焦化工程自动化控制系统设计中有哪些关键技术要点？

焦化工程作为现代煤化工产业的核心环节，其生产过程的复杂性、高温高压的严苛工况以及对安全环保的极高要求，使得自动化控制系统成为保障其高效、稳定、清洁运行的中枢神经。一套优秀的自动化控制系统设计，绝非简单的仪表堆砌与程序编写，而是贯穿系统架构、硬件选型、算法设计与工程实现的全方位技术集成。本文将深入剖析焦化工程自动化控制系统设计中的几项关键技术要点。

一、分层分布式系统架构与网络设计

现代焦化工程自动化控制系统普遍采用分层分布式架构，这是实现全厂集中监控与分散控制的基础。典型的架构可分为现场层、控制层、监控层与管理层。

现场层：由各类传感器（如温度、压力、流量、成分分析仪）、执行器（如调节阀、电机）及现场总线设备构成，直接与工艺设备交互，负责最基础的数据采集与指令执行。

控制层：是系统的“大脑”，通常根据工艺特点选用不同的控制系统。对于以模拟量监控和复杂回路调节为主的工艺单元，如焦炉加热控制、煤气净化（脱硫、硫铵、粗苯回收）等，分散控制系统（DCS）因其强大的模拟量处理能力、高可靠性和完善的监控功能而成为首选。而对于以顺序控制、逻辑连锁为主的工段，如备煤、筛焦、干熄焦、除尘系统等，可编程逻辑控制器（PLC）系统则凭借其开关量处理速度快、编程灵活的优势被广泛应用。许多大型项目采用DCS与PLC混合的架构，通过工业以太网实现无缝集成与数据互通。

监控层：包含操作员站、工程师站、数据服务器等，为运行人员提供人机交互界面（HMI），实现工艺流程可视化、参数监控、报警管理、历史数据查询等功能。

管理层：与企业资源计划（ERP）、制造执行系统（MES）等上层信息系统对接，实现生产数据挖掘、绩效分析、优化调度等。

网络是连接各层的血脉，设计需遵循高可靠性原则。核心控制网络常采用双冗余环网或星型拓扑结构，确保任一单点故障不影响整体通信。通信协议需支持主流工业标准（如PROFIBUS DP/PA、MODBUS TCP/IP、OPC UA），并充分考虑网络安全防护，设置防火墙、划分安全区域，以防止非法访问和网络攻击。

二、关键设备选型与硬件设计规范

硬件是系统稳定运行的基石，选型必须科学、严谨。

1.控制器与I/O模块：控制器（DCS控制站、PLC CPU）的选型需满足处理能力（如扫描周期、带载点数）、内存容量、通信接口等要求。I/O模块（模拟量输入/输出AI/AO、数字量输入/输出DI/DO）的选型则直接关系到测量与控制的精度。例如，温度测量常用K型（-50~1300℃）、S型（-50~1700℃）热电偶或Pt100热电阻（-200~800℃），对应的输入模块需匹配其信号类型与量程。对于4~20mA标准电流信号，需选用相应的电流输入模块。

2.仪表与传感器：选型依据是工艺控制需求、环境条件及行业标准。例如，焦炉立火道温度测量需选用耐高温、响应快的热电偶；煤气流量测量需根据介质特性（如焦炉煤气含尘、）选用合适的流量计（如孔板、涡街）。所有仪表均需明确其测量精度（如0.2级、0.3级）、响应时间、环境温度适应范围（如0~50℃）等关键参数。设计需遵循《自动化控制系统工程设计规范》等，确保硬件布局合理，供电稳定（如采用UPS），有效抗干扰。

3.执行机构：调节阀的选型需计算流量特性（线性、等百分比）、口径、执行机构形式（气动、电动）及阀门定位器。关键场合的阀门应具备故障安全位置（FO/FC）功能。

三、核心控制策略与算法设计

控制算法是自动化系统的灵魂，直接决定控制品质。

1.基础PID与先进控制：焦化生产中大量回路，如焦炉集气管压力、煤气加热温度、化工产品回收质量等，传统上依赖PID（比例-积分-微分）控制算法。其设计要点在于根据被控对象特性（如惯性、滞后）合理整定P、I、D参数，以满足稳态精度、响应速度与稳定性的要求。对于大滞后、非线性、多变量耦合的复杂过程（如焦炉燃烧优化），单一的PID往往力不从心。此时需要引入先进过程控制（APC）策略，如模糊控制、模型预测控制（MPC）等。这些算法能够处理更复杂的约束和目标，实现“卡边优化”，在保证关键指标（如焦炭质量、产品收率）的前提下，降低能耗，提升经济效益。

2.顺序与连锁控制：对于备煤、装煤、推焦、熄焦等顺序作业，以及全厂的安全连锁系统（如煤气压力低联锁停泵、温度高高限报警并启动应急冷却），需设计严谨的顺序功能图（SFC）或梯形图（LD）逻辑。连锁逻辑必须绝对可靠，通常遵循“故障安全”原则，并经过充分的仿真测试。

3.人机界面与报警管理：HMI设计应直观、高效，符合操作员认知习惯。报警系统需进行合理化管理，避免“报警泛滥”，依据报警优先级（紧急、重要、一般）进行分级、过滤与抑制，确保操作员能迅速识别并处置真实的风险。

四、系统工程实施与标准化遵循

从设计到投运，需遵循完整的工程规范。

1.设计依据与标准：系统设计必须严格遵循国家及行业标准，如《爆炸危险环境电力装置设计规范》（GB 50058）、《自动化仪表工程施工及质量验收规范》（GB 50093）等。应积极响应国家关于智能制造、绿色制造的政策导向，将节能减排、环保监测（如烟气SO₂、NOx在线监测）等功能深度集成到控制系统中，利用大数据分析技术优化工艺，降低排放。

2.集成调试与验证：在系统出厂前（FAT）和现场安装后（SAT），需进行全面的硬件测试、软件功能测试、回路测试与联动调试。特别是对于安全仪表系统（SIS），需进行安全完整性等级（SIL）验证。测试方案应详尽，例如，如何验证一个调节阀从全开到全关的时间是否符合设计要求，如何验证一个温度控制回路的超调量和稳态误差是否达标。

3.文档与培训：交付完整的竣工资料，包括系统架构图、网络拓扑图、接线图、控制逻辑说明、操作维护手册等。对业主技术人员进行系统性培训，确保其能熟练操作、维护并处理常见故障。

焦化工程自动化控制系统设计是一项多学科交叉的综合性工程。其成功的关键在于把握分层的系统架构、严谨的硬件选型、智能的控制算法以及规范的工程实施这四大要点，并始终将安全性、可靠性与先进性置于首位，从而为焦化企业的安全、高效、绿色生产提供坚实的技术保障。