jī)技術(shù)、集成電路技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)、現(xiàn)場控制技術(shù)。

b）智能控制技術(shù)：模糊控制技術(shù)、專家控制技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)、自適應(yīng)控制技術(shù)。

c）系統(tǒng)集成技術(shù)：多媒體技術(shù)、故障診斷技術(shù)、通信接口技術(shù)、數(shù)據(jù)技術(shù)。

2 儀表技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

儀表技術(shù)向數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、微型化方向發(fā)展。

a）數(shù)字化、智能化。由于微電子技術(shù)的進(jìn)步，儀器儀表產(chǎn)品進(jìn)一步與微處理器、PC機(jī)融合，使儀器儀表的數(shù)字化、智能化水平不斷提高。以美國德州儀器公司提出的“DSP”概念為先導(dǎo)，配合先進(jìn)的混合信號(hào)電路、ASIC電路、元件及開發(fā)工具等提供整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)的解決方案。測(cè)控儀表廣泛地應(yīng)用超大規(guī)模集成電路、SMP表面貼裝、多層線路板印刷、圓片規(guī)模集成（WSI）等新技術(shù)、新工藝，促進(jìn)了測(cè)控技術(shù)的發(fā)展。

b）網(wǎng)絡(luò)化。當(dāng)前國際上現(xiàn)場總線技術(shù)與智能儀表迅速發(fā)展，HART，F(xiàn)F，Profibus，Lonworks，WorldFIP，CAN等總線都在某一領(lǐng)域得到很好的發(fā)展。多種形式的儀表管理網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運(yùn)而生，如設(shè)備管理網(wǎng)絡(luò)普遍在項(xiàng)目中應(yīng)用。在線色譜儀與其他在線分析儀全面提供網(wǎng)絡(luò)功能，方便管理和診斷；在線質(zhì)量流量計(jì)通過網(wǎng)絡(luò)化可以提供介質(zhì)的多種參數(shù)和屬性數(shù)據(jù)。

c）微型化。微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)是20世紀(jì)80年代末期最重要的技術(shù)之一，其中之一是傳感器和信號(hào)處理技術(shù)，其核心是儀表微型化技術(shù)，應(yīng)用MEMS技術(shù)的儀表稱為芯片上的儀表。

d）智能控制技術(shù)。包括模糊控制技術(shù)、專家控制技術(shù)、分級(jí)遞階智能控制技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)、擬人智能控制技術(shù)、自適應(yīng)控制技術(shù)等。

e）系統(tǒng)集成技術(shù)。包括多媒體技術(shù)、故障診斷技術(shù)、通信接口技術(shù)、數(shù)據(jù)技術(shù)等。

f）材料技術(shù)。儀表的智能化逐步向通用模塊化及即插即用方向發(fā)展。目前科學(xué)儀器已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出“光機(jī)電一體化”，除了引入智能技術(shù)，還大量引進(jìn)納米、MEMS、高性能芯片、網(wǎng)絡(luò)、通信、無線技術(shù)、仿真學(xué)、基因工程等新技術(shù)，大力促進(jìn)了工業(yè)控制水平的提高，也促進(jìn)了控制系統(tǒng)和儀器儀表節(jié)能技術(shù)的進(jìn)步。

g）軟儀表技術(shù)、虛擬儀器的發(fā)展。進(jìn)入21世紀(jì)，軟儀表、虛擬儀器的概念在業(yè)界引進(jìn)轟動(dòng)，實(shí)際上軟儀表、虛擬儀器就是用計(jì)算機(jī)的數(shù)字化測(cè)量運(yùn)算的一種儀器，通過生產(chǎn)裝置內(nèi)的相關(guān)模型建立軟儀表，實(shí)現(xiàn)一些復(fù)雜的測(cè)控功能，如乙烯、丙烯精餾塔的質(zhì)量控制，聚合物裝置的熔體流動(dòng)速率檢測(cè)，煉油裝置的閃點(diǎn)檢測(cè)等復(fù)雜功能均得以實(shí)現(xiàn)，但這些模塊的數(shù)據(jù)源還是來自于現(xiàn)場的檢測(cè)儀表。這些軟儀表提供的計(jì)算功能豐富、強(qiáng)大和靈活，可以根據(jù)需要及時(shí)調(diào)整模型。

h）儀表集成技術(shù)的發(fā)展。從原理上來講，現(xiàn)在的儀表可以做到火柴盒大小。在電磁閥等常見大功率器件中，可以通過提高線圈的集成技術(shù)，降低功率消耗，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能。電源模塊的設(shè)計(jì)也充分將大功率器件小型化設(shè)計(jì)，使得體積縮小一大半，從而使模塊的散熱量也大幅度地減少。

提高控制模塊的集成度和硬件的通用性是技術(shù)發(fā)展的方向之一，Emerson最新推出的SIS，只提供一種I／O模塊，輸入／輸出功能由軟件定義，該模塊體積小，耗電量低，還具有通信功能。

3 控制系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)理念

3.1 DCS的應(yīng)用狀況

以Honeywell公司為例分析該公司控制系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展歷程。從20世紀(jì)80年代第1套DCS開始在國內(nèi)石化生產(chǎn)裝置應(yīng)用，至今已有270余套DCS在運(yùn)行系統(tǒng)，約80%是TDC3000系統(tǒng)（少部分TDC2000系統(tǒng)），其升級(jí)版本為TPS，屬于該公司20世紀(jì)80年代初到90年代末的產(chǎn)品。

3.2 早期TDC3000／TPS3000系統(tǒng)技術(shù)

從目前的技術(shù)角度看，TDC3000／TPS3000系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)落后了。其中有些系統(tǒng)的運(yùn)行周期接近或超過15a，從產(chǎn)品的生命周期來講已進(jìn)入故障高發(fā)時(shí)期，已經(jīng)影響到裝置的正常運(yùn)行。TDC3000／TPS3000系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 TDC3000／TPS3000系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.3 新一代PKS系統(tǒng)的特點(diǎn)

PKS C300是Honeywell近年來推出的新一代控制系統(tǒng)，包含了Honeywell 30年來在過程控制、資產(chǎn)管理、行業(yè)知識(shí)等方面積累的經(jīng)驗(yàn)，采用先進(jìn)的開放平臺(tái)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，為工業(yè)企業(yè)提供一個(gè)統(tǒng)一的、全廠化的，集自動(dòng)過程控制、設(shè)備和資產(chǎn)管理、操作管理、生產(chǎn)管理、集成制造等為一體的知識(shí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和全系列的解決方案，PKS系統(tǒng)框架如圖2所示。

圖2 PKS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

3.4 TPS和PKS性能分析

從圖1和圖2的對(duì)比可以分析出：TPS系統(tǒng)采用的是局域控制網(wǎng)絡(luò)（LCN），網(wǎng)絡(luò)采用的是IEEE 802.4通信協(xié)議，每條網(wǎng)絡(luò)最多可以掛接32對(duì)冗余設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)上主要設(shè)備有 HM，AM，HG，PLCG，PLNM，NIM，US，GUS等，與過程相連接的設(shè)備必須掛接在NIM下面的UCN網(wǎng)絡(luò)上，過程的I／O信號(hào)必須通過NIM來轉(zhuǎn)換通信。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，HM，AM，HG，NIM，PLCG，PLNM，US，GUS等設(shè)備有多個(gè)模塊構(gòu)成，導(dǎo)致設(shè)備的購置費(fèi)用過大，能耗增加，容易發(fā)生故障。另外每個(gè)控制器的機(jī)柜內(nèi)必須配置冗余的電源組件和蓄電池組，導(dǎo)致機(jī)柜占用空間大，造成控制系統(tǒng)公共部分占用空間過大。

以太網(wǎng)是應(yīng)用廣泛的、標(biāo)準(zhǔn)化的通信結(jié)構(gòu)，它采用多種通信介質(zhì)（同軸電纜、雙線電纜、光纖、無線電）進(jìn)行通信，并且與上層通信軟件相結(jié)合形成了眾多局域網(wǎng)基礎(chǔ)［3］。新一代的控制系統(tǒng)已由復(fù)雜的、多功能的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)橐院唵蔚墓δ苣K結(jié)構(gòu)和以通用服務(wù)器為主體的新型以太網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了控制數(shù)據(jù)和信息數(shù)據(jù)流的集成，簡化了硬件結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到了減少占用空間，節(jié)能降耗的目標(biāo)?？刂葡到y(tǒng)的信息化、智能化能力也得到極大的提高。PKS系統(tǒng)具有下列節(jié)能優(yōu)勢(shì)：

a）高速工業(yè)容錯(cuò)以太網(wǎng)FTE（Fault Tolerant Ethernet）構(gòu)成的新型控制系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的可靠性和開放性。FTE提供了4路冗余通信專利技術(shù)，可通過網(wǎng)絡(luò)通信接口與控制器、操作站、服務(wù)器、第三方設(shè)備及其他PC機(jī)連接通信，避免了因單點(diǎn)故障引起的系統(tǒng)癱瘓，極大地提高了系統(tǒng)的性能?；诳刂茍?zhí)行環(huán)境的CEE控制器可同時(shí)掛接兩個(gè)I／O網(wǎng)絡(luò)，提高了系統(tǒng)的集成度，節(jié)省了成本。以通用PC機(jī)構(gòu)成工程師站、操作站，從而節(jié)省了大量的購置成本，提高了設(shè)備的通用性。工程師站既可以作為系統(tǒng)的配置與組態(tài)工具，又可以作為數(shù)據(jù)服務(wù)器實(shí)現(xiàn)對(duì)過程數(shù)據(jù)的保存和存檔。

b）取消了卡籠箱，系統(tǒng)應(yīng)用更加開放，空間浪費(fèi)更少。

c）取消了FTA，從而也取消了50芯連接電纜，使安裝密度提高30%以上，減少了機(jī)柜占地面積，節(jié)省采購費(fèi)用。

d）供電采用導(dǎo)軌式設(shè)計(jì)，使安裝更加方便，提高了機(jī)柜的集成度。具有混合分布I／O卡件功能，使設(shè)計(jì)更加便攜，同時(shí)也減少了機(jī)柜閑置空間。

e）獨(dú)特的散熱管理技術(shù)，使系統(tǒng)壽命延長，有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定。

TPS與PKS控制系統(tǒng)的比較見表1所列。

表1 TPS與PKS控制系統(tǒng)比較

4 現(xiàn)場遠(yuǎn)程機(jī)柜間設(shè)計(jì)

4.1 設(shè)計(jì)理念的變化

a）遠(yuǎn)程技術(shù)的來源。早在20世紀(jì)80年代初，TDC2000系統(tǒng)中，就提出了遠(yuǎn)程I／O的概念，即多路切換箱。每個(gè)采樣箱（多路切換箱）可以采集16路熱電偶信號(hào)，1條鏈路上可以配16個(gè)采樣箱共計(jì)采集256個(gè)點(diǎn)，通過Modbus方式組成1條非冗余的鏈路與DCS通信，地址通過BCD碼開關(guān)設(shè)置。由于當(dāng)時(shí)通信技術(shù)比較落后，通信的可靠性不夠高，該方案僅用于溫度顯示點(diǎn)的測(cè)量，但沒用于比較重要的控制回路。這是早期在工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用的通過現(xiàn)場通信總線方式的一個(gè)經(jīng)典的數(shù)據(jù)采集方案，也是后來總線技術(shù)、遠(yuǎn)程技術(shù)早期的版本。

b）遠(yuǎn)程技術(shù)的發(fā)展。從2000年開始，一種新遠(yuǎn)程I／O方案得到了用戶的重視。當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)理念是為解決距離較遠(yuǎn)的設(shè)備的控制問題，如罐區(qū)、壓縮機(jī)組或其他公用工程系統(tǒng)，所檢測(cè)的點(diǎn)數(shù)一般在幾十點(diǎn)到上百點(diǎn)之間，一般僅用于信號(hào)的采集而不進(jìn)行控制。這些產(chǎn)品的推出引起了市場的高度重視，之后眾多控制系統(tǒng)廠家也相繼開發(fā)出了遠(yuǎn)程I／O的方案。

4.2 基本方法分析

2005年以來，隨著大規(guī)模的聯(lián)合裝置的推出，要將所有的信息綜合起來的要求越來越高。新的聯(lián)合裝置在設(shè)計(jì)時(shí)要求實(shí)現(xiàn)管控一體化，即以一個(gè)中心控制室作為信息流的處理和交換中心，實(shí)現(xiàn)人機(jī)會(huì)話并作為管理的集中處，外圍設(shè)計(jì)若干個(gè)機(jī)柜間，放置過程信號(hào)處理控制機(jī)柜，通信距離可以達(dá)到數(shù)千米以上。某1Mt／a乙烯裝置就是采用將控制站與操作站分開的方案，通過使用光纜代替大量的銅纜，以獨(dú)立路徑設(shè)置的雙回路光纜就可以安全地實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場機(jī)柜間和中心控制室之間的數(shù)據(jù)傳遞。該項(xiàng)目總的I／O點(diǎn)數(shù)有1.4×105多點(diǎn)，節(jié)省的儀表電纜的數(shù)量有數(shù)百千米，整個(gè)項(xiàng)目節(jié)約的電纜費(fèi)用和安裝費(fèi)用經(jīng)過核算約有五千多萬元。現(xiàn)在這種設(shè)計(jì)方式已越來越得到用戶的認(rèn)可，在神華等多個(gè)大型項(xiàng)目中的應(yīng)用案例也越來越多。

現(xiàn)場機(jī)柜間內(nèi)的控制器獨(dú)立設(shè)置，與控制室之間傳送控制信息并執(zhí)行指令，一旦與控制室之間發(fā)生通信問題，不會(huì)影響生產(chǎn)的安全。現(xiàn)場機(jī)柜間的設(shè)置方便了維修，減少了人工消耗，也使控制室內(nèi)的操作環(huán)境更加幽靜，更便于管理。因此，獨(dú)立設(shè)置機(jī)柜間是一項(xiàng)綠色節(jié)能的設(shè)計(jì)方案。

5 硬件旁路開關(guān)改為軟件旁路開關(guān)

通常在安全系統(tǒng)中設(shè)置有大量的旁路開關(guān)，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是設(shè)置專用的旁路開關(guān)柜。這種設(shè)計(jì)方法增加了大量的儀表柜。新項(xiàng)目已取消了這種做法，而是采用專用的工作站方法，在工作站上設(shè)置軟件旁路開關(guān)，有的項(xiàng)目中也在操作站上直接設(shè)計(jì)旁路界面，以方便操作人員操作，這些設(shè)計(jì)都是綠色節(jié)能設(shè)計(jì)方案。

6 操作站雙屏顯示模式的設(shè)計(jì)

現(xiàn)在不少大型項(xiàng)目的聯(lián)合控制室中設(shè)置的操作站數(shù)量非常多，導(dǎo)致控制室的操作空間十分擁擠。為此在一些項(xiàng)目中將操作站設(shè)計(jì)成雙屏顯示模式，即1臺(tái)主機(jī)可以用2臺(tái)顯示器來顯示，使用多頻顯示軟件，操作人員可以同時(shí)打開更多的操作畫面，減少來回切換的頻率，減少勞動(dòng)強(qiáng)度，以提高操作效率。這種設(shè)計(jì)最大好處是可以適當(dāng)?shù)販p少操作員站的數(shù)量，從而也減少了控制室的使用面積，減少了投資成本。

7 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的應(yīng)用

現(xiàn)場總線是用于現(xiàn)場儀表與控制系統(tǒng)和控制室之間的一種全分散、全數(shù)字化、智能、雙向、互聯(lián)、多變量、多點(diǎn)、多站的通信網(wǎng)絡(luò)［4］。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是另外一種先進(jìn)的全數(shù)字化的控制系統(tǒng)，在國內(nèi)的典型應(yīng)用有上海賽科石化、中石化福建煉化、廣東惠州中海殼牌乙烯工程?，F(xiàn)場總線充分發(fā)揮軟件的功能，以軟件功能的大幅度提升直接減少了耗電量多的硬件設(shè)備，據(jù)統(tǒng)計(jì)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的軟件在系統(tǒng)中占有的比重已超過了70%，從而使系統(tǒng)具有極高的優(yōu)越性。應(yīng)用現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)有以下優(yōu)點(diǎn)［5］：

a）節(jié)省硬件數(shù)量與投資。由于現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中分散在設(shè)備前端的智能設(shè)備能直接執(zhí)行傳感、控制、報(bào)警和計(jì)算功能，因而可減少變送器的數(shù)量，不再需要單獨(dú)的控制器、計(jì)算單元等，也不再需要DCS的信號(hào)調(diào)理、轉(zhuǎn)換、隔離等功能單元及其復(fù)雜接線，還可以用普通PC機(jī)作為操作站，從而節(jié)省了硬件投資。由于設(shè)備的減少，還可減少控制室的占地面積。

b）節(jié)省安裝費(fèi)用?，F(xiàn)場總線的接線十分簡單，1對(duì)雙絞線或1條電纜上通?？蓲旖佣鄠€(gè)設(shè)備，因而電纜、端子、槽盒、橋架的用量減少，連接設(shè)計(jì)與接頭校對(duì)的工作量也大幅減少。據(jù)有關(guān)典型的工程測(cè)算，可節(jié)約安裝費(fèi)用60%以上。

c）現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)不但具有高度的自診斷能力，也具有簡單的故障處理能力，并可以通過設(shè)備管理系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)。系統(tǒng)內(nèi)的狀態(tài)非常透明，用戶只要在管理服務(wù)器上查看相關(guān)的信息并對(duì)故障進(jìn)行相關(guān)的修復(fù)即可，維護(hù)簡單方便，從而縮短了維護(hù)停工時(shí)間。

d）用戶具有高度的系統(tǒng)集成主動(dòng)權(quán)。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)可以應(yīng)用多種廠家生產(chǎn)的具有總線通信能力的產(chǎn)品，從而在選擇儀表時(shí)具有更大的彈性，用戶在系統(tǒng)集成時(shí)具有更多的自主權(quán)。

e）提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與可靠性?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是高度智能化、數(shù)字化的控制系統(tǒng)，軟件應(yīng)用量大幅度上升，減少了易出故障的硬件模塊，從而減少了系統(tǒng)故障，提高了可靠性和準(zhǔn)確性。

現(xiàn)場總線在實(shí)際應(yīng)用中的主要困難是傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用習(xí)慣在目前的用戶中難以改變，現(xiàn)用的控制系統(tǒng)無法與現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)直接對(duì)接。因此熟悉并消化這項(xiàng)技術(shù)需要一個(gè)過程。另外，國際現(xiàn)場總線基金會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，使得儀表通用性比較差，各種儀表之間的兼容性不理想。

8 現(xiàn)場智能儀表和低功率儀表的應(yīng)用

8.1 智能儀表

新一代的智能儀表具有體積小、功耗低、性能好等特點(diǎn)，儀表功能豐富，1臺(tái)多功能儀表往往可以替代傳統(tǒng)的數(shù)臺(tái)儀表，儀表的質(zhì)量和體積都大幅度減小。比如1臺(tái)Emerson 3051變送器的體積僅相當(dāng)于早期的1151型變送器的20%，相當(dāng)于YOKOGAWA的6461變送器的10%。另外新型儀表具有多種通信和診斷功能，儀器設(shè)計(jì)上的變化使儀表的性能更優(yōu)越，維護(hù)更方便，對(duì)于工業(yè)過程的測(cè)量優(yōu)化起到了關(guān)鍵的作用。

8.2 智能調(diào)節(jié)閥

通常調(diào)節(jié)閥是高阻力的控制部件，智能調(diào)節(jié)閥必須配置智能定位器。智能定位器有只接受4～20mA直流信號(hào)的，也有接受HART信號(hào)的；還有只進(jìn)行數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)默F(xiàn)場總線閥門定位器［6］。選用智能定位器的優(yōu)勢(shì)：

a）在選擇調(diào)節(jié)閥時(shí)盡量選用通用性好的智能定位器，以一體化連結(jié)方式為好，以方便互換，減少安裝底板的消耗。

b）智能定位器采用節(jié)氣技術(shù)，可以減少儀表空氣的消耗。

c）智能定位器具有多種功能，可以很方便地傳輸多種信號(hào)，使維護(hù)更方便。

合理選擇控制閥的控制特性和泄漏等級(jí)是實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制的重要因素，要針對(duì)不同的工況選擇合適的調(diào)節(jié)閥，保證生產(chǎn)控制的需要。

8.3 低功率電磁閥

電磁閥是自動(dòng)控制系統(tǒng)中執(zhí)行安全控制的元件，在控制系統(tǒng)中起到關(guān)鍵的作用。從2000年開始，電磁閥正以其低功耗、質(zhì)量輕、NAMUR標(biāo)準(zhǔn)化連接、彈簧排氣腔、E－matal涂層等先進(jìn)技術(shù)占領(lǐng)市場。新型低功耗電磁閥的發(fā)展，促進(jìn)了節(jié)能降耗技術(shù)的發(fā)展，也促進(jìn)了儀表設(shè)計(jì)技術(shù)的進(jìn)步。

電磁閥的功耗越大，線路電流就越大，線路壓降也大，傳輸距離就短，所選擇的輸出卡件的電流就越大，這樣導(dǎo)致了線路上的能耗大，而布線不宜過長，否則電磁閥工作電壓過低不能正常工作。若增加中間繼電器隔離，就會(huì)導(dǎo)致中間環(huán)節(jié)增多，系統(tǒng)的可靠性變差，而且不能實(shí)現(xiàn)回路診斷功能。早期設(shè)計(jì)的一些裝置上所用的電磁閥經(jīng)常采用220V或110V交流電源，就是為了解決線路壓降的問題。但是交流電源傳輸?shù)浆F(xiàn)場，無法構(gòu)建本安回路，對(duì)檢修、維護(hù)很不方便，存在安全隱患。因此，當(dāng)?shù)凸牡闹绷麟姶砰y一經(jīng)推出，就立即引起市場的高度關(guān)注并獲得廣泛應(yīng)用。

通常瑞士歐根－賽馳（Eugen Seit）常規(guī)直動(dòng)式電磁 閥 的 功 率 是 13W／24V（DC），電 流 為0.542A；而如果改用低功耗電磁閥，則電磁閥的功耗為1.8W／24V（DC），電流為0.075A［7－8］。后者的電能損耗約是前者的14%。在有些特殊的場合，如透平機(jī)、壓縮機(jī)上會(huì)用到大功率電磁閥，能耗高，發(fā)熱量大，影響電磁閥的安全使用，在這種應(yīng)用中盡量改用低功率電磁閥驅(qū)動(dòng)氣缸式閥門進(jìn)行操作，以實(shí)現(xiàn)低能耗設(shè)計(jì)。

8.4 儀表設(shè)備管理系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用

儀表設(shè)備管理系統(tǒng)是在無需增加任何硬件的基礎(chǔ)上開發(fā)應(yīng)用，對(duì)運(yùn)行在現(xiàn)場的儀表設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化管理，提高現(xiàn)場儀表的運(yùn)行診斷率有突出的作用。通過定期診斷儀表的狀態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備的預(yù)防性維護(hù)。它的使用對(duì)于減少儀表維護(hù)工作量，減少人工成本具有一定的作用。

8.5 開關(guān)電源模塊

在2000年以后，西門子、菲尼克斯、魏德米勒等公司開發(fā)的開關(guān)電源，使用了高性能的電源轉(zhuǎn)換器，使得開關(guān)電源技術(shù)有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。具有體積小、功耗低、性能好、品種多、組合靈活、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，一經(jīng)推出，就獲得市場的認(rèn)可，解決了過去電源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功率高、體積大、故障多的問題。新型的開關(guān)電源，只要選擇同功率的電源模塊做關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)，并通過解耦模塊輸出即可實(shí)現(xiàn)安全供電。當(dāng)傳輸線路長，現(xiàn)場電壓比較低時(shí)，可在模塊上根據(jù)現(xiàn)場電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。

9 應(yīng)用新型節(jié)能儀表

傳統(tǒng)的流量儀表通常由一次節(jié)流裝置和二次測(cè)量儀表構(gòu)成，其運(yùn)行能耗主要是工作所產(chǎn)生的，包括儀表本體的電力消耗以及測(cè)量過程中推動(dòng)流體通過儀表所消耗的能量。

9.1 平衡流量計(jì)

平衡流量計(jì)是一個(gè)多孔的圓盤節(jié)流整流器，安裝在管道的截面上，每個(gè)孔的尺寸和分布基于獨(dú)特的公式和測(cè)試數(shù)據(jù)定制，又稱為函數(shù)孔。當(dāng)流體穿過圓盤上的函數(shù)孔時(shí)，流體將被平衡整流，渦流被最小化，形成近似理想流體，通過常規(guī)的取壓裝置，可獲得穩(wěn)定的差壓信號(hào)，然后根據(jù)伯努利方程計(jì)算出體積流量、質(zhì)量流量。平衡流量計(jì)優(yōu)勢(shì)在于將多孔整流器和測(cè)量孔板合二為一，能最大限度地將流場平衡調(diào)整成理想狀態(tài)，從而將差壓式流量計(jì)的優(yōu)勢(shì)發(fā)揮到極致［9］。

平衡流量計(jì)的測(cè)量精度比傳統(tǒng)節(jié)流裝置高5～10倍，流動(dòng)噪聲為傳統(tǒng)節(jié)流裝置的67%，永久壓力損失約33.3%，壓力恢復(fù)快2倍，最小直管段可以小于0.5 D；沒有活動(dòng)的部件，安裝和使用方便簡單，可省去大量直管段，減少了流體運(yùn)行所需的能量消耗，是一種具有廣闊應(yīng)用前景的節(jié)能儀表。

據(jù)測(cè)算當(dāng)采用1臺(tái)孔板時(shí)，能耗換算成年度電費(fèi)約為3萬元；當(dāng)采用平衡流量計(jì)測(cè)量時(shí)，單臺(tái)能耗換算成年度電費(fèi)約為1萬元；采用德爾塔巴流量計(jì)測(cè)量時(shí)，單臺(tái)能耗換算成年度電費(fèi)約為600元。1套普通的裝置至少也有上百臺(tái)流量孔板，如果全部使用節(jié)能儀表，就能節(jié)省大量的動(dòng)力輸送能量。

9.2 德爾塔巴流量計(jì)

流量測(cè)量技術(shù)十分復(fù)雜，流量計(jì)的種類繁多。研究分析流量測(cè)量技術(shù)，對(duì)于推廣節(jié)能型流量計(jì)的應(yīng)用具有極高的價(jià)值。近年來新推出的一批流量儀表，采用隱藏式傳感器的設(shè)計(jì)方法，對(duì)流體的傳輸沒有阻力影響。因此在測(cè)量過程中不產(chǎn)生傳輸能耗。這類儀表有超聲波流量計(jì)、電磁流量計(jì)、渦街流量計(jì)、熱式流量計(jì)等，幾乎沒有壓損，能實(shí)現(xiàn)真正的節(jié)能傳輸。

德爾塔巴流量計(jì)是插入式流量計(jì)中壓損比較小的儀表，在管道中插入1根德爾塔巴傳感器，當(dāng)流體流過傳感器時(shí)，在其前部迎流方向產(chǎn)生1個(gè)高壓分布區(qū)，在其后部產(chǎn)生1個(gè)低壓分布區(qū)。德爾塔巴傳感器的曲面設(shè)計(jì)具有壓損小、易準(zhǔn)確測(cè)量，使得德爾塔巴流量計(jì)的應(yīng)用廣泛，可用于測(cè)量干燥氣體、潮濕氣體、液體或蒸汽等介質(zhì)，不受介電常數(shù)限制。適用通徑廣，從3mm～15m的各種規(guī)格的管道都可以測(cè)量。德爾塔巴流量計(jì)的壓力損失只有孔板的5%～10%。因此選擇該流量計(jì)替代普通的孔板可以達(dá)到理想的節(jié)能效果。常用流量計(jì)的壓損比較見表2所列。

表2 常用典型流量計(jì)壓損比較

10 控制器性能的改善

10.1 國內(nèi)企業(yè)控制回路的狀態(tài)分析

近幾年，在國內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)實(shí)施APC和RTO已蔚然成風(fēng)。實(shí)施先進(jìn)控制可以提高產(chǎn)品收率、減少能耗物耗，是確保裝置運(yùn)行平穩(wěn)且節(jié)能的重要舉措。

但在國內(nèi)的煉油和化工生產(chǎn)過程中，約85%的控制回路是簡單的PID控制回路，并且各企業(yè)普遍存在參數(shù)整定不理想、控制回路投用自動(dòng)率不高、調(diào)節(jié)余差大或穩(wěn)定性差等問題，影響生產(chǎn)裝置的收率，也不利于節(jié)能降耗。APC實(shí)施后大多處于擺設(shè)狀態(tài)，投入的資金起不到應(yīng)有的作用。PID與目前常用先進(jìn)控制之間的關(guān)系如圖3所示。因此，研究并解決控制回路中存在的PID問題，并使自控率提高到95%以上，是企業(yè)的強(qiáng)烈愿望。燕山石化、揚(yáng)子石化等單位與北京化工大學(xué)合作開展了這方面的研究，使裝置的自控率達(dá)到了98%以上，取得了好的效果。

圖3 PID與目前常用先進(jìn)控制之間的關(guān)系

10.2 解決控制器PID參數(shù)問題的方法

a）根據(jù)不同對(duì)象的不同特點(diǎn)，選定不同類型的控制器［10］。

b）對(duì)于選定的PID控制形式，根據(jù)對(duì)象的具體特點(diǎn)，用先進(jìn)控制去整定PID參數(shù)，使對(duì)象穩(wěn)定、響應(yīng)速度快、控制精度高。

用先進(jìn)控制的思想來整定PID控制器的形式和控制參數(shù)，既保留了先進(jìn)控制的優(yōu)點(diǎn)，又保持了PID的魯棒性，并且避免了一些先進(jìn)控制單獨(dú)應(yīng)用的缺點(diǎn)。圖4描述了PID控制與內(nèi)?？刂浦g的等價(jià)關(guān)系，可以從內(nèi)?？刂艷C求解出PID控制器的C（S），得到正確的PID參數(shù)，完成內(nèi)模PID參數(shù)的整定，并且整定后的PID參數(shù)具有內(nèi)模先進(jìn)控制的優(yōu)點(diǎn)。

圖4 用內(nèi)?？刂普ǖ腜ID控制器參數(shù)原理

開展控制器優(yōu)化與PID參數(shù)整定是解決當(dāng)前PID控制問題的有效方法。在裝置正常生產(chǎn)與裝置不產(chǎn)生干擾的情況下實(shí)施裝置的控制器優(yōu)化與PID參數(shù)整定，可以提高自控率，改善控制效果，提高裝置效率，降低裝置能耗。

11 結(jié)束語

國家節(jié)能減排目標(biāo)的提出推動(dòng)了控制技術(shù)的進(jìn)步，而儀表和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。為了開展此項(xiàng)工作，必須要從方案的設(shè)計(jì)規(guī)劃、儀表的選型、方案的選擇和執(zhí)行以及運(yùn)行管理的全過程進(jìn)行控制?？刂破鞯腜ID參數(shù)優(yōu)化和控制模式的提升是工廠運(yùn)行過程中重要的工作，開展好先進(jìn)控制（APC＆RTO）有利于實(shí)現(xiàn)優(yōu)化生產(chǎn)指標(biāo)，充分實(shí)現(xiàn)精確控制，減少人工操作過程中的誤差，有利于節(jié)能工作的開展。研究生產(chǎn)過程中的節(jié)能問題，針對(duì)性地提出解決方案并加以改進(jìn)是企業(yè)經(jīng)營中一項(xiàng)長期而艱巨的工作。

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