浅谈提高DCS应用水平

童秋阶

(中国成达工程有限公司,成都 610041)

0 引 言

最近,由于修订《分散型控制系统工程设计规范》(HG/T 20573—95)的需要,笔者查阅了国内外多家DCS制造厂商的技术资料,阅看了一些DCS最终用户的使用实例介绍。结合自己多年的设计经验,感觉到近几年来DCS生产技术,不论是硬件制作还是软件开发均得到很大发展,真可谓DCS功能越来越强大,在过程控制应用上几乎没有什么解决不了的问题;DCS可靠性越来越高,硬件更加坚固耐用,软件更加成熟安全,不管是哪种型号的DCS产品,在实际投运中都没有发生较大的质量问题。

回顾十多年来DCS的应用情况,大多数工程项目对DCS的应用仅仅是代替常规仪表,没有充分发挥DCS的作用。目前的DCS应用水平与工业生产要求、革新工艺、节能降耗、优化操作、提高经济效益以及与自动化技术、DCS技术发展形势是不太相适应的。同时,国内大专院校、科研单位、DCS制造厂家在不断研究新的控制理论,不断开发出新的控制技术与装备,这些新成果期待广大用户去应用。在这种形势下,不论是新建工程项目,还是企业改造项目,对设计人员和最终用户来说,需要从“会用DCS”提高到“用好DCS”这一层面。

该文通过一些典型应用案例,就当前影响DCS应用水平的因素,谈谈对提高DCS应用水平的肤浅看法。由于对DCS技术认识还不足,使用经验还不够,该文的一些观点可能还有待商榷。

1 影响提高DCS应用水平的因素

提高DCS应用水平除了取决于企业生产与管理需求、投入资金以外,还与设计单位、企业用户、制造厂商三方面人员对提高DCS应用水平的认识有很大关系,当人们的认识还没有达到一定的程度,要想提高DCS应用水平,将会遇到很多困难。

1.1 工程设计环节的局限性

目前,大多数DCS是用在新建工程项目上。工程设计单位在制订DCS控制方案时,往往由于工艺系统专业对控制水平要求不高,再加上项目业主没有提出更多的过程监控、生产管理要求,因而制订的DCS控制方案也跳不出将DCS代替常规仪表模式。

造成这种局面的主要原因:工程项目设计人员(包括自控、工艺系统等专业)制订DCS控制方案的时间较紧,精力有限,工艺系统专业一般沿用现行的控制方案给自控提交条件,很少修改控制方案或采用新的控制方案;自控专业则仅根据工艺专业提交条件考虑DCS控制方案或SIS配置方案,也很少从节能降耗、优化操作、提高产量、质量、加强生产管理等方面考虑采用新的控制策略与装备问题;即使自控专业想采用某些新控制方案或系统的配置方案,或因技术的成熟性、投资费用、经济效益等问题,使新建议得不到采纳。

由于设计专业的分工、设计与企业用户的分工,以及人们的认识问题,对DCS应用在一定程度上形成局限性,从而影响了DCS应用水平的提高。

1.2 最终用户对DCS认识不足

DCS的最终用户是工程项目的业主方,对于非工程总承包项目,业主方要参加制订DCS控制方案,负责DCS采购以及DCS安装与投运工作。DCS配置方案,除了要满足工艺操作需要外,同时要能够反映业主的要求。在工程建设初期,业主的主要精力往往放在工艺、设备方面,对于生产控制、企业管理则不是他们的着力点;另外,通常情况下,业主对于工艺生产是否需要采用新的控制策略,优化生产过程、建立企业管理系统等了解较少,因而业主较难提出较新、较高的DCS应用要求。

目前,对于DCS采用新配置、新控制策略、实施信息管理等问题,一些业主存在两种心态:等待项目完成投产以后再考虑,认为新建项目的技术力量、资金都不足,采用新技术风险大;怀疑新技术的经济效益,担心花了钱不能取得好效果,搞锦上添花,结果得不偿失。由于有这样的心态,尽管某些工艺流程基本具备采用国内外比较成熟的一些控制策略、装备,业主也不采用。

1.3 厂商推广新技术的力度不够

当前国内外DCS制造厂商较多,DCS市场的竞争比较激烈。为了取得竞争优势,很多厂家在DCS制造质量、技术开发方面做了很多工作,并取得了很大成效,推出不少新技术、新系统。这些新成果包括DCS与SIS集成、无缝链接技术、智能设备管理系统、先进控制软件等,为设计人员、最终用户提高DCS应用水平创造了有利条件。但从DCS使用现状来看,这些新技术、新系统得到使用的却不多。其原因固然与上述的设计人员、最终用户的需求与认识有关,也与厂商推广新技术的力度不够有关。

众所周知,要采用DCS的新技术、新系统是要增加报价的。如果具有新产品的厂商报价含有新产品费用,另外没有新产品的厂商报价不含新产品费用,则两家报价不一样(尽管报价平台不一样),报价多的厂商竞争力就要受影响。所以,在DCS投标过程中,一般情况下厂商按简单的系统配置,最省钱的方案报价,以增加报价竞争力。在这样激烈竞争情况下,厂商对新技术、新系统推广力度显然受到影响。

1.4 提高用好DCS的认识

要提高DCS应用水平,既要提高设计人员与企业用户的技术层面认识,也要提高思维观念层面认识。

在技术层面上设计方首先要对工程项目的工艺生产过程熟悉了解,特别是对过程控制的要求做到心中有底,在充分研究、探讨的基础上提出成熟可靠、先进合理的控制方案。为此自控与工艺系统专业要相互渗透;要加强对DCS新技术、新系统的学习、交流、研讨工作,逐步熟悉、掌握这些技术,达到设计能采用的程度。

对于项目业主来说,要在思维观念层面上加强对提高DCS应用水平的重要性、必要性认识。要认识到提高DCS应用水平,不但能改进生产操作,保障工艺设备长周期、连续地正常运行,减轻人们的劳动强度,保障人身安全,而且还将产生巨大经济效益和良好的社会效益。

思维观念提高了,原来认为“不需要”采用新技术观念可以转变为“需要”;原来缺资金的问题,也可以得到解决。

当然,DCS厂商要在总结经营策略的基础上,加强对新技术、新系统、新装备的宣传推广力度,多宣传技术优势,尽可能使更多的用户了解、熟悉新产品,使用户做到运用自如。要针对具体项目提出技术先进、配置合理、经济合理的报价方案,用技术优势争取用户。

2 提高DCS应用水平的途径

所谓提高DCS应用水平,可以理解为,根据工艺过程控制、操作需要,以及企业信息管理要求,充分发挥DCS的功能,充分利用DCS的开放性、可扩展性、可集成性,实施先进过程策略;采用DCS新技术、新系统;构建企业信息管理系统或企业管控自动化系统。

2.1 采用先进过程控制系统

先进过程控制是为工厂改进生产操作、节能降耗、保障生产安全、提高产品产量与质量而实施的运行和技术策略。目前,成功采用的先进过程控制系统主要有多变量预测控制系统、模糊控制系统、自适应控制系统等。在需要采用先进过程控制系统时,一种实施途径是从先进控制软件专利所有者(如大专院校、科研部门、国外工程公司或软件公司)那里购买成套技术;另一种实施途径是设计部门、最终用户与大专院校、科研部门、DCS厂家共同开发。

另外,先进过程控制系统中同样包含一些经典复杂控制系统,如前馈控制系统、纯滞后补偿控制系统、均匀控制系统、含计算单元的控制系统(如质量流量控制系统、精馏塔内回流控制系统、精馏塔进料热焓控制系统)等,这些控制系统都有通用的数学模型或控制算式,采用时不需要重新建模或推导计算公式。数学模型中的对象静态放大系数k,对象时间常数t,对象纯滞后时间τ,可在试车中采用飞升曲线法(阶升响应曲线法)测得。DCS采用上述控制系统后,在应用软件组态时先用功能模块把系统建立起来,在试车中测得k,t,τ,然后逐步完善、调整系统,直至正常投运。

先进控制软件可装在DCS上位机中,也可直接下载到DCS中。

2.2 管理系统

生产装置大型化以后,生产设备的维护和管理、生产状态与调度管理就显得特别重要,在DCS网络上挂接智能设备管理系统(AMS)、生产管理系统(MES)是必要的,也是可行的。

2.2.1 智能设备管理系统

AMS的功能包括智能仪表设备组态、状态监测及诊断、校验管理和自动文档记录管理等。AMS在国内很多DCS厂商和计算机软件公司都有成套技术出售。

该系统自动读取所有HART智能设备中的有效数据,数据信号从DCS的I/O接口上采集。自动完成数据的存储和管理,即使用标准化数据库,对智能设备进行标准化组态。其诊断功能是对设定的重要数据可发出异常状态报警信号,其预测维护管理功能是根据仪表运行时间和诊断信息,预测维护的时间、内容和计划。

2.2.2 生产管理系统

MES也称为制造执行系统,是工厂计划层和工厂操作控制层之间的执行层,主要功能是负责生产管理和调度执行。MES是将物料、设备、人员、流程指令和设施在内的所有工厂资源集成为能实施诸如质量控制、文档管理、生产调度等功能的生产管理系统。

MES是各种生产管理功能模块的集合,主要功能有工序详细调度、资源分配和状态管理、生产单元分配、过程管理、人力资源管理、维护管理、质量管理、文挡控制、产品跟踪和产品清单管理、性能分析和数据采集等。

目前国内还没有成熟的MES软件产品,当需要采用MES时,有业主与计算机软件公司共同开发。

2.3 多功能过程控制系统

多功能过程控制系统 PCS(Process Control System)是将DCS,SIS,GDS三系统的现场仪表及I/O卡件按需要各自独立设置,将DCS的控制器、SIS的逻辑运算器、GDS的报警设备在满足各自配置规范的条件下集成和无缝链接在一起的控制系统。PCS可执行过程监控、生产安全联锁、气体检测等报警功能,实施生产与安全一体化控制。

PCS实现集成和无缝链接技术,避免DCS, SIS,GDS三系统之间通信连接、硬接线连接所造成的故障,提高了系统安全运行的可靠性,方便了操作,也节省设备投资。

目前DCS市场上已有将DCS,SIS集成、无缝链接在一起的产品,GDS也有与DCS集成、无缝链接的结构特性,这些均为采用PCS创造了有利条件。

2.4 建立企业综合管控自动化系统

企业综合管控自动化系统CIMS(综合管控)由DCS过程控制技术、计算机信息管理技术等集成构建,它将信息技术、现代管理技术、制造技术结合起来,应用于企业产品的生命周期的各个阶段,形成一个能适应生产环境不确定性和市场需求多变的全局优化的高质量、高效益、高柔性的智能生产控制、管理系统。

2.4.1 综合管控自动化系统作用

a)实现生产装置的控制、优化、调度一体化,对保证生产安全、提高产品质量、降低整体综合能耗起重大作用。

b)实现对全厂主要设备运行状况、备品情况、检修要求等进行动态管理,为科学安排检修计划,延长大修周期,减少大修开支提供决策依据。

c)物料平衡与生产决策系统对生产管理人员进行决策分析提供有力的支持。

d)能对经营管理业务和生产过程信息进行有效集成,完全实现对生产、采购、销售、人力资源、财务、库存、质量和生产等全过程的管理控制。

CIMS通常由2个网络(过程控制网和管理信息网)、1个数据平台(实时数据库和关系数据库构成)、3个层次(生产操作控制层、生产运行管理层、生产经营管理层)、4个系统(生产过程控制系统、生产运行管理系统、生产经营管理系统以及综合信息管理系统)构成。

建立CIMS工作将由工程项目业主、DCS工程设计方、信息管理系统工程设计方共同完成, DCS工程设计方除承担DCS工程设计外,一般情况下要承担CIMS的设计前期工作,如CIMS的总体设计,包括DCS的总体监控方案、企业信息管理系统管理方案、DCS的投资概算、管理系统的投资估算等。

管理系统工程设计方应负责提供管理系统硬、软件,包括计算机网络、数据采集系统、服务器与工作站、外设以及全套管理程序。

3 DCS拓展性应用状况

3.1 先进控制技术应用状况

从20世纪80年代开始,国内外过程控制研究部门(如国内有关院校、科研单位,国外大型工程公司、控制软件开发公司等),着手在化工与石油化工等行业开发先进控制技术(APC)的工程应用,并取得了很多成效。近十年来国内石油化工行业在新工程项目以及技术改造项目上应用APC的实例很多,其应用业绩在国内处于领先水平。该文摘选国外部分工程公司有关合成氨与尿素装置APC专利技术名录、国内科研部门与院校开发APC情况、国内石化行业应用APC概况,以说明应用APC的可行性、实用性和必要性,也表明APC在化工行业大有可为,并对石化行业应用APC的努力表示敬意。

3.1.1 APC在合成氨装置上的应用

美国凯洛格/布朗·路特公司、丹麦托普索公司、美国大陆控制公司等均有合成氨装置的APC专利(采用多变量预测控制策略),这些专利技术在世界上很多地方的合成氨装置得到应用,取得良好的效果。

3.1.2 APC在尿素装置上的应用

薤白对高脂血症模型大鼠血脂水平的影响及机制研究…………………………………………………… 鞠 楷等（7）：976

荷兰斯塔米卡邦公司在尿素装置开发的APC在国内外大型尿素装置上得到较广泛的应用,这套控制系统用于控制进入尿素合成塔的液氨与二氧化碳气体的流量比值。该公司为了推广这套专利技术,还与另外一家自动分析器制造厂联合开发出氨/碳比值计。

3.1.3 模糊控制在尿素装置上的应用

20世纪90年代,陕西渭河化肥厂从日本东洋工程公司引进一套大型尿素装置,该装置的尿素合成塔液面控制采用模糊控制技术。其技术特点是在DCS上挂接专用的模糊控制器,模糊控制功能由模糊控制器执行。模糊控制系统投运后,对稳定尿素合成塔液面起到有效的控制作用。

3.1.4 国内多部门研发APC应用技术

国内科研单位、院校研究、开发多种APC应用技术,这些技术在石化、石油、化工等装置上得到应用,并取得良好效果。知名的科研单位与院校有清华大学、浙江大学、石油大学、中国科技大学、华东理工大学、上海交大、北京化工大学、中科院自动化所。在科研单位发布APC应用技术成果的基础上,派生出一些软件提供商与实施服务商,如浙大中控、清大华亿及中石油兰州自动化所等单位。

3.1.5 中石化和中石油行业APC概况

据有关资料介绍,截至2008年底的不完全统计,中石化已在20多家炼化企业的100多套重点生产装置上实施APC,中石油在38套生产装置上实施APC。实施APC的炼油装置有常减压、重油催化裂化、蜡油催化裂化、连续重整、芳烃抽提、延迟焦化、加氢裂化、气体分馏、环丁砜抽提、油品调和等;实施APC的石化装置有乙烯裂解、聚乙烯、聚丙烯、丙烯腈、轻烃分离、丁二烯、苯乙烯、二甲苯分离、对二甲苯、氯乙烯,以及甲醇、丁辛醇、合成氨、聚甲醛、有机硅、纯碱等。

3.2 CIMS示范工程

自国家“863/CIMS”主题计划实施以来,流程工业CIMS的研究与应用得到发展,在一些大型石化、化工联合企业的技术改造中有很多成功应用CIMS实例,有的已被国家批准为示范工程。近几年来,在新建的石油、石化项目中也有CIMS应用实例,如中海油惠州炼油项目的CIMS,已于2009年投入运行。该文摘选国内几家应用CIMS的示范工程供读者参考,有关资料参见文后的参考文献。

3.2.1 大庆石化公司化肥厂CIMS应用

该厂的CIMS是一个集经营决策、过程优化、先进控制、DCS的自动化集成系统,此系统包含:管理信息系统、生产调度系统、生产过程监控系统、生产优化系统、办公自动化系统、辅助决策系统。

该厂CIMS实施策略:自上而下规划,自下而上实施,以生产系统为主线,滚动开发。1999年9月前健全全厂计算机网络系统和数据库,完成合成氨、尿素装置先进控制系统,完成合成氨在线流程模拟系统、大机组故障分析诊断系统等。2000年9月前改造企业计算机网络系统,升级改造生产监控系统,完善管理信息系统等。

CIMS实施后在企业生产和经营管理中发挥了巨大作用,经济效益和社会效益显著,按可量化效益分析,每年可为化肥厂增效1 133万元(2002年统计)。该CIMS工程在2000年9月通过国家“863/CIMS”主题办的评审验收,评审专家认为其总体技术达到国内领先水平,在化工行业具有典型的示范作用。

3.2.2 乌鲁木齐石化公司CIMS开发与应用

该公司的CIMS是一套完善的生产、管理,决策一体化系统,其开发工作分为两个阶段:第一阶段建立结构合理、性能可靠、维护方便的公司计算机网络系统、物资管理系统及炼油厂、化肥厂、化纤厂计算机实时信息管理系统;第二阶段完成热电厂计算机网络实时信息管理系统、经营销售公司计算机网络信息系统,包括公司CRM客户关系管理系统。建立全公司层炼油、化肥、化纤联合生产调度计划优化系统,建立公司全模拟流程计算系统。在炼油厂、化肥厂、化纤厂几个重要装置实施先进控制系统等。

该公司CIMS的层次结构分为5层,即DCS控制层、过程监控层、生产调度层、管理信息层、决策支持层,以及2个支持系统(数据库系统与计算机网络系统)。

CIMS实施后,该公司不仅取得较好经济效益,而且提高了企业技术创新和管理创新意识,提高了公司管理水平和决策水平。该CIMS工程在2001年2月通过国家“863/CIMS”应用示范认证。

3.2.3 沧州大化集团公司计算机集成生产技术的开发与应用

该公司的计算机集成生产技术(CIPS)是一个集市场研究、企业决策与管理、生产计划和调度、过程优化控制、安全操作生产等功能为一体的多层次、结构复杂的系统。此系统的体系结构分为经营决策级、管理级、调度级、优化级、基础控制级5级。此系统由企业管理信息系统、生产自动化系统、过程安全保障系统、产品质量保证系统以及CIPS集成支撑系统构成

该系统投运后,达到生产装置平稳操作、节能降耗、保证生产装置安全运行的目的。测试结果表明CIPS工程的实施每年取得2 041万元的经济效益。该系统已通过国家“863”主题专家组的项目验收,在流程行业具有示范作用。

4 结束语

随着国家流程工业建设、自动控制与DCS技术的快速发展,提高DCS应用水平是大势所趋。

为实现此目标,需要DCS工程设计单位、DCS最终用户、DCS制造厂商等共同努力。

根据国家有关部门要求,全国化工自控中心站组织对《分散型控制系统工程设计规定》(HG/ T20573-95)进行了修订,现已修订完毕并报国家有关部门审批。为了适应提高DCS应用水平的需要,新规范增加许多新内容,如对DCS厂商作出许多新规定,对DCS工程设计人员推荐一些新应用途径,对DCS最终用户提出有关要求。新规范中的新增举措,为提高DCS应用水平打下了基础。

[1] 刘世荣,俞金寿.过程控制的若干问题探讨[J].石油化工自动化,1999,(1):5-10.

[2] 潘立登.石油化工自动化系统工程设计——石油化工企业信息系统设计[M].北京:机械工业出版社,2006.

[3] 俞金寿,何衍庆,夏圈世.新型控制系统[M].北京:化学工业出版社,1990.

[4] 张志檩.先进过程控制技术漫谈[J].自动化博览,2009, (S1):40-44.

[5] 宋建梅.企业实施CIMS成功之路[J].计算机系统应用, 2004,(4):50-51.

[6] 任 忠,张 磊.流程型企业CIMS技术的开发与应用[J].石油化工自动化,2002,(3):36-39.

[7] 侍洪波,黄 道,宋 钢.沧州大化集团公司CIPS系统[J].自动化博览,2000,(S1):78-80.