化工工藝設(shè)施中低壓電機(jī)的DCS監(jiān)控應(yīng)用

付強(qiáng)

摘 要：隨著我國(guó)社會(huì)科學(xué)技術(shù)發(fā)展進(jìn)程的不斷深入，信息化高速進(jìn)入到我們生活的每一處角落，而基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的工業(yè)控制也逐步成為時(shí)代發(fā)展的必需，自動(dòng)化控制理念成為了我們所處這個(gè)時(shí)代的標(biāo)志。那么，筆者在該文中將以化工工藝設(shè)施中低壓電機(jī)的DCS監(jiān)控技術(shù)作為研究對(duì)象，并主要闡述其應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：化工工藝 低壓電機(jī) DCS監(jiān)控 應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2013）03（a）-0-01

1 DCS系統(tǒng)的構(gòu)成及特點(diǎn)

DCS技術(shù)自20世紀(jì)70年代誕生以來(lái)，經(jīng)歷了多次技術(shù)變革與更新發(fā)展，目前已被廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域，其中以石油和化工的應(yīng)用最為普及。石油化工企業(yè)應(yīng)用DCS技術(shù)來(lái)替代傳統(tǒng)的儀表控制系統(tǒng)現(xiàn)已成為一種必然的發(fā)展趨勢(shì)。DCS系統(tǒng)即分布式控制系統(tǒng)，其是本質(zhì)上是基于計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)對(duì)化工生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行集中化監(jiān)視、實(shí)際操作、分散控制與管理。DCS系統(tǒng)作為一種既可以縱向分層又可以橫向分散的綜合控制系統(tǒng)，其主要依托于多層計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將分散于全生產(chǎn)范圍以內(nèi)各種控制設(shè)備的信息數(shù)據(jù)處理裝置加以連接和整合，從而實(shí)現(xiàn)了各個(gè)部分信息共享組織工作控制、管理以及決策的功用。

現(xiàn)如今，我國(guó)大多數(shù)化工工藝設(shè)施均以使用DCS的監(jiān)控方式來(lái)進(jìn)行工業(yè)控制。DCS監(jiān)控的實(shí)際方式是發(fā)變組保護(hù)、綜合自動(dòng)化運(yùn)行保護(hù)裝置、用電系統(tǒng)的保護(hù)和自動(dòng)裝置的動(dòng)作情況。其動(dòng)原理是基于通過(guò)各個(gè)獨(dú)立設(shè)備裝置的動(dòng)作信號(hào)和位置狀態(tài)等有效開(kāi)關(guān)量來(lái)作為基本輸入量值（DI）輸送至DCS控制系統(tǒng)中心實(shí)現(xiàn)控制過(guò)程。如電流（A）、電壓（V）和功率（P）等模擬變量通過(guò)電量變送器輸出4～20 mA的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)并輸送至DCS系統(tǒng)的控制中心，DCS的控制指令則被作為輸出量發(fā)送至電氣設(shè)備或裝置，而各個(gè)電氣設(shè)備或裝置則與DCS系統(tǒng)的控制中心以硬接線的方式形成關(guān)聯(lián)。以下是筆者對(duì)DCS系統(tǒng)構(gòu)成及特點(diǎn)的分析。

1.1 系統(tǒng)的構(gòu)成

DCS系統(tǒng)的硬件構(gòu)成分為管理操作應(yīng)用的工作站臺(tái)、現(xiàn)場(chǎng)的控制站臺(tái)以及通信網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)三大類。

（1）管理操作應(yīng)用的工作站臺(tái)。管理操作應(yīng)用的工作站臺(tái)包括工程師站臺(tái)、操作員站臺(tái)和歷史數(shù)據(jù)站臺(tái)等功能服務(wù)站臺(tái)。工程師站臺(tái)主要為相關(guān)技術(shù)人員提供可生成控制系統(tǒng)的人機(jī)端口，目的在于DCS系統(tǒng)的組態(tài)與維護(hù)，而這些技術(shù)人員也可以通過(guò)這一站臺(tái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行人為監(jiān)視。操作員站臺(tái)為相關(guān)技術(shù)人員提供可以與系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行人機(jī)交互的操作界面，目的在于監(jiān)視可完成的數(shù)據(jù)狀態(tài)值和操作人員對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)的操縱。歷史數(shù)據(jù)站臺(tái)則是為了存儲(chǔ)整個(gè)DCS系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)通過(guò)利用組態(tài)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)趨勢(shì)的狀態(tài)值顯示、報(bào)表輸出打印和故障追憶等功用。現(xiàn)場(chǎng)控制站臺(tái)被用于對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信息的采集與處理環(huán)境以實(shí)現(xiàn)大多數(shù)的控制策略，且本控制站臺(tái)具有比較可靠的冗余保障和網(wǎng)絡(luò)通信功用。通信網(wǎng)絡(luò)可連接DCS系統(tǒng)的各個(gè)分散部件，從而確保完成數(shù)據(jù)、指令以及其他信息的傳遞工作過(guò)程。同時(shí)，為了進(jìn)一步保障DCS系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，系統(tǒng)的電源設(shè)備、通信網(wǎng)絡(luò)和過(guò)程控制站臺(tái)均采用冗余的配置。

（2）DCS系統(tǒng)的軟件部分通常是由實(shí)時(shí)多任務(wù)的操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)存系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通訊軟件、組態(tài)軟件和其他應(yīng)用軟件共同組成。

（3）DCS系統(tǒng)在其結(jié)構(gòu)上一般采取模塊化的設(shè)計(jì)思路，以合理地配置和靈活地組態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)組的模擬量控制（MCS）、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS）、鍋爐燃燒控制和爐膛安全系統(tǒng)（FSSS）、順序控制系統(tǒng)（SCS）等功能及效用。

1.2 系統(tǒng)的特點(diǎn)

DCS系統(tǒng)之所以能夠被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)控制當(dāng)中，究其原因主要是因?yàn)镈CS系統(tǒng)具有以下幾方面的特點(diǎn)。

（1）分散性。DCS系統(tǒng)的分散性是指分散控制、地域分散、設(shè)備分散、功能分散和危險(xiǎn)分散。系統(tǒng)硬件的積木化和軟件的模塊化是其分散性特點(diǎn)的具體行為體現(xiàn)，主要的目的就是為了使系統(tǒng)控制的危險(xiǎn)因素最大化的分散，從而有效提高系統(tǒng)控制的可靠性與安全性。

（2）集中性。DCS系統(tǒng)的集中性是指集中化的監(jiān)視、操作及管理過(guò)程。通過(guò)利用通信網(wǎng)絡(luò)將分散的設(shè)備及軟件連接統(tǒng)一成為一個(gè)整體，然后基于分布式的數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的信息集成與共享，且操作人員還可以同時(shí)在多臺(tái)操作站臺(tái)上來(lái)進(jìn)行集中監(jiān)視、操作及管理。

（3）自治性。DCS系統(tǒng)的自治性是指該系統(tǒng)中的分散設(shè)備均可以獨(dú)立形式進(jìn)行工作。控制站臺(tái)自主進(jìn)行輸入、計(jì)算、控制及輸出過(guò)程，操作員站臺(tái)可以自主實(shí)現(xiàn)監(jiān)視、操作及管理過(guò)程，工程師站臺(tái)則可以在在線或離線狀態(tài)下進(jìn)行組態(tài)過(guò)程。

（4）協(xié)調(diào)性：DCS系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性是指系統(tǒng)中的各臺(tái)設(shè)備利用通信網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫(kù)聯(lián)合，相互傳遞信息和組織工作，從而實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的整合功能。需強(qiáng)調(diào)的是，DCS系統(tǒng)的分散性與集中和協(xié)調(diào)性與自治兩組關(guān)系并不對(duì)立的關(guān)系而是相互補(bǔ)充。

（5）靈活性和擴(kuò)展性：DCS系統(tǒng)的硬件設(shè)備具有積木式結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，既可以靈活配置各類大小不一的系統(tǒng)構(gòu)造，又可基于企業(yè)發(fā)展趨勢(shì)來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)拓展。而系統(tǒng)的軟件部分則是采用模塊式的結(jié)構(gòu)，主動(dòng)提供信息的傳遞、計(jì)算及控制功能塊，既可以靈活組態(tài)各類控制系統(tǒng)，又可以基于工藝流程的變化來(lái)隨時(shí)修正具體的控制預(yù)案。

（6）可靠性和適應(yīng)性：實(shí)際上，DCS系統(tǒng)的分散性就可以使得系統(tǒng)更具可靠性，并輔以如冗余等技術(shù)，使得DCS系統(tǒng)能夠完全適應(yīng)各種惡劣的工作環(huán)境。

2 DCS監(jiān)控系統(tǒng)在化工低壓電機(jī)中的應(yīng)用

DCS系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)的集成品。以下通過(guò)分析DCS監(jiān)控系統(tǒng)在化工工藝設(shè)施低壓電機(jī)中的應(yīng)用即可體現(xiàn)。

2.1 低壓電機(jī)DCS監(jiān)控系統(tǒng)的組成方式

（1）低壓電機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)總線分別與10kV、6kV智能終端設(shè)備連接，并通過(guò)通信管理層與上位機(jī)系統(tǒng)連接。對(duì)于一些較成熟的專用設(shè)備如AVR設(shè)置、故障錄波的保護(hù)裝置、輔助電源自動(dòng)切換裝置是被采用的獨(dú)立產(chǎn)品，通過(guò)管理和PC系統(tǒng)連接。在CRT電氣后臺(tái)工作站和DCS系統(tǒng)監(jiān)測(cè)控制臺(tái)上清晰的結(jié)構(gòu)方式可實(shí)現(xiàn)靈活轉(zhuǎn)換，且可以分階段實(shí)施，拓展也極為方便。系統(tǒng)監(jiān)控管理采用雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)可靠性較高?；谠撓到y(tǒng)，要么直接由通訊與DCS通訊管理，也可以直接和DCS通信通過(guò)以太網(wǎng)。通過(guò)備份主機(jī)通訊卡系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)與MIS系統(tǒng)的信息交換。

（2）通信單元、DCS系統(tǒng)以及電氣后臺(tái)系統(tǒng)之間的端口。它們之間信息交換過(guò)程的側(cè)重點(diǎn)有所不同。設(shè)置電氣后臺(tái)系統(tǒng)的主要目的在于使得電氣設(shè)備操作技術(shù)人員可以對(duì)整個(gè)電氣自動(dòng)保護(hù)裝置進(jìn)行日常的監(jiān)視和維護(hù)。通常情況下，不對(duì)其進(jìn)行控制操作，但是在電氣后臺(tái)系統(tǒng)中的信息接收量往往要比DCS系統(tǒng)多很多，且可以實(shí)現(xiàn)對(duì)即時(shí)數(shù)據(jù)的收集、狀態(tài)值顯示、查詢以及報(bào)表打印等等等等。

（3）遠(yuǎn)程I/O和分布式I/O的連接模式：遠(yuǎn)程I/O的采集單元通常是在I/O相對(duì)比較集中現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)的I/O機(jī)柜的安裝。主要負(fù)責(zé)收集附近電氣設(shè)備的I/O量，并通過(guò)I/O通信網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)字信息傳遞至DCS控制中心。具體來(lái)說(shuō)，就是利用分散安裝于就地開(kāi)關(guān)柜的集合保護(hù)功能、測(cè)量功能、控制功能和通迅功能于一體的智能測(cè)控保護(hù)裝置，將由10 kV、6 kV工作段集中控制的低壓電動(dòng)機(jī)，由鍋爐、汽機(jī)及保安MCC供電集中控制的低壓電動(dòng)機(jī)。

（4）智能終端設(shè)備和現(xiàn)場(chǎng)總線的連接模式：開(kāi)放的現(xiàn)場(chǎng)總線是一種全數(shù)字化、雙向多支路的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將智能終端設(shè)備，主要控制計(jì)算機(jī)和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。對(duì)數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)男畔ⅲ總€(gè)接觸可以共享一個(gè)物理傳輸介質(zhì)。

智能終端設(shè)備是基于微電子技術(shù)的發(fā)展，大規(guī)模集成電路、嵌入式系統(tǒng)，包括CPU、內(nèi)存、A/D轉(zhuǎn)換器、I/O電路集成設(shè)備等。主要由中壓和低壓保護(hù)系統(tǒng)的測(cè)量和控制設(shè)備和自動(dòng)化設(shè)備。這些設(shè)備與測(cè)量、控制、保護(hù)、信號(hào)、通信等基本功能，并完成單獨(dú)的特殊功能。

2.2 低壓電機(jī)DCS監(jiān)控系統(tǒng)的原理分析

低壓電機(jī)DCS監(jiān)控系統(tǒng)是基于控制分散，分散風(fēng)險(xiǎn)和操作和管理集中的設(shè)計(jì)理念，采用多層分級(jí)結(jié)構(gòu)、合作、自主，適應(yīng)了現(xiàn)代化生產(chǎn)和管理的要求。因?yàn)镈CS是最新的現(xiàn)場(chǎng)總線和嵌入式軟件、先進(jìn)控制、報(bào)告、CRT和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等，使得它可以解決小到一個(gè)大的整體設(shè)備（如低壓電機(jī)），現(xiàn)代工廠完全控制整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程，并提供了基礎(chǔ)信息管理平臺(tái)。

整個(gè)系統(tǒng)由三個(gè)功能層構(gòu)成

（1）測(cè)控保護(hù)層。由大量的保護(hù)裝置和自動(dòng)裝置。它主要由分散安裝于就地開(kāi)關(guān)柜的智能終端裝置、發(fā)變組保護(hù)、AVR、ATS，沿著裝置組成等等。保護(hù)功能完全獨(dú)立。使用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，利用光纖或屏蔽雙絞線連接，通信管理。從而實(shí)現(xiàn)分布式綜合監(jiān)控這些設(shè)備。

（2）信息溝通管理。這一層的功能是DCS控制命令的控制層，或電氣背景工作站從固定值變化順序，發(fā)給相關(guān)的設(shè)備。并將發(fā)送的信息發(fā)送到DCS系統(tǒng)的每個(gè)單元或電氣背景工作站。通訊管理與通信信息接收、發(fā)送消息、代碼轉(zhuǎn)換等功能。通訊管理和以太網(wǎng)是用來(lái)連接電腦系統(tǒng)。通訊管理一般配置的前端機(jī)或通訊管理單元，提供12 ～16個(gè)通訊接口。

（3）上位機(jī)系統(tǒng)。該層包括DCS系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)后臺(tái)工作站。電氣背景工作站系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)設(shè)備的管理和維護(hù)，電氣系統(tǒng)、功率測(cè)量、故障錄波、保護(hù)定值的變化和交付等。由DCS系統(tǒng)完成的照片顯示，報(bào)表生成和打印、控制、和事件日志和警報(bào)等。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，我們有理由相信DCS系統(tǒng)可以被廣泛應(yīng)用于化工工藝設(shè)施中低壓電機(jī)監(jiān)控中，通過(guò)進(jìn)一步提升DCS系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，將會(huì)給生產(chǎn)用戶提供更多的收益。當(dāng)前，我們急需做到的工作應(yīng)該是拓展DCS系統(tǒng)突破化工主工藝設(shè)備的局限性，力求將更多的輔助系統(tǒng)結(jié)合于整個(gè)DCS系統(tǒng)使之成為功能特色更為多樣化的自動(dòng)控制系統(tǒng)。

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