童秋階
(中國成達工程有限公司,成都 610041)
最近,由于修訂《分散型控制系統(tǒng)工程設計規(guī)范》(HG/T 20573—95)的需要,筆者查閱了國內外多家DCS制造廠商的技術資料,閱看了一些DCS最終用戶的使用實例介紹。結合自己多年的設計經(jīng)驗,感覺到近幾年來DCS生產(chǎn)技術,不論是硬件制作還是軟件開發(fā)均得到很大發(fā)展,真可謂DCS功能越來越強大,在過程控制應用上幾乎沒有什么解決不了的問題;DCS可靠性越來越高,硬件更加堅固耐用,軟件更加成熟安全,不管是哪種型號的DCS產(chǎn)品,在實際投運中都沒有發(fā)生較大的質量問題。
回顧十多年來DCS的應用情況,大多數(shù)工程項目對DCS的應用僅僅是代替常規(guī)儀表,沒有充分發(fā)揮DCS的作用。目前的DCS應用水平與工業(yè)生產(chǎn)要求、革新工藝、節(jié)能降耗、優(yōu)化操作、提高經(jīng)濟效益以及與自動化技術、DCS技術發(fā)展形勢是不太相適應的。同時,國內大專院校、科研單位、DCS制造廠家在不斷研究新的控制理論,不斷開發(fā)出新的控制技術與裝備,這些新成果期待廣大用戶去應用。在這種形勢下,不論是新建工程項目,還是企業(yè)改造項目,對設計人員和最終用戶來說,需要從“會用DCS”提高到“用好DCS”這一層面。
該文通過一些典型應用案例,就當前影響DCS應用水平的因素,談談對提高DCS應用水平的膚淺看法。由于對DCS技術認識還不足,使用經(jīng)驗還不夠,該文的一些觀點可能還有待商榷。
提高DCS應用水平除了取決于企業(yè)生產(chǎn)與管理需求、投入資金以外,還與設計單位、企業(yè)用戶、制造廠商三方面人員對提高DCS應用水平的認識有很大關系,當人們的認識還沒有達到一定的程度,要想提高DCS應用水平,將會遇到很多困難。
目前,大多數(shù)DCS是用在新建工程項目上。工程設計單位在制訂DCS控制方案時,往往由于工藝系統(tǒng)專業(yè)對控制水平要求不高,再加上項目業(yè)主沒有提出更多的過程監(jiān)控、生產(chǎn)管理要求,因而制訂的DCS控制方案也跳不出將DCS代替常規(guī)儀表模式。
造成這種局面的主要原因:工程項目設計人員(包括自控、工藝系統(tǒng)等專業(yè))制訂DCS控制方案的時間較緊,精力有限,工藝系統(tǒng)專業(yè)一般沿用現(xiàn)行的控制方案給自控提交條件,很少修改控制方案或采用新的控制方案;自控專業(yè)則僅根據(jù)工藝專業(yè)提交條件考慮DCS控制方案或SIS配置方案,也很少從節(jié)能降耗、優(yōu)化操作、提高產(chǎn)量、質量、加強生產(chǎn)管理等方面考慮采用新的控制策略與裝備問題;即使自控專業(yè)想采用某些新控制方案或系統(tǒng)的配置方案,或因技術的成熟性、投資費用、經(jīng)濟效益等問題,使新建議得不到采納。
由于設計專業(yè)的分工、設計與企業(yè)用戶的分工,以及人們的認識問題,對DCS應用在一定程度上形成局限性,從而影響了DCS應用水平的提高。
DCS的最終用戶是工程項目的業(yè)主方,對于非工程總承包項目,業(yè)主方要參加制訂DCS控制方案,負責DCS采購以及DCS安裝與投運工作。DCS配置方案,除了要滿足工藝操作需要外,同時要能夠反映業(yè)主的要求。在工程建設初期,業(yè)主的主要精力往往放在工藝、設備方面,對于生產(chǎn)控制、企業(yè)管理則不是他們的著力點;另外,通常情況下,業(yè)主對于工藝生產(chǎn)是否需要采用新的控制策略,優(yōu)化生產(chǎn)過程、建立企業(yè)管理系統(tǒng)等了解較少,因而業(yè)主較難提出較新、較高的DCS應用要求。
目前,對于DCS采用新配置、新控制策略、實施信息管理等問題,一些業(yè)主存在兩種心態(tài):等待項目完成投產(chǎn)以后再考慮,認為新建項目的技術力量、資金都不足,采用新技術風險大;懷疑新技術的經(jīng)濟效益,擔心花了錢不能取得好效果,搞錦上添花,結果得不償失。由于有這樣的心態(tài),盡管某些工藝流程基本具備采用國內外比較成熟的一些控制策略、裝備,業(yè)主也不采用。
當前國內外DCS制造廠商較多,DCS市場的競爭比較激烈。為了取得競爭優(yōu)勢,很多廠家在DCS制造質量、技術開發(fā)方面做了很多工作,并取得了很大成效,推出不少新技術、新系統(tǒng)。這些新成果包括DCS與SIS集成、無縫鏈接技術、智能設備管理系統(tǒng)、先進控制軟件等,為設計人員、最終用戶提高DCS應用水平創(chuàng)造了有利條件。但從DCS使用現(xiàn)狀來看,這些新技術、新系統(tǒng)得到使用的卻不多。其原因固然與上述的設計人員、最終用戶的需求與認識有關,也與廠商推廣新技術的力度不夠有關。
眾所周知,要采用DCS的新技術、新系統(tǒng)是要增加報價的。如果具有新產(chǎn)品的廠商報價含有新產(chǎn)品費用,另外沒有新產(chǎn)品的廠商報價不含新產(chǎn)品費用,則兩家報價不一樣(盡管報價平臺不一樣),報價多的廠商競爭力就要受影響。所以,在DCS投標過程中,一般情況下廠商按簡單的系統(tǒng)配置,最省錢的方案報價,以增加報價競爭力。在這樣激烈競爭情況下,廠商對新技術、新系統(tǒng)推廣力度顯然受到影響。
要提高DCS應用水平,既要提高設計人員與企業(yè)用戶的技術層面認識,也要提高思維觀念層面認識。
在技術層面上設計方首先要對工程項目的工藝生產(chǎn)過程熟悉了解,特別是對過程控制的要求做到心中有底,在充分研究、探討的基礎上提出成熟可靠、先進合理的控制方案。為此自控與工藝系統(tǒng)專業(yè)要相互滲透;要加強對DCS新技術、新系統(tǒng)的學習、交流、研討工作,逐步熟悉、掌握這些技術,達到設計能采用的程度。
對于項目業(yè)主來說,要在思維觀念層面上加強對提高DCS應用水平的重要性、必要性認識。要認識到提高DCS應用水平,不但能改進生產(chǎn)操作,保障工藝設備長周期、連續(xù)地正常運行,減輕人們的勞動強度,保障人身安全,而且還將產(chǎn)生巨大經(jīng)濟效益和良好的社會效益。
思維觀念提高了,原來認為“不需要”采用新技術觀念可以轉變?yōu)椤靶枰?原來缺資金的問題,也可以得到解決。
當然,DCS廠商要在總結經(jīng)營策略的基礎上,加強對新技術、新系統(tǒng)、新裝備的宣傳推廣力度,多宣傳技術優(yōu)勢,盡可能使更多的用戶了解、熟悉新產(chǎn)品,使用戶做到運用自如。要針對具體項目提出技術先進、配置合理、經(jīng)濟合理的報價方案,用技術優(yōu)勢爭取用戶。
所謂提高DCS應用水平,可以理解為,根據(jù)工藝過程控制、操作需要,以及企業(yè)信息管理要求,充分發(fā)揮DCS的功能,充分利用DCS的開放性、可擴展性、可集成性,實施先進過程策略;采用DCS新技術、新系統(tǒng);構建企業(yè)信息管理系統(tǒng)或企業(yè)管控自動化系統(tǒng)。
先進過程控制是為工廠改進生產(chǎn)操作、節(jié)能降耗、保障生產(chǎn)安全、提高產(chǎn)品產(chǎn)量與質量而實施的運行和技術策略。目前,成功采用的先進過程控制系統(tǒng)主要有多變量預測控制系統(tǒng)、模糊控制系統(tǒng)、自適應控制系統(tǒng)等。在需要采用先進過程控制系統(tǒng)時,一種實施途徑是從先進控制軟件專利所有者(如大專院校、科研部門、國外工程公司或軟件公司)那里購買成套技術;另一種實施途徑是設計部門、最終用戶與大專院校、科研部門、DCS廠家共同開發(fā)。
另外,先進過程控制系統(tǒng)中同樣包含一些經(jīng)典復雜控制系統(tǒng),如前饋控制系統(tǒng)、純滯后補償控制系統(tǒng)、均勻控制系統(tǒng)、含計算單元的控制系統(tǒng)(如質量流量控制系統(tǒng)、精餾塔內回流控制系統(tǒng)、精餾塔進料熱焓控制系統(tǒng))等,這些控制系統(tǒng)都有通用的數(shù)學模型或控制算式,采用時不需要重新建?;蛲茖в嬎愎?。數(shù)學模型中的對象靜態(tài)放大系數(shù)k,對象時間常數(shù)t,對象純滯后時間τ,可在試車中采用飛升曲線法(階升響應曲線法)測得。DCS采用上述控制系統(tǒng)后,在應用軟件組態(tài)時先用功能模塊把系統(tǒng)建立起來,在試車中測得k,t,τ,然后逐步完善、調整系統(tǒng),直至正常投運。
先進控制軟件可裝在DCS上位機中,也可直接下載到DCS中。
生產(chǎn)裝置大型化以后,生產(chǎn)設備的維護和管理、生產(chǎn)狀態(tài)與調度管理就顯得特別重要,在DCS網(wǎng)絡上掛接智能設備管理系統(tǒng)(AMS)、生產(chǎn)管理系統(tǒng)(MES)是必要的,也是可行的。
2.2.1 智能設備管理系統(tǒng)
AMS的功能包括智能儀表設備組態(tài)、狀態(tài)監(jiān)測及診斷、校驗管理和自動文檔記錄管理等。AMS在國內很多DCS廠商和計算機軟件公司都有成套技術出售。
該系統(tǒng)自動讀取所有HART智能設備中的有效數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)信號從DCS的I/O接口上采集。自動完成數(shù)據(jù)的存儲和管理,即使用標準化數(shù)據(jù)庫,對智能設備進行標準化組態(tài)。其診斷功能是對設定的重要數(shù)據(jù)可發(fā)出異常狀態(tài)報警信號,其預測維護管理功能是根據(jù)儀表運行時間和診斷信息,預測維護的時間、內容和計劃。
2.2.2 生產(chǎn)管理系統(tǒng)
MES也稱為制造執(zhí)行系統(tǒng),是工廠計劃層和工廠操作控制層之間的執(zhí)行層,主要功能是負責生產(chǎn)管理和調度執(zhí)行。MES是將物料、設備、人員、流程指令和設施在內的所有工廠資源集成為能實施諸如質量控制、文檔管理、生產(chǎn)調度等功能的生產(chǎn)管理系統(tǒng)。
MES是各種生產(chǎn)管理功能模塊的集合,主要功能有工序詳細調度、資源分配和狀態(tài)管理、生產(chǎn)單元分配、過程管理、人力資源管理、維護管理、質量管理、文擋控制、產(chǎn)品跟蹤和產(chǎn)品清單管理、性能分析和數(shù)據(jù)采集等。
目前國內還沒有成熟的MES軟件產(chǎn)品,當需要采用MES時,有業(yè)主與計算機軟件公司共同開發(fā)。
多功能過程控制系統(tǒng) PCS(Process Control System)是將DCS,SIS,GDS三系統(tǒng)的現(xiàn)場儀表及I/O卡件按需要各自獨立設置,將DCS的控制器、SIS的邏輯運算器、GDS的報警設備在滿足各自配置規(guī)范的條件下集成和無縫鏈接在一起的控制系統(tǒng)。PCS可執(zhí)行過程監(jiān)控、生產(chǎn)安全聯(lián)鎖、氣體檢測等報警功能,實施生產(chǎn)與安全一體化控制。
PCS實現(xiàn)集成和無縫鏈接技術,避免DCS, SIS,GDS三系統(tǒng)之間通信連接、硬接線連接所造成的故障,提高了系統(tǒng)安全運行的可靠性,方便了操作,也節(jié)省設備投資。
目前DCS市場上已有將DCS,SIS集成、無縫鏈接在一起的產(chǎn)品,GDS也有與DCS集成、無縫鏈接的結構特性,這些均為采用PCS創(chuàng)造了有利條件。
企業(yè)綜合管控自動化系統(tǒng)CIMS(綜合管控)由DCS過程控制技術、計算機信息管理技術等集成構建,它將信息技術、現(xiàn)代管理技術、制造技術結合起來,應用于企業(yè)產(chǎn)品的生命周期的各個階段,形成一個能適應生產(chǎn)環(huán)境不確定性和市場需求多變的全局優(yōu)化的高質量、高效益、高柔性的智能生產(chǎn)控制、管理系統(tǒng)。
2.4.1 綜合管控自動化系統(tǒng)作用
a)實現(xiàn)生產(chǎn)裝置的控制、優(yōu)化、調度一體化,對保證生產(chǎn)安全、提高產(chǎn)品質量、降低整體綜合能耗起重大作用。
b)實現(xiàn)對全廠主要設備運行狀況、備品情況、檢修要求等進行動態(tài)管理,為科學安排檢修計劃,延長大修周期,減少大修開支提供決策依據(jù)。
c)物料平衡與生產(chǎn)決策系統(tǒng)對生產(chǎn)管理人員進行決策分析提供有力的支持。
d)能對經(jīng)營管理業(yè)務和生產(chǎn)過程信息進行有效集成,完全實現(xiàn)對生產(chǎn)、采購、銷售、人力資源、財務、庫存、質量和生產(chǎn)等全過程的管理控制。
CIMS通常由2個網(wǎng)絡(過程控制網(wǎng)和管理信息網(wǎng))、1個數(shù)據(jù)平臺(實時數(shù)據(jù)庫和關系數(shù)據(jù)庫構成)、3個層次(生產(chǎn)操作控制層、生產(chǎn)運行管理層、生產(chǎn)經(jīng)營管理層)、4個系統(tǒng)(生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)、生產(chǎn)運行管理系統(tǒng)、生產(chǎn)經(jīng)營管理系統(tǒng)以及綜合信息管理系統(tǒng))構成。
建立CIMS工作將由工程項目業(yè)主、DCS工程設計方、信息管理系統(tǒng)工程設計方共同完成, DCS工程設計方除承擔DCS工程設計外,一般情況下要承擔CIMS的設計前期工作,如CIMS的總體設計,包括DCS的總體監(jiān)控方案、企業(yè)信息管理系統(tǒng)管理方案、DCS的投資概算、管理系統(tǒng)的投資估算等。
管理系統(tǒng)工程設計方應負責提供管理系統(tǒng)硬、軟件,包括計算機網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、服務器與工作站、外設以及全套管理程序。
從20世紀80年代開始,國內外過程控制研究部門(如國內有關院校、科研單位,國外大型工程公司、控制軟件開發(fā)公司等),著手在化工與石油化工等行業(yè)開發(fā)先進控制技術(APC)的工程應用,并取得了很多成效。近十年來國內石油化工行業(yè)在新工程項目以及技術改造項目上應用APC的實例很多,其應用業(yè)績在國內處于領先水平。該文摘選國外部分工程公司有關合成氨與尿素裝置APC專利技術名錄、國內科研部門與院校開發(fā)APC情況、國內石化行業(yè)應用APC概況,以說明應用APC的可行性、實用性和必要性,也表明APC在化工行業(yè)大有可為,并對石化行業(yè)應用APC的努力表示敬意。
3.1.1 APC在合成氨裝置上的應用
美國凱洛格/布朗·路特公司、丹麥托普索公司、美國大陸控制公司等均有合成氨裝置的APC專利(采用多變量預測控制策略),這些專利技術在世界上很多地方的合成氨裝置得到應用,取得良好的效果。
3.1.2 APC在尿素裝置上的應用
薤白對高脂血癥模型大鼠血脂水平的影響及機制研究…………………………………………………… 鞠 楷等(7):976
荷蘭斯塔米卡邦公司在尿素裝置開發(fā)的APC在國內外大型尿素裝置上得到較廣泛的應用,這套控制系統(tǒng)用于控制進入尿素合成塔的液氨與二氧化碳氣體的流量比值。該公司為了推廣這套專利技術,還與另外一家自動分析器制造廠聯(lián)合開發(fā)出氨/碳比值計。
3.1.3 模糊控制在尿素裝置上的應用
20世紀90年代,陜西渭河化肥廠從日本東洋工程公司引進一套大型尿素裝置,該裝置的尿素合成塔液面控制采用模糊控制技術。其技術特點是在DCS上掛接專用的模糊控制器,模糊控制功能由模糊控制器執(zhí)行。模糊控制系統(tǒng)投運后,對穩(wěn)定尿素合成塔液面起到有效的控制作用。
3.1.4 國內多部門研發(fā)APC應用技術
國內科研單位、院校研究、開發(fā)多種APC應用技術,這些技術在石化、石油、化工等裝置上得到應用,并取得良好效果。知名的科研單位與院校有清華大學、浙江大學、石油大學、中國科技大學、華東理工大學、上海交大、北京化工大學、中科院自動化所。在科研單位發(fā)布APC應用技術成果的基礎上,派生出一些軟件提供商與實施服務商,如浙大中控、清大華億及中石油蘭州自動化所等單位。
3.1.5 中石化和中石油行業(yè)APC概況
據(jù)有關資料介紹,截至2008年底的不完全統(tǒng)計,中石化已在20多家煉化企業(yè)的100多套重點生產(chǎn)裝置上實施APC,中石油在38套生產(chǎn)裝置上實施APC。實施APC的煉油裝置有常減壓、重油催化裂化、蠟油催化裂化、連續(xù)重整、芳烴抽提、延遲焦化、加氫裂化、氣體分餾、環(huán)丁砜抽提、油品調和等;實施APC的石化裝置有乙烯裂解、聚乙烯、聚丙烯、丙烯腈、輕烴分離、丁二烯、苯乙烯、二甲苯分離、對二甲苯、氯乙烯,以及甲醇、丁辛醇、合成氨、聚甲醛、有機硅、純堿等。
自國家“863/CIMS”主題計劃實施以來,流程工業(yè)CIMS的研究與應用得到發(fā)展,在一些大型石化、化工聯(lián)合企業(yè)的技術改造中有很多成功應用CIMS實例,有的已被國家批準為示范工程。近幾年來,在新建的石油、石化項目中也有CIMS應用實例,如中海油惠州煉油項目的CIMS,已于2009年投入運行。該文摘選國內幾家應用CIMS的示范工程供讀者參考,有關資料參見文后的參考文獻。
3.2.1 大慶石化公司化肥廠CIMS應用
該廠的CIMS是一個集經(jīng)營決策、過程優(yōu)化、先進控制、DCS的自動化集成系統(tǒng),此系統(tǒng)包含:管理信息系統(tǒng)、生產(chǎn)調度系統(tǒng)、生產(chǎn)過程監(jiān)控系統(tǒng)、生產(chǎn)優(yōu)化系統(tǒng)、辦公自動化系統(tǒng)、輔助決策系統(tǒng)。
該廠CIMS實施策略:自上而下規(guī)劃,自下而上實施,以生產(chǎn)系統(tǒng)為主線,滾動開發(fā)。1999年9月前健全全廠計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫,完成合成氨、尿素裝置先進控制系統(tǒng),完成合成氨在線流程模擬系統(tǒng)、大機組故障分析診斷系統(tǒng)等。2000年9月前改造企業(yè)計算機網(wǎng)絡系統(tǒng),升級改造生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng),完善管理信息系統(tǒng)等。
CIMS實施后在企業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)營管理中發(fā)揮了巨大作用,經(jīng)濟效益和社會效益顯著,按可量化效益分析,每年可為化肥廠增效1 133萬元(2002年統(tǒng)計)。該CIMS工程在2000年9月通過國家“863/CIMS”主題辦的評審驗收,評審專家認為其總體技術達到國內領先水平,在化工行業(yè)具有典型的示范作用。
3.2.2 烏魯木齊石化公司CIMS開發(fā)與應用
該公司的CIMS是一套完善的生產(chǎn)、管理,決策一體化系統(tǒng),其開發(fā)工作分為兩個階段:第一階段建立結構合理、性能可靠、維護方便的公司計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)、物資管理系統(tǒng)及煉油廠、化肥廠、化纖廠計算機實時信息管理系統(tǒng);第二階段完成熱電廠計算機網(wǎng)絡實時信息管理系統(tǒng)、經(jīng)營銷售公司計算機網(wǎng)絡信息系統(tǒng),包括公司CRM客戶關系管理系統(tǒng)。建立全公司層煉油、化肥、化纖聯(lián)合生產(chǎn)調度計劃優(yōu)化系統(tǒng),建立公司全模擬流程計算系統(tǒng)。在煉油廠、化肥廠、化纖廠幾個重要裝置實施先進控制系統(tǒng)等。
該公司CIMS的層次結構分為5層,即DCS控制層、過程監(jiān)控層、生產(chǎn)調度層、管理信息層、決策支持層,以及2個支持系統(tǒng)(數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)與計算機網(wǎng)絡系統(tǒng))。
CIMS實施后,該公司不僅取得較好經(jīng)濟效益,而且提高了企業(yè)技術創(chuàng)新和管理創(chuàng)新意識,提高了公司管理水平和決策水平。該CIMS工程在2001年2月通過國家“863/CIMS”應用示范認證。
3.2.3 滄州大化集團公司計算機集成生產(chǎn)技術的開發(fā)與應用
該公司的計算機集成生產(chǎn)技術(CIPS)是一個集市場研究、企業(yè)決策與管理、生產(chǎn)計劃和調度、過程優(yōu)化控制、安全操作生產(chǎn)等功能為一體的多層次、結構復雜的系統(tǒng)。此系統(tǒng)的體系結構分為經(jīng)營決策級、管理級、調度級、優(yōu)化級、基礎控制級5級。此系統(tǒng)由企業(yè)管理信息系統(tǒng)、生產(chǎn)自動化系統(tǒng)、過程安全保障系統(tǒng)、產(chǎn)品質量保證系統(tǒng)以及CIPS集成支撐系統(tǒng)構成
該系統(tǒng)投運后,達到生產(chǎn)裝置平穩(wěn)操作、節(jié)能降耗、保證生產(chǎn)裝置安全運行的目的。測試結果表明CIPS工程的實施每年取得2 041萬元的經(jīng)濟效益。該系統(tǒng)已通過國家“863”主題專家組的項目驗收,在流程行業(yè)具有示范作用。
隨著國家流程工業(yè)建設、自動控制與DCS技術的快速發(fā)展,提高DCS應用水平是大勢所趨。
為實現(xiàn)此目標,需要DCS工程設計單位、DCS最終用戶、DCS制造廠商等共同努力。
根據(jù)國家有關部門要求,全國化工自控中心站組織對《分散型控制系統(tǒng)工程設計規(guī)定》(HG/ T20573-95)進行了修訂,現(xiàn)已修訂完畢并報國家有關部門審批。為了適應提高DCS應用水平的需要,新規(guī)范增加許多新內容,如對DCS廠商作出許多新規(guī)定,對DCS工程設計人員推薦一些新應用途徑,對DCS最終用戶提出有關要求。新規(guī)范中的新增舉措,為提高DCS應用水平打下了基礎。
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