石油化工 | 国产智能控制系统在化工行业的应用实践

作者: 陈峰     消息来源: 工业安全产业联盟         消息类型: 行业新闻         发布日期:2020-08-21

摘要:本文主要通过国电智深控制系统在大化肥项目上的应用,阐述了控制系统在化工行业应用的特点及配置、相关软硬件关键技术,针对化工智能化需求,对控制系统升级改进后在智能监测、智能控制和高效运行等增强功能也做了简要介绍。

关键词:分散控制系统;域;智能;应用;冗余IO;设备管理


1 项目概况

国电赤峰3052煤制尿素项目主要利用国电内蒙古平庄煤业集团元宝山露天矿褐煤资源,采用鲁奇煤气化、宽温变换、低温甲醇洗、液氮洗、低压氨合成、二氧化碳气提法尿素工艺、大颗粒造粒等国内外先进技术,年产30万吨合成氨52万吨大颗粒尿素。

该项目也是智能制造装备发展专项项目,是国电智深公司控制系统在大型化工领域的首次应用。国电智深公司根据大型化工过程对智能控制系统的应用需求,在大规模控制系统可靠性技术、全流程多装置联合控制技术等方面开展研究,研发出适应化工应用需求的控制系统产品,实现示范性应用。控制范围涵盖了大化肥装置各主要工段,主要包括气化单元、净化单元、合成单元及尿素合成单元、动力单元,具体控制的化工装置有:加压气化、变化冷却、煤气水分离、酚回收、硫回收、低温甲醇洗、液氮洗、甲烷转化、氨合成、尿素合成、大颗粒尿素装置、动力锅炉、发电机系统、汽轮机系统等。

2 控制系统设计及实施

2.1 系统特点及配置

项目采用的是国电智深EDPF-NT+分散控制系统(DCS),该系统无实时数据服务器设计,可避免数据流量的集中点和系统级故障集中点;多系统为多域结构,系统网络节点最大规模为100个域,每域250个站;系统数据库规模可达百万点,输入输出点数超过30000点;采用域管理技术,分解系统处理规模,实现不同功能的接入和隔离,支持各独立装置的监控和全流程集中监控。

项目的控制系统按实际需求分为中央控制系统(以下称中控系统)和动力车间控制系统(以下称动力系统)两部分。中控系统设1套DCS,根据现场工艺车间共分为2个域,1号域是气化单元,2号域是净化、合成和尿素单元。其中1号域气化单元的煤锁和灰锁控制机柜和操作单元布置在气化楼,现场设防爆触摸控制屏,加压气化工段除煤锁和灰锁外的其它部分均在中央控制室监控。酚回收、净化合成、尿素等工艺单元布置在2号域,控制系统机柜布置在中央控制室电子设备间内。动力系统设1套DCS,根据锅炉、汽机、电气车间共分为8个域,其中4台锅炉、2台汽机、电气、公用系统各分配一个域,控制系统机柜布置在动力车间电子设备间内。系统配置如图1。



图1 3052大化肥项目DCS配置示意图

2.2 软硬件关键技术

2.2.1 通道级冗余I/O技术

化工控制系统硬件I/O冗余包括模件级冗余和通道级冗余。模件级冗余只能实现模件整体冗余切换,仅能解决备用卡件状态良好的情况下实现主卡出错时的冗余切换,并不能完成完全冗余容错。

本项目研究了基于通道级冗余的输入输出自检和故障报告技术、通道选通与输出冗余表决技术、故障模件隔离与在线更换等通道级I/O冗余的关键技术,解决了在冗余卡件上的HART通讯问题,支持可配置的开关量和模拟量的输入输出表决算法,实现了冗余输入输出卡件的通道级冗余,提高DCS输入输出卡件的冗余容错水平。使I/O模块的故障比例降低万分之一以下。

图2 冗余I/O原理图

本项目主要使用的冗余I/O卡件为开关量输出模件DO16D、HART冗余AI输入模件AI16HD和HART 冗余AO输出件AO8HD。

2.2.2 紧急停车保护技术

化工工艺系统多为易燃易爆,配备紧急停车保护系统在控制系统出现故障或触发保护动作的情况下可以自动或手动使设备或工艺过程紧急停车,且任一种停车方式都不能损坏设备或造成人员伤害。

本项目研发专用的控制I/O模件——3冗余TPM卡。3块TPM卡件独立运算,通过3取2的逻辑表决实现完全的3取2冗余结构。在模件级即可完成专项控制任务,达到快速和可靠的目的。

针对不同系统对保护信号分组和保护逻辑的不同要求,设计开发FPGA芯片数据结构,解决信号输入输出通道、投退开关,测点常开/常闭、延时系数、输出带电跳闸/失电跳闸等保护逻辑设置问题,可通过上位机对TPM卡进行逻辑设置组态。

同时为保证紧急停车故障判断顺序的准确度问题,紧急停车系统专门设计开发5ms数字滑动滤波的算法及以0.2ms为时基的SOE系统,保证了事件记录的高精度,采用512深度的FIFO实现SOE记录的存储,保证了事件的先后顺序的绝对准确。

2.2.3 G3标准防腐技术

化工生产工艺复杂,在生产现场存在着多种腐蚀性气体,如氯气、氯化氢、硫化物、氮氧化物等。生产过程具有高温、高压、易燃、易爆、易中毒、易泄漏、易腐蚀等许多安全风险。为了保证工业过程测量和控制装置在污染环境中长期的安全稳定运行,控制系统的所有电路板正反面喷涂保护涂料即三防漆形成保护膜,有效隔离并保护电路免遭化学品、潮湿和其它污物的侵蚀,提供其可靠性、保证其使用寿命;对接插件、连接件金属接触部分部分和线缆端裸露部分采用DJB-823固体薄膜保护剂做防护;对于大的、结构件机械加工完成后进行表面镀锌和喷塑、固定螺钉选用不锈钢材料;对于非标准的立柱、垫圈等采用PF-纳米钢铁防锈剂(软膜型)做防护。经权威机构认定,整体硬件防腐性达到G3标准。

2.2.4 工艺过程优化控制

大化肥项目的工艺流程较长,可分为几个相对独立的工段,上一工段的产品作为下一工段的原料,各工段紧密联系最终组成整个的生产工艺流程。各工段又根据在整个工艺流程上的位置组织为气化、净化、合成和尿素分场,另外还有为整个工艺系统提供蒸汽和动力的动力分场和提供氮气和氧气的空分分场。

为达到智能协同的目标,根据各工段的控制特点针对性的开发出不同的控制算法或制定相应的优化策略。

(1)先进控制

本项目研发的先进控制功能块主要包括扩张状态观测器(ESO)、非线性跟踪微分器(NLTD)、自抗扰控制器(ADRC)、预测控制器(MGPC),内模控制器(IMC),自校正PID等,其中MGPC为滑动多模带前馈的阶梯式广义预测控制器,非线性被控对象可拟合成16段线性数学模型,该功能块能通过组合能实现多变量输入输出控制,可应用在纯滞后、大迟延特性的工艺过程。

(2)适应超长流程的顺序控制

专用顺控主控级模块实现了双方向跳步控制、累积计数控制和循环控制等多种功能,使复杂控制过程流程清晰、控制动作准确、生产过程更加安全可靠。通过顺控主控级及设备级模块的级联模式,可实现主流程127步的顺序控制,同时,通过设计跳转条件,可实现各步之间的跳转、循环等处理模式。用户还可以组态不同故障情况下的顺控处理模式。

(3)多级串级复杂回路及超驰保护技术

采用了多级串级复杂回路控制,实现工艺的总体参数协调配置,提高了总体的自动化水平,解决了常规控制系统中大部分参数需要人工靠经验手动设置的问题和系统临近报警值时反应滞后的问题,提高了系统控制的精确性,降低了人工参与程度,提高了系统的总体稳定性。

以煤气化装置气化效率优化控制为例,通过稳定气化层位置、气化层厚度、气化层温度、物料上平衡(加煤平衡)、物料下平衡(排灰平衡)、热量平衡等方面优化控制策略实施,冷煤气效率达到74%左右,有效能耗率可达到77%,超过设计指标。

2.2.5 智能简报系统

化工生产过程工艺过程多,整个系统的数据量巨大,对于特定的工艺单元运行人员,屏蔽其他工艺单元数据,并将所需数据的来源、类型、报警级别及时、清晰、准确的进行声光显示,对于帮助运行员定位事故源和严重程度十分重要。

本项目设计开发基于数据库的特征字辨识技术及关键字过滤技术,将数据库中的所有数据进行重新整理,按照报警类型、优先级、关键字等设置,将数据的来源、类型、报警级等重要信息利用规定的特征字进行定义,并通过智能简报系统对各工艺单元及其子单元进行灵活筛选,同时利用声音和画面颜色对信息类型和级别加以区分,使整个简报系统更为直观、清晰。

对于关联到的报警信息还可进行比对分析及处理指导,为事件追溯和问题分析提供充分详细的资料。对于模拟量点能进行组合功能组态,从数据库中取到实时值、单位、高低报警值等具体信息,保证信息状态来源的正确性。

通过智能简报,能够从整体上对运行过程进行判断。使工程师和操作员对工艺过程加深理解,被控对象更加直观透明,能提高生产效率和减少操作失误。

2.2.6 现场总线设备管理及诊断软件技术

主要基于EDDL技术,并结合FDT/DTM技术,开发现场总线设备管理及诊断软件,使得用户可在相同的用户界面和方式管理多种现场总线智能仪表。针对化工项目中使用的HART、PROFIBUS标准的变送器、定位器、执行器等现场总线设备,为控制系统的现场总线接入卡件PB、AIH16D、AOH8D研发了相关驱动,上位机能通过接入卡件实现现场总线设备的接入、组态、运行、管理及诊断。

2.2.7 工控系统网络拓扑监控技术

图3 工控系统网络拓扑监控界面

针对各类工控网络节点采用模板化基线配置,涵盖CPU、内存、磁盘使用率、端口流量、关键进程、物理连接关系等关键信息,可灵活增减模板之外的监视项,即满足工控网管需求,又简化配置过程。工控网络结构拓扑技术,能够以不同设备为中心,多视角实时直观展现网络物理结构状态,帮助用户快速定位网络中断、错误连接、非法接入等网络异常。针对异常节点,可自动或手动切断交换机的端口连接,及时阻断故障扩散、保护业务网络。

3 智能化升级改进

通过赤峰化工项目,国电智深已经拥有一套完整的化工控制系统解决方案,近几年根据化工控制智能化需求,国电智深公司设计标准化的第三方应用调用接口,提升了系统开放性;增强智能监测、智能控制和高效运行功能,并实现了更便捷的跨广域网控制方式。

3.1 智能监测

智能监测功能依靠控制系统增强的底层引擎的计算能力实现工艺过程、运行参数的智能化监测、报警预警及诊断分析,协助运行人员全面解读生产数据信息,提高工艺过程的监控品质,提升对故障工况的预测、识别、定位、处理能力。

智能监测功能主要包括参数软测量、运行监测(转机监测、控制回路品质、执行机构品质、设备健康度、工质与能量平衡、高低压配电、三维联动等)、智能报警、设备故障诊断、控制系统诊断等。

3.2 智能控制

智能控制功能主要通过先进控制算法、系统辨识算法、机理平衡或补偿技术等有机结合,进一步解决具有大迟延、大惯性、非线性、强耦合复杂特性对象控制问题,提升工艺过程控制性能,实现自趋优控制。系统内嵌先进控制算法库,并可集成第三方按标准规范开发的定制化算法。

3.3 高效运行

主要基于数据挖掘的寻优操作指导,以主要能效参数、燃料、环境温度等为边界条件,选取工艺过程主要监视参数为判据参数,在判据参数稳态条件下,挖掘历史数据中当前工况的最优标杆值作为操作指导,根据操作指导建议,操作员可手动改变控制回路设定值和运行方式,使工艺过程能效逐步趋优。也可将其与底层控制回路关联,以智能控制算法保证最优设定值或运行方式的实现,形成生产过程“能效大闭环”控制,实现工艺过程的自趋优运行。

3.4 跨广域网控制 [1]

如图4所示,在DCS系统之外设置Web服务器,DCS通过通讯站(COM站)与Web服务器进行通讯,通讯链路中可根据实际要求加装不同等级的安全防护设备。


图4 跨广域网的网络结构示意图

该方案基于现代浏览器对HTML5标准的良好支持,结合Canvas绘图技术、WebSocket实时通讯技术、SharedWorker跨页面数据共享技术等,为DCS研发了Web扩展组件,使DCS具备了跨广域网监控能力。扩展组件可直接解析渲染EDPF-NT+监控界面文件,降低工程实施成本,实现了与原生界面一致的功能与用户体验。现已在多个工程项目中应用,取得预期效果。

4 结束语

化工控制系统智能化是一个持续的过程,只有通过不断的应用实践才能向自主智能的目标逐步靠近,在大数据人工智能的时代,提倡开放性、标准化,靠某个厂商独立推动已不可行,这就需要产业链上下游携手建立工业智能化应用生态圈,共同推进我国工业智能化进程。
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