案例分析:重新设计流程，然后是控制系统

制药控制系统集成:解决工艺设计中的盲点，帮助用户满足换热器控制系统的需求。控制系统可能无法修复有故障的过程。

通过凯文·汤姆 2022年8月3日

E Tech Group提供

学习目标

一位系统集成商的任务是为一家大型制药公司的试验工厂修复控制系统缺陷。
积分器必须对温度控制单元(TCU)进行多次更改，以补偿液氮流量的不同变量。
彻底的初始设计和调查有助于防止在项目结束时匆忙修补设计漏洞。

系统集成洞见

系统集成商通常是自动化项目中最后参与的人，这使他们对操作有独特的视角。然而，这种观点是一把双刃剑，如果系统中存在设计缺陷，就会出现问题。
在这个案例研究中，系统集成商必须对温度控制单元(TCU)进行几次更改，以补偿液氮流量，这导致了一些必须解决的挑战。
自动化总是最后出现的谚语可能是正确的，但是如果最初的设计和调查是彻底的，系统集成商可以避免一些陷阱。

可行的工艺设计是控制系统设计成功的基础。这可能与旧的系统集成商关于新工厂建设的格言发生冲突:“自动化总是最后来的。”只有在一切就绪之后，系统集成商才能介入安装和测试控制系统，因此他们通常是施工团队的最后一个成员。

然而，当系统集成商遇到留给他们的工艺设计与控制系统的实际操作之间的冲突时，会发生什么?当过程设计存在盲点时，如何满足控制系统的用户需求?

不幸的是，没有万能的解决方案。

有时，这意味着回到绘图板，重新设计过程中受影响的部分。在其他时候，由系统集成商来弥补差距，并在现场修改控制系统，以解决原始设计中的缺陷。

考虑这样一种情况，系统集成商的任务是为一家大型制药公司的试验工厂弥合这种设计差距，并遵循导致最终结果的挑战和迭代开发过程。

原工艺设计:温度控制回路

试验装置的核心是一套反应堆储罐，每个储罐使用一个温度控制单元(TCU)来调节反应堆温度。tcu使用一种可以用液氮冷却到极低温度的传热流体。当液氮冷却控制方案启动时，传热流体被重定向到液氮热交换器，在返回其反应器罐之前被冷却到低至-78°C的温度(图1)。

该项目的设计工程师提供的初始控制方案包括两个温度控制回路:TCU的反馈回路(TIC-01)和液氮热交换器的级联回路(TIC-02A/B)。TCU控制回路的设定值可以设置在一个很宽的温度范围内，但如果设置在-40°C以下，液氮冷却方案将启动。如果TCU温度(TI-01)过低，阻塞阀将打开，将传热流体转移到液氮热交换器，而TCU控制回路(TIC-01)将调节一个控制阀，将传热流体从热交换器转移。

一旦通过液氮热交换器建立流量，液氮供应阀将打开，液氮热交换器回路(TIC-02A/B)将调节控制阀，允许液氮进入热交换器。梯级回路(TIC-02A/B)内回路(TIC-02B)以换热器氮气出口温度(TI-02B)为过程变量，外回路(TIC-02A)以换热器换热流体出口温度(TI-02A)为过程变量。设计工程师最初指定了一个固定的设定值-78°C的传热流体离开换热器。

图1液氮冷却控制方案简化工艺流程图E Tech Group提供

修复控制设计中的缺陷

第一次运行这种控制方案很快就暴露了原始设计中的一个关键缺陷。在温度设定值高于-78℃的情况下，使用液氮冷却TCU会导致热交换器处于低流量状态。由于TCU控制回路操纵的控制阀作为旁通阀，由于TCU温度较低(TI-01)，流向换热器的换热流体减少，导致流经换热器的换热流体越来越少。最终，流量变得非常低，液氮冻结了换热器中剩下的少量传热流体。该设计似乎只准备处理TCU温度设定值在-78℃换热器设定值或附近，并没有考虑TCU和热交换器设定值之间的巨大温差。

很明显，这个问题的解决方案涉及到在热交换器上操纵固定的-78°C设定值，以允许TCU的温度设定值更高。利用趋势比较TCU (TI-01)和换热器(TI-02A)的换热流体温度，为每个TCU实施一个固定的设定值偏移，以避免换热器的低流量状况，同时仍提供足够的液氮将TCU温度(TI-01)降低到设定值。

例如，对于5°C的固定设定点偏移量，将TCU设定点设置为-50°C将导致换热器设定点为-55°C。由于储罐尺寸和换热器管道长度的差异，每个TCU似乎都确定了不同的设定值偏移量，但在优化偏移量后，TCU可以在更高的温度设定值下使用液氮冷却运行。

图2:用于模拟TCU和换热器温度之间关系的不同设定点偏移跟踪方法的概念图。突出显示的区域表示温度控制可能的“金发姑娘”区。在突出显示区域上方的区域，热交换器设定值过低，因此TCU旁通阀响应时开得太大，导致传热流体冻结。在突出显示区域下方的区域，热交换器设定值太热，因此TCU温度设定值永远达不到。蓝色所示的固定偏移量方法在较暖的TCU温度设定值范围内表现良好，但在较冷的设定值范围内，冷却不足，无法达到设定值。线性偏移法，如红色所示，在TCU温度范围内的最暖和最冷设定值都能很好地工作，但在中间设定值时，传热流体最终会冻结。最终，二次偏置方法(黑色所示)表现最佳，成功地使TCU控制回路控制液氮冷却范围内所有设定点的温度。E Tech Group提供

另一个控制系统设计障碍

解决了液氮冻结问题;然而，一个新的问题出现了。以前，TCU可以在固定的-78°C热交换器设定值附近工作，但在添加设定值偏移功能后，TCU无法达到这些较冷的设定值。问题是TCU (TI-01)和热交换器(TI-02A)的传热流体温度之间的差异在较低的温度下增加。

虽然5°C的固定设定点偏移可能适用于-50°C附近的TCU设定点，但对于-70°C附近的TCU设定点，换热器的设定点需要降低8或9°C。为了解决这一问题，将设定值偏移量修改为基于TCU温度设定值的动态偏移量。起初，采用了线性函数，但经过几周的测试，确定了二次函数来最好地模拟这种关系。实施这一改变后，TCUs可以在整个液氮冷却范围内的任何设定点持续运行。

控制系统集成:首先检查工艺设计

这是一个例子，系统集成商不得不偏离原来的工艺设计，并在现场大修控制系统，以满足用户的要求。在初步工艺设计和控制系统的实际操作之间存在信息差距的任何情况下，都可能需要项目的系统集成商介入，并在控制系统中增加灵活性和功能性来弥补。

彻底的初始设计和调查是避免在项目结束时匆忙修补过程设计漏洞的关键。

凯文·汤姆，首席自动化工程师，E-Tech集团．E-Tech集团是控制系统集成商协会的认证成员;相是CFE媒体和技术内容合作伙伴。由网页内容经理克里斯·瓦夫拉编辑，控制工程， CFE媒体与技术，cvavra@cfemedia.com．