工業(yè)生產(chǎn)中先進控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)安全性的改進

徐進濤

(中國石化上海石油化工股份有限公司芳烴部，200540)

工業(yè)生產(chǎn)中先進控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)安全性的改進

徐進濤

(中國石化上海石油化工股份有限公司芳烴部，200540)

介紹了先進控制系統(tǒng)(APC)控制結構、網(wǎng)絡構成及其在工業(yè)生產(chǎn)中的應用，針對以往APC系統(tǒng)直接向集散控制系統(tǒng)(DCS)寫數(shù)值的情況，提出了在APC系統(tǒng)項目中優(yōu)化改進措施，通過在DCS系統(tǒng)中新增防止APC系統(tǒng)向DCS系統(tǒng)寫異常值的程序，防止了APC系統(tǒng)異常導致生產(chǎn)波動，提高了APC系統(tǒng)與DCS系統(tǒng)的安全性。

先進控制系統(tǒng) 安全性 改進

目前，世界上各主要石油公司都把提高生產(chǎn)過程自動化水平作為少投入、多產(chǎn)出、快速挖潛增效、提高企業(yè)競爭力的有效途徑。先進控制技術(APC)采用矩陣控制理論，通過裝置階躍測試，收集大量數(shù)據(jù)，進行模型辨識，建立多個變量之間的關聯(lián)模型，將被控對象作為一個整體來處理，然后在比例-積分-微分(PID)單回路控制之上建立一個或幾個大的控制器，同時兼顧到多個變量之間相互變化的能力和設備能力，經(jīng)過預測、優(yōu)化出調(diào)節(jié)量后在線傳輸?shù)絇ID控制器的設定點上，對整個裝置進行統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制。

它與常規(guī)控制有明顯的不同，它是對被控對象(如反應器等)進行多變量控制而不是單回路控制，而且被控變量也由傳統(tǒng)的溫度、壓力、流量、液位四大參數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)品質(zhì)量指標和設備負荷，大大提高了整個裝置的平穩(wěn)性，為卡邊操作、挖掘效益創(chuàng)造了條件；同時石油化工生產(chǎn)過程復雜，建立精確數(shù)學模型非常困難，而應用預估控制技術則降低了對數(shù)學模型精度的要求。

1 APC系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中的應用

以某煉化企業(yè)600 kt/a 對二甲苯(PX)裝置為例，裝置興建于2009年，涉及到的裝置有重整、抽提、歧化、吸附分離、異構化、二甲苯等裝置。裝置集散控制系統(tǒng)(DCS)采用霍尼韋爾公司的TPS系統(tǒng)，聯(lián)鎖系統(tǒng)采用TRICONEX公司的TRICON系統(tǒng)，新增APC項目采用的是Aspen Tech 公司DMCplus系統(tǒng)。

1.1 APC系統(tǒng)控制結構

項目采用的APC系統(tǒng)是Aspen Tech 公司DMCplus控制系統(tǒng)，其核心內(nèi)容是DMC控制器，具體APC系統(tǒng)控制結構見圖1。

圖1 APC控制結構

DMC控制器通過DCS系統(tǒng)上的APP節(jié)點與DCS系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)通訊，從DCS系統(tǒng)上實時采集操作變量(MV)的數(shù)值、控制變量(CV)的值，前饋變量(DV)的值，經(jīng)DMC控制器的DMCplus Model模型計算得出操作變量MV的目標值，該值的計算依據(jù)是產(chǎn)品質(zhì)量最佳、產(chǎn)量最高、物耗最低。實現(xiàn)操作變量MV目標值的控制器操作過程力求平穩(wěn)并分布進行，以確保控制變量CV在合理上下線范圍內(nèi)波動。操作變量MV的控制結果最終寫入DCS系統(tǒng)，從而實現(xiàn)整個控制器的閉環(huán)優(yōu)化操作過程。其中預測、線性規(guī)劃、動態(tài)控制是DMCplus的重心所在，其控制過程依據(jù)DMCplus的離線模型[1]。

1.2 APC系統(tǒng)網(wǎng)絡構成

APC系統(tǒng)網(wǎng)絡結構如圖2所示，整個系統(tǒng)由兩層網(wǎng)絡構成，第一層是APC系統(tǒng)局域網(wǎng)、第二層為公司的內(nèi)部網(wǎng)，在局域網(wǎng)上有APC服務器、APP節(jié)點、冗余交換機，DCS系統(tǒng)通過OPC工業(yè)標準接口實現(xiàn)DCS系統(tǒng)與APC服務器之間的數(shù)據(jù)傳輸。在公司內(nèi)部網(wǎng)上主要由各類辦公電腦組成，而硬件防火墻作為公司內(nèi)部網(wǎng)與局域網(wǎng)連接的關卡，只允許特定的IP賬號的用戶通過防火墻訪問APC系統(tǒng)服務器。

圖2 APC系統(tǒng)網(wǎng)絡結構

1.3 APC系統(tǒng)服務器與DCS系統(tǒng)的連接

項目中DCS系統(tǒng)采用的是Honeywell公司的TPS系統(tǒng)，APC服務器與DCS通訊采用OPC技術，所需的OPC接口為Honeywell 公司的APP NODE OPC，OPC服務器為DCS系統(tǒng)上LCN網(wǎng)絡的APP節(jié)點，其節(jié)點名為AM55。項目一共設置了4臺APC服務器，其中2臺作為重整裝置、抽提裝置的APC冗余服務器，另外2臺作為歧化裝置、吸附裝置的APC冗余服務器，APC服務器通過冗余交換機后，再經(jīng)OPC服務器從DCS系統(tǒng)上讀取所需的數(shù)值，或者向DCS系統(tǒng)寫下所需的數(shù)值。

1.4 監(jiān)控平臺客戶機訪問APC服務器流程

有APC服務器訪問權限的客戶必須使用特定的IP地址登陸公司內(nèi)部網(wǎng)才能通過硬件防火墻，然后經(jīng)過本地冗余交換機中的任意一個即可以訪問任意一臺的APC服務器。這樣監(jiān)控平臺的用戶就可以坐在公司辦公室對APC控制器投用率、控制器投用情況實時進行監(jiān)控、調(diào)整。

2 先進控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中的改進

2.1 存在的問題

以往項目中APC系統(tǒng)向DCS系統(tǒng)寫值方式是APC控制器通過模型算出操作變量的SP值或者OP值，直接通過APP節(jié)點修改DCS系統(tǒng)上操作變量的SP值或者OP值。具體見圖3所示。APC控制器直接通過APP節(jié)點向DCS系統(tǒng)寫值的方法，曾經(jīng)在其他單位出現(xiàn)過在控制器投用過程中向DCS系統(tǒng)寫入錯誤值的問題，導致裝置生產(chǎn)發(fā)生波動的情況。

證明 (ⅰ) 當a>λ1且時,系統(tǒng)(3)沒有半平凡解(0,θd),分量為0的解只有(0,0)和(θa,0),由引理5的(ⅰ)—(ⅴ)及不動點指標可加性可知

圖3 APC系統(tǒng)向DCS系統(tǒng)寫值方式

2.3 改進方案

為了確保APC控制器向DCS系統(tǒng)寫入正確無誤的數(shù)值，同時為了提高APC與DCS系統(tǒng)的安全性，提出新的改進方案，即在霍尼韋爾公司的TPS系統(tǒng)的AM應用模塊上新建復雜CL程序，當APC系統(tǒng)需要向DCS系統(tǒng)寫值時，首先將需要寫的值存入中間點中，然后看中間點是否符合防止APC系統(tǒng)向DCS系統(tǒng)寫異常值程序設定的條件要求，只有符合設定的條件后才能將中間點寫入DCS系統(tǒng)中，否則數(shù)據(jù)被拒絕寫入。

以APC系統(tǒng)項目中操作變量FC22304為例子，其中MF22304代表APC系統(tǒng)算出的需要給操作變量FC22304.SP賦值的中間值寄存點。而MFC22304.LOOPST代表操作變量FC22304的控制模式，當MFC22304.LOOPST的值為0時代表操作變量FC22304未投用先進控制模式，當MFC22304.LOOPST的值為1時代表操作變量FC22304投用先進控制模式，MD22304代表從工藝角度理解APC系統(tǒng)每次允許改變FC22304.SP的最大值。MFC22304.DMCSTAT代表操作變量FC22304投用開關狀態(tài)，當其值為0時代表操作變量FC22304投用開關已投用。

具體程序功能如下，當操作變量FC22304處于未投用APC模式，此時中間點MF22304.PV的值等于FC22304.SP，而當操作變量FC22304處于APC模式并且操作變量FC22304.DMCSTAT投用開關已投用，此時如果中間點MF22304.PV與FC22304.SP的差值的絕對值小于等于最大允許差值MD22304.PV后，MF22304.PV會賦值給FC22304.SP，否則FC22304.SP將保持原來值不變。

具體編程代碼如下：

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 先進控制系統(tǒng)投用后的效果

改進后的新APC系統(tǒng)投運后，裝置操作更加的平穩(wěn)，工藝指標控制更加精確，同時還降低了操作工的勞動強度，降低了裝置能耗，折合經(jīng)濟效益每年可以為生產(chǎn)裝置節(jié)約400萬元。通過新增APC系統(tǒng)與DCS系統(tǒng)之間的防護程序，生產(chǎn)裝置自投用先進控制系統(tǒng)以來未因APC系統(tǒng)原因出現(xiàn)生產(chǎn)波動或者停車事故，提高了裝置的安全性，降低了裝置非計劃停車概率。

3 結束語

在DCS系統(tǒng)上新建防止APC系統(tǒng)向DCS系統(tǒng)寫異常值程序可以增強APC控制器運行的安全性，同時還可以提高DCS系統(tǒng)的安全性，既而提高了裝置的安全性，為裝置的長圓滿平穩(wěn)運轉(zhuǎn)保駕護航。同時在裝置出現(xiàn)聯(lián)鎖停車事故或者生產(chǎn)波動時，可以首先基本排除是APC系統(tǒng)的問題，提高問題排查的速度及效率。

[1] 金立華.APC技術在燕化HDPE裝置上的應用[J].石化技術,2002，9(2):99-104.

韓國LG化學完成麗水丙烯酸和SAP擴能項目

韓國LG化學位于韓國麗水的丙烯酸和高吸水樹脂(SAP)擴能項目已經(jīng)完成。

該項目中的丙烯酸裝置產(chǎn)能從430 kt/a擴至為510 kt/a，SAP產(chǎn)能從200 kt/a擴至360 kt/a。LG作為韓國唯一的丙烯酸生產(chǎn)商，現(xiàn)已成為全球第五大丙烯酸生產(chǎn)商，第四大SAP生產(chǎn)商。

(中國石化有機原料科技情報中心站供稿)

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。

徐進濤，男，1987年出生，2010年畢業(yè)于常州大學自動化專業(yè)，工學學士，助理工程師，主要從事于儀表管理工作，已發(fā)表論文1篇。

1674-1099 (2015)05-0055-03

TP202+.1

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