主题：【原创】化工过程控制的实践 -- 润树

现代的化工过程，都配有数字化的自动控制系统，即DCS或PLC等，这些系统本身有自己的历史数据库。操作人员可以从屏幕上观察各变量的实时数值，也可对它们进行不同时段的趋势跟踪，来监视过程的生产和控制效果，并采取相应的调整措施。对于过程的操作人员来说，有这样一个系统就足够了。但是，从网络安全的角度考虑，这样的计算机网络（process control network， PCN）与工厂和公司的通用计算机网络（LAN）是互不相通的，工程师和管理人员一般不能从自己的办公室计算机进入这个系统，加之它的历史数据库容量有限，不能满足某些需要。这样，就出现了专门提供过程历史数据库，并具有图形显示，数据计算和分析功能的过程信息系统。这样的系统一般不在PCN上，而是通过防火墙进入PCN来获取数据并与LAN连接，这样使用者就可以从办公室计算机上安全进入了。它提供的历史数据，跨度可达数年，甚至更长。在这个领域起步早的是Oil Systems开发的PI（process information）目前在过程工业领域获得广泛应用，另外有Aspen Tech的IP/21，Honeywell的PHD等。

过程信息系统对不同部门的工作人员功用是不一样的。总的来说，它是为所有相关人员提供一个即使身在办公室也如同亲临生产现场的平台，使他们可以便利地了解过程的生产和控制现状以及历史状况，提高工作效率。现在比较大的过程工业公司，在生产设施遍布全球的同时，也设有全球性的技术中心。过程信息系统在这些公司充分利用全球性的技术资源方面，也起了十分重要的作用。

图８．１是用ＰＩ来监视某生产装置中两个萃取塔操作和控制的流程图，上面有实时的过程变量值显示，也有下面两个小的历史趋势跟踪图，点击可放大。点击有设备标号的按键，可连接到相应的流程图。另外，PI也提供与MS Excel相容数据接口，可将实时或历史数据直接下载到Excel进行分析和处理。

图8.1 一个PI的典型图形和历史趋势跟踪显示

具体到过程控制工程师来说，过程信息系统主要有两种功用。一是通过对过程控制的实时观察去改善控制系统，比如由于过程的变化而引起控制品质变差需进行控制器参数整定等，或者向现场操作人员提供改善操作条件的建议，比如改变控制器的设定点，调整流量比值系数等。二是在接到问题报告后，对历史数据进行分析，找出问题的根源，提出改进之道。这方面情况要复杂一些，下面我们就通过实例来加以说明。

有一个蒸馏塔Ｔ６４，其作用是将进料中的水和有机物分离，使塔底的水可以循环使用，而塔顶的有机物被送至焚化炉焚毁。在正常操作情况下，该塔是统过控制第五块塔板的温度来保证水和有机物的分离要求的。但该装置的生产人员报告说，经常会出现两种极端的现象，要么过多的水被蒸馏到塔顶随有机物进入焚化炉，影响到焚化炉的正常操作，要么过多的有机物留在了塔底的水里面，使其不能符合循环水的品质要求。从这个现象的描述，可以合理推断与控制系统有关。图８．２是用PI的历史趋势跟踪将有关变量在200天是时间范围类显示出来的结果。

图8.2 T64的200天历史趋势显示

其中的深蓝色变量（FI05578）就是塔顶有机物的流量。可以看到，它频繁地出现偏离正常状态很多的高峰值。从这个图我们很难分析其产生的原因，但是我们可以将其局部放大，如图８．３所示的两个多小时来看。

图8.2 T64的170分钟趋势显示

现在进一步说明一下其它各个变量。绿色（FI05524）是上一个塔的塔底流量，与从另一个设备来的物料（粉红色，FI005567）混合后作为Ｔ６４的进料。黄色（TI05580）是T64的再沸器蒸汽，浅蓝色（TI06815）是T64塔板5温度。从这里我们可以看到，这些变量在进入中间一段的较大变化之前是基本稳定的，唯一有大的变化的是粉红色变量，即塔的进口流量之一。经分析，我们可以这样来解释所有变量的变化：当塔的一个进料流量（粉红色）从其正常值（约35GPM）突然降到零时，再沸器蒸汽并没有马上随之降低，这就打破了热量平衡），因此多余热量将水蒸发到塔顶（深蓝线上升）。过了约30分钟后，塔板５温度开始上升，此时蒸汽流量被急剧降低，之后又迅速提高，引起其它变量发生振荡，在进料流量回到正常值后才稳定下来。

从蒸汽流量的变化特征我们还可以判断，蒸汽和塔板温度的控制回路并非处于设计的自动控制状态，否则其变化曲线应该是平滑的（排出信号采样周期太长的条件下）。经了解，这是由于进料流量变化太频繁（从图８.２的深蓝变量可以证实），使温度控制回路的控制效果不彰，操作工于是干脆将这个回路置于手动控制，这样就产生了我们看到的近乎开关控制（bang-bang control）的现象。在找到问题的根源后，我们设计了进料流量与再沸器蒸汽流量之间的前馈控制，也就是当进料流量变化后，系统适时地自动改变蒸汽流量来达到新的热量平衡，而不是像原来设计的那样完全依赖于有很长时间滞后的温度反馈控制，获得了良好的控制效果。

除了以上介绍的针对常规控制系统（DCS,PLC）的过程信息系统外，在模型预估控制等得到广泛应用以后，又出现了专门对此种控制系统进行远程监视的产品。比如Aspen Tech的Production Control Webview (PCW)就是针对其模型预估控制器DMCplus而开发的此类软件，可以通过因特网对控制器进行监视和参数调节。图8.4是它的一个显示图表。

图8.4 Aspen Tech PCW 图表显示