DCS控制系統(tǒng)在制氧中的應(yīng)用

　　DCS

　　它是一個由過程控制級和過程監(jiān)控級組成的以通信網(wǎng)絡(luò)為紐帶的多級計算機系統(tǒng)，綜合了計算機，通信、顯示和控制等4C技術(shù)，其基本思想是分散控制、集中操作、分級管理、配置靈活以及組態(tài)方便。

　　在特殊控制領(lǐng)域，如核電站控制系統(tǒng)，DCS的含義被誤叫做數(shù)字化控制系統(tǒng)（Digitalcontrolsystem），其實質(zhì)仍為分布式操作系統(tǒng)。

　　概述

　　首先，DCS的骨架—系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，它是DCS的基礎(chǔ)和核心。由于網(wǎng)絡(luò)對于DCS整個系統(tǒng)的實時性、可靠性和擴充性，起著決定性的作用，因此各廠家都在這方面進(jìn)行了精心的設(shè)計。對于DCS的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)來說，它必須滿足實時性的要求，即在確定的時間限度內(nèi)完成信息的傳送。這里所說的“確定”的時間限度，是指在無論何種情況下，信息傳送都能在這個時間限度內(nèi)完成，而這個時間限度則是根據(jù)被控制過程的實時性要求確定的。因此，衡量系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)性能的指標(biāo)并不是網(wǎng)絡(luò)的速率　，即通常所說的每秒比特數(shù)（bps），而是系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的實時性，即能在多長的時間內(nèi)確保所需信息的傳輸完成。

　　系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)還必須非?？煽浚瑹o論在任何情況下，網(wǎng)絡(luò)通信都不能中斷，因此多數(shù)廠家的DCS均采用雙總線、環(huán)形或雙重星形的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。為了滿足系統(tǒng)擴充性的要求，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)上可接入的最大節(jié)點數(shù)量應(yīng)比實際使用的節(jié)點數(shù)量大若干倍。這樣，一方面可以隨時增加新的節(jié)點，另一方面也可以使系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)運行于較輕的通信負(fù)荷狀態(tài)，以確保系統(tǒng)的實時性和可靠性。在系統(tǒng)實際運行過程中，各個節(jié)點的上網(wǎng)和下網(wǎng)是隨時可能發(fā)生的，特別是操作員站，這樣，網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)會經(jīng)常進(jìn)行，而這種操作絕對不能影響系統(tǒng)的正常運行，因此，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該具有很強在線網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)功能。

　　DCS

　　其次，這是一種完全對現(xiàn)場I/O處理并實現(xiàn)直接數(shù)字控制（DDC）功能的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。一般一套DCS中要設(shè)置現(xiàn)場I/O控制站，用以分擔(dān)整個系統(tǒng)的I/O和控制功能。這樣既可以避免由于一個站點失效造成整個系統(tǒng)的失效，提高系統(tǒng)可靠性，也可以使各站點分擔(dān)數(shù)據(jù)采集和控制功能，有利于提高整個系統(tǒng)的性能。DCS的操作員站是處理一切與運行操作有關(guān)的人機界面（HMI-HumanMachineInterface或operatorinterface）功能的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。

　　工程師站是對DCS進(jìn)行離線的配置、組態(tài)工作和在線的系統(tǒng)監(jiān)督、控制、維護(hù)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，其主要功能是提供對DCS進(jìn)行組態(tài)，配置工作的工具軟件（即組態(tài)軟件），并在DCS在線運行時實時地監(jiān)視DCS網(wǎng)絡(luò)上各個節(jié)點的運行情況，使系統(tǒng)工程師可以通過工程師站及時調(diào)整系統(tǒng)配置及一些系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定，使DCS隨時處在最佳的工作狀態(tài)之下。與集中式控制系統(tǒng)不同，所有的DCS都要求有系統(tǒng)組態(tài)功能，可以說，沒有系統(tǒng)組態(tài)功能的系統(tǒng)就不能稱其為DCS。

　　漢中鋼鐵有限公司制氧廠6000m3空分設(shè)備于2003年4月投入運行，其配套的是北京和利時公司的MACS-SmartproDCS控制系統(tǒng)。MACS是和利時公司設(shè)計的新一代大型DCS控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用了目前世界上先進(jìn)的現(xiàn)場總線技術(shù)（Profibus-DP總線），對控制系統(tǒng)實現(xiàn)計算機監(jiān)控，具有可靠性高，適用性強等優(yōu)點，是一個完善、經(jīng)濟(jì)、可靠的控制系統(tǒng)。該DCS系統(tǒng)的使用，不但使?jié)h鋼的自動化水平上了一個新的臺階，也是6000m3空分系統(tǒng)正常運行的有力保障。

　　1DCS結(jié)構(gòu)及組成

　　1.1漢鋼制氧DCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖（如圖1所示）

　　

　　1.2管理監(jiān)控站

　　漢鋼制氧DCS控制采用北京和利時公司DCS系統(tǒng)，型號為SmartPro。上層配置兩臺計算機對DCS的運行情況進(jìn)行實時綜合監(jiān)視及操作，其中一臺作為工程師站兼操作站，另外一臺為操作站。操作站計算機軟件均采用和利時公司的FacView作為監(jiān)控平臺，且運行獨立工程，其中任一臺退出不會影響另一臺計算機的運行。在工程師站上安裝有控制算法軟件ConMaker，用于對DCS控制程序進(jìn)行修改和監(jiān)控。

　　1.3現(xiàn)場控制站現(xiàn)場控制站配置兩個互為冗余的主控單元（FM811），主控單元上有硬件冗余切換電路及故障自檢電路。兩個主控單元進(jìn)行熱備份，它們同時接收網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，兩個主控單元同時做控制運算，但只有一個輸出運算結(jié)果，且通過雙口RAM實時更新數(shù)據(jù)。一旦工作中的主控單元發(fā)生故障，備份主控單元自動進(jìn)入工作狀態(tài)，而且切換過程是無擾動的。

　　1.4網(wǎng)絡(luò)冗余

　　MACS系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)由上到下分為監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)（即MNET）、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)（即SNET）和控制網(wǎng)絡(luò)（即CNET）三個層次，監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)工程師站、操作員站與系統(tǒng)服務(wù)器的互連，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)現(xiàn)場控制站與系統(tǒng)服務(wù)器的互連，控制網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)現(xiàn)場控制站與過程I/O單元的連接與通訊。每個主控單元的多功能卡上設(shè)計有兩套SNET網(wǎng)絡(luò)接口電路，用于實現(xiàn)SNET網(wǎng)絡(luò)的冗余結(jié)構(gòu)。所以該系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了冗余配置。

　　1.5電源冗余

　　該系統(tǒng)電源模塊為特殊設(shè)計，功率大，穩(wěn)定性好，均實現(xiàn)冗余配置，兩個電源并聯(lián)使用，均流運行，當(dāng)其中一個故障時，另一個自動承擔(dān)全部負(fù)載。

　　漢鋼制氧DCS系統(tǒng)配備了8塊電源模塊，其中兩兩互為冗余。

　　1.6I/O模塊

　　現(xiàn)場控制站實現(xiàn)了所有I/O模塊的智能化，將控制有效地分散到各個I/O模塊，降低主控單元/主控模塊的負(fù)擔(dān)，使得板級運行狀態(tài)檢測和故障診斷能力得以提高。采用Profibus-DP總線技術(shù)取代傳統(tǒng)的并行總線，使各模塊的故障被有效地隔離。所有模塊均帶有隔離電路，將通道上竄入的干擾源與系統(tǒng)隔離。現(xiàn)場控制站的所有模塊上都帶有CPU，每塊模板都周期性地進(jìn)行自診斷。而且由于采取了特殊保護(hù)措施，系統(tǒng)中主控單元和所有模塊（AI、AO、DI、DO）均可帶電拔插，對系統(tǒng)的運行不會產(chǎn)生任何影響。這樣保證了系統(tǒng)在某些模塊發(fā)生故障時，維護(hù)人員可以快速更換且不用停電，從而縮短了故障處理的時間。漢鋼制氧DCS系統(tǒng)使用I/O模板情況如表1：

　　

　　2漢鋼DCS系統(tǒng)控制功能

　　漢鋼制氧DCS系統(tǒng)包含以下控制內(nèi)容。

　　2.1空壓機

　　空壓機系統(tǒng)中檢測了空壓機、主電機的軸溫，潤滑油溫度、壓力及進(jìn)氣、排氣溫度和壓力、空壓機軸振動測量、冷卻水溫度、壓力等一系列相關(guān)數(shù)據(jù)。其中主要有如下幾個重要內(nèi)容：

　　（1）空壓機防喘振SV1015閥自動調(diào)節(jié)及聯(lián)鎖控制

　　SV1015防喘振閥是氣關(guān)閥，如果電磁閥失電，該調(diào)節(jié)閥將自動打開。在空壓機開機以后，SV1015閥投入自動運行，根據(jù)設(shè)定值自動調(diào)節(jié)壓縮機排氣壓力。本系統(tǒng)中SV1015閥自動調(diào)節(jié)平穩(wěn)準(zhǔn)確，完全符合設(shè)計要求。另外為該閥設(shè)計了一系列的聯(lián)鎖條件，有效地防止了SV1015閥誤動作的產(chǎn)生。

　?。?）空壓機運行安全保護(hù)聯(lián)鎖控制

　　空壓機是空分設(shè)備中最重要的組件，它的正常與否直接影響空分系統(tǒng)的正常運行。所以空壓機運行安全聯(lián)鎖保護(hù)也非常關(guān)鍵。其中空壓機I級到IV級軸溫、大小齒輪溫度每一個點對應(yīng)都有兩支熱電阻檢測其溫度，其中一路引入DCS系統(tǒng)實現(xiàn)聯(lián)鎖保護(hù)（任一溫度點≥80℃就聯(lián)鎖停機），另外一路接入現(xiàn)場儀表盤面巡檢儀上顯示。在實際生產(chǎn)中出現(xiàn)過兩次由于電阻本身損壞而造成空壓機聯(lián)鎖停機，為了杜絕這種誤動作的產(chǎn)生，我們將現(xiàn)場巡檢儀改為巡檢控制儀，將該巡檢控制儀的超限報警輸出信號接入DCS，與原先接入的溫度比較信號相與，從而有效地杜絕了因為熱電阻的原因而產(chǎn)生的誤動作。修改控制程序以后，空壓機再也沒有出現(xiàn)過誤動停機的現(xiàn)象。

　　控制原理圖如圖2所示。

　　

　　2.2預(yù)冷系統(tǒng)

　　預(yù)冷系統(tǒng)主要包含空冷塔、水冷塔和冷凍機組部分的壓力、溫度、液面及流量檢測，以及冷凍機組的啟?？刂?。同時主要還有空冷塔液面自動調(diào)節(jié)（V1111）、水冷塔液面自動調(diào)節(jié)（V1138）以及V1136閥遙控調(diào)節(jié)。

　　2.3純化系統(tǒng)

　　純化系統(tǒng)除分子篩、電加熱器部分的工藝檢測及CO2檢測外，主要實現(xiàn)了電加熱器的自動聯(lián)鎖和分子篩部分電磁閥的自動切換。漢鋼制氧DCS系統(tǒng)由于設(shè)備安裝及其它原因的影響，目前沒有采用自動切換分子篩，而是采用計算機集中手動方式完成分子篩的切換操作。在原電加熱器聯(lián)鎖設(shè)計中存在漏洞，出現(xiàn)過一次沒有再生氣體通過電加熱器，而電加熱器仍然加熱，導(dǎo)致電加熱器干燒損壞的事故，在查明原因后，我們將MS1212閥的開到位信號引入聯(lián)鎖系統(tǒng)，從而有效地杜絕了電加熱器干燒的現(xiàn)象再次發(fā)生。

　　2.4分餾塔系統(tǒng)

　　分餾塔系統(tǒng)檢測了分餾塔內(nèi)部各個部位及5組換熱器的溫度，上塔、下塔阻力及壓力，液氧液位、液空液位，入塔空氣流量，出塔氧氣、氮氣流量等一系列工藝檢測量。另外，主要實現(xiàn)了以下重要調(diào)節(jié)量：液氧液位自動調(diào)節(jié)（V1閥）、液空液位自動調(diào)節(jié)（V2閥）等。

　　2.5膨脹機系統(tǒng)

　　漢鋼制氧配備了兩臺膨脹機。DCS系統(tǒng)主要檢測了兩臺膨脹機的進(jìn)出口壓力及溫度，增壓機進(jìn)出口壓力，膨脹機噴嘴壓力，膨脹機軸承溫度及進(jìn)口油壓，ET1、ET2出口溫度，兩臺膨脹機轉(zhuǎn)速等。另外，對SV443、SV444放散閥、膨脹機進(jìn)口調(diào)節(jié)SV457、SV458閥的開關(guān)、膨脹機油泵啟停與膨脹機軸承溫度、油壓及膨脹機轉(zhuǎn)速進(jìn)行聯(lián)鎖控制，保障了膨脹機的安全運行。

　　2.6壓氧、壓氮系統(tǒng)

　　漢鋼制氧配備了三臺氧壓機，一臺氮壓機，其中三號氧壓機可切換為備用氮壓機使用。壓氧、壓氮系統(tǒng)主要檢測了氧氮壓機各級進(jìn)排氣溫度、壓力，潤滑油溫度、壓力等工藝過程量，同時還實現(xiàn)了氧氮壓機、油泵的啟停聯(lián)鎖控制。

　　另外還實現(xiàn)了氧氣、氮氣回流調(diào)節(jié)。

　　2.7外網(wǎng)調(diào)壓系統(tǒng)

　　外網(wǎng)調(diào)壓系統(tǒng)配有氧氣球罐、氮氣球罐各一個，并設(shè)置有氧氣調(diào)壓間，主要完成將產(chǎn)品氧氣向煉鋼轉(zhuǎn)爐輸送，保證轉(zhuǎn)爐煉鋼用氧的壓力穩(wěn)定，均衡。外網(wǎng)調(diào)壓系統(tǒng)檢測了氧氣、氮氣球罐壓力，送往煉鋼氧氣、氮氣壓力、流量。主要實現(xiàn)了氧氣壓力雙路自動調(diào)節(jié)，使煉鋼轉(zhuǎn)爐冶煉所用氧氣的壓力平穩(wěn)輸送，保障轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)的順行。

　　2.8液氧儲槽系統(tǒng)

　　漢鋼制氧配有50m3立式液氧儲槽一座，用于液氧儲存及氧氣充瓶。液氧儲槽系統(tǒng)主要檢測了儲槽內(nèi)的壓力及液氧液位。

　　3漢鋼DCS系統(tǒng)軟硬件配置

　　3.1軟件配置

　　———操作系統(tǒng)：WindowsNTWorkstaTIonV410

　　———控制策略及組態(tài)軟件：ConMaker

　　———監(jiān)控組態(tài)軟件：FaceView

　　———現(xiàn)場控制站應(yīng)用控制軟件1套（漢鋼制氧專用）

　　———漢鋼制氧操作站監(jiān)控應(yīng)用軟件2套（漢鋼制氧專用）312硬件配置（1）操作站

　　———主機：DELLP4電腦兩臺（雙網(wǎng)卡）

　　———顯示器：DELL21寸高分辨率彩色顯示器

　　———以太網(wǎng)交換機：8口D-Link交換機2臺

　　———UPS電源：SANTAK6KVA不間斷電源1臺（2）現(xiàn)場控制站

　　———主機柜：和利時專用主機柜1面

　　———主控單元：和利時FM811主機2臺

　　———電源：和利時FM191電源8臺

　　———I/O模塊：和利時FM145、FM151、FM143、FM143A、FM161、FM171模擬量輸入輸出，開關(guān)量輸入輸出模塊共46塊。

　　———中繼器：西門子RS485中繼器1臺

　　———繼電器柜：輸出繼電器及開關(guān)柜1面

　　DCS系統(tǒng)所有用電都通過UPS電源供給，在市電停電時，UPS電源仍然能夠提供1小時以上的供電，保障DCS系統(tǒng)操作、監(jiān)控的順利進(jìn)行。

　　4漢鋼DCS系統(tǒng)運行狀況

　　漢鋼制氧廠DCS系統(tǒng)自2003年4月底正式投運以來，經(jīng)歷了一系列的考驗?，F(xiàn)總結(jié)如下：

　　（1）系統(tǒng)運行初期由于相關(guān)維護(hù)人員對系統(tǒng)不熟悉，在監(jiān)控程序時由于誤操作曾經(jīng)造成過系統(tǒng)停機，后經(jīng)過完善系統(tǒng)管理權(quán)限，該現(xiàn)象沒再發(fā)生過。

　?。?）電加熱器由于接觸器功率太小，造成短路拉弧，損壞DCS系統(tǒng)模塊中兩個輸入點，更換接觸器和輸入模塊后系統(tǒng)正常。

　?。?）DCS系統(tǒng)曾經(jīng)出現(xiàn)監(jiān)控畫面自動切換、操作員權(quán)限自動變化等一系列莫名其妙的現(xiàn)象，后經(jīng)過觀察判斷，我們確認(rèn)是和利時提供的兩塊工程鍵盤產(chǎn)生的故障，將這兩塊工程鍵盤取掉后系統(tǒng)恢復(fù)正常，上述現(xiàn)象沒再發(fā)生過。

　?。?）其它如熱電阻損壞造成空壓機停機、電加熱器空燒等事故經(jīng)過對控制程序完善修改及采取相關(guān)保護(hù)措施，杜絕了該類事故的重復(fù)發(fā)生。

　　（5）操作站監(jiān)控畫面每隔一段時間就會出現(xiàn)操作及畫面切換變慢的現(xiàn)象，我們在辦公室經(jīng)過對監(jiān)控畫面軟件測試后發(fā)現(xiàn)了該軟件存在的漏洞，并及時地將其漏洞反饋給和利時公司，該公司對其程序做了相應(yīng)修改。我們更新監(jiān)控軟件后，畫面切換變慢現(xiàn)象雖然仍有出現(xiàn)，但是出現(xiàn)的頻率大大降低。

　?。?）除過上述情況以外，漢鋼制氧DCS系統(tǒng)總體情況還是很可靠的，運行1年多來，沒有出現(xiàn)過1次因為DCS本身故障而停止生產(chǎn)的狀況發(fā)生。漢鋼制氧能夠順利運行1年多，該DCS系統(tǒng)發(fā)揮了極大的作用。