化工生產(chǎn)操作控制中DCS 的應(yīng)用

葉宛麗

（吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，132013）

隨著化工企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模和可實(shí)現(xiàn)功能的逐步擴(kuò)大，化工生產(chǎn)所配置的生產(chǎn)裝置規(guī)模和復(fù)雜度也得到了大幅度的提升，這種環(huán)境下，僅僅依靠人工進(jìn)行生產(chǎn)控制已經(jīng)無(wú)法滿足化工企業(yè)的生產(chǎn)需求，而信息技術(shù)的發(fā)展及其在多領(lǐng)域的應(yīng)用使得化工生產(chǎn)自動(dòng)化越來(lái)越普及，推動(dòng)了化工企業(yè)的產(chǎn)品生產(chǎn)控制逐步向自動(dòng)化、智能化、規(guī)?；约皬?fù)雜化方向發(fā)展。依托計(jì)算機(jī)相關(guān)技術(shù)配合使用多種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)以及控制技術(shù)和顯示技術(shù)等多種綜合性技術(shù)而發(fā)展起來(lái)的分布式控制系統(tǒng)（DCS），在化工生產(chǎn)控制中得到了廣泛的應(yīng)用。該控制系統(tǒng)可以對(duì)化工生產(chǎn)中的多種設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)化生產(chǎn)管理和控制，可以有效提高企業(yè)的生產(chǎn)效率，降低管理成本，節(jié)約能耗，還能夠?yàn)槠髽I(yè)的持續(xù)發(fā)展提供不竭動(dòng)力，是現(xiàn)代化化工生產(chǎn)控制的核心手段之一。

1 DCS 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能

1.1 總體體系結(jié)構(gòu)

DCS 系統(tǒng)可以利用多種拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)將化工生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中的設(shè)備和相關(guān)儀器儀表等與下位機(jī)、服務(wù)器、工作站等組成一個(gè)可控網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)通常具有三層結(jié)構(gòu)，可以在分散環(huán)境下對(duì)多個(gè)監(jiān)測(cè)設(shè)備和監(jiān)測(cè)過(guò)程進(jìn)行控制與管理。

首先，分散過(guò)程控制級(jí)處于整個(gè)DCS 系統(tǒng)的底層，用于直接對(duì)生產(chǎn)對(duì)象、控制對(duì)象等進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和功能控制。該層將上述設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息采集后集中傳遞給上一級(jí)，即集中操作監(jiān)控級(jí)，進(jìn)行分析，同時(shí)下載和接收上一級(jí)傳遞的控制指令及操作命令對(duì)具體對(duì)象進(jìn)行工業(yè)控制，如更改參數(shù)采集方式、執(zhí)行順序或閉環(huán)調(diào)節(jié)控制等。

其次，集中操作監(jiān)控級(jí)位于DCS 系統(tǒng)的中間層，面向化工生產(chǎn)控制與操作人員。該層可以將其下一級(jí)傳遞的數(shù)據(jù)分析處理后以更加簡(jiǎn)單明了直觀的方式呈現(xiàn)在操作管理人員面前，并利用曲線圖、趨勢(shì)圖以及流程圖等標(biāo)注生產(chǎn)運(yùn)行狀態(tài)等，便于操作管理人員實(shí)時(shí)分析生產(chǎn)中各參數(shù)和各過(guò)程的執(zhí)行狀態(tài)，并根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果制定具體的執(zhí)行內(nèi)容。

再次，綜合信息管理級(jí)屬于DCS 系統(tǒng)的最高級(jí)管理層，向整個(gè)系統(tǒng)提供軟硬件支持以及協(xié)助完成生產(chǎn)管理和市場(chǎng)經(jīng)營(yíng)等功能。該層可以對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中的每一個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行監(jiān)控，對(duì)各生產(chǎn)控制數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總、分析以及存檔，增強(qiáng)化工企業(yè)的自動(dòng)化辦公水平。

1.2 通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

DCS 系統(tǒng)的通信結(jié)構(gòu)也分文三個(gè)層次，分別為信息管理層、過(guò)程控制層以及控制站內(nèi)部控制網(wǎng)絡(luò)層。

其中，信息管理層中應(yīng)用通用的、支持TCP/IP 協(xié)議的分散網(wǎng)絡(luò)將各網(wǎng)橋和計(jì)算機(jī)并網(wǎng)成為完整的DCS 控制系統(tǒng)。該通信層可以對(duì)整個(gè)系統(tǒng)中產(chǎn)生的運(yùn)行參數(shù)以及系統(tǒng)信息等進(jìn)行匯總，并向下層傳遞生產(chǎn)調(diào)度指令，將各信息并入企業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)。

控制站內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)層則是根據(jù)實(shí)際的工作需要使用具體的、適當(dāng)?shù)耐ㄐ艆f(xié)議和通信結(jié)構(gòu)進(jìn)行信息傳輸和信息交換。

1.3 主要實(shí)現(xiàn)功能

實(shí)際應(yīng)用中，以控制站、操作員工作站等為主體的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)與以現(xiàn)場(chǎng)控制站、操作站等為主體的控制網(wǎng)絡(luò)是實(shí)現(xiàn)化工生產(chǎn)的主要部分。

利用控制站DCS 系統(tǒng)可以方便的建立某一項(xiàng)目或某一流程的I/O 服務(wù)，通過(guò)該服務(wù)協(xié)議和內(nèi)容控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并將采集到的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)化為圖形信息，向操作或管理人員呈現(xiàn)，如單回路控制畫(huà)面、流程畫(huà)面等。

利用操作員站DCS 系統(tǒng)可以快速的對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的某一參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，如設(shè)備壓力，產(chǎn)品溫度、輸入材料流量等。通過(guò)這種實(shí)時(shí)參數(shù)調(diào)整方式可以有效保證生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量與生產(chǎn)要求相匹配。

利用其他輔助監(jiān)控設(shè)備DCS 系統(tǒng)還能夠?qū)﹃P(guān)鍵流程或關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控或異常報(bào)警等。該功能可以有效提升整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的故障應(yīng)對(duì)和處理能力，不僅可以向工作人員提供準(zhǔn)確的故障位置，故障原因等信息，還能夠自動(dòng)生成故障時(shí)間、故障說(shuō)明的記錄日志，方便后期優(yōu)化。例如，當(dāng)攪拌電動(dòng)機(jī)或空壓機(jī)發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)檢測(cè)到異常信號(hào)會(huì)將監(jiān)控屏幕中顯示該設(shè)備狀態(tài)的狀態(tài)燈由綠色變?yōu)榧t色，并發(fā)送聲音警報(bào)等向操作人員報(bào)警。

2 DCS 系統(tǒng)在化工生產(chǎn)中的具體應(yīng)用

2.1 反應(yīng)器反應(yīng)溫度的DCS 控制

化工生產(chǎn)的一個(gè)關(guān)鍵控制部分是反應(yīng)器，反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)溫度直接影響著化工反應(yīng)的效果和生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量。雖然化工產(chǎn)品的質(zhì)量由壓力、溫度、工藝等多個(gè)因素決定，但是實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)表明，反應(yīng)溫度是化工生產(chǎn)過(guò)程控制中的關(guān)鍵因素之一。若能夠?qū)Ψ磻?yīng)器內(nèi)的反應(yīng)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和分析，進(jìn)而根據(jù)分析結(jié)果決定是否需要對(duì)反應(yīng)生成的反應(yīng)熱進(jìn)行處理，則可以有效的控制反應(yīng)器內(nèi)的化工材料相互間的反應(yīng)狀態(tài)，避免因溫度過(guò)高引起的連鎖反應(yīng)，甚至導(dǎo)致無(wú)法控制現(xiàn)象的出現(xiàn)。

以圖1 所示反應(yīng)器控制系統(tǒng)為例，反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)原料由A,B,C三個(gè)端口進(jìn)入反應(yīng)器，但是在進(jìn)入時(shí)，三者之間的流量比例和流速等會(huì)對(duì)反應(yīng)溫度產(chǎn)生影響。此時(shí)為了控制反應(yīng)器內(nèi)處于穩(wěn)定的狀態(tài)需要在反應(yīng)器中配備質(zhì)量流量計(jì)、流量定值控制儀、橢圓齒輪流量計(jì)等測(cè)量設(shè)備，以便于根據(jù)測(cè)量結(jié)果控制不同原料進(jìn)入反應(yīng)器的流量、流速等。確保投料誤差在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

反應(yīng)器中的反應(yīng)過(guò)程分為三個(gè)典型階段：升溫升壓階段、過(guò)渡階段、恒溫恒壓階段。在升溫時(shí)可以設(shè)定具體的升溫執(zhí)行方式，由DCS系統(tǒng)自動(dòng)控制升溫參數(shù)，進(jìn)而控制升溫速度。若在升溫過(guò)程中出現(xiàn)溫度提升速度過(guò)快或過(guò)慢現(xiàn)象，則需要將自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制狀態(tài)移除，手工調(diào)節(jié)蒸汽調(diào)節(jié)閥等溫度控制裝置，調(diào)整升溫速度，使升溫速度重新進(jìn)入正常狀態(tài)。恒溫恒壓狀態(tài)的溫度調(diào)節(jié)同樣可以應(yīng)用DCS系統(tǒng)完成。

具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：

設(shè)反應(yīng)器的升溫過(guò)程存在四個(gè)關(guān)鍵溫度點(diǎn)，分別為a，b，c，d。當(dāng)T2 的溫度低于a 時(shí)，反應(yīng)器DCS 控制系統(tǒng)會(huì)使用單回路PID 控制電路調(diào)整V1 和V2 蒸汽閥閥位，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的調(diào)節(jié)；當(dāng)T2 的溫度達(dá)到a 未到b 時(shí)，DCS 控制系統(tǒng)會(huì)斷開(kāi)V2 蒸汽閥的控制調(diào)節(jié)，只應(yīng)用V1 對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行調(diào)節(jié)；溫度超過(guò)b 未到c 時(shí)，此時(shí)轉(zhuǎn)換到調(diào)節(jié)T1 來(lái)執(zhí)行溫度與壓力串級(jí)控制相關(guān)程序，進(jìn)一步控制溫度的變化；若溫度超過(guò)c，說(shuō)明溫度過(guò)高，此時(shí)需要及時(shí)切除V1 和V2，同時(shí)啟動(dòng)循環(huán)水調(diào)節(jié)閥V3 調(diào)整溫度。

利用DCS 系統(tǒng)可有效實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器控制的自動(dòng)化，提高溫度控制精度到±0.5℃級(jí)別。

2.2 液位串級(jí)控制

以圖2 所示的系統(tǒng)為例，該圖中存在兩個(gè)化工反應(yīng)塔T1205 和T1407。鑒于兩個(gè)塔之間的進(jìn)料出料之間存在一定的關(guān)聯(lián)，可以將兩個(gè)塔進(jìn)行串聯(lián)控制。T1205 塔需要控制和調(diào)整液位時(shí)需要調(diào)整塔底出料量，而其排除的出料量又是T1407 塔的進(jìn)料量，兩者之間串聯(lián)成控制系統(tǒng)可以提高進(jìn)料、出料的穩(wěn)定與同步。此外，配合使用回路電路，還能夠消除塔內(nèi)或者出料排出端對(duì)出料流量的影響，進(jìn)一步提升液位控制的精度和穩(wěn)定度。

2.3 連鎖控制

該控制應(yīng)用主要用于對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行保護(hù)，避免某一設(shè)備發(fā)生故障后造成一系列連鎖反應(yīng)，對(duì)其他設(shè)備造成損害。連鎖控制功能是由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的邏輯運(yùn)算部分完成的。該邏輯運(yùn)算部分會(huì)對(duì)整個(gè)DCS 控制系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控和采集，一旦發(fā)現(xiàn)某一連鎖反應(yīng)規(guī)則成立則會(huì)按照預(yù)定設(shè)置對(duì)該連鎖鏈路內(nèi)的生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行操作控制，如切斷電磁閥、更改調(diào)節(jié)閥狀態(tài)等。警報(bào)狀態(tài)解除后等待操作人員指令，重新恢復(fù)到正常運(yùn)行狀態(tài)。

3 DCS 控制系統(tǒng)的優(yōu)越性分析

DCS 控制系統(tǒng)將硬件設(shè)備，軟件控制以及信息傳輸網(wǎng)絡(luò)組成一個(gè)有機(jī)的控制系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)對(duì)分布于離散環(huán)境下的設(shè)備進(jìn)行集中控制與管理，不僅可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的最優(yōu)化，還能夠提升生產(chǎn)管理效果，降低生產(chǎn)控制成本?？偨Y(jié)來(lái)看，DCS 控制系統(tǒng)應(yīng)用于化工生產(chǎn)具有如下幾方面優(yōu)點(diǎn)。

3.1 強(qiáng)大的控制功能

借助計(jì)算機(jī)硬件和專(zhuān)業(yè)數(shù)據(jù)處理與控制電路系統(tǒng)等硬件設(shè)備，DCS 控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多種控制方式和控制內(nèi)容，無(wú)論是單回路控制還是多變量?jī)?yōu)化控制、無(wú)論是常規(guī)PID 運(yùn)算還是其他復(fù)雜運(yùn)算和補(bǔ)償、無(wú)論是整體性連續(xù)反饋控制還是具體環(huán)境下的局部間斷邏輯控制，只需要對(duì)DCS 控制系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)或程序進(jìn)行調(diào)節(jié)和選取即可完成。

3.2 靈活的人機(jī)交互功能

DCS 系統(tǒng)可以將多監(jiān)測(cè)點(diǎn)的多監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)集中呈現(xiàn)在管理界面中供相關(guān)工作人員使用。DCS 系統(tǒng)在應(yīng)用趨勢(shì)圖、流程圖等直觀呈現(xiàn)方式監(jiān)呈現(xiàn)監(jiān)控狀態(tài)方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。除此之外，關(guān)聯(lián)參數(shù)和關(guān)聯(lián)設(shè)備的關(guān)系分布和參數(shù)調(diào)整也可以通過(guò)監(jiān)控中心完成。在實(shí)際應(yīng)用中，操作人員通過(guò)觀察監(jiān)控屏幕中各參數(shù)和圖表的狀態(tài)來(lái)對(duì)整個(gè)化工生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行控制，若需要調(diào)整某一參數(shù)或修改某一回路組態(tài)，只需要遠(yuǎn)程操作即可完成，真正實(shí)現(xiàn)對(duì)化工生產(chǎn)的集中控制與管理。

3.3 擴(kuò)展性靈活

DCS 控制系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，每一模塊相互獨(dú)立，若需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行功能擴(kuò)展或監(jiān)控范圍擴(kuò)展，只需要按照規(guī)定的接口進(jìn)行功能或模塊設(shè)計(jì)即可。若需要改變系統(tǒng)的控制級(jí)別，只需要按照組態(tài)的方法將新的控制回路添加到DCS 控制系統(tǒng)中?？梢?jiàn)，該系統(tǒng)具有非常高的擴(kuò)展靈活性，便于化工生產(chǎn)企業(yè)按照資金狀況、生產(chǎn)進(jìn)度等分批次完善DCS 控制系統(tǒng)。

3.4 安全性能高

在安全控制方面，DCS 控制系統(tǒng)同樣采用分散控制結(jié)構(gòu)，對(duì)于關(guān)鍵生產(chǎn)流程和生產(chǎn)內(nèi)容還采用了多冗余設(shè)置，將安全故障的影響范圍和影響時(shí)間控制在最低限度范圍內(nèi)。DCS 控制系統(tǒng)還存在自我診斷和恢復(fù)功能，對(duì)于處理能力范圍內(nèi)的故障，系統(tǒng)可以通過(guò)調(diào)整控制回路，重新啟動(dòng)等操作恢復(fù)到正常工作狀態(tài)。

4 總結(jié)

化工生產(chǎn)自動(dòng)化水平的不斷提高，生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大等均要求在生產(chǎn)控制中采用先進(jìn)的自動(dòng)化和智能化程度較高的管理控制系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)進(jìn)行控制。DCS 控制系統(tǒng)是一種廣泛應(yīng)用于化工生產(chǎn)的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以通過(guò)適當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)將分散的被監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一集中管理，提升生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量，提高生產(chǎn)控制精度，降低生產(chǎn)成本，增強(qiáng)化工企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

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