水泥智能控制系統(tǒng)安全保護技術

張書法 胡建剛 壯炳良 歐丹林

（浙江邦業(yè)科技有限公司，浙江 杭州 310000）

水泥智能控制系統(tǒng)安全保護技術

張書法 胡建剛 壯炳良 歐丹林

（浙江邦業(yè)科技有限公司，浙江 杭州 310000）

本文以國內知名的CAM智能控制系統(tǒng)為例，闡述了由“通訊狀態(tài)自動偵測與保護技術”“儀表故障自動偵測與保護技術”“雙向無擾切換”“操作安全邊界約束與運行”四部分組成的安全保護技術的技術原理及實施案例，該技術能很好地保障智能控制系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。

智能控制；安全保護；CAM；水泥

1. 言

隨著水泥行業(yè)“信息化與工業(yè)化深度融合”工作的逐步推進[1]，智能控制系統(tǒng)在水泥行業(yè)的應用得到越來越廣泛的重視[2],[3]，如浙江邦業(yè)科技有限公司的CAM智能控制系統(tǒng)，已經在國內多家行業(yè)標桿企業(yè)成功應用。

智能控制系統(tǒng)的效益是多層次的：在操作層面，智能控制系統(tǒng)取代了人工操作，大幅提升了勞動生產率，將操作人員從日常繁雜的簡單操作中解放出來，從“操作員”的層面轉化為“監(jiān)督者/優(yōu)化者”的角色。而在生產層面，智能控制系統(tǒng)通過其內置的強大算法實現了精細化操作，從而大幅提升了生產過程各關鍵變量的穩(wěn)定性，最終保障了窯熱工制度的穩(wěn)定性，從而帶來資源和能源浪費減少、產品質量提高和設備運轉率提高等多方面的效益,[4]。

然而，勞動生產率的提升也意味著關注度的下降。因此，在智能控制系統(tǒng)取代人工操作之后，如何保障系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行，如何避免系統(tǒng)或者儀表故障等偶發(fā)故障導致控制系統(tǒng)“誤動作”或“不動作”，也是生產企業(yè)和智能系統(tǒng)供應商所必須直面的問題。

作為水泥行業(yè)智能控制系統(tǒng)的領軍企業(yè)，浙江邦業(yè)科技有限公司有著豐富的實施經驗，也制定了安全保護技術的企業(yè)規(guī)范。本文將以“CAM系統(tǒng)”為例，詳細闡述智能控制的安全保護技術原理與實施案例。

2 智能控制系統(tǒng)安全保護技術原理

根據本公司多年項目實施的經驗總結，智能控制系統(tǒng)的安全隱患主要存在于三個方面，即數據通訊故障、儀表故障、控制模式切換故障，并針對這三大隱患開發(fā)出了“通訊狀態(tài)自動偵測與保護技術”、“儀表故障自動偵測與保護技術”和“雙向無擾切換”三項技術。更進一步，開發(fā)出了“操作安全邊界約束與運行”技術，使系統(tǒng)始終運行在安全邊界內。下面分章節(jié)介紹這四項安全保護技術。

2.1 通訊狀態(tài)自動偵測與保護技術

由于其智能控制系統(tǒng)算法的復雜性，及避免對DCS系統(tǒng)形成干擾，一般而言，智能控制系統(tǒng)運行在獨立的智能控制上位機，通過OPC接口與DCS系統(tǒng)進行雙向數據通信。為保證數據安全，兩者之間還需要安裝防火墻。

在上述網絡架構中，服務器、防火墻、網卡、網線等硬件，操作系統(tǒng)、OPC服務器、智能控制系統(tǒng)等軟件，都可能存在故障。而任何故障出現，都會導致數據通訊中斷，這時智能控制系統(tǒng)無法正常操作。從安全角度上看，安全保護系統(tǒng)必須能自動識別數據通訊故障，報警提示操作人員，并自動切換回手工操作模式[5]。

通信故障的識別是通過“心跳/看門狗”機制實現的。智能控制系統(tǒng)定期發(fā)送特定的信號給DCS，稱為“心跳”；而DCS系統(tǒng)則增加“看門狗”邏輯，定期自動檢測該信號。如在約定時間內未檢測到該信號，則認為通信故障，發(fā)出報警并將控制系統(tǒng)切換回手工操作模式。

2.2 關聯儀表故障

為追求強大的控制性能，智能控制系統(tǒng)往往關聯了非常多的輸入信號，如溫度、壓力、流量、液位等。信號的好壞對智能控制系統(tǒng)正確運行意義重大，對水泥這類儀表故障率高的過程更是如此。從安全角度上看，控制系統(tǒng)必須能自動識別儀表故障，并根據儀表的重要程度執(zhí)行不同的動作。

儀表故障的識別有三種不同的方法。最簡單的一種方法是范圍檢查，如信號超過預先設定的上下限，則判定為儀表故障。這種方法雖然簡單但仍有效，能區(qū)分出大部分測量元件損壞所造成的故障。第二種方法是監(jiān)測信號的變化率，如果信號在短期內發(fā)生跳變（即變化率超過限制），即可判定為儀表故障。這種方法要比第一種方法有更好的故障識別率。第三種方法是平值檢查，如信號在一定時間內保持不變，則判定為儀表故障。這種方法適用于檢測部分現場總線儀表的通訊故障。這三種方法要根據測量信號的實際情況選擇或者疊加使用。

而在識別儀表故障后，則需根據儀表重要度和損壞時間進行分級，執(zhí)行不同的操作。一般而言，操作可分為三級：第一級，將故障儀表從控制系統(tǒng)中切除；第二級，將控制系統(tǒng)中部分回路切除；第三級，將整個控制系統(tǒng)切除。

2.3 雙向無擾切換

所謂雙向無擾切換，指智能控制模式切換到手工操作模式時，以及從手工操作模式切換到智能控制模式時，各控制回路能平穩(wěn)過渡，不會出現任何跳變而導致過程不穩(wěn)定。如果出現跳變，則稱之為“模式切換故障”。

為實現雙向無擾切換，消除“模式切換故障”，必須實現雙向跟蹤，即：

● 在智能控制模式時，手工控制的設定值自動跟蹤智能控制的設定值。

● 在手工控制模式時，智能控制的設定值自動跟蹤手工控制的設定值。

2.4 安全邊界約束與運行技術

智能控制系統(tǒng)是一種強大的輔助工具，能幫助操作人員實現更精細化操作，但其仍在操作人員監(jiān)督下運行。從安全的角度來看，操作人員需設定合理的調節(jié)范圍，稱之為安全邊界；而智能控制系統(tǒng)必需時刻保持在安全邊界內運行。這可以看成一種“授權”的機制。這種機制可以很好地保障智能控制系統(tǒng)在極端情況下仍處于安全范圍，避免出現重大的安全事故。

安全邊界約束一般包含兩部分：變化率的限制和上下限限制。所謂變化率限制，是指操縱變量在兩個執(zhí)行周期內，其變化率不超過約定的限值。所謂上下限限制，是指操縱變量的值始終保持在約定的限制范圍內。

3 安全保護邏輯的實施案例

安全保護系統(tǒng)包含的內容很多，其部分在智能控制系統(tǒng)中實現，部分在DCS端實現。對于在智能控制系統(tǒng)中實現的部分，由于編程相對簡單，本文不再贅述。

3.1 通訊狀態(tài)自動偵測與保護

所謂通訊狀態(tài)偵測和保護就是當通訊正常的時候，CAM智能控制系統(tǒng)以30S的周期發(fā)送信號1給DCS系統(tǒng)，DCS收到信號后，通過程序處理，將此信號復位為0。這樣控制器與DCS之間的通訊一直出現交替的0和1狀態(tài)，如果超過控制器2個周期以上，即通訊狀態(tài)一直為1或者一直為0，表示通訊異常，系統(tǒng)就會出現報警，提醒相關人員進行處理，通訊恢復正常后，需要進行復位消除報警。

3.2 儀表故障自動偵測

1）儀表故障自動偵測程序主要為了保護我們控制的目標儀表的準確性，在安全生產過程中如果在短時間內儀表數值的變化超過一定的范圍，我們即認為該儀表出現故障，它顯示的數值不作為控制的手段，所以智能控制系統(tǒng)會自動切除該變量的控制權，并彈出報警提醒操作人員。

3.3 雙向無擾切換程序保護

1）智能控制系統(tǒng)未投入時，操縱變量的動作與原DCS的數值一致，即智能控制系統(tǒng)輸出的變量自動跟蹤原DCS的變量

2）智能控制系統(tǒng)投入時，操縱變量的動作由智能控制器程序自動跟蹤，自動調節(jié)，原DCS變量自動跟蹤智能控制器輸出的變量

3.4 安全連鎖和邊界保護技術

1）安全連鎖主要是控制器總開關在投入的前提下，各個控制器的回路才可以正常進行控制。

● 當通訊中斷立即彈出報警并且自動切除總開關

● 如果總開關切除，立即切除控制器的所有分回路開關

2）操作安全邊界約束主要預防操縱變量在投用智能控制系統(tǒng)的過程中出現大幅度的變化或者誤動作，它的動作范圍只能在圖中紅色框的高低限范圍內動作，它的高低限數值即為操作安全邊界約束也叫硬約束。

5結論

為保障智能控制系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運行，安全保護技術的重要性是不言而喻的。根據本公司多年實踐的經驗，由“通訊狀態(tài)自動偵測與保護技術”、“儀表故障自動偵測與保護技術”、“雙向無擾切換”、“操作安全邊界約束與運行”四部分組成的安全保護技術，能很好地保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，將故障風險降到最低。

[1]江源. 水泥行業(yè)兩化融合發(fā)展現狀及工作建議[J]. 中國建材產業(yè)轉型升級創(chuàng)新發(fā)展研究論文集, 2013.

[2]李學軍, 周元, 賓光富, 等. 基于三維模糊 PID 控制策略的水泥分解爐溫度控制系統(tǒng)研究 [J][J]. 電子測量與儀器學報, 2009, 23(10): 37-42.

[3]王永初. 智能控制理論與系統(tǒng)的發(fā)展評述[J]. 華僑大學學報: 自然科學版, 2004, 25(1): 1-4.

[4]張鐘俊, 蔡自興. 智能控制與智能控制系統(tǒng)[J]. 信息與控制, 1989, 5(1): 989.

[5]萬家國, 何謙. I/A 系列 DCS 通訊典型故障分析與處理[J]. 瀘天化科技, 2009 (3): 277-281.

TQ172

B

1007-6344（2015）10-0003-02

國家科技支撐計劃2013BAE09B00”高強低鈣硅酸鹽水泥及生產控制關鍵技術的研究與示范”資助