連續(xù)超馳控制在橫河DCS中的應(yīng)用

張 進(jìn) 程冠軍

(1. 橫河電機(jī)(中國)有限公司，西安 710075；2. 大慶煉化公司設(shè)計(jì)院，黑龍江 大慶 163411)

連續(xù)超馳控制在橫河DCS中的應(yīng)用

張 進(jìn)1程冠軍2

(1. 橫河電機(jī)(中國)有限公司，西安 710075；2. 大慶煉化公司設(shè)計(jì)院，黑龍江 大慶 163411)

通過工程實(shí)例介紹了連續(xù)超馳控制在橫河CENTUM VP DCS中的應(yīng)用和組態(tài)實(shí)現(xiàn)方法，超馳控制回路接到事故報(bào)警、偏差越限及故障等信號后，根據(jù)事故發(fā)生的原因執(zhí)行選擇控制、優(yōu)先增減及禁止增減等邏輯功能將系統(tǒng)切換至安全控制狀態(tài)，并發(fā)出報(bào)警信號，該過程相較傳統(tǒng)的控制方式更高效、平穩(wěn)。

連續(xù)超馳控制 CENTUM VP DCS 控制器 回路組態(tài)

隨著自動化技術(shù)的不斷發(fā)展，在煉油、化工、電力、鋼鐵、冶金、造紙及紡織等工藝過程控制中，人為干預(yù)少、運(yùn)行平穩(wěn)且安全可靠的自動控制方案深受歡迎。越來越多的生產(chǎn)裝置要求控制系統(tǒng)既能在正常工作狀況下發(fā)揮作用，又能在非正常工作狀況下起到自動調(diào)整作用，使生產(chǎn)過程盡快恢復(fù)到正常工作狀況[1]。這種能處理非正常工作狀況的控制方案屬于安全保護(hù)措施。安全保護(hù)措施有硬保護(hù)措施和軟保護(hù)措施兩大類。

硬保護(hù)措施也稱聯(lián)鎖保護(hù)控制系統(tǒng)，當(dāng)生產(chǎn)工藝狀況超出一定范圍時(shí)，聯(lián)鎖保護(hù)控制系統(tǒng)采取一系列措施，比如報(bào)警、聯(lián)鎖強(qiáng)制動作(急停、切斷)等，使生產(chǎn)過程退守到安全狀態(tài)。硬保護(hù)措施會使運(yùn)行中的工藝或設(shè)備停止，造成經(jīng)濟(jì)損失。因此，人們在實(shí)踐中探索出更多既安全又經(jīng)濟(jì)的軟保護(hù)措施以減少停車造成的損失。軟保護(hù)措施是當(dāng)生產(chǎn)工藝狀況超出一定控制范圍時(shí)，控制系統(tǒng)不采取聯(lián)鎖保護(hù)，而是自動切換到另一種新的控制模式，該控制模式根據(jù)事故發(fā)生的原因立即執(zhí)行預(yù)先設(shè)定的安全措施，對生產(chǎn)過程進(jìn)行控制，當(dāng)工作狀況恢復(fù)正常時(shí)，又自動切換到原來的控制方式中。由于要對工作狀況是否正常進(jìn)行判斷，且在兩個(gè)控制系統(tǒng)中選擇，上述控制模式稱為選擇性控制系統(tǒng)，也稱為取代控制或超馳控制。

隨著技術(shù)的發(fā)展，超馳控制的運(yùn)用越來越成熟，顯著的優(yōu)點(diǎn)使它成為當(dāng)前自動控制技術(shù)中不可缺少的組成部分，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。筆者將通過工程實(shí)例介紹連續(xù)超馳控制在橫河CENTUM VP DCS中的應(yīng)用。

1 超馳控制

常規(guī)控制回路缺少識別系統(tǒng)自身品質(zhì)的能力，因此只要有偏差信號，控制器就會有相應(yīng)的控制運(yùn)算和輸出，而不管系統(tǒng)內(nèi)部或外部是否異常，有時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)控制背離給定值的現(xiàn)象，并因此造成事故[2]。超馳控制則能有效避免以上問題，隨時(shí)檢測控制回路中信號的品質(zhì)、輸入輸出偏差限值等，當(dāng)控制儀表本身出現(xiàn)問題時(shí)，超馳控制將使控制回路由自動轉(zhuǎn)為手動；若自動控制儀表一切正常，主、輔設(shè)備或自動控制系統(tǒng)之間的運(yùn)行狀態(tài)出現(xiàn)異常，超馳控制將根據(jù)邏輯判定來決定控制策略或運(yùn)行方向，使生產(chǎn)過程轉(zhuǎn)入安全通道，脫離危險(xiǎn)工況[3]。

超馳控制分為開關(guān)型和連續(xù)型兩類，開關(guān)型超馳控制系統(tǒng)一般是在主路控制器與調(diào)節(jié)閥門間設(shè)置一個(gè)電磁閥門，此電磁閥門由輔路超馳信號控制。當(dāng)超馳信號送過來時(shí)，電磁閥門斷開，由于主路調(diào)節(jié)閥門失氣或失電，調(diào)節(jié)閥門自動向預(yù)先設(shè)定的FC或FO動作。也就是說，當(dāng)超馳信號出現(xiàn)時(shí)，調(diào)節(jié)閥門的最終動作只能是全開或全關(guān)，而不會動態(tài)地進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2 連續(xù)型超馳控制

連續(xù)型超馳控制是將開關(guān)型超馳控制系統(tǒng)中的電磁閥門換成一個(gè)選擇性控制器，該控制器通過比較主路控制信號和超馳控制信號選擇安全有效的輸出。連續(xù)型超馳控制與開關(guān)型超馳控制比較節(jié)省一個(gè)電磁閥，與常規(guī)控制比較則節(jié)省一個(gè)調(diào)節(jié)閥，而且能夠達(dá)到更優(yōu)的控制效果，既經(jīng)濟(jì)又安全高效。

在連續(xù)型超馳控制系統(tǒng)中，一般設(shè)置兩臺連續(xù)型控制器(簡稱控制器A和控制器B)，通過一臺高(低)選擇器輸出往控制閥，控制器A在正常工況下工作，控制器B在非正常工況下工作。當(dāng)發(fā)生高(低)位超馳時(shí)(危險(xiǎn)工況被觸發(fā)時(shí))，選擇器選擇控制器B取代控制器A去調(diào)節(jié)控制閥輸出，同時(shí)A的輸出要跟蹤調(diào)節(jié)閥的輸出。當(dāng)超馳消失時(shí)選擇器選擇控制器A取代控制器B調(diào)節(jié)控制閥輸出，此時(shí)B的輸出要跟蹤調(diào)節(jié)閥的輸出。需要強(qiáng)調(diào)的是，不管哪個(gè)控制器控制輸出，它都處于動態(tài)調(diào)節(jié)狀態(tài)。

3 模擬量比較變送器在超馳控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

圖1、2分別是超馳控制回路和清單，大量應(yīng)用于延長DCC項(xiàng)目中，通過低(高)液位超馳控制，能夠使控制更加安全平穩(wěn)，同時(shí)減少一套輸出設(shè)備。

圖1 超馳控制回路

圖2 超馳控制回路清單

未被選中的控制器輸出隨時(shí)跟蹤被選中的控制器輸出。兩個(gè)控制器均在自動狀態(tài)下，應(yīng)設(shè)置為外部反饋類型，選擇器的輸出反饋到兩個(gè)PID控制器。

連續(xù)超馳選擇性控制回路上包含一個(gè)模擬信號選擇器。高選器輸出信號 OP是一路輸入信號IP1和另一路輸入信號IP2中數(shù)值較大的一個(gè)(例如：IP1=50，IP2=40；則OPmax=IP1=50，同時(shí)強(qiáng)制IP2=50)，控制器的輸出繼續(xù)下一個(gè)周期的比較。低選器輸出信號 Y是一路輸入信號IP1和另一路輸入信號IP2中選出數(shù)值較小的一個(gè)(例如：IP1=50，IP2=40；則OPmin=IP2=40，同時(shí)強(qiáng)制IP1=40)，控制器的輸出繼續(xù)下一個(gè)周期的比較。

連續(xù)型超馳控制系統(tǒng)框圖如圖3所示。增加開環(huán)零點(diǎn)，改善控制品質(zhì)，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。選擇器位于幾個(gè)檢測變送環(huán)節(jié)與控制器之間并利用選擇器實(shí)現(xiàn)非線性控制。

圖3 連續(xù)型超馳控制系統(tǒng)框圖

4 應(yīng)用與DCS實(shí)施

橫河DCS中的低液位超馳控制回路如圖4所示，選擇器(低選)位于兩個(gè)控制器和執(zhí)行器(調(diào)節(jié)閥)之間，正常工況下流量控制900FIC44009(簡稱A)和液位控制900LIC44008(簡稱B)都在自動(AUT)模式，根據(jù)偏差自動調(diào)整輸出，每個(gè)掃描周期，A與B輸出進(jìn)行比較，通過低選選擇器輸出較低的值給執(zhí)行器(調(diào)節(jié)閥)，同時(shí)將輸出值反饋給非低值的控制器，使得輸出一致，實(shí)現(xiàn)低選到另一個(gè)控制器時(shí)調(diào)節(jié)閥流量的控制。若發(fā)生液位低于液位設(shè)定值(此時(shí)為低液位超馳)的工況時(shí)，輸出鎖定在此最小開度，保證生產(chǎn)安全，若液位恢復(fù)后，繼續(xù)在流量與液位中比較來控制閥門開度。

圖4 橫河DCS中的低液位超馳控制回路

圖4中運(yùn)算塊(CALCU)的作用是通過程序輔助超馳回路實(shí)現(xiàn)把低選后的輸出，通過外反饋給高輸出，強(qiáng)制使高輸出跟蹤低輸出，具體程序如下：

!首先為了簡化使用ALIAS指代功能，分3種情況完成外部反饋：

ALIAS TW1 900LIC44008.TSW

ALIAS TW2 900FIC44009.TSW

ALIAS MV1 900LIC44008.MV

ALIAS MV2 900FIC44009.MV

!若控制器A與B輸出一致，保持當(dāng)前狀態(tài)：

IF(MV1==MV2)THEN

TW1=0

TW2=0

END IF

！若控制器A輸出大于B輸出，選擇B輸出，同時(shí)強(qiáng)制A輸出等于B輸出：

IF(MV1gt;MV2)THEN

TW1=1

TW2=0

END IF

！若控制器A輸出小于B輸出，選擇A輸出，同時(shí)強(qiáng)制B輸出等于A輸出：

IF(MV1lt;MV2)THEN

TW1=0

TW2=1

END IF

END

掃描順序會影響到程序執(zhí)行的結(jié)果，調(diào)試后的基本表塊掃描順序如圖5所示。圖6為該超馳控制在工藝流程圖中的操作監(jiān)控畫面。

圖5 DCS中的掃描順序

圖6 超馳控制在工藝流程圖中的操作監(jiān)控畫面

當(dāng)超馳發(fā)生時(shí)，超馳信號會低于主回路控制信號，選擇器就選擇超馳信號。連續(xù)型控制系統(tǒng)的超馳信號可動態(tài)調(diào)節(jié)閥門，在超馳過程中，選擇器始終在比較兩個(gè)輸出信號的數(shù)值，選擇低值輸出。有一臺控制器處于開環(huán)狀態(tài)。若這臺控制器具有積分作用，則會產(chǎn)生積分飽和。防止積分飽和的方法有限幅法、外反饋法和積分切除法，常采用外反饋法。當(dāng)控制器A處于工作狀態(tài)時(shí)，選擇器輸出的信號既反饋到控制器A，又反饋到控制器B作為控制器B的輸出值，使得A、B輸出一致。

5 結(jié)束語

現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，自動控制一方面能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的工藝過程控制，提高經(jīng)濟(jì)效益，減輕人員勞動強(qiáng)度，另一方面其可靠性有待提高，特別是工藝過程發(fā)生大的擾動時(shí)，自動控制可能放大擾動，出現(xiàn)不可預(yù)見的結(jié)果。超馳控制由監(jiān)測狀態(tài)、邏輯判定及選擇超馳等功能構(gòu)成，可自動決定控制回路的工作方式，使自動控制系統(tǒng)運(yùn)行更加可靠，是目前國外比較流行的控制方法。筆者所述超馳控制系統(tǒng)在現(xiàn)場已經(jīng)投運(yùn)兩年多，生產(chǎn)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

[1] 楊慶柏.超馳控制及其應(yīng)用前景[J].自動化與儀表，2000，15(6)：28.

[2] 姚金環(huán)，王立地.現(xiàn)代自動調(diào)節(jié)不可缺少的超馳控制[R].杭州：中國電機(jī)工程學(xué)會，1997.

[3] 姚金環(huán).分散控制系統(tǒng)中的超馳控制[J].華東電力，2000，28 (3)：53～54.

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1000-3932(2016)05-0550-04

2016-03-30(修改稿)