修復(fù)過程控制系統(tǒng)缺陷的案例分享

修復(fù)過程工藝設(shè)計(jì)中的盲點(diǎn)，有助于滿足用戶對(duì)熱交換器控制系統(tǒng)的需求。

一個(gè)可行的工藝設(shè)計(jì)是成功進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。這可能與舊系統(tǒng)集成商關(guān)于新工廠建設(shè)的格言 “自動(dòng)化總是最后參與”相沖突。只有在其它一切就緒后，系統(tǒng)集成商才能介入安裝和測(cè)試控制系統(tǒng)，因此他們通常是施工團(tuán)隊(duì)的最后一批成員。

然而，當(dāng)系統(tǒng)集成商接手的過程設(shè)計(jì)與控制系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)營(yíng)之間存在沖突時(shí)，會(huì)發(fā)生什么事？當(dāng)過程工藝設(shè)計(jì)存在盲點(diǎn)時(shí)，如何滿足控制系統(tǒng)用戶的需求？

不幸的是，沒有一刀切的解決方案。有時(shí)，這意味著退回最初狀態(tài)，重新設(shè)計(jì)工藝過程中受影響的部分。其它情況，則可能需要系統(tǒng)集成商彌合差距，并在現(xiàn)場(chǎng)修改控制系統(tǒng)，以解決原始設(shè)計(jì)中存在的缺陷。

在本文的案例中，一家系統(tǒng)集成商的任務(wù)是為一家大型制藥公司的試點(diǎn)工廠修復(fù)控制系統(tǒng)缺陷，幫助用戶應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)，通過迭代開發(fā)實(shí)現(xiàn)最終結(jié)果。

01

原始工藝過程設(shè)計(jì)：溫度控制回路

試點(diǎn)工廠的核心是一套反應(yīng)器儲(chǔ)罐，每個(gè)儲(chǔ)罐都使用溫度控制單元（TCU）來調(diào)節(jié)反應(yīng)器溫度。溫度控制單元使用傳熱流體，該流體可使用液氮冷卻至極低溫度。當(dāng)液氮冷卻控制方案啟動(dòng)時(shí)，傳熱流體被重新引導(dǎo)至液氮換熱器，在返回反應(yīng)器儲(chǔ)罐前，被冷卻至-78℃（見圖1）。

▲圖1：液氮冷卻控制方案的簡(jiǎn)化過程圖。

項(xiàng)目設(shè)計(jì)工程師提供的初始控制方案，包括兩個(gè)溫度控制回路：溫度控制單元（TIC-01）的反饋回路和液氮熱交換器（TIC-02A/B）的級(jí)聯(lián)回路。TCU控制回路溫度設(shè)定值的范圍較寬，如果設(shè)置在-40℃以下，液氮冷卻方案將啟動(dòng)。如果TCU溫度太低，關(guān)斷閥將打開以將傳熱流體轉(zhuǎn)移到液氮換熱器，而TCU控制回路（TIC-01）將調(diào)節(jié)控制閥以使傳熱流體從換熱器轉(zhuǎn)移。

一旦通過液氮熱交換器建立流量，液氮供應(yīng)閥將打開，液氮熱交換器回路（TIC-02A/B）將調(diào)節(jié)控制閥以允許液氮進(jìn)入熱交換器。級(jí)聯(lián)回路使用熱交換器氮?dú)獬隹跍囟龋═I-02B），作為內(nèi)回路（TIC-02 B）的過程參數(shù)，使用熱交換器傳熱流體出口溫度（TI-02A）作為外回路（TIC-02A）的過程參數(shù)。最初，設(shè)計(jì)工程師為離開換熱器的傳熱流體設(shè)置了-78℃的固定溫度設(shè)定值。

02

修復(fù)控制設(shè)計(jì)中的缺陷

該控制方案首次運(yùn)行后，很快就發(fā)現(xiàn)了原始設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵缺陷。在高于設(shè)定值-78℃下使用液氮冷卻運(yùn)行的溫度控制單元，會(huì)導(dǎo)致?lián)Q熱器的流量低。由于TCU控制回路操縱的控制閥是旁通閥，流向交換器的傳熱流體流量隨著溫度控制單元溫度的降低而減少，導(dǎo)致流經(jīng)交換器的傳熱液體越來越少。

最終，流量變得如此之低，以至于液氮凍結(jié)了留在交換器中的少量傳熱流體。該設(shè)計(jì)似乎只考慮處理TCU溫度設(shè)定值在換熱器設(shè)定值-78℃或附近時(shí)的工況，但沒有考慮溫度控制單元和換熱器設(shè)定值之間的大溫差。

顯然，該問題的解決方案涉及到在熱交換器處修改固定的-78℃設(shè)定值，以允許溫度控制單元處的溫度更高。

使用趨勢(shì)圖來比較溫度控制單元（TI-01）處的傳熱流體溫度與熱交換器（TI-02A）處的溫度，為每個(gè)TCU實(shí)施固定的設(shè)定值偏移，以避免熱交換器處的低流量工況，同時(shí)仍能提供足夠的液氮以將TCU溫度（TI-01）降至其設(shè)定值。

例如，固定設(shè)定值偏移為5℃時(shí)，將溫度控制單元設(shè)定值設(shè)置為-50℃，則熱交換器的設(shè)定值為-55℃。由于儲(chǔ)罐尺寸以及到熱交換器的管道長(zhǎng)度的差異，每個(gè)溫度控制單元都設(shè)置了不同的設(shè)定值偏移，但在優(yōu)化偏移后，即使液氮冷卻溫度設(shè)定值更高，溫度控制單元也可以正常運(yùn)行。

▲圖2：此圖展示了用于建模TCU和熱交換器溫度之間關(guān)系的不同設(shè)定值偏移跟蹤方法。高亮顯示區(qū)域表示可以進(jìn)行溫度控制的最佳區(qū)域。高亮顯示區(qū)域上方，換熱器設(shè)定值過低，因此TCU旁通閥打開過大，導(dǎo)致傳熱流體凍結(jié)。在高亮顯示區(qū)域下方，熱交換器設(shè)定值過高，因此始終無法達(dá)到TCU溫度設(shè)定值。藍(lán)線代表的固定補(bǔ)償方法，在較高的TCU溫度設(shè)定值范圍內(nèi)表現(xiàn)良好，但在較低的溫度設(shè)定值下，冷卻不足，無法達(dá)到設(shè)定值。紅線代表的線性補(bǔ)償方法，在該范圍內(nèi)最熱和最冷的TCU溫度設(shè)定值下工作良好，但在中等設(shè)定值下，傳熱流體最終會(huì)被凍結(jié)。最后，黑線顯示的二次函數(shù)偏移法表現(xiàn)最好，成功允許TCU控制回路控制液氮冷卻范圍內(nèi)所有設(shè)定值的溫度。

03

控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的另一個(gè)障礙

液氮凍結(jié)的問題解決了；然而，又出現(xiàn)了一個(gè)新的問題。以前，溫度控制單元可以在熱交換器固定溫度設(shè)定值-78℃附近運(yùn)行，但在添加設(shè)定值偏移功能后，TCU無法達(dá)到這些較冷的設(shè)定值。問題是溫度控制單元（TI-01）處的傳熱流體溫度與熱交換器（TI-02A）處的熱傳遞流體溫度之間的差異，在較冷的溫度下會(huì)增加。

雖然對(duì)于接近-50℃的TCU設(shè)定值，5℃的固定設(shè)定值偏移可能有效，但對(duì)于接近-70℃的TCU設(shè)定值而言，熱交換器的設(shè)定值需要降低8或9℃。

為了解決這一問題，根據(jù)TCU溫度設(shè)定值動(dòng)態(tài)修改設(shè)定值偏移。最初使用的是線性函數(shù)，但經(jīng)過幾周測(cè)試，發(fā)現(xiàn)二次函數(shù)可以更好的優(yōu)化。在實(shí)施此更改后，TCU可以在整個(gè)液氮冷卻范圍內(nèi)始終以任何設(shè)定值運(yùn)行。

04

控制系統(tǒng)集成：首先檢查過程設(shè)計(jì)

在該案例中，系統(tǒng)集成商必須偏離原始過程設(shè)計(jì)，并在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行大的修改，以滿足用戶要求。如果初步工藝過程設(shè)計(jì)與控制系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)營(yíng)之間存在信息差距，則可能需要項(xiàng)目的系統(tǒng)集成商介入，并在控制系統(tǒng)中增加靈活性和功能，以進(jìn)行補(bǔ)償。徹底的初步設(shè)計(jì)和調(diào)查，是預(yù)防項(xiàng)目結(jié)束時(shí)忙于打補(bǔ)丁以解決設(shè)計(jì)漏洞的關(guān)鍵。

關(guān)鍵概念：

■ 系統(tǒng)集成商通常是最后參與自動(dòng)化項(xiàng)目的人員，這為他們提供了獨(dú)特的運(yùn)營(yíng)視角。

■ 完善的初步設(shè)計(jì)和調(diào)查，有助于預(yù)防在項(xiàng)目結(jié)束時(shí)瘋狂打補(bǔ)丁以解決設(shè)計(jì)漏洞。

審核編輯：劉清