DCS控制在鍋爐輸煤系統(tǒng)中的應(yīng)用

李 冬，張保存

（1.中國(guó)石油集團(tuán)東北煉化工程有限公司錦州設(shè)計(jì)院 遼寧 錦州 121001；2.遼寧石油化工大學(xué) 信息與控制學(xué)院，遼寧 撫順 113000）

某大型原油儲(chǔ)備罐區(qū)為國(guó)家重點(diǎn)工程，鍋爐作為其配套工程，產(chǎn)生的蒸汽主要為儲(chǔ)罐升溫、維溫、管線伴熱及冬季供暖使用，該項(xiàng)目共建設(shè)35噸和20噸兩套循環(huán)流化床鍋爐，分別供采暖期和非采暖期使用。

輸煤系統(tǒng)是鍋爐系統(tǒng)的一部分，擔(dān)任著給鍋爐輸送燃料的重要角色。一旦輸煤系統(tǒng)故障，會(huì)直接導(dǎo)致整個(gè)鍋爐系統(tǒng)的停車。從而引發(fā)蒸汽伴熱的缺失，造成儲(chǔ)罐及輸油管線中的原油凝結(jié)，給企業(yè)帶來(lái)重大損失。

1 輸煤系統(tǒng)的組成和特點(diǎn)

輸煤系統(tǒng)控制的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備主要包括：振動(dòng)給煤機(jī)、1#～3#皮帶機(jī)、篩煤機(jī)、碎煤機(jī)、除塵機(jī)組等。為確保安全運(yùn)行，系統(tǒng)對(duì)被控設(shè)備設(shè)置各種檢測(cè)和保護(hù)功能。

輸煤系統(tǒng)具有控制設(shè)備多、分布廣、工作環(huán)境惡劣、操作頻繁及維護(hù)量大等特點(diǎn)[1]。

2 DCS系統(tǒng)簡(jiǎn)述

DCS[2]是分散控制系統(tǒng)（Distributed Control System）的簡(jiǎn)稱，國(guó)內(nèi)一般習(xí)慣稱為集散控制系統(tǒng)。它是一個(gè)由過(guò)程控制級(jí)和過(guò)程監(jiān)控級(jí)組成的以通信網(wǎng)絡(luò)為紐帶的多級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng) ，綜 合 了 計(jì) 算 機(jī) （Computer）、通 訊 （Communication）、顯 示（CRT） 和 控 制 （Control） 等 4C技 術(shù) ， 又 結(jié) 合 了 信 息（Correspondence）管理技術(shù)，目前的DCS是完成過(guò)程控制和信息管理的一種現(xiàn)代化的裝置（即5C技術(shù)）[3]。其基本思想是分散控制、集中操作、分級(jí)管理、配置靈活、組態(tài)方便。DCS一經(jīng)問(wèn)世，就以其高可靠性、適用范圍廣、功能強(qiáng)、安全而成為過(guò)程控制中最為實(shí)用的系統(tǒng)，并獲得了廣泛的應(yīng)用[4]。

圖1 DCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 DCSsystem structure

本項(xiàng)目采用DCS對(duì)鍋爐系統(tǒng)（包含輸煤系統(tǒng)）進(jìn)行控制和管理，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由上至下分為兩個(gè)層次[5]：系統(tǒng)網(wǎng)（SNET）和控制網(wǎng)（C-NET）。系統(tǒng)網(wǎng)是過(guò)程監(jiān)控級(jí)的通信網(wǎng)絡(luò)，用于工程師站/操作站和主控制器之間的雙向數(shù)據(jù)傳輸；控制網(wǎng)是過(guò)程控制級(jí)的通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)控制機(jī)柜內(nèi)的各個(gè)I/O模塊和主控制器之間的互連和信息傳送。I/O模塊通過(guò)主控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的采集和控制，輸煤系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)主要為數(shù)字量信號(hào)（DI/DO）。

3 DCS的控制程序設(shè)計(jì)

輸煤系統(tǒng)按照控制方式分為自動(dòng)、遠(yuǎn)程手動(dòng)和就地手動(dòng)3種，其中自動(dòng)和遠(yuǎn)程手動(dòng)控制由DCS完成，就地手動(dòng)由輸煤設(shè)備自帶控制箱完成。在DCS中設(shè)置順序控制自動(dòng)投用/切除狀態(tài)選擇軟開關(guān)，對(duì)應(yīng)自動(dòng)和遠(yuǎn)程手動(dòng)控制方式。

3.1 自動(dòng)控制

自動(dòng)控制是對(duì)整個(gè)輸煤系統(tǒng)采用一鍵式控制，即在DCS中一鍵啟動(dòng)或停止整套輸煤系統(tǒng)，整個(gè)輸煤程序完全自動(dòng)進(jìn)行控制，無(wú)需操作人員進(jìn)行干預(yù)。這樣有助于提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率，減少操作人員的工作量。

自動(dòng)控制分為啟動(dòng)和停止兩部分順序邏輯控制，下面分別介紹這兩部分順序控制的自動(dòng)控制。這里面的順序控制自動(dòng)投用/切除狀態(tài)選擇軟開關(guān)均置于投用狀態(tài)。

3.1.1 自動(dòng)啟動(dòng)控制

輸煤系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)順序控制如圖2所示。

圖2 輸煤系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)順序控制圖Fig.2 Coal handlingsystemtoautomatically boot sequencecontrol chart

首先廣播系統(tǒng)接到DCS信號(hào)后啟動(dòng)，自動(dòng)發(fā)出警告指令，提醒現(xiàn)場(chǎng)操作人員注意并進(jìn)入指定崗位。

接下來(lái)遵循逆煤流的原則進(jìn)行順序控制啟動(dòng)，即按輸煤物料流程的相反順序進(jìn)行設(shè)備的啟動(dòng)控制?？刂瞥绦蛟O(shè)計(jì)方案如下：

1）自動(dòng)啟動(dòng)除塵機(jī)組（分為A、B兩臺(tái)），這將用來(lái)消除啟動(dòng)后續(xù)設(shè)備帶來(lái)的煤粉塵，改善鍋爐房?jī)?nèi)的環(huán)境。

2）延遲一段時(shí)間（1分鐘）后，啟動(dòng)3#皮帶機(jī)，但要在除塵機(jī)組已運(yùn)行的邏輯條件滿足的情況下。

3）延遲一段時(shí)間（10秒鐘）后，在除塵機(jī)組和3#皮帶機(jī)已運(yùn)行的邏輯條件滿足的前提下，啟動(dòng)碎煤機(jī)。

在順序控制中滿足邏輯條件前提下啟動(dòng)后續(xù)設(shè)備，我們將其稱之為帶條件啟動(dòng)（停止）。這里的邏輯條件不僅指設(shè)備運(yùn)行的條件，延遲時(shí)間到達(dá)也是其中的條件。

4）然后依次按順序延遲啟動(dòng)篩煤機(jī)、2#皮帶機(jī)、1#皮帶機(jī)和振動(dòng)給煤機(jī)，啟動(dòng)每臺(tái)設(shè)備均遵循帶條件啟動(dòng)原則。

整個(gè)輸煤系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程中或啟動(dòng)完成后，如果某個(gè)邏輯條件未滿足的情況需要自動(dòng)進(jìn)行停機(jī)控制，這部分內(nèi)容將在下面的自動(dòng)停止控制中提到。

3.1.2 自動(dòng)停止控制

自動(dòng)停止控制程序分為以下兩種情況：

1）正常停機(jī)的順序控制

完整的正常停機(jī)順序控制如圖3所示。

圖3 完整的正常停機(jī)順序控制圖Fig.3 Complete normal shutdown sequence control chart

與自動(dòng)啟動(dòng)控制正好相反，停止程序遵循順煤流的原則進(jìn)行順序控制停機(jī)，即按輸煤物料流程的相同順序進(jìn)行設(shè)備的停止控制。

在DCS操作站按下自動(dòng)停止開關(guān)后，首先停止振動(dòng)給煤機(jī)，然后均經(jīng)過(guò)一段延遲時(shí)間后依次停止1#皮帶機(jī)、2#皮帶機(jī)、篩煤機(jī)、碎煤機(jī)、3#皮帶機(jī)，最后停止除塵機(jī)組。停止每臺(tái)設(shè)備一定要遵循帶條件停止原則。

2）故障停機(jī)控制

在輸煤系統(tǒng)運(yùn)行階段，如果某個(gè)邏輯條件不滿足，則該需要滿足該條件的設(shè)備禁止啟動(dòng)，同時(shí)該設(shè)備前面已啟動(dòng)的設(shè)備也自動(dòng)停止。

例如篩煤機(jī)發(fā)生故障停機(jī)，那么它的停機(jī)狀態(tài)信號(hào)會(huì)作為聯(lián)鎖停機(jī)信號(hào)送給前面正在運(yùn)行的設(shè)備，包括振動(dòng)給煤機(jī)、1#皮帶機(jī)、2#皮帶機(jī)在內(nèi)的設(shè)備會(huì)同時(shí)停機(jī)。后面正在運(yùn)行的設(shè)備包括碎煤機(jī)和3#皮帶機(jī)則繼續(xù)根據(jù)生產(chǎn)需要運(yùn)行一段時(shí)間。待3#皮帶機(jī)上的煤輸送完畢后，操作人員在可以在DCS操作站上按下停機(jī)按鈕，系統(tǒng)將自動(dòng)按照順序控制程序停止碎煤機(jī)、3#皮帶機(jī)和除塵機(jī)組。

這主要是防止輸煤過(guò)程中出現(xiàn)煤的堆積，從而減少對(duì)其它設(shè)備造成的傷害，同時(shí)也給操作人員和檢修人員進(jìn)行故障排查提供安全的環(huán)境。

故障停機(jī)控制完成后，可以馬上就邏輯條件未滿足可能出現(xiàn)的原因展開排查，找出故障原因并進(jìn)行及時(shí)處理。只有當(dāng)故障解決后才能重新啟動(dòng)順序控制程序。

3.2 遠(yuǎn)程手動(dòng)控制

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，往往需要對(duì)單臺(tái)輸煤設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程啟停控制，我們稱之為遠(yuǎn)程手動(dòng)控制，它又分為聯(lián)鎖手動(dòng)控制和解鎖手動(dòng)控制兩種控制形式。

3.2.1 聯(lián)鎖手動(dòng)控制

根據(jù)現(xiàn)實(shí)情況靈活控制輸煤系統(tǒng)會(huì)用到聯(lián)鎖手動(dòng)控制。首先將順序控制自動(dòng)投用/切除狀態(tài)選擇軟開關(guān)置于切除狀態(tài)，然后按照與自動(dòng)控制相同的順序原則啟動(dòng)（停止）整套或部分輸煤系統(tǒng)。為了保障設(shè)備和人員的安全，程序上依然要遵循帶條件啟動(dòng)（停止）的原則。

3.2.2 解鎖手動(dòng)控制

在輸煤系統(tǒng)試車、調(diào)試和檢修等階段，實(shí)際操作中往往會(huì)用到手動(dòng)遠(yuǎn)程啟動(dòng)和停止單臺(tái)設(shè)備，且不需要受到其它設(shè)備狀態(tài)等條件的影響。與3.2.1相同，前提是將順序控制自動(dòng)投用/切除狀態(tài)選擇軟開關(guān)置于切除狀態(tài)。

在每臺(tái)輸煤設(shè)備的邏輯控制程序中設(shè)置解鎖軟開關(guān)，能夠?qū)⒊撛O(shè)備自身保護(hù)條件外的聯(lián)鎖條件全部切除，聯(lián)鎖切除后的控制即為解鎖手動(dòng)控制?？梢钥闯鼋怄i手動(dòng)控制不再遵循帶條件啟動(dòng)（停止）的原則，這就需要在實(shí)際應(yīng)用中一定要確保安全才能進(jìn)行。我們?cè)贒CS組態(tài)中，將解鎖軟開關(guān)設(shè)置為工程師級(jí)（不允許一般操作人員操作）作為增強(qiáng)安全性的手段。

4 DCS控制的輔助手段

將電視監(jiān)控系統(tǒng)作為DCS程序控制的輔助手段運(yùn)用到輸煤系統(tǒng)中來(lái)，保證設(shè)置攝像機(jī)對(duì)煤廊，皮帶間，振動(dòng)給煤機(jī)等輸煤系統(tǒng)沿線主要環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)全面監(jiān)視，將硬盤錄像機(jī)和監(jiān)控計(jì)算機(jī)設(shè)置于控制室內(nèi)DCS操作站旁，從而使操作人員能夠在室內(nèi)直觀的觀測(cè)到輸煤設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)情況。保證設(shè)備的良好的運(yùn)行狀態(tài)[6]。

電視監(jiān)控系統(tǒng)與DCS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)控制，當(dāng)DCS檢測(cè)到現(xiàn)場(chǎng)某臺(tái)設(shè)備停機(jī)或出現(xiàn)故障信號(hào)時(shí)，電視監(jiān)控畫面能夠自動(dòng)切換到該設(shè)備監(jiān)視畫面。這樣能夠便于操作人員對(duì)出現(xiàn)狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)和及時(shí)處理。

5 結(jié)束語(yǔ)

該大型原油儲(chǔ)備庫(kù)區(qū)的配套鍋爐系統(tǒng)已于2009年投用，至今運(yùn)行狀況良好。從現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用來(lái)看，其輸煤系統(tǒng)成功運(yùn)用了DCS控制，提高了自動(dòng)化水平，優(yōu)化了生產(chǎn)的流程，實(shí)現(xiàn)了控制的靈活性，保證了系統(tǒng)的安全性。

[1]李旭芳.火電廠輸煤程控系統(tǒng)及燃煤計(jì)量方法的研究[D].西安:西安建筑科技大學(xué)，2005．

[2]張德全.集散控制系統(tǒng)原理及其應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[3]朱學(xué)軍.分布式控制系統(tǒng)發(fā)展綜述[J].機(jī)床電器，2004，31（1）:5-8.ZHU Xue-jun.Distributed control systems development review[J].Electrical Machines，2004，31（1）:5-8.

[4]Rahkonen T.Distributed industrial control systems-A critical review regarding openness[J].Control Engineering Pratice，1995，3（8）:1155-1162.

[5]傅周興.工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)及企業(yè)信息網(wǎng)的構(gòu)建[J].電氣傳動(dòng)自動(dòng)化，2002，24（2）:42-44.FU Zhou-xing.Industrial control networks and enterprise information network construction[J].Electrical Transmission Automation，2002，24（2）:42-44.

[6]云鵬剛，張澤.PLC在電廠輸煤自控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2000，18（2）:62-63.YUN Peng-gang，ZHANG Ze.PLC automatic control system used in thecoal handling[J].Microcomputer&Its Applications，2000，18（2）：62-63.