淺談提高DCS應用水平

童秋階

(中國成達工程有限公司,成都 610041)

0 引 言

最近,由于修訂《分散型控制系統工程設計規范》(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驗,感覺到近幾年來DCS生產技術,不論是硬件制作還是軟件開發均得到很大發展,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產品,在實際投運中都沒有發生較大的質量問題。

回顧十多年來DCS的應用情況,大多數工程項目對DCS的應用僅僅是代替常規儀表,沒有充分發揮DCS的作用。目前的DCS應用水平與工業生產要求、革新工藝、節能降耗、優化操作、提高經濟效益以及與自動化技術、DCS技術發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,使用經驗還不夠,該文的一些觀點可能還有待商榷。

1 影響提高DCS應用水平的因素

提高DCS應用水平除了取決于企業生產與管理需求、投入資金以外,還與設計單位、企業用戶、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。

1.1 工程設計環節的局限性

目前,大多數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,往往由于工藝系統專業對控制水平要求不高,再加上項目業主沒有提出更多的過程監控、生產管理要求,因而制訂的DCS控制方案也跳不出將DCS代替常規儀表模式。

造成這種局面的主要原因:工程項目設計人員(包括自控、工藝系統等專業)制訂DCS控制方案的時間較緊,精力有限,工藝系統專業一般沿用現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;自控專業則僅根據工藝專業提交條件考慮DCS控制方案或SIS配置方案,也很少從節能降耗、優化操作、提高產量、質量、加強生產管理等方面考慮采用新的控制策略與裝備問題;即使自控專業想采用某些新控制方案或系統的配置方案,或因技術的成熟性、投資費用、經濟效益等問題,使新建議得不到采納。

由于設計專業的分工、設計與企業用戶的分工,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。

1.2 最終用戶對DCS認識不足

DCS的最終用戶是工程項目的業主方,對于非工程總承包項目,業主方要參加制訂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,同時要能夠反映業主的要求。在工程建設初期,業主的主要精力往往放在工藝、設備方面,對于生產控制、企業管理則不是他們的著力點;另外,通常情況下,業主對于工藝生產是否需要采用新的控制策略,優化生產過程、建立企業管理系統等了解較少,因而業主較難提出較新、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,一些業主存在兩種心態:等待項目完成投產以后再考慮,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,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,業主也不采用。

1.3 廠商推廣新技術的力度不夠

當前國內外DCS制造廠商較多,DCS市場的競爭比較激烈。為了取得競爭優勢,很多廠家在DCS制造質量、技術開發方面做了很多工作,并取得了很大成效,推出不少新技術、新系統。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、先進控制軟件等,為設計人員、最終用戶提高DCS應用水平創造了有利條件。但從DCS使用現狀來看,這些新技術、新系統得到使用的卻不多。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、新系統是要增加報價的。如果具有新產品的廠商報價含有新產品費用,另外沒有新產品的廠商報價不含新產品費用,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、新系統推廣力度顯然受到影響。

1.4 提高用好DCS的認識

要提高DCS應用水平,既要提高設計人員與企業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專業要相互滲透;要加強對DCS新技術、新系統的學習、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,不但能改進生產操作,保障工藝設備長周期、連續地正常運行,減輕人們的勞動強度,保障人身安全,而且還將產生巨大經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為“需要”;原來缺資金的問題,也可以得到解決。

當然,DCS廠商要在總結經營策略的基礎上,加強對新技術、新系統、新裝備的宣傳推廣力度,多宣傳技術優勢,盡可能使更多的用戶了解、熟悉新產品,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、經濟合理的報價方案,用技術優勢爭取用戶。

2 提高DCS應用水平的途徑

所謂提高DCS應用水平,可以理解為,根據工藝過程控制、操作需要,以及企業信息管理要求,充分發揮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;構建企業信息管理系統或企業管控自動化系統。

2.1 采用先進過程控制系統

先進過程控制是為工廠改進生產操作、節能降耗、保障生產安全、提高產品產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主要有多變量預測控制系統、模糊控制系統、自適應控制系統等。在需要采用先進過程控制系統時,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。

另外,先進過程控制系統中同樣包含一些經典復雜控制系統,如前饋控制系統、純滯后補償控制系統、均勻控制系統、含計算單元的控制系統(如質量流量控制系統、精餾塔內回流控制系統、精餾塔進料熱焓控制系統)等,這些控制系統都有通用的數學模型或控制算式,采用時不需要重新建?；蛲茖в嬎愎?。數學模型中的對象靜態放大系數k,對象時間常數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采用上述控制系統后,在應用軟件組態時先用功能模塊把系統建立起來,在試車中測得k,t,τ,然后逐步完善、調整系統,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。

2.2 管理系統

生產裝置大型化以后,生產設備的維護和管理、生產狀態與調度管理就顯得特別重要,在DCS網絡上掛接智能設備管理系統(AMS)、生產管理系統(MES)是必要的,也是可行的。

2.2.1 智能設備管理系統

AMS的功能包括智能儀表設備組態、狀態監測及診斷、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。

該系統自動讀取所有HART智能設備中的有效數據,數據信號從DCS的I/O接口上采集。自動完成數據的存儲和管理,即使用標準化數據庫,對智能設備進行標準化組態。其診斷功能是對設定的重要數據可發出異常狀態報警信號,其預測維護管理功能是根據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 生產管理系統

MES也稱為制造執行系統,是工廠計劃層和工廠操作控制層之間的執行層,主要功能是負責生產管理和調度執行。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、生產調度等功能的生產管理系統。

MES是各種生產管理功能模塊的集合,主要功能有工序詳細調度、資源分配和狀態管理、生產單元分配、過程管理、人力資源管理、維護管理、質量管理、文擋控制、產品跟蹤和產品清單管理、性能分析和數據采集等。

目前國內還沒有成熟的MES軟件產品,當需要采用MES時,有業主與計算機軟件公司共同開發。

2.3 多功能過程控制系統

多功能過程控制系統 PCS(Process Control System)是將DCS,SIS,GDS三系統的現場儀表及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范的條件下集成和無縫鏈接在一起的控制系統。PCS可執行過程監控、生產安全聯鎖、氣體檢測等報警功能,實施生產與安全一體化控制。

PCS實現集成和無縫鏈接技術,避免DCS, SIS,GDS三系統之間通信連接、硬接線連接所造成的故障,提高了系統安全運行的可靠性,方便了操作,也節省設備投資。

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創造了有利條件。

2.4 建立企業綜合管控自動化系統

企業綜合管控自動化系統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、現代管理技術、制造技術結合起來,應用于企業產品的生命周期的各個階段,形成一個能適應生產環境不確定性和市場需求多變的全局優化的高質量、高效益、高柔性的智能生產控制、管理系統。

2.4.1 綜合管控自動化系統作用

a)實現生產裝置的控制、優化、調度一體化,對保證生產安全、提高產品質量、降低整體綜合能耗起重大作用。

b)實現對全廠主要設備運行狀況、備品情況、檢修要求等進行動態管理,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。

c)物料平衡與生產決策系統對生產管理人員進行決策分析提供有力的支持。

d)能對經營管理業務和生產過程信息進行有效集成,完全實現對生產、采購、銷售、人力資源、財務、庫存、質量和生產等全過程的管理控制。

CIMS通常由2個網絡(過程控制網和管理信息網)、1個數據平臺(實時數據庫和關系數據庫構成)、3個層次(生產操作控制層、生產運行管理層、生產經營管理層)、4個系統(生產過程控制系統、生產運行管理系統、生產經營管理系統以及綜合信息管理系統)構成。

建立CIMS工作將由工程項目業主、DCS工程設計方、信息管理系統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的總體監控方案、企業信息管理系統管理方案、DCS的投資概算、管理系統的投資估算等。

管理系統工程設計方應負責提供管理系統硬、軟件,包括計算機網絡、數據采集系統、服務器與工作站、外設以及全套管理程序。

3 DCS拓展性應用狀況

3.1 先進控制技術應用狀況

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、控制軟件開發公司等),著手在化工與石油化工等行業開發先進控制技術(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APC情況、國內石化行業應用APC概況,以說明應用APC的可行性、實用性和必要性,也表明APC在化工行業大有可為,并對石化行業應用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合開發出氨/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行。模糊控制系統投運后,對穩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APC應用技術

國內科研單位、院校研究、開發多種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APC概況

據有關資料介紹,截至2008年底的不完全統計,中石化已在20多家煉化企業的100多套重點生產裝置上實施APC,中石油在38套生產裝置上實施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、連續重整、芳烴抽提、延遲焦化、加氫裂化、氣體分餾、環丁砜抽提、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。

3.2 CIMS示范工程

自國家“863/CIMS”主題計劃實施以來,流程工業CIMS的研究與應用得到發展,在一些大型石化、化工聯合企業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是一個集經營決策、過程優化、先進控制、DCS的自動化集成系統,此系統包含:管理信息系統、生產調度系統、生產過程監控系統、生產優化系統、辦公自動化系統、輔助決策系統。

該廠CIMS實施策略:自上而下規劃,自下而上實施,以生產系統為主線,滾動開發。1999年9月前健全全廠計算機網絡系統和數據庫,完成合成氨、尿素裝置先進控制系統,完成合成氨在線流程模擬系統、大機組故障分析診斷系統等。2000年9月前改造企業計算機網絡系統,升級改造生產監控系統,完善管理信息系統等。

CIMS實施后在企業生產和經營管理中發揮了巨大作用,經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,在化工行業具有典型的示范作用。

3.2.2 烏魯木齊石化公司CIMS開發與應用

該公司的CIMS是一套完善的生產、管理,決策一體化系統,其開發工作分為兩個階段: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絡系統、物資管理系統及煉油廠、化肥廠、化纖廠計算機實時信息管理系統;第二階段完成熱電廠計算機網絡實時信息管理系統、經營銷售公司計算機網絡信息系統,包括公司CRM客戶關系管理系統。建立全公司層煉油、化肥、化纖聯合生產調度計劃優化系統,建立公司全模擬流程計算系統。在煉油廠、化肥廠、化纖廠幾個重要裝置實施先進控制系統等。

該公司CIMS的層次結構分為5層,即DCS控制層、過程監控層、生產調度層、管理信息層、決策支持層,以及2個支持系統(數據庫系統與計算機網絡系統)。

CIMS實施后,該公司不僅取得較好經濟效益,而且提高了企業技術創新和管理創新意識,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技術的開發與應用

該公司的計算機集成生產技術(CIPS)是一個集市場研究、企業決策與管理、生產計劃和調度、過程優化控制、安全操作生產等功能為一體的多層次、結構復雜的系統。此系統的體系結構分為經營決策級、管理級、調度級、優化級、基礎控制級5級。此系統由企業管理信息系統、生產自動化系統、過程安全保障系統、產品質量保證系統以及CIPS集成支撐系統構成

該系統投運后,達到生產裝置平穩操作、節能降耗、保證生產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2 041萬元的經濟效益。該系統已通過國家“863”主題專家組的項目驗收,在流程行業具有示范作用。

4 結束語

隨著國家流程工業建設、自動控制與DCS技術的快速發展,提高DCS應用水平是大勢所趨。

為實現此目標,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《分散型控制系統工程設計規定》(HG/ T20573-95)進行了修訂,現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,新規范增加許多新內容,如對DCS廠商作出許多新規定,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。新規范中的新增舉措,為提高DCS應用水平打下了基礎。

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