关于石化公司DCS自动控制方案的优化与实现

 

2017 年长庆石化公司完成 10 余套主要装置自控率提升改进，达到全公司装置自控率 95 %以上，为提升自控率，通过分析测试#终对 DCS 系统很多控制程序进行了修改，优化部分控制方案，取得很好的实际效果[1-4]。 

 

1 控制方案优化背景

长庆石化 DCS 全部采用 ABB 公司的 AC800F 控制系统[5]，在对 DCS 控制回路进行投自动调节中，存在几个主要问题造成投自动不稳或者无法投，使自控率无法提高，归纳总结为以下几条：

（1）在投自动过程中，有很多流量计仪表存在量程不够、低流量不显示、测量值波动大、出现过几次瞬间归零等情况；

（2）各装置采用的工艺包内有些控制方案或多或少不符合当前的工艺操作条件，需要完善或优化；

（3）部分装置 PID 参数范围过小，无法调节；

（4）测量仪表毛刺较大，影响到 PID 控制精度。

 

以上问题，除地衣种情况需要检查或者更换仪表外，其余问题需要修改各装置 DCS 软件组态程序，完成控制方案的变更和优化，实现之前不具备的自动控制功能，并新增加很多实用性的控制方案。

 

2 DCS 控制优化的解决方案

长庆石化公司以安全实用为原则，在尽可能保持原有控制方案的基础上进行修改和优化组态程序，实现以下功能：

（1）对原方案增加备选方案，如串级主控切换，控制方案多选；

（2）修正原有不合理控制方案，提供更有效控制策略；

（3）完善原有控制方案，消除潜在风险和安全隐患。

 

具体修改控制方案变更有三大类，一是串级主控回路切换控制，二是选择切换控制，三是 PID 控制块参数优化。这三大类控制方案里根据不同的工艺条件和现场仪表设备又有很多不同的控制类型。

 

2.1 串级和主回路切换控制功能描述 （适用于 ABBDCS）

串级和主控的区别在于谁来控制阀门。串级控制情况下，主回路输出值给副回路做设定值，副回路输出值给阀门；主控情况下，主回路输出值直接给阀门，副回路只做显示，不能投用自动（远程按钮仍可投用，但不影响控制）。串级控制情况下，投用自动要下面的步骤：

步骤一：确认主副回路全部为手动状态串级按钮为“本地”模式；

步骤二：副回路投用单自动；

步骤三：副回路串级按钮切成“外部”模式；

步骤四：主回路投用自动，串级完全投用，可以开始修改主回路设定值。

 

应急处理时，直接将副回路切成手动，修改阀位即可，下次投用串级前按以上一到四步骤来。增加串级主控切换功能后，在切换时投自动的过程有所变化。

 

2.1.1 直接串级主控切换（适用于 ABB DCS） 串级控制阀门和主回路直接控制阀门的切换（简称“串级主控切换”），直接串级主控切换，通过新增切换按钮实现（见图 1）。

 

以柴油加氢装置原料进料缓冲罐液位控制串级LICA10401-FIC20401 为例（见图 2），红圈内为串级主控切换按钮，点击按钮弹出窗口如右图所示，当前处于串级控制模式下，通过“串级按钮”来切换状态。

在串级模式下，可以按照串级投用顺序将副回路和主回路依次投用自动。将按钮切换到主控模式下，按钮和画面上的状态都有相应的变化，为便于区分，在画面中对显示的文字和颜色做了区别设置。

 

串级切换成主控可以在串级投用自动的情况下直接通过按钮切换，切换之后主回路 LICA10401 仍然处于自动状态下，其输出直接控制阀门，而阀门不会有任何波动。此时流量回路只做显示，因而强制手动。切换成主控模式时，副回路 FIC20401 的状态由“自动、外 部”状态变成了“手动、外部”状态 。此时副回路FIC20401 的输出跟随阀位变化（确保无扰动切换）。需要注意再次由主控模式切换为串级模式时，主回路状态仍是“自动、内部”，而副回路依然是“手动、外部”，需要操作人员将副回路投回自动状态“自动、外部”，在此过程中，阀门是不会有波动的。

 

在装置出现异常状况时，应急处置要先明确当前控制模式，串级模式下直接将副回路切成手动，修改阀位；主控模式下直接点开主回路修改阀位。程序里对控制回路切换增加了脉冲和延迟程序块，保证了切换瞬间阀位跟踪值保持，但是为确保不出现任何波动，建议在所有回路手动情况下切换控制模式，切换完毕后再按顺序投用自动。

 

2.1.2 新增 （复制） 主回路的串级主控切换 （适用于ABB DCS） 通过新增复制一个主回路和切换按钮实现串级主控切换，程序模块（见图 3）。

以汽油加氢装置 C9202 温度控制串级TIC6094-FIC6030 为例说明。红圈内为串级主控切换按钮和新增的回路 TIC6094B，点击按钮弹出窗口（见图 4），当前处于串级控制模式下。这种做法本质是 TIC6094 -FIC6030 串级和 TIC6094B 直接控阀两种控制方案之间进行切换，二选其一。在串级模式下，可以按照串级投用顺序将副回路和主回路依次投用自动，完全投用后 TIC6094B 处于锁定状态，不能投用自动。切换按钮弹出面板中 FIC6030 和 TIC6094B 表示选择哪个回路来控制阀门，选 FIC6030 表示串级模式。

将按钮切换到主控模式（ TIC6094B 控阀）下，可以在串级投用自动的情况下直接通过按钮切换，切换后 TIC6094-FIC6030 串级自行切为手动，而阀门不会有任何波动。此时串级主副回路只做显示，因而强制手动。切换成主控模式时，副回路 FIC6030 状态由“自动、外部”变成了“手动、内部”，主回路 TIC6094 的状态由“自动、内部”变成了“手动、外部”。主控模式下串级副回路 FIC6030 输出跟随 TIC6094B 输出变化，以保证再次切换时阀门不会波动（无扰动切换）（见图 5）。需要注意的是刚切换为主控模式时，TIC6094B 是手动状态，需要操作人员投用自动。再次由主控模式切换为串级模式时，TIC6094B 将被强制手动，串级主回路和副回路处于手动状态，需要操作人员重新按顺序投用串级。应急情况下处置要先明确当前控制模式，串级模式下直接将副回路 FIC6030 切成手动，修改阀位；主控模式下直接点开 TIC6094B 修改阀位。这种切换模式下，由于每一次切换后所有控制回路都处在手动状态下，相对来说更加保险，但是需要人多投用一次自动。当然，在所有回路都是手动的情况下切换控制模式更加安全。

 

2.2 新增功能性选择按钮

新增的功能性选择按钮主要是在原有选择控制方案基础上做无扰动切换或者增加可选控制方案。根据实际操作工况，分为 3 类：

 

2.2.1 一选多或多选一控制 这种控制方案在 DCS控制里比较常见，主要有从多个测量仪表选择一个作为单一控制回路的测量点参与控制、单一控制回路选择控制多个阀门/手操器（HART手操器）、多个控制回路选择控制同一个阀门/手操器、串级主回路多选一、串级副回路多选这几种控制形式。在优化过程中，对不同回路来回切换时可能造成的阀位波动或设定值跳变情况，新增了大量的无扰动切换和阀位跟踪设置，但是在装置正常投用阶段还是要求操作人员在所有控制回路和手操器手动状态下进行控制选择，并确认串级回路投用前主回路 PV、SV 的偏差大小，待具备条件再按照投自动顺序投用。并且出于安全考虑选中的控制回路或手操器可以手自动状态切换，未选中的回路或手操器（HART475手操器）强制手动、内部状态。

 

2.2.2 串级主副回路交叉互选 存在两个主回路和两个副回路互相切换的情况比较少见，目前仅重整装置有一例（见图 6）。

C102 顶回流罐液位串级和塔顶温度串级方案有两 种。方 案 一 是 TIC1033 -FIC1017 串 级 ，LIC1011 -FIC1016 串 级。方 案 二 是 TIC1033 -FIC1016 串 级 ，LIC1011-FIC1017 串级。FIC1036 由于下游装置未投用，目前锁定在手动状态，不参与自动控制。选择按钮做在流量回路 FIC1016 上，通过选择 FIC1016 的主回路来确定串级关 系。一 旦 选 定 LIC1011 做 回 路 与FIC1016 串级，那么 TIC1033 自动切换成和 FIC1017串级，反之亦然。由于流量回路有两个，二者没有明显的关联性，所以其测量值和阀位差距较大，每次选择按钮切换后，两个流量回路都会被重置为手动状态，以保证阀门不会波动。所以每次切换后都需要重新按顺序投用串级。

 

2.2.3 两套控制方案互选 两套控制方案只能投用一种，比如柴油加氢反应器液位控制方案的选择。以第二床层为例原方案是右侧 LICA10603-PIC10605 串级，新增左侧 LICA10603B-FIC10602 串级。这两个控制方式分别是通过排氢量和补氢量来调节床层液位，一旦左侧串级投用，右侧的串级会被锁定为手动，反之亦然（见图 7）。两套方案互选没有明确的选择按钮，由操作人员自己来决定使用哪套方案，然后投用自动或串级即可。

 

从反应器床层液位控制方案可以看出，除了两个方案需要选择外，还有串级主控切换按钮和阀位控制选择按钮。多个选择按钮都出现在这里，实现各自的功能。在使用时它们互相没有干扰，但是要注意，选定控制方案后再去调整相应方案下的按钮。如果选择左侧液位串己么控制反应器液位，那右侧阀位选择按钮需要切换到 FIC10608 控阀，保证排氢量恒定。同时左侧液位串级也可以切换成主控模式。

 

在这次方案优化中有个别选择控制方案因为原方案存在复杂高选和低选等功能块，无法实现切换过程中的无扰动切换。虽然有选择按钮存在但是需要大家在切换的时候对比要切换的 PID 控制的输出 OP 是否一致，如果不一致则人为手动修改要选择哪个 PID 控制器 OP 值，保持其 OP 值与当前 PID 控制器 OP 值一致，实现无扰动切换。

 

2.3 PID 控制模块参数优化

由于原先大多数装置未投用自动控制，PID（比例、积分、微分）模块内很多参数未进行调节和设置，这并不影响阀门手动调节，因此投自动必须要对 PID 模块参数进行更改，主要从三个方面进行。

 

2.3.1 PID 调节范围扩大 部分装置 PID 调节模块初始值范围过小，利用大修停工期间将所有控制回路比例、积分、微分调节范围调整到合理区间。

 

2.3.2 增加滤波延迟功能 在投自动过程中，由于工艺条件、操作波动和设备精度问题造成了很多装置出现测量值在一定范围内频繁跳动的情况，为了消除这些毛刺，保证操作平稳，投自动控制，对这些测量点增加滤波延迟功能，很好的解决了这个问题。

 

2.3.3 设定阀门高低限位 为确保装置关键部位的阀门既能够在自动环境下安全工作，又能在紧急情况时保护装置，为这些阀位输出在 PID 模块内增加了高低限位，这些阀位高低限位只在投自动情况下起作用，手动情况下阀位是不受限制的。除以上三个情况进行 PID 模块参数修改外，还根据工艺情况和阀门特性，一一对应的对各个阀位进行了投自动正反作用、风开风关形式核对，去除回路死区设定，修改仪表量程等，确保阀门投自动的安全，并且锁定不必要的状态按钮，降低工艺操作人员误动作几率。

3 优化后的控制效果

通过对组态程序更改和优化控制方案，控制回路PID 参数整定后效果很好，工艺控制操作平稳合理。在投自动过程中，从历史趋势上可以看出，优化后的控制回路投自动曲线基本上是一条直线，这说明控制效果明显改善，大大减少了操作工频繁操作，降低设备出故障的几率，相信全部装置开工运行正常后自控率将显著提升。 

 

4 结论

通过对 DCS 控制方案进行优化，自控率得到了显著提高，工艺操作更加平稳，提升了装置物料平衡、节能降耗、加工量等综合指标。此外装置运行更加安全高效，在平稳运行下设备寿命也将得到延长，从而保证装置长周期运行。