霍尼韦尔TPS系统中控制方案的组态

作者：洛阳石油化工工程公司广州分公司（广州中元石化工程公司）仪电室林步佳
供稿：霍尼韦尔（中国）有限公司
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发布时间：2009-12-10

　1．前言
　　石油化工行业是国民经济的支柱产业，随着石油加工技术的飞速发展，千万吨级的炼油企业如雨后春笋般崛起。生产规模的迅速扩张对企业的自动控制水平和方式提出了更高的要求，集散控制系统(DCS)作为生产过程自动化的核心控制部分也得到了广泛的应用。

　　TPS(Total Plant Solution)系统是Honeywell公司开发的全厂一体化的过程控制系统，它集先进过程控制﹑优化﹑全厂历史数据和信息管理功能于一体，使这些功能成为自动化系统的有机组成部分，从而形成了功能强大﹑配置灵活﹑结构开放的自动控制系统。TPS系统被广泛应用在石油化工行业的关键装置中，如催化裂化、连续重整、石脑油裂解等，取得了良好的成效。

　　2．控制方案组态
　　控制方案组态的过程实际上就是把控制方案转变成控制系统能够识别和执行的命令的过程。对于如单回路控制、串级控制、选择控制、比值控制、分程控制等单一、常规的控制方案，TPS系统提供了现成的控制策略，我们要做的工作是根据控制方案的需要选择正确的数据点类型，通过填表的方式把数据点内的参数进行连接，并最终实现过程监控的目的。

　　有些控制方案由两种或两种以上的控制算法组成，无法直接利用系统提供的控制策略，实现起来相对比较复杂，我们可以利用TPS系统的控制策略和数据点进行组合，用类似“搭积木”的方法构建我们需要的控制策略。

　　而针对特定工艺或操作方式而设计的复杂控制方案，TPS系统还提供了编程工具－CL语言，利用CL语言可以完成满足特殊要求的控制组态。

　　以下分别讨论TPS系统组态的几种方法。

　　2.1选择控制的组态
　　图1是某炼油企业烷基化装置的部分控制流程图，工艺操作原则是：酸再生塔进料气化器E-2出口设温度调节回路TRCA702，通过调节1.0MPa加热蒸汽来保证再生氢氟酸的需要，但E-2在氢氟酸的作用下，当管束温度过高时腐蚀将

图1 低选回路操作流程图

　　大大加快，因此又设加热蒸汽压力调节回路PIC632，将蒸汽压力控制在0.7MPa，即两个参数控制一个调节阀，反而言之，该调节阀的开度将同时影响两个参数，经过研究工艺条件，决定使用选择控制系统来实现控制目的。
　　

　　选择控制系统可以在被控变量(输入)和控制器之间放置选择器，也可以在控制器和操纵变量(输出)之间放置选择器，而选择器的逻辑又可以分为高选和低选。对于本控制方案，我们选择在两个调节回路的输出之间引入低选器。其逻辑关系可以表述为：u0=min(ui1,ui2,…)。低选器输出两者间较小值，并以该值控制调节阀的开度。

　　首先，根据测量点和控制点的需要建立数据点。该回路有两个输入信号，分别接收E-2入口蒸汽压力测量信号和出口混合物温度测量信号，有一个输出信号，控制蒸汽入口压力调节阀，因此需要建立两个模拟输入数据点和一个模拟输出数据点。其组态内容见表1：
表1 输入/输出数据点组态表

位号	工程单位	量程上限	量程下限	数据点类型	数据点特性	信号类型
TI702	℃	200	0	模拟输入	半点	4-20mADC
PI632	MPa	1.2	0	模拟输入	半点	4-20mADC
位号	工程单位	数据点类型		数据点特性		作用方向
TY702	%	模拟输出		半点		DIRECT

　　然后，建立三个调节控制点，分别用于实现压力控制、温度控制、选择输出等功能。TRCA702和PIC632选择的算法是PID；TPLS702选择的算法是超弛选择(Override Select，缩写为ORSEL)，并进一步选定详细算法为EQB，即低选。将TRCA702的调节输出(TRCA702.OP)目标定义为TPLS702的第一个输入TPLS702.X1，PIC632的调节输出(PIC632.OP) 目标定义为TPLS702的第二个输入TPLS702.X2，而TPLS702的调节输出(TPLS702.OP)目标定义为TV702.OP，见表2。

　　表2 调节控制点组态表

位号	输入源		输出目标	控制算法	控制作用
TRCA702	TI702.PV		TPLS702.X1	PID	REVERSE
PIC632	PI632.PV		TPLS702.X2	PID	REVERSE
TPLS702	TRCA702.OP	PIC632.OP	TY702.OP	ORSEL→EQB	/

　　2.2由选择性控制和串级控制组成的控制方案的组态
　　图2是某石化企业烷基化装置丙烷汽提塔液位控制流程图，其工艺操作规程是：丙烷汽提塔V-4的液位(LRC524)在正常操作时是单参数调节，直接远程遥控出装置的丙烷量，另外一路丙烷循环量则进行单回路流量调节(FRC434)，当开工时或丙烷产量过少时，停止丙烷出装置，而由塔液位与丙烷循环量组成串级调节。
该控制方案实现的难点在于主回路LRC524的输出并非简单地同时输送到两个副级回路FRC434和HIC524，而是应该由操作员根据生产情况切换选择。由于TPS系统中没有这种手动选择算法，因此该控制回路不能直接实现。我们考虑

图2. 丙烷汽提塔液位控制流程图

　　用逻辑数据点来模拟一个软开关的作用，用于控制LRC524的输出是传递给FRC434还是HIC524。
第一步，根据测量点和控制点的需要建立数据点。该回路有两个输入信号，分别接收V-4的液位和循环丙烷的流量的测量信号，有两个输出信号，分别控制循环丙烷的流量调节阀和出装置的丙烷流量调节阀，因此需要建立两个模拟输入数据点和两个模拟输出数据点。其组态内容见表3：
表3 输入/输出数据点组态表

位号	工程单位	量程上限	量程下限	数据点类型	数据点特性	信号类型
LI524	%	100	0	模拟输入	半点	4-20mADC
FI434	kg/h	500	0	模拟输入	半点	4-20mADC
位号	工程单位	数据点类型		数据点特性		作用方向
HY524	%	模拟输出		半点		DIRECT
FY434	%	模拟输出		半点		DIRECT

　　第二步，根据需要建立三个调节控制点，分别用于实现液位控制、流量控制和遥控输出，这些调节控制点的主要内容见表4。

　　表4 调节控制点、逻辑点和旗标量点组态表

位号	数据点类型	输入	输出	控制算法	控制作用
LRC524	调节控制点	LI524.PV	LES524LOGIC.L1	PID	DIRECT
FRC434	调节控制点	FI434.PV	FY434.OP	PID	REVERSE
HIC524	调节控制点	/	HY524.OP	AUTOMAN	/

　　再建立一个逻辑点LES524LOGIC和一个旗标量点LES524，用于实现软开关的切换功能，逻辑点的结构选择选项3(12-8-12)，即有12个输入，8个逻辑块和12个输出。本控制方案实现的关键在于逻辑点的组态，图3是逻辑点的功能示意图，从图中可以看到，LRC524.OP的输出允许位由LES524.PVFL控制，由于两个输出允许位之间是“非”的关系，从而保证在任一时间LRC524.OP只能传递到一个目标。表5则是逻辑点中组态的主要内容。

图3. 逻辑点LES524LOGIC功能示意图

表5 逻辑点主要组态内容一览表

组态项	组态内容
位号名	LES524LOGIC
数据点形式	全点(FULL)
结构组成	12-8-12
1#输入 (L1)	LRC524.OP
2#输入 (L2)	LES524.PVFL
1#输出的源	L1
1#输出的目标	FRC434.SP
1#输出的允许控制位	L2
2#输出的源	L1
2#输出的目标	HIC524.OP
2#输出的允许控制位	SO1(1#逻辑块的输出)
1#逻辑块的算法	NOT(非)
1#逻辑块的输入S1	L2

　　2.3由选择性控制、串级控制和分程控制组成的控制方案的组态

图4. 连续重整装置再接触系统的控制方案图

　　上图是某石化企业连续重整装置再接触系统的控制方案图，控制要求是：调节器PIC249控制输出的一路控制调节阀PV249，另一路与PIC259控制输出的一路进行低选，选中的输出控制调节阀PV259；调节器PIC270控制输出的一路控制调节阀PV270B，另一路与PIC259控制输出的另一路进行低选，选中的输出控制调节阀PV270A。根据控制方案图，可以采用2.2章节中的组合方法进行组态。
第一步，根据测量点和控制点的需要建立数据点。该回路有三个输入信号，分别为三个压力测量信号，有四个输出信号，分别控制四个调节阀，因此需要建立三个模拟输入数据点和四个模拟输出数据点。其组态内容见表6：

表6 输入/输出数据点组态表

位号	工程单位	数据点类型	数据点特性	信号类型
PI249	MPa	模拟输入	半点	4-20mADC
PI259	MPa	模拟输入	半点	4-20mADC
PI270	MPa	模拟输入	半点	4-20mADC
位号	工程单位	数据点类型	数据点特性	作用方向
PV249	%	模拟输出	半点	REVERSE
PV249	%	模拟输出	半点	DIRECT
PV270A	%	模拟输出	半点	DIRECT
PV270B	%	模拟输出	半点	DIRECT

　　第二步，建立三个常规控制点(Reg Ctl)，分别用于实现3个压力控制回路的调节输出，这些常规控制点的主要内容见表7。

表7 常规控制点组态表

位号	数据点类型	输入	算法	控制作用
PIC249	常规控制点	PI249.PV	PID	DIRECT
PIC249	常规控制点	PI259.PV	PID	DIRECT
PIC270	常规控制点	PI270.PV	PID	REVERSE

　　第三步，建立六个常规PV点(Reg PV)，分别用于实现3个压力控制器调节输出的分程和线性化，这些常规PV点的主要内容见表8。

　　表8 常规PV点组态表

位号	数据点类型	输入	算法
PIC249B	常规PV点	PIC249.OP	GENLINE
PIC249A	常规PV点	PIC249.OP	GENLINE
PIC259B	常规PV点	PIC259.OP	GENLINE
PIC259A	常规PV点	PIC259.OP	GENLINE
PIC270A	常规PV点	PIC270.OP	GENLINE
PIC270B	常规PV点	PIC270.OP	GENLINE

　　第四步，建立四个常规控制点(Reg Ctl)，其中两个用于实现低选，另外两个用于实现手/自动切换。这些常规控制点的主要内容见表9。

表9 常规控制点(低选)组态表

位号	数据点类型	输入	输出	算法
PY249B	常规控制点	PIC249B.PV	PV249.OP	AUTOMAN
LOWS1	常规控制点	PIC249A.PV	PV259.OP	ORSEL
LOWS1	常规控制点	PIC259B.PV	PV259.OP	ORSEL
LOWS2	常规控制点	PIC259A.PV	PV270A.OP	ORSEL
LOWS2	常规控制点	PIC270A.PV	PV270A.OP	ORSEL
PY270B	常规控制点	PIC270B.PV	PV270B.OP	AUTOMAN

　　除了上面的方法外，我们还可以用TPS系统提供的编程工具－CL语言来编写程序来完成上述功能。
　　首先，如上述的第一步和第二步，要建立必须的输入/输出点和常规控制点。
　　然后，用下列CL程序来代替控制方案图中虚线部分的功能，
　　SEQUENCE LOSELECT
　　－ BAD PV CHECKING
　　ST01 IF PIC249.PV<=-6.9 OR PIC249.PV>=106.9     10
　　    IF PIC259.PV<=-6.9 OR PIC259.PV>=106.9     20
　　    IF PIC270.PV<=-6.9 OR PIC270.PV>=106.9     30
　　－EQVATIONS Y=2*X-100                    FOR PV249
　　－          Y=2*X1,Y=-2*X2+200           FOR LS1 TO PV259
　　－          Y=2*X2,Y=2*X3                FOR LS2 TO PV270A
　　－          Y=-2*X3+200                  FOR PV270B
　　SET PY259.MODATTR,PY270A.MODATTR,PY270B.MODATTR =PROGRAM
　　SET NN91=2*PIC249.OP
　　SET NN92=-2*PIC259.OP+200
　　SET NN93=2*PIC259.OP
　　SET NN94=2*PIC270.OP
　　SET NN94=2*PIC270.OP
　　SET PIC259.OP=MINV(NN91,NN92,100)
　　SET PIC270A.OP=MINV(NN93,NN94,100)
　　SET PIC270B.OP=-2*PIC270.OP+200
　　GOTO ST01
　　－ BAD PV HANDLING
　　10 SET PIC249.MD=MAN
　　MESG (2) PIC249 ARE OUT OF RANGE (F)
　　GOTO ST01
　　20 SET PIC259.MD=MAN
　　MESG (2) PIC259 ARE OUT OF RANGE (F)
　　GOTO ST01
　　30 SET PIC270.MD=MAN
　　MESG (2) PIC270 ARE OUT OF RANGE (F)
　　GOTO ST01
　　END
　　比较以上两种组态方法，前者以填表为主，组态方式比较简单，但使用的数据点较多；后者利用了较少数据点，但要求组态的工作人员具有一定的编程能力和经验。二者各有所长，各有特点。

　　3. 结语
　　TPS系统是一套技术成熟的分散控制系统产品，其组态方法可以多种多样，在实际应用过程中根据控制方案的实际情况考虑采用何种方法进行组态，就能够获得令人满意的控制效果。

　　参考文献：
　　[1]. 《化工过程控制工程》王骥程祝和云主编，化学工业出版社
　　[2]. 《Knowledge Builder V1.0 On-Line Documentation》 Honeywell