水泥智能控制系统安全保护技术

时间：2024-07-28

张书法胡建刚壮炳良欧丹林

（浙江邦业科技有限公司，浙江杭州 310000）

水泥智能控制系统安全保护技术

张书法胡建刚壮炳良欧丹林

（浙江邦业科技有限公司，浙江杭州 310000）

本文以国内知名的CAM智能控制系统为例，阐述了由“通讯状态自动侦测与保护技术”“仪表故障自动侦测与保护技术”“双向无扰切换”“操作安全边界约束与运行”四部分组成的安全保护技术的技术原理及实施案例，该技术能很好地保障智能控制系统安全稳定运行。

智能控制；安全保护；CAM；水泥

1. 言

随着水泥行业“信息化与工业化深度融合”工作的逐步推进[1]，智能控制系统在水泥行业的应用得到越来越广泛的重视[2],[3]，如浙江邦业科技有限公司的CAM智能控制系统，已经在国内多家行业标杆企业成功应用。

智能控制系统的效益是多层次的：在操作层面，智能控制系统取代了人工操作，大幅提升了劳动生产率，将操作人员从日常繁杂的简单操作中解放出来，从“操作员”的层面转化为“监督者/优化者”的角色。而在生产层面，智能控制系统通过其内置的强大算法实现了精细化操作，从而大幅提升了生产过程各关键变量的稳定性，最终保障了窑热工制度的稳定性，从而带来资源和能源浪费减少、产品质量提高和设备运转率提高等多方面的效益,[4]。

然而，劳动生产率的提升也意味着关注度的下降。因此，在智能控制系统取代人工操作之后，如何保障系统长期稳定运行，如何避免系统或者仪表故障等偶发故障导致控制系统“误动作”或“不动作”，也是生产企业和智能系统供应商所必须直面的问题。

作为水泥行业智能控制系统的领军企业，浙江邦业科技有限公司有着丰富的实施经验，也制定了安全保护技术的企业规范。本文将以“CAM系统”为例，详细阐述智能控制的安全保护技术原理与实施案例。

2 智能控制系统安全保护技术原理

根据本公司多年项目实施的经验总结，智能控制系统的安全隐患主要存在于三个方面，即数据通讯故障、仪表故障、控制模式切换故障，并针对这三大隐患开发出了“通讯状态自动侦测与保护技术”、“仪表故障自动侦测与保护技术”和“双向无扰切换”三项技术。更进一步，开发出了“操作安全边界约束与运行”技术，使系统始终运行在安全边界内。下面分章节介绍这四项安全保护技术。

2.1 通讯状态自动侦测与保护技术

由于其智能控制系统算法的复杂性，及避免对DCS系统形成干扰，一般而言，智能控制系统运行在独立的智能控制上位机，通过OPC接口与DCS系统进行双向数据通信。为保证数据安全，两者之间还需要安装防火墙。

在上述网络架构中，服务器、防火墙、网卡、网线等硬件，操作系统、OPC服务器、智能控制系统等软件，都可能存在故障。而任何故障出现，都会导致数据通讯中断，这时智能控制系统无法正常操作。从安全角度上看，安全保护系统必须能自动识别数据通讯故障，报警提示操作人员，并自动切换回手工操作模式[5]。

通信故障的识别是通过“心跳/看门狗”机制实现的。智能控制系统定期发送特定的信号给DCS，称为“心跳”；而DCS系统则增加“看门狗”逻辑，定期自动检测该信号。如在约定时间内未检测到该信号，则认为通信故障，发出报警并将控制系统切换回手工操作模式。

2.2 关联仪表故障

为追求强大的控制性能，智能控制系统往往关联了非常多的输入信号，如温度、压力、流量、液位等。信号的好坏对智能控制系统正确运行意义重大，对水泥这类仪表故障率高的过程更是如此。从安全角度上看，控制系统必须能自动识别仪表故障，并根据仪表的重要程度执行不同的动作。

仪表故障的识别有三种不同的方法。最简单的一种方法是范围检查，如信号超过预先设定的上下限，则判定为仪表故障。这种方法虽然简单但仍有效，能区分出大部分测量元件损坏所造成的故障。第二种方法是监测信号的变化率，如果信号在短期内发生跳变（即变化率超过限制），即可判定为仪表故障。这种方法要比第一种方法有更好的故障识别率。第三种方法是平值检查，如信号在一定时间内保持不变，则判定为仪表故障。这种方法适用于检测部分现场总线仪表的通讯故障。这三种方法要根据测量信号的实际情况选择或者叠加使用。

而在识别仪表故障后，则需根据仪表重要度和损坏时间进行分级，执行不同的操作。一般而言，操作可分为三级：第一级，将故障仪表从控制系统中切除；第二级，将控制系统中部分回路切除；第三级，将整个控制系统切除。

2.3 双向无扰切换

所谓双向无扰切换，指智能控制模式切换到手工操作模式时，以及从手工操作模式切换到智能控制模式时，各控制回路能平稳过渡，不会出现任何跳变而导致过程不稳定。如果出现跳变，则称之为“模式切换故障”。

为实现双向无扰切换，消除“模式切换故障”，必须实现双向跟踪，即：

● 在智能控制模式时，手工控制的设定值自动跟踪智能控制的设定值。

● 在手工控制模式时，智能控制的设定值自动跟踪手工控制的设定值。

2.4 安全边界约束与运行技术

智能控制系统是一种强大的辅助工具，能帮助操作人员实现更精细化操作，但其仍在操作人员监督下运行。从安全的角度来看，操作人员需设定合理的调节范围，称之为安全边界；而智能控制系统必需时刻保持在安全边界内运行。这可以看成一种“授权”的机制。这种机制可以很好地保障智能控制系统在极端情况下仍处于安全范围，避免出现重大的安全事故。

安全边界约束一般包含两部分：变化率的限制和上下限限制。所谓变化率限制，是指操纵变量在两个执行周期内，其变化率不超过约定的限值。所谓上下限限制，是指操纵变量的值始终保持在约定的限制范围内。

3 安全保护逻辑的实施案例

安全保护系统包含的内容很多，其部分在智能控制系统中实现，部分在DCS端实现。对于在智能控制系统中实现的部分，由于编程相对简单，本文不再赘述。

3.1 通讯状态自动侦测与保护

所谓通讯状态侦测和保护就是当通讯正常的时候，CAM智能控制系统以30S的周期发送信号1给DCS系统，DCS收到信号后，通过程序处理，将此信号复位为0。这样控制器与DCS之间的通讯一直出现交替的0和1状态，如果超过控制器2个周期以上，即通讯状态一直为1或者一直为0，表示通讯异常，系统就会出现报警，提醒相关人员进行处理，通讯恢复正常后，需要进行复位消除报警。

3.2 仪表故障自动侦测

1）仪表故障自动侦测程序主要为了保护我们控制的目标仪表的准确性，在安全生产过程中如果在短时间内仪表数值的变化超过一定的范围，我们即认为该仪表出现故障，它显示的数值不作为控制的手段，所以智能控制系统会自动切除该变量的控制权，并弹出报警提醒操作人员。

3.3 双向无扰切换程序保护

1）智能控制系统未投入时，操纵变量的动作与原DCS的数值一致，即智能控制系统输出的变量自动跟踪原DCS的变量

2）智能控制系统投入时，操纵变量的动作由智能控制器程序自动跟踪，自动调节，原DCS变量自动跟踪智能控制器输出的变量

3.4 安全连锁和边界保护技术

1）安全连锁主要是控制器总开关在投入的前提下，各个控制器的回路才可以正常进行控制。

● 当通讯中断立即弹出报警并且自动切除总开关

● 如果总开关切除，立即切除控制器的所有分回路开关

2）操作安全边界约束主要预防操纵变量在投用智能控制系统的过程中出现大幅度的变化或者误动作，它的动作范围只能在图中红色框的高低限范围内动作，它的高低限数值即为操作安全边界约束也叫硬约束。