故障恢复控制台修复系统（控制系统故障处理检修记录）

修复工艺设计中的盲点将有助于满足用户对换热器控制系统的需求。

可行的流程设计是成功控制系统设计的基础。这可能与系统集成商关于新工厂建设的老说法“自动化永远是最后参与的”相冲突。系统集成商只有在其他一切就绪后才会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成员。

然而，当系统集成商接手的流程设计与控制系统的实际运行发生冲突时，会出现什么情况呢？当工艺设计存在盲点时，如何满足控制系统用户的需求？

不幸的是，没有一种放之四海而皆准的解决方案。有时，这意味着回到原始状态并重新设计流程中受影响的部分。其他情况可能需要系统集成商弥补差距并修改现场控制系统以解决原始设计中的缺陷。

在本文中，系统集成商的任务是修复一家大型制药公司中试工厂的控制系统缺陷，帮助用户克服挑战并通过迭代开发实现最终结果。

01

原创工艺设计：温度控制回路

该中试装置的核心是一组反应堆罐，每个反应堆罐都使用温度控制单元（TCU）来调节反应堆温度。温度控制单元使用传热流体，可以使用液氮将其冷却至非常低的温度。当液氮冷却控制方案启动时，传热流体被重新引导至液氮热交换器，并在返回反应堆储罐之前冷却至-78C（见图1）。

图1：液氮冷却控制方案简化流程图。

项目设计工程师提供的初始控制方案包括两个温度控制回路：温度控制单元的反馈回路（TIC-01）和液氮换热器的串级回路（TIC-02A/B）。 TCU控制回路温度设定值范围宽。如果设置低于-40C，液氮冷却方案将启动。如果TCU温度过低，截止阀将打开，将传热流体引至液氮换热器，TCU控制回路（TIC-01）将调节控制阀，将传热流体从液氮换热器引流至液氮换热器。热交换器。

一旦建立通过液氮热交换器的流量，液氮供应阀将打开，液氮热交换器回路(TIC-02A/B)将调节控制阀以允许液氮进入热交换器。复叠回路采用换热器氮气出口温度（TI-02B）作为内回路（TIC-02 B）的工艺参数，以换热器传热流体出口温度（TI-02A）作为外回路（TIC-02A）的工艺参数。 02A) 工艺参数。最初，设计工程师为离开热交换器的传热流体建立了-78C 的固定温度设定点。

02

修复控制设计中的缺陷

控制方案首次运行后，很快就发现了原始设计中的一个关键缺陷。使用液氮冷却运行的温度控制单元高于-78C 的设定值将导致热交换器的流量较低。由于TCU控制回路操作的控制阀是旁通阀，流向交换器的传热流体随着温度控制单元的温度降低而减少，导致流经交换器的传热流体越来越少。

最终，流速变得如此之低，以至于液氮冻结了交换器中剩余的少量传热流体。这种设计似乎只考虑了TCU温度设定值在或接近换热器设定值-78时的工况，而没有考虑温控单元与换热器设定值之间较大的温差。

显然，该问题的解决方案涉及修改热交换器的固定-78C 设定点，以允许温度控制单元达到更高的温度。

使用趋势图将温度控制单元(TI-01) 处的传热流体温度与热交换器(TI-02A) 处的温度进行比较为每个TCU 实施固定设定点偏移，以避免热交换器低流量状况，同时仍然提供足够的液氮以将TCU温度（TI-01）降低至其设定值。

例如，当固定设定值偏移为5，温度控制单元设定值为-50时，热交换器设定值为-55。由于储罐尺寸和到热交换器的管道长度的差异，每个温度控制单元被设置为不同的设定点偏移，但在优化偏移后，即使液氮冷却温度设定点较高，温度控制单元也起作用通常情况下。

图2：该图说明了用于对TCU 和热交换器温度之间的关系进行建模的不同设定点偏移跟踪方法。突出显示的区域表示可以进行温度控制的最佳区域。在突出显示的区域上方，热交换器设置太低，因此TCU 旁通阀开得太大，导致传热流体冻结。在突出显示的区域下方，热交换器设定点太高，因此永远不会达到TCU 温度设定点。蓝线代表的固定补偿方法在较高的TCU温度设定值范围内表现良好，但在较低的温度设定值下，冷却不足，无法达到设定值。线性补偿方法（以红线表示）在该范围内最热和最冷的TCU 温度设定点处效果良好，但在中间设定点处传热流体最终会冻结。最后，黑线所示的二次函数偏移方法表现最佳，成功地允许TCU 控制回路控制液氮冷却范围内所有设定点的温度。

03

控制系统设计的另一个障碍

解决了液氮冷冻的问题；然而，新的问题又出现了。此前，温度控制单元可以在热交换器固定温度设定点-78C 附近运行，但在添加设定点偏移功能后，TCU 无法达到这些较冷的设定点。问题在于，温度控制单元(TI-01) 处的传热流体温度与热交换器(TI-02A) 处的传热流体温度之间的差异在温度较低时会增大。

虽然5C 的固定设定点偏移对于接近-50C 的TCU 设定点可能有效，但对于接近-70C 的TCU 设定点，热交换器设定点需要降低8 或9 。

为了解决这个问题，根据TCU温度设定值动态修改设定值偏移。最初使用线性函数，但经过几周的测试，发现二次函数会更好地优化。实施此更改后，TCU 始终可以在整个液氮冷却范围内的任何设定点运行。

04

控制系统集成：首先检查流程设计

在这种情况下，系统集成商不得不偏离原来的工艺设计，对现场的控制系统进行重大修改，以满足用户的要求。如果初步流程设计与控制系统的实际运行之间存在信息差距，则可能需要项目的系统集成商介入并为控制系统添加灵活性和功能来进行补偿。彻底的初步设计和调查是防止项目结束时急于修补设计漏洞的关键。

关键概念：

系统集成商通常是最后参与自动化项目的人员，这为他们提供了独特的运营视角。

完善的初步设计和调查有助于防止在项目结束时疯狂修补以解决设计漏洞。

审稿人：刘庆