控制儀表在復(fù)雜控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

麻建波，薛 通，李隆昌，王軼夫

(1.中國核電工程有限公司鄭州分公司，河南 鄭州 450052；2.上海汽車集團(tuán)股份有限公司乘用車鄭州分公司，河南 鄭州 450000)

0 引言

控制儀表通常是指在控制系統(tǒng)中能自動控制被控變量的一類具有獨立運算功能的儀表。它將由變送器采集來的測量信號與給定值進(jìn)行比較后，對偏差信號按一定的控制規(guī)律進(jìn)行運算，并將運行結(jié)果以規(guī)定的信號輸出到執(zhí)行機構(gòu)，進(jìn)而實現(xiàn)某種控制功能。控制儀表具有高穩(wěn)定性、高控制精度、高安裝靈活度等優(yōu)點，在工業(yè)自動化行業(yè)中有較為廣泛的應(yīng)用。但控制儀表在復(fù)雜控制系統(tǒng)中的使用有較為明顯的局限性。如果使用不當(dāng)，往往會給設(shè)備后期的運行及維護(hù)造成諸多不便，導(dǎo)致設(shè)備高故障率、高運維成本的不良結(jié)果。

1 設(shè)備概況

“沸石轉(zhuǎn)輪濃縮+蓄熱焚燒爐(regenerative thermal oxidizer,RTO)裝置”是當(dāng)前較為流行的處理大風(fēng)量、低濃度揮發(fā)性有機物廢氣的廢氣處理設(shè)施。它主要利用疏水性沸石轉(zhuǎn)輪吸附并濃縮揮發(fā)性有機物氣體，再通過焚化爐的焚燒作用處理濃縮后的揮發(fā)性有機物。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 設(shè)備工作流程

該設(shè)備主要運行流程為：過濾→吸附→脫附→焚燒→排放。流程運行詳述如下。

①廢氣一次側(cè):主要涉及廢氣過濾+濃縮功能單元。廢氣由生產(chǎn)設(shè)備排入該環(huán)保設(shè)備的進(jìn)口混風(fēng)室，再被該設(shè)備的3臺轉(zhuǎn)輪濃縮吸附功能單元(控制相互獨立，可同時工作亦可單臺工作)抽取處理。抽取的廢氣先經(jīng)空氣過濾器吸附攔截固體顆粒物，之后在設(shè)備的吸附處理區(qū)由沸石轉(zhuǎn)輪對揮發(fā)性有機物進(jìn)行吸附收集。處理后的氣體最后送入同一個風(fēng)道內(nèi)排出。整個設(shè)備運行過程中需要保證入口混風(fēng)室的氣壓維持在一個特定的范圍內(nèi)，以確保當(dāng)設(shè)備狀態(tài)發(fā)生變化后車間內(nèi)生產(chǎn)設(shè)備不會出現(xiàn)憋壓現(xiàn)象。

②廢氣二次側(cè):包含廢氣RTO功能單元和脫附風(fēng)加熱功能單元。吸附了大量揮發(fā)性有機物的沸石轉(zhuǎn)輪在轉(zhuǎn)到脫附處理區(qū)后，被從脫附風(fēng)加熱功能單元送來的、已加熱到(200±20)℃的潔凈空氣脫附再生。脫附出的高濃度廢氣被送入RTO中進(jìn)行焚燒處理。焚燒后的氣體經(jīng)過余熱回收裝置后，直接排放到大氣。

1.2 系統(tǒng)的主要過程控制需求及實際實施方案

過程控制規(guī)劃如表1所示。由表1可知，該系統(tǒng)共包含有7項變量調(diào)節(jié)過程。其中6項均是由小型控制儀表來實現(xiàn)的。雖然控制類型僅有溫度調(diào)節(jié)和壓力調(diào)節(jié)2種，但由于所涉及的工藝要求及執(zhí)行設(shè)備不同，所使用的控制儀表也各不相同。整個過程控制系統(tǒng)有如下特點。

表1 過程控制規(guī)劃表

①所有控制需求中除RTO爐膛壓力控制因涉及設(shè)備安全而由系統(tǒng)主控柜可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)直接操縱外，其余各控制需求僅啟動/停止動作受系統(tǒng)主控柜PLC操縱，參數(shù)調(diào)節(jié)過程均由小型控制儀表獨立完成。各單元擁有獨立的傳感器及控制儀表，輸出信號直接作用于各執(zhí)行器?？刂苾x表與主控柜PLC無通信，故系統(tǒng)中控屏及車間中央控制室均無法直接監(jiān)視其輸入/輸出信號以及設(shè)定值，無法生成參數(shù)曲線圖，更無法遠(yuǎn)程修改設(shè)定值。

②系統(tǒng)對各關(guān)鍵運行參數(shù)的監(jiān)視由PLC直屬傳感器采集信號，安裝位置上部分傳感器與以上各控制儀表所配的傳感器有重復(fù)。另外，由于所有變頻器均為端子控制模式，故系統(tǒng)PLC無法對風(fēng)機的運行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控。

③3臺吸附風(fēng)機的頻率調(diào)節(jié)分別由3個同型號的控制儀表來實現(xiàn)，在儀表的操作面板上進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。3個單元的運行控制相互獨立，未設(shè)置聯(lián)動功能。車間內(nèi)生產(chǎn)設(shè)備產(chǎn)生的廢氣風(fēng)壓較為平穩(wěn)，監(jiān)控曲線呈水平線性狀態(tài)。而變頻調(diào)節(jié)模式下，該廢氣處理設(shè)備的實際運行結(jié)果是混風(fēng)室風(fēng)壓長期處于大幅的波動狀態(tài)。

④整套系統(tǒng)累計使用控制儀表種類多達(dá)6種，其中新風(fēng)加熱功能單元就使用了3種共5塊控制儀表。

2 系統(tǒng)優(yōu)缺點分析

單從設(shè)備工藝性能角度來看，該系統(tǒng)設(shè)計較為合理。除實現(xiàn)了基本工藝要求外，系統(tǒng)還設(shè)計有多重保護(hù)功能：設(shè)置轉(zhuǎn)輪前空氣過濾器對廢氣中固體顆粒物進(jìn)行過濾，以避免對沸石轉(zhuǎn)輪造成堵塞，并對過濾器的壓差狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視；設(shè)計混風(fēng)室風(fēng)壓控制功能，以避免設(shè)備運行狀態(tài)變化后造成車間內(nèi)生產(chǎn)設(shè)備憋壓；設(shè)計余熱回收裝置，以實現(xiàn)節(jié)能減排；設(shè)計新風(fēng)加熱爐排煙溫度調(diào)節(jié)功能，以避免爐內(nèi)溫度過高造成換熱器燒壞等。

但是功能完善的同時也增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度，使得設(shè)備對自動化控制水平要求較高。系統(tǒng)采用一套PLC作為主控制器，外加6種共10塊控制儀表作為外圍控制器，主控柜配有人機交互(human machine interface,HMI)操作面板。 PLC能監(jiān)控到的所有設(shè)備狀態(tài)信號均通過以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)上傳到車間中央控制系統(tǒng)。表面上看，該設(shè)備實現(xiàn)了整體的“自動化”，具備了“一鍵啟動/關(guān)機”、運行過程不需要人工干預(yù)功能，并在一定程度上實現(xiàn)了設(shè)備“集中監(jiān)控”，但在實際使用過程中還是出現(xiàn)了不少問題。結(jié)合該套設(shè)備的設(shè)計、建設(shè)過程總結(jié)出該設(shè)備的自動控制系統(tǒng)存在如下特點。

2.1 系統(tǒng)優(yōu)點

①設(shè)計周期相對較短。該設(shè)備電氣控制系統(tǒng)設(shè)計靈活，各單元可由相互獨立的團(tuán)隊完成，圖紙會簽環(huán)節(jié)工作量較小，較適合項目分包，從而縮短設(shè)計周期。事實上，該設(shè)備中脫附風(fēng)加熱爐和RTO燃燒器整套由第三方設(shè)備廠商提供。

②設(shè)備主控制程序簡單。該系統(tǒng)省去了大量的變量調(diào)節(jié)邏輯程序段，設(shè)備主系統(tǒng)程序編寫、調(diào)試人員的工作量相對較小。

③施工周期相對較短。該系統(tǒng)省去了部分外部控制電纜，可節(jié)省材料和人工成本，有利于縮短設(shè)備安裝周期。

④控制精度相對較高。設(shè)備正常運行時，多數(shù)單儀表控制環(huán)節(jié)的運行狀態(tài)較為平穩(wěn)。

2.2 系統(tǒng)缺點

①操作不便。由于設(shè)備工藝參數(shù)的設(shè)定無法遠(yuǎn)程操作，只能在儀表操作面板上進(jìn)行，需要修改參數(shù)時必須直接對各儀表進(jìn)行操作。而控制儀表操作按鈕較少、步驟繁瑣且可視化程度較低，在人員操作不熟練的情況下，實際操作時極易發(fā)生錯誤，造成人為設(shè)備異常[1]。

②維護(hù)不便。所使用的控制儀表種類繁多，操作方式各不相同，重新更換元器件后需對部分參數(shù)重新進(jìn)行設(shè)置。這就要求現(xiàn)場值班人員必須在掌握PLC應(yīng)用技術(shù)的前提下再掌握6種控制儀表的操作方法，對值班人員的崗位技能提出了近乎苛刻的要求[2]。

③使用不便。由于現(xiàn)場參與控制的主要設(shè)備參數(shù)(例如溫度、壓力等)都是直接傳送到現(xiàn)場控制儀表的，未上傳至系統(tǒng)主控柜PLC，所有由控制儀表輸出的控制信號未上傳至系統(tǒng)主控柜PLC，造成設(shè)備的中控系統(tǒng)無法對現(xiàn)場各功能單元的參數(shù)調(diào)節(jié)過程進(jìn)行有效的監(jiān)視，無法形成易于查找和分析的歷史記錄。這使得值班人員難以通過對數(shù)據(jù)的不間斷跟蹤與分析對比研究設(shè)備特性、發(fā)掘設(shè)備潛能以實現(xiàn)工藝優(yōu)化，更難以在設(shè)備發(fā)生異常時及時找到其問題點[3]。

④性價比不高。實際上，控制儀表采購價格并不低，有些甚至遠(yuǎn)高于功能相等的PLC功能模塊。由于系統(tǒng)要對各關(guān)鍵運行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)視而額外安裝了一批傳感器，增加了硬件成本。

⑤電氣線路故障率高。大量使用控制儀表造成的一個負(fù)面結(jié)果是控制系統(tǒng)的硬件線路變得更為復(fù)雜，增加了硬件線路發(fā)生故障的概率。而系統(tǒng)各功能單元的工藝關(guān)聯(lián)性較強，一個區(qū)域發(fā)生異常時往往會誘發(fā)其他區(qū)域的聯(lián)動，使得設(shè)備的局部區(qū)域發(fā)生故障時較難分析出問題點。這對設(shè)備的故障自動預(yù)警體系提出了更高的要求[3-4]。

⑥系統(tǒng)優(yōu)化不便。單臺控制儀表功能的單一化和固定化將系統(tǒng)的組織架構(gòu)及設(shè)備的運行邏輯限定在了一個較固定的范圍內(nèi)，想要實現(xiàn)設(shè)備運行邏輯修改、新功能增加、參數(shù)預(yù)警體系完善等調(diào)整時難度較大。在這方面，與以可編程邏輯控制器作為控制設(shè)備的控制系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)的劣勢明顯[4]。

3 系統(tǒng)改進(jìn)

首要，考慮簡化系統(tǒng)操作問題。實現(xiàn)各功能單元控制邏輯標(biāo)準(zhǔn)化、統(tǒng)一化是簡化系統(tǒng)操作的直接、有效方法。由于不同廠家、不同系列的控制儀表在硬件接線、操作邏輯等方面差異較大，整套系統(tǒng)的可操作性與控制儀表種類的數(shù)量成反比關(guān)系，故改進(jìn)系統(tǒng)的首要辦法是減少控制儀表的使用種類。目前，各主流品牌的PLC都已具備較為精確的PID調(diào)節(jié)功能，且通用性較強，在很多場合完全可以替代專用控制儀表，通過開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化的過程控制程序模塊來實現(xiàn)各功能單元參數(shù)控制邏輯的統(tǒng)一化。

要實現(xiàn)控制變量的遠(yuǎn)程監(jiān)控與工藝參數(shù)的遠(yuǎn)程設(shè)置，就要做到系統(tǒng)的集中控制[2]。除了各過程控制需求盡量由PLC進(jìn)行集中控制外，還要設(shè)置系統(tǒng)層面的通信功能，以應(yīng)對某些出于特殊考慮而必須使用專用控制的儀表的場合。對此，應(yīng)盡可能地實現(xiàn)系統(tǒng)CPU與現(xiàn)場控制儀表的實時通信。由于部分控制儀表不具備與可編程控制器的通信功能，或是只支持某一種通信協(xié)議，所以可能與系統(tǒng)CPU無法進(jìn)行通信或需要專用信號轉(zhuǎn)換器才能進(jìn)行通信。這對實現(xiàn)過程控制變量的遠(yuǎn)程監(jiān)控與工藝參數(shù)的遠(yuǎn)程設(shè)置增加了較大難度。所以在有特殊功能需求必須使用控制儀表時，還應(yīng)當(dāng)考慮控制儀表的遠(yuǎn)程通信功能[5-9]。

4 結(jié)論

控制系統(tǒng)的設(shè)計不能僅僅考慮實現(xiàn)設(shè)備的基本使用功能，還應(yīng)當(dāng)同時考慮設(shè)備的可維護(hù)性及操作的方便性，并留有一定的調(diào)整空間?？刂苾x表雖然有諸多優(yōu)點，但也存在功能過于單一、可視化程度低、不便于操作等缺點，不宜在同一個控制系統(tǒng)中使用過多種類的控制儀表?，F(xiàn)在工業(yè)控制系統(tǒng)都在追求較高的自動化/智能化水平，系統(tǒng)中任何一個功能單元的調(diào)控過程均不宜全部交由現(xiàn)場控制儀表來控制。尤其在涉及設(shè)備的關(guān)鍵運行參數(shù)或各個功能單元運行邏輯緊密性較高時，應(yīng)當(dāng)盡可能地由系統(tǒng)CPU集中控制，以便設(shè)備運行狀態(tài)的集中監(jiān)控和集中管理，實現(xiàn)設(shè)備的高水平自動化。