大型高爐上DCS控制系統(tǒng)的應(yīng)用分析

【摘要】本文主要分析了DCS控制系統(tǒng)在某鋼鐵廠2000m2高爐控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，包括其工藝流程、控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、以及網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成和實(shí)現(xiàn)控制功能等。并分析了DCS控制系統(tǒng)如何實(shí)現(xiàn)保障高爐順利生產(chǎn)、維持高爐系統(tǒng)穩(wěn)定以及對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)密監(jiān)測。

【關(guān)鍵詞】大型高爐；DCS控制系統(tǒng)；控制站；歷史站

集散控制系統(tǒng)（DCS）是由過程監(jiān)控級(jí)和過程控制級(jí)組成的多級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其以通信網(wǎng)絡(luò)為聯(lián)系樞紐將控制、通信、顯示和計(jì)算機(jī)等合理有序的融合在一起，即以計(jì)算機(jī)為技術(shù)核心，運(yùn)用通信網(wǎng)絡(luò)將獨(dú)立進(jìn)行控制、采集、監(jiān)視和操作的過程控制站、計(jì)算機(jī)站和數(shù)據(jù)采集站等組織成為一個(gè)完整的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)信息資源共享。其理念就是集中操作、分級(jí)管理、分散控制。[1]它不僅具有控制功能齊全、開放性、可靠性、靈活性以及協(xié)調(diào)性等優(yōu)點(diǎn)，還具有自身特有的技術(shù)工藝如冗余、小型、自診斷和開放等使其在工業(yè)過程控制方面得以廣泛的應(yīng)用。

1.自動(dòng)化系統(tǒng)構(gòu)成

本文中研究的該鋼鐵廠2000m2高爐采用的DCS控制系統(tǒng)開放性好、兼容性能佳，不僅可以實(shí)現(xiàn)不同廠家自動(dòng)化設(shè)備的共同作業(yè)還可以與管理計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息傳遞。DCS采用的數(shù)據(jù)庫是分布式結(jié)構(gòu)，有效的降低了集中式數(shù)據(jù)庫可能累積的高風(fēng)險(xiǎn)。并且用戶可以隨意的從該系統(tǒng)的某一點(diǎn)得到其在系統(tǒng)中的全部信息。該DCS控制系統(tǒng)有效的將儀表和電氣的分工作業(yè)融合起來，簡化了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)加快了網(wǎng)絡(luò)速度，使得系統(tǒng)資源能夠得以充分的運(yùn)用，同時(shí)也便于系統(tǒng)的維護(hù)和控制。

DCS控制系統(tǒng)可以對(duì)大部分高爐工藝實(shí)施有效的監(jiān)控，主要有：上料系統(tǒng)；高爐本體系統(tǒng)；焦炭和礦石儲(chǔ)備、輸送系統(tǒng)；煤氣清洗系統(tǒng)；出鐵場系統(tǒng)；水渣系統(tǒng)；無料鐘爐頂系統(tǒng)；噴吹系統(tǒng)、熱風(fēng)爐系統(tǒng)和煤粉制備系統(tǒng)等，并且對(duì)爐頂余壓發(fā)電系統(tǒng)的控制也實(shí)施了預(yù)留舉措。[2]

DCS控制系統(tǒng)分為兩級(jí)系統(tǒng)功能，其中一級(jí)是基礎(chǔ)自動(dòng)化，其主要功能是對(duì)高爐生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和初步處理，可對(duì)生產(chǎn)的邏輯順序進(jìn)行控制也可對(duì)其生產(chǎn)過程的連續(xù)調(diào)節(jié)進(jìn)行控制。在該鋼鐵廠選用的DCS控制系統(tǒng)中配置有控制站（DPU）、高速數(shù)據(jù)通信總線、操作員站（SUN工作站為其操作平臺(tái)），硬拷貝機(jī)和打印機(jī)等，其中操作員站中有2臺(tái)用作軟件維護(hù)和系統(tǒng)組態(tài)，相當(dāng)于工程師站。 每一個(gè)控制站按冗余方式進(jìn)行硬件的配置，包括冗余的分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、Intel CPU和電源以及非冗余的輸出繼屯器、輸入接線端子和I/O模件等。軟件包括分布式數(shù)據(jù)庫程序以及系統(tǒng)固化支持程序等。操作站間均可以交替使用。高速數(shù)據(jù)通信總線的數(shù)據(jù)信息途徑以時(shí)間為界限進(jìn)行分段廣播，其在室外的部分采用光纖傳播，室內(nèi)的部分采用同軸電纜進(jìn)行數(shù)字廣播。其以以太網(wǎng)為信息傳輸媒介，可以與其他系統(tǒng)之間進(jìn)行信息傳遞。

另外一級(jí)為過程控制級(jí)，其主要功能為對(duì)高爐生產(chǎn)過程設(shè)定數(shù)據(jù)，進(jìn)行作業(yè)管理、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、控制計(jì)算和操作指導(dǎo)等。在過程控制級(jí)中共配有SUN工作站、打印機(jī)、硬拷貝機(jī)以及Pc終端機(jī)。以上配置與高爐原燃料之間可以通過調(diào)制解調(diào)的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，其各單元之間也可以通過以太網(wǎng)和高速數(shù)據(jù)總線進(jìn)行信息傳遞。以不間斷電源裝置對(duì)其進(jìn)行供電，且其停電保持時(shí)間應(yīng)不低于30min。依據(jù)不同的控制對(duì)像，控制設(shè)備被安置在相對(duì)應(yīng)的控制室或電氣室中，被安置在現(xiàn)場的遠(yuǎn)程I/O。

2.DCS控制系統(tǒng)對(duì)高爐的主要控制功能

2.1控制站的控制功能

DCS控制系統(tǒng)可依據(jù)高爐不同的工藝將控制站進(jìn)行不同控制功能的分配，服務(wù)器是整個(gè)控制站中心，其主要管理系統(tǒng)的整個(gè)數(shù)據(jù)庫，包含有系統(tǒng)組態(tài)、流程圖、輸出點(diǎn)和控制回路等。該控制系統(tǒng)可只建立一個(gè)工程就可將編輯監(jiān)控畫面、網(wǎng)絡(luò)硬件組態(tài)和編程融合在一起。其可以滿足各種畫面的編輯，編輯后只需將其下載到相應(yīng)的操作站即可，這一個(gè)控制程序涵蓋了高爐的子控制系統(tǒng)。

控制臺(tái)的主要的控制功能可做如下的安排：（1）采集和處理焦炭和礦石輸送和儲(chǔ)備系統(tǒng)狀態(tài)以及稱重等數(shù)據(jù)；控制輸送皮帶機(jī)上礦石原料的跟蹤觀察等控制振動(dòng)篩、稱量料斗閘門和礦石輸送皮帶機(jī)等設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)先后控制焦炭輸送皮帶機(jī)、轉(zhuǎn)換溜槽和焦炭振動(dòng)篩等設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)先后；控制補(bǔ)正焦炭的水分；補(bǔ)正礦石和焦炭的稱量誤差以及處理設(shè)備故障的報(bào)警。（2）采集和處理高爐自身的系統(tǒng)溫度數(shù)據(jù)，控制爐頂系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，控制爐頂各設(shè)備如排壓閥、均壓閥和密封閥等的運(yùn)轉(zhuǎn)先后以及控制料流調(diào)節(jié)；控制燃燒和送風(fēng)溫度等。（3）采集和處理高爐煤氣和爐頂清洗系統(tǒng)以及熱風(fēng)爐系統(tǒng)的流量、溫度及壓力數(shù)據(jù)；控制爐頂壓力；控制文氏管洗滌器的煤氣差壓和水位；監(jiān)測高爐風(fēng)口和冷卻板等。（4）采集和處理噴吹煤粉系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的數(shù)據(jù)，采集和控制噴吹煤粉的流量、溫度和稱重等的數(shù)據(jù)；并控制其設(shè)備運(yùn)行的順序和噴煤速率。（5）采集和記錄水渣和出鐵場系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)數(shù)據(jù)；采集和處理其稱重、流量、溫度和液位等數(shù)據(jù)；控制成品槽水清洗閥、事故閥、爐渣輸送皮帶機(jī)等設(shè)備；控制出渣方式和轉(zhuǎn)鼓速度以及水渣設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)程序等。[3]

2.2歷史站的控制功能

歷史站的主要控制功能是對(duì)高爐所有的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行歷史記錄，以數(shù)據(jù)反映部分生產(chǎn)的發(fā)展趨向，并將其以報(bào)表形式打印出來等。歷史站中存儲(chǔ)著重要的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，因而保障歷史站中的數(shù)據(jù)安全是極為重要的。為了滿足數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的空間，系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)選用雙CPU模式，并使用冗余電源和網(wǎng)卡，以及大容量的硬盤，在本次研究的鋼鐵廠中其硬盤數(shù)量為8且存儲(chǔ)量為40GB的硬盤，且8塊磁盤均采用磁盤冗余陣列方式進(jìn)行排列。在歷史中報(bào)表可以以數(shù)據(jù)的形式存貯一個(gè)月時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了無紙化報(bào)表，并且在該系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)上均可以對(duì)其進(jìn)行抽調(diào)查看。[4]

2.3操作員站的控制功能

操作員站的操作系統(tǒng)為Windows XP，其軟件安裝版本為Ovation Developer Studio，且其需安裝兩塊冗余網(wǎng)卡。操作員站的主要控制功能是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)操作和對(duì)生產(chǎn)進(jìn)行監(jiān)控，但不能隨意更改編輯，若要更改則需在服務(wù)器上就進(jìn)行操作，之后從服務(wù)器上下載到到相應(yīng)的操作站。

3.DCS控制系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的保障

保證DCS系統(tǒng)的運(yùn)行的穩(wěn)定是保障其對(duì)大型高爐合理控制的基礎(chǔ)，但是DCS系統(tǒng)的故障卻是一種無法完全避免的現(xiàn)象，因而我們只能通過對(duì)其的維護(hù)和調(diào)試以期減少這種現(xiàn)象的發(fā)生。系統(tǒng)故障發(fā)生的原因很多，針對(duì)其發(fā)生的原因可對(duì)其采取有針對(duì)性的防范措施。首先要對(duì)DCS系統(tǒng)中的服務(wù)器、控制器和通訊網(wǎng)絡(luò)等設(shè)備進(jìn)行冗余結(jié)構(gòu)的配置形式，這樣可以極大的增強(qiáng)其在對(duì)高爐進(jìn)行控制時(shí)的穩(wěn)定和安全性。其次要注重對(duì)系統(tǒng)的通訊功能進(jìn)行維護(hù)，防止其因過重的負(fù)荷而發(fā)生故障。要確認(rèn)通訊電纜之間連接的牢靠性，而且還要增強(qiáng)其抗干擾性。第三還要格外注重對(duì)DCS系統(tǒng)的冗余供電，可采用二級(jí)管脈沖給進(jìn)以保障供電電源的供電不間斷。[5]最后要增強(qiáng)對(duì)系統(tǒng)的軟件管理，要采取有效的防干擾舉措，在電子區(qū)域內(nèi)嚴(yán)禁各種無線通訊工具的使用，靠近DCS系統(tǒng)的區(qū)域內(nèi)要對(duì)大功率通訊工具限制使用。而且還需制定相應(yīng)的DCS系統(tǒng)預(yù)警方案和應(yīng)急措施，對(duì)系統(tǒng)各項(xiàng)設(shè)備進(jìn)行合理的周期性的檢修，將影響DCS系統(tǒng)穩(wěn)定安全運(yùn)行的隱患及早排除。

【參考文獻(xiàn)】

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[3]劉龍.唐鋼自動(dòng)化公司煉鐵高爐維檢中心.數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2011（10）.

[4]張磊.淺析DCS鍋爐自動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[J].科技與企業(yè)，2012（1）.

[5]黃巧林.基于DCS的鍋爐電氣自動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用[J].中國電子務(wù)，2011（10）.