張書法 胡建剛 壯炳良 歐丹林

（浙江邦業(yè)科技有限公司，浙江 杭州 310000）

水泥智能控制系統(tǒng)安全保護(hù)技術(shù)

張書法 胡建剛 壯炳良 歐丹林

（浙江邦業(yè)科技有限公司，浙江 杭州 310000）

本文以國內(nèi)知名的CAM智能控制系統(tǒng)為例，闡述了由“通訊狀態(tài)自動(dòng)偵測(cè)與保護(hù)技術(shù)”“儀表故障自動(dòng)偵測(cè)與保護(hù)技術(shù)”“雙向無擾切換”“操作安全邊界約束與運(yùn)行”四部分組成的安全保護(hù)技術(shù)的技術(shù)原理及實(shí)施案例，該技術(shù)能很好地保障智能控制系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

智能控制；安全保護(hù)；CAM；水泥

1. 言

隨著水泥行業(yè)“信息化與工業(yè)化深度融合”工作的逐步推進(jìn)[1]，智能控制系統(tǒng)在水泥行業(yè)的應(yīng)用得到越來越廣泛的重視[2],[3]，如浙江邦業(yè)科技有限公司的CAM智能控制系統(tǒng)，已經(jīng)在國內(nèi)多家行業(yè)標(biāo)桿企業(yè)成功應(yīng)用。

智能控制系統(tǒng)的效益是多層次的：在操作層面，智能控制系統(tǒng)取代了人工操作，大幅提升了勞動(dòng)生產(chǎn)率，將操作人員從日常繁雜的簡單操作中解放出來，從“操作員”的層面轉(zhuǎn)化為“監(jiān)督者/優(yōu)化者”的角色。而在生產(chǎn)層面，智能控制系統(tǒng)通過其內(nèi)置的強(qiáng)大算法實(shí)現(xiàn)了精細(xì)化操作，從而大幅提升了生產(chǎn)過程各關(guān)鍵變量的穩(wěn)定性，最終保障了窯熱工制度的穩(wěn)定性，從而帶來資源和能源浪費(fèi)減少、產(chǎn)品質(zhì)量提高和設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)率提高等多方面的效益,[4]。

然而，勞動(dòng)生產(chǎn)率的提升也意味著關(guān)注度的下降。因此，在智能控制系統(tǒng)取代人工操作之后，如何保障系統(tǒng)長期穩(wěn)定運(yùn)行，如何避免系統(tǒng)或者儀表故障等偶發(fā)故障導(dǎo)致控制系統(tǒng)“誤動(dòng)作”或“不動(dòng)作”，也是生產(chǎn)企業(yè)和智能系統(tǒng)供應(yīng)商所必須直面的問題。

作為水泥行業(yè)智能控制系統(tǒng)的領(lǐng)軍企業(yè)，浙江邦業(yè)科技有限公司有著豐富的實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，也制定了安全保護(hù)技術(shù)的企業(yè)規(guī)范。本文將以“CAM系統(tǒng)”為例，詳細(xì)闡述智能控制的安全保護(hù)技術(shù)原理與實(shí)施案例。

2 智能控制系統(tǒng)安全保護(hù)技術(shù)原理

根據(jù)本公司多年項(xiàng)目實(shí)施的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，智能控制系統(tǒng)的安全隱患主要存在于三個(gè)方面，即數(shù)據(jù)通訊故障、儀表故障、控制模式切換故障，并針對(duì)這三大隱患開發(fā)出了“通訊狀態(tài)自動(dòng)偵測(cè)與保護(hù)技術(shù)”、“儀表故障自動(dòng)偵測(cè)與保護(hù)技術(shù)”和“雙向無擾切換”三項(xiàng)技術(shù)。更進(jìn)一步，開發(fā)出了“操作安全邊界約束與運(yùn)行”技術(shù)，使系統(tǒng)始終運(yùn)行在安全邊界內(nèi)。下面分章節(jié)介紹這四項(xiàng)安全保護(hù)技術(shù)。

2.1 通訊狀態(tài)自動(dòng)偵測(cè)與保護(hù)技術(shù)

由于其智能控制系統(tǒng)算法的復(fù)雜性，及避免對(duì)DCS系統(tǒng)形成干擾，一般而言，智能控制系統(tǒng)運(yùn)行在獨(dú)立的智能控制上位機(jī)，通過OPC接口與DCS系統(tǒng)進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)通信。為保證數(shù)據(jù)安全，兩者之間還需要安裝防火墻。

在上述網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，服務(wù)器、防火墻、網(wǎng)卡、網(wǎng)線等硬件，操作系統(tǒng)、OPC服務(wù)器、智能控制系統(tǒng)等軟件，都可能存在故障。而任何故障出現(xiàn)，都會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)通訊中斷，這時(shí)智能控制系統(tǒng)無法正常操作。從安全角度上看，安全保護(hù)系統(tǒng)必須能自動(dòng)識(shí)別數(shù)據(jù)通訊故障，報(bào)警提示操作人員，并自動(dòng)切換回手工操作模式[5]。

通信故障的識(shí)別是通過“心跳/看門狗”機(jī)制實(shí)現(xiàn)的。智能控制系統(tǒng)定期發(fā)送特定的信號(hào)給DCS，稱為“心跳”；而DCS系統(tǒng)則增加“看門狗”邏輯，定期自動(dòng)檢測(cè)該信號(hào)。如在約定時(shí)間內(nèi)未檢測(cè)到該信號(hào)，則認(rèn)為通信故障，發(fā)出報(bào)警并將控制系統(tǒng)切換回手工操作模式。

2.2 關(guān)聯(lián)儀表故障

為追求強(qiáng)大的控制性能，智能控制系統(tǒng)往往關(guān)聯(lián)了非常多的輸入信號(hào)，如溫度、壓力、流量、液位等。信號(hào)的好壞對(duì)智能控制系統(tǒng)正確運(yùn)行意義重大，對(duì)水泥這類儀表故障率高的過程更是如此。從安全角度上看，控制系統(tǒng)必須能自動(dòng)識(shí)別儀表故障，并根據(jù)儀表的重要程度執(zhí)行不同的動(dòng)作。

儀表故障的識(shí)別有三種不同的方法。最簡單的一種方法是范圍檢查，如信號(hào)超過預(yù)先設(shè)定的上下限，則判定為儀表故障。這種方法雖然簡單但仍有效，能區(qū)分出大部分測(cè)量元件損壞所造成的故障。第二種方法是監(jiān)測(cè)信號(hào)的變化率，如果信號(hào)在短期內(nèi)發(fā)生跳變（即變化率超過限制），即可判定為儀表故障。這種方法要比第一種方法有更好的故障識(shí)別率。第三種方法是平值檢查，如信號(hào)在一定時(shí)間內(nèi)保持不變，則判定為儀表故障。這種方法適用于檢測(cè)部分現(xiàn)場總線儀表的通訊故障。這三種方法要根據(jù)測(cè)量信號(hào)的實(shí)際情況選擇或者疊加使用。

而在識(shí)別儀表故障后，則需根據(jù)儀表重要度和損壞時(shí)間進(jìn)行分級(jí)，執(zhí)行不同的操作。一般而言，操作可分為三級(jí)：第一級(jí)，將故障儀表從控制系統(tǒng)中切除；第二級(jí)，將控制系統(tǒng)中部分回路切除；第三級(jí)，將整個(gè)控制系統(tǒng)切除。

2.3 雙向無擾切換

所謂雙向無擾切換，指智能控制模式切換到手工操作模式時(shí)，以及從手工操作模式切換到智能控制模式時(shí)，各控制回路能平穩(wěn)過渡，不會(huì)出現(xiàn)任何跳變而導(dǎo)致過程不穩(wěn)定。如果出現(xiàn)跳變，則稱之為“模式切換故障”。

為實(shí)現(xiàn)雙向無擾切換，消除“模式切換故障”，必須實(shí)現(xiàn)雙向跟蹤，即：

● 在智能控制模式時(shí)，手工控制的設(shè)定值自動(dòng)跟蹤智能控制的設(shè)定值。

● 在手工控制模式時(shí)，智能控制的設(shè)定值自動(dòng)跟蹤手工控制的設(shè)定值。

2.4 安全邊界約束與運(yùn)行技術(shù)

智能控制系統(tǒng)是一種強(qiáng)大的輔助工具，能幫助操作人員實(shí)現(xiàn)更精細(xì)化操作，但其仍在操作人員監(jiān)督下運(yùn)行。從安全的角度來看，操作人員需設(shè)定合理的調(diào)節(jié)范圍，稱之為安全邊界；而智能控制系統(tǒng)必需時(shí)刻保持在安全邊界內(nèi)運(yùn)行。這可以看成一種“授權(quán)”的機(jī)制。這種機(jī)制可以很好地保障智能控制系統(tǒng)在極端情況下仍處于安全范圍，避免出現(xiàn)重大的安全事故。

安全邊界約束一般包含兩部分：變化率的限制和上下限限制。所謂變化率限制，是指操縱變量在兩個(gè)執(zhí)行周期內(nèi)，其變化率不超過約定的限值。所謂上下限限制，是指操縱變量的值始終保持在約定的限制范圍內(nèi)。

3 安全保護(hù)邏輯的實(shí)施案例

安全保護(hù)系統(tǒng)包含的內(nèi)容很多，其部分在智能控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，部分在DCS端實(shí)現(xiàn)。對(duì)于在智能控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的部分，由于編程相對(duì)簡單，本文不再贅述。

3.1 通訊狀態(tài)自動(dòng)偵測(cè)與保護(hù)

所謂通訊狀態(tài)偵測(cè)和保護(hù)就是當(dāng)通訊正常的時(shí)候，CAM智能控制系統(tǒng)以30S的周期發(fā)送信號(hào)1給DCS系統(tǒng)，DCS收到信號(hào)后，通過程序處理，將此信號(hào)復(fù)位為0。這樣控制器與DCS之間的通訊一直出現(xiàn)交替的0和1狀態(tài)，如果超過控制器2個(gè)周期以上，即通訊狀態(tài)一直為1或者一直為0，表示通訊異常，系統(tǒng)就會(huì)出現(xiàn)報(bào)警，提醒相關(guān)人員進(jìn)行處理，通訊恢復(fù)正常后，需要進(jìn)行復(fù)位消除報(bào)警。

3.2 儀表故障自動(dòng)偵測(cè)

1）儀表故障自動(dòng)偵測(cè)程序主要為了保護(hù)我們控制的目標(biāo)儀表的準(zhǔn)確性，在安全生產(chǎn)過程中如果在短時(shí)間內(nèi)儀表數(shù)值的變化超過一定的范圍，我們即認(rèn)為該儀表出現(xiàn)故障，它顯示的數(shù)值不作為控制的手段，所以智能控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切除該變量的控制權(quán)，并彈出報(bào)警提醒操作人員。

3.3 雙向無擾切換程序保護(hù)

1）智能控制系統(tǒng)未投入時(shí)，操縱變量的動(dòng)作與原DCS的數(shù)值一致，即智能控制系統(tǒng)輸出的變量自動(dòng)跟蹤原DCS的變量

2）智能控制系統(tǒng)投入時(shí)，操縱變量的動(dòng)作由智能控制器程序自動(dòng)跟蹤，自動(dòng)調(diào)節(jié)，原DCS變量自動(dòng)跟蹤智能控制器輸出的變量

3.4 安全連鎖和邊界保護(hù)技術(shù)

1）安全連鎖主要是控制器總開關(guān)在投入的前提下，各個(gè)控制器的回路才可以正常進(jìn)行控制。

● 當(dāng)通訊中斷立即彈出報(bào)警并且自動(dòng)切除總開關(guān)

● 如果總開關(guān)切除，立即切除控制器的所有分回路開關(guān)

2）操作安全邊界約束主要預(yù)防操縱變量在投用智能控制系統(tǒng)的過程中出現(xiàn)大幅度的變化或者誤動(dòng)作，它的動(dòng)作范圍只能在圖中紅色框的高低限范圍內(nèi)動(dòng)作，它的高低限數(shù)值即為操作安全邊界約束也叫硬約束。

5結(jié)論

為保障智能控制系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運(yùn)行，安全保護(hù)技術(shù)的重要性是不言而喻的。根據(jù)本公司多年實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)，由“通訊狀態(tài)自動(dòng)偵測(cè)與保護(hù)技術(shù)”、“儀表故障自動(dòng)偵測(cè)與保護(hù)技術(shù)”、“雙向無擾切換”、“操作安全邊界約束與運(yùn)行”四部分組成的安全保護(hù)技術(shù)，能很好地保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，將故障風(fēng)險(xiǎn)降到最低。

[1]江源. 水泥行業(yè)兩化融合發(fā)展現(xiàn)狀及工作建議[J]. 中國建材產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)創(chuàng)新發(fā)展研究論文集, 2013.

[2]李學(xué)軍, 周元, 賓光富, 等. 基于三維模糊 PID 控制策略的水泥分解爐溫度控制系統(tǒng)研究 [J][J]. 電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào), 2009, 23(10): 37-42.

[3]王永初. 智能控制理論與系統(tǒng)的發(fā)展評(píng)述[J]. 華僑大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2004, 25(1): 1-4.

[4]張鐘俊, 蔡自興. 智能控制與智能控制系統(tǒng)[J]. 信息與控制, 1989, 5(1): 989.

[5]萬家國, 何謙. I/A 系列 DCS 通訊典型故障分析與處理[J]. 瀘天化科技, 2009 (3): 277-281.

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1007-6344（2015）10-0003-02

國家科技支撐計(jì)劃2013BAE09B00”高強(qiáng)低鈣硅酸鹽水泥及生產(chǎn)控制關(guān)鍵技術(shù)的研究與示范”資助