西門(mén)子DCS系統(tǒng)在某焦?fàn)t中應(yīng)用技術(shù)的改進(jìn)分析

李慶民（廣東科達(dá)潔能股份有限公司，廣東佛山，528313）

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西門(mén)子DCS系統(tǒng)在某焦?fàn)t中應(yīng)用技術(shù)的改進(jìn)分析

李慶民
（廣東科達(dá)潔能股份有限公司，廣東佛山，528313）

根據(jù)某煤化工公司搗固焦?fàn)t的自動(dòng)控制需求，應(yīng)用西門(mén)子DCS系統(tǒng)進(jìn)行了技術(shù)改造。本文總結(jié)了基于DCS系統(tǒng)下控制平臺(tái)PCS7系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程，分析了調(diào)試運(yùn)行期間DCS系統(tǒng)發(fā)生的問(wèn)題，并提出了相應(yīng)的解決方案，技術(shù)改造工程取得了良好的效果，對(duì)其他同類型項(xiàng)目具有一定的借鑒意義。

西門(mén)子；DCS系統(tǒng)；搗固焦?fàn)t；自動(dòng)控制

引言

隨著現(xiàn)代大型工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化產(chǎn)品的不斷興起，以及工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程日益復(fù)雜的控制要求，DCS（Distributed Control System）分布式控制系統(tǒng)由于其結(jié)合了多方面先進(jìn)的現(xiàn)代科技技術(shù)，可提供友好型窗口，具有人機(jī)界面互操作性強(qiáng)、通訊效能高等優(yōu)點(diǎn)［1］，使得其在企業(yè)的生產(chǎn)、管理和控制中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

1　焦?fàn)t項(xiàng)目簡(jiǎn)介

某煤化工公司地處西北某生態(tài)工業(yè)園內(nèi)，占地1700畝，項(xiàng)目總投資38.5億。該項(xiàng)目建設(shè)四組八座高度為5.5m，型號(hào)為T(mén)JL5550D的搗固焦?fàn)t炭化室。形成了焦?fàn)t煤氣制甲醇和焦油加工生產(chǎn)線的配套建設(shè)，干焦年產(chǎn)量520萬(wàn)噸，化產(chǎn)每小時(shí)2×14萬(wàn)立方米，天然氣年產(chǎn)24萬(wàn)噸，另有甲醇20萬(wàn)噸、炭黑13萬(wàn)噸，苯加氫10萬(wàn)噸等項(xiàng)目。

該煤化工公司的搗固焦?fàn)t由原化學(xué)工業(yè)第二設(shè)計(jì)院院設(shè)計(jì)的TJL5550D型，該焦?fàn)t全長(zhǎng)15980mm、有效長(zhǎng)15140mm、高5500mm、有效5200mm、炭化室平均寬500mm、錐度20、炭化室中心距1350mm、立火道中心距480mm、立火道32個(gè)。這四組八座焦?fàn)t一次性集成設(shè)計(jì)，整體設(shè)計(jì)較為負(fù)責(zé)。采用先進(jìn)的干熄焦技術(shù)，為8座5.5Mx65孔的搗固焦?fàn)t共配套設(shè)計(jì)了4座處理能力為160t/h的大型化干熄焦裝置（鍋爐采用中溫中壓自然循環(huán)技術(shù)）。另外采用多項(xiàng)適用新技術(shù)和化產(chǎn)，采用雙集氣管高壓氨水無(wú)煙裝煤、推焦除塵地面站等國(guó)內(nèi)先進(jìn)的生產(chǎn)工藝。這些焦?fàn)t及其相關(guān)設(shè)備的控制系統(tǒng)采用了西門(mén)子公司的DCS系統(tǒng)。

2　西門(mén)子DCS系統(tǒng)的構(gòu)成及特點(diǎn)

DCS系統(tǒng)是一種利用微機(jī)對(duì)信息進(jìn)行分散式處理、最優(yōu)化控制的系統(tǒng)，由現(xiàn)場(chǎng)儀表層、控制裝置單元層、工廠（車間）層和企業(yè)管理層四層結(jié)構(gòu)構(gòu)成［2］?？蓪?shí)現(xiàn)工礦企業(yè)控制單元的模塊化，具有分散控制、集中操作、分級(jí)管理、配置靈活以及方便組態(tài)等諸多功能［3］。主要特點(diǎn)有穩(wěn)定性高、開(kāi)放性、靈活性好、易于維護(hù)協(xié)調(diào)、控制功能較全等，是在現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)的主流控制系統(tǒng)。

DCS系統(tǒng)根據(jù)管理和操作權(quán)限的不同，在結(jié)構(gòu)上分為過(guò)程級(jí)、操作級(jí)和管理級(jí)共三個(gè)層級(jí)，每個(gè)層級(jí)具有截然不同的功能和操作方式。操作級(jí)主要是完成系統(tǒng)的操作和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的組態(tài)，主要分為操作員站和工程師站。管理級(jí)則用于企業(yè)高層的監(jiān)控、決策和管理支持功能，主要是指工廠管理信息系統(tǒng)（MIS系統(tǒng)）。

DCS系統(tǒng)的控制具有功能強(qiáng)，性能高，算法多樣，結(jié)構(gòu)有序等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)的構(gòu)成靈活，管理便捷，可以使信息資源得到最大限度共享，同時(shí)又安全、可靠、方便?？刂品绞蕉鄻樱刂萍夹g(shù)先進(jìn)，各種控制技術(shù)均可實(shí)現(xiàn)，甚至是特殊控制算法在需要時(shí)也可適宜地加入。除此以外，DCS是由多級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成的，由網(wǎng)絡(luò)通信為連接并由過(guò)程控制級(jí)以及過(guò)程監(jiān)控級(jí)組成的。因而其組成方式靈活多變。其多樣性體現(xiàn)在不僅體現(xiàn)在可以由各式各樣的站點(diǎn)構(gòu)成，例如操作員站、工程師站、記錄站等。也可以由各種服務(wù)器構(gòu)成，把顯示、操作、打印等管理性功能集中在了一起。其中過(guò)程控制級(jí)是位于底層的，其對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行的收集，采樣和控制都是由分散的現(xiàn)場(chǎng)控制站，數(shù)據(jù)采集站實(shí)現(xiàn)的，然后傳送到生產(chǎn)監(jiān)控級(jí)計(jì)算機(jī)。各種優(yōu)化計(jì)算、故障診斷、顯示報(bào)警、統(tǒng)計(jì)報(bào)表等來(lái)自過(guò)程控制級(jí)的數(shù)據(jù)由生產(chǎn)監(jiān)控級(jí)進(jìn)行集中操作管理。在計(jì)算機(jī)技術(shù)日益發(fā)達(dá)的前提下，DCS在實(shí)現(xiàn)計(jì)劃的調(diào)度，倉(cāng)儲(chǔ)、能源的管理等方面發(fā)揮了重要的作用，并可以與更高級(jí)別、更高性能的計(jì)算機(jī)設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接。

3　西門(mén)子DCS系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

3.1某焦?fàn)tDCS系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該煤化工公司的焦?fàn)t控制系統(tǒng)采用西門(mén)子DCS系統(tǒng)中的PCS7 系統(tǒng)作為控制平臺(tái)。根據(jù)焦?fàn)t運(yùn)行操作的實(shí)際情況，結(jié)合DCS系統(tǒng)的層級(jí)劃分，系統(tǒng)的過(guò)程級(jí)功能模塊主要分為上升管壓力控制子系統(tǒng)、爐底加熱換向子系統(tǒng)、放散與煤氣短缺子系統(tǒng)、焦?fàn)t本體子系統(tǒng)共四個(gè)子系統(tǒng)。這四個(gè)系統(tǒng)的硬件配置方面均采用西門(mén)子400系列冗余控制器。焦?fàn)tDCS系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖1，各子系統(tǒng)配置情況見(jiàn)表1。

圖1　焦?fàn)tDCS系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

（1）Proven系統(tǒng)就是上升管壓力控制子系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)每個(gè)炭化室的壓力、及時(shí)反饋所監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)，以及控制壓力是Proven系統(tǒng)的主要作用。在這個(gè)子系統(tǒng)中，正壓表示在焦?fàn)t正常結(jié)焦的時(shí)候返回的壓力；于此相反，在焦?fàn)t裝煤的時(shí)候返還回來(lái)的壓力就是負(fù)壓。

表2　焦?fàn)t各系統(tǒng)硬件配置明細(xì)表

（2）Reversing系統(tǒng)即是爐底加熱換向子系統(tǒng)。焦?fàn)t爐底加熱換向有紅綠兩種，是系統(tǒng)利用西門(mén)子PCS7的現(xiàn)場(chǎng)總線控制功能（SFC）根據(jù)焦?fàn)t的溫度變化情況而定的。

（3）Bleeder/gas-shortage系統(tǒng)就是放散，煤氣短缺子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)主要是被用于日常不正常工作狀態(tài)的檢測(cè)，如果管道壓力過(guò)大，抑或是鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)吸力不足，爐頂?shù)姆鍟?huì)被系統(tǒng)自動(dòng)控制打開(kāi)，點(diǎn)火燃燒。以此來(lái)提高荒煤氣使用效率，降低大氣污染。

（4）焦?fàn)t本體子系統(tǒng)。焦?fàn)t內(nèi)部配置都是與此相關(guān)的子系統(tǒng)，構(gòu)成成分多樣，功能齊全，變換方式靈活，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。

3.2某焦?fàn)tDCS系統(tǒng)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

（1）DCS系統(tǒng)在焦?fàn)t自動(dòng)控制系統(tǒng)方面具有一定的技術(shù)先進(jìn)性。就國(guó)內(nèi)而言，西門(mén)子DCS系統(tǒng)在焦?fàn)t中的應(yīng)用相對(duì)較少［4］。DCS集散自動(dòng)控制系統(tǒng)的技術(shù)先進(jìn)性可指導(dǎo)國(guó)內(nèi)其他焦?fàn)t控制系統(tǒng)，為其提供經(jīng)驗(yàn)，也讓人們開(kāi)始了對(duì)焦?fàn)t行業(yè)從粗放式經(jīng)營(yíng)到精細(xì)式控制.另外，DCS系統(tǒng)的應(yīng)用也提高了煉焦工作的自動(dòng)化程度，降低了人工成本，同時(shí)也使煉焦工作更能實(shí)現(xiàn)環(huán)保要求。

（2）以西門(mén)子Wincc為例即傳統(tǒng)的HMI軟件。這種HMI軟件的編程人員的手工操作量相對(duì)較大，不僅要手動(dòng)建立所需變量，而且還要手動(dòng)建立各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的輸入、輸出域。但DCS系統(tǒng)卻能夠自動(dòng)生成控制單元，讓焦?fàn)t的自動(dòng)控制運(yùn)行更加方便快捷。傳統(tǒng)的HMI工作強(qiáng)度大，壓力大且不易操作。相對(duì)于較為繁瑣的控制單元來(lái)說(shuō)，畫(huà)面編輯與腳本程序編輯不能同時(shí)進(jìn)行，需要單獨(dú)操作。而西門(mén)子PCS7軟件集兩種編程于一體，分別為PLC編程和HMI 畫(huà)面編輯。編程環(huán)境并不復(fù)雜，簡(jiǎn)約、通俗、易懂，用戶若需要自動(dòng)形成各個(gè)工藝監(jiān)測(cè)點(diǎn)和控制單元，在編寫(xiě)完成控制程序后，只需按次序編澤后即可。

（3）更貼近符合用戶需求的為工程師站+服務(wù)器+客戶端模式。從西門(mén)子PLC編程軟件Step7，HMI軟件Wincc可以看出，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行操作、維護(hù)的人員在添加新的檢測(cè)點(diǎn)和控制單元時(shí)，既要在PLC中編寫(xiě)修改程序，又要在HMI軟件中編寫(xiě)修改程序。并且不論域面有任何改動(dòng)，每臺(tái)電腦單獨(dú)的程序更新都是必須進(jìn)行的，且更新時(shí)一定要停止當(dāng)前的監(jiān)控狀態(tài)（即需要退出并暫時(shí)停止系統(tǒng)的運(yùn)行），等到工程人員拷貝完成并且運(yùn)行正常后，才可以繼續(xù)進(jìn)行操作［5］。

4　西門(mén)子DCS系統(tǒng)在該焦?fàn)t中的問(wèn)題及改進(jìn)

4.1焦?fàn)t改造遇到的問(wèn)題

在改造時(shí)發(fā)生了問(wèn)題，即DCS系統(tǒng)的操作層級(jí)發(fā)生嚴(yán)重死機(jī)故障。

經(jīng)過(guò)觀察，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題主要有三點(diǎn)：一是DCS系統(tǒng)報(bào)警窗故障的發(fā)生；二是畫(huà)面顯示不清晰，都是壞點(diǎn)且切換緩慢；三是以致操作員站的總監(jiān)控失去操控權(quán)，不能對(duì)設(shè)備的畫(huà)面進(jìn)行監(jiān)視和操控。雖然當(dāng)時(shí)采用了一些措施使系統(tǒng)恢復(fù)正常，即對(duì)AC軟件重啟，但是死機(jī)故障仍然不可避免，還是在幾天以后再次發(fā)生，以致所有工程師站和操作員站都無(wú)法正常工作而失去功能。

問(wèn)題分析：對(duì)DCS系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)的情況進(jìn)行觀察、檢查與分析，發(fā)現(xiàn)某些進(jìn)程所配備的動(dòng)態(tài)內(nèi)存空間是一定的，而當(dāng)發(fā)現(xiàn)故障時(shí)，DCS系統(tǒng)服務(wù)器有些進(jìn)程占用的內(nèi)存太大了，從而導(dǎo)致超出預(yù)定空間，然而這些進(jìn)程的超出又會(huì)導(dǎo)致一系列嚴(yán)重的后果，例如造成CPU負(fù)荷大，系統(tǒng)進(jìn)程慢甚者癱瘓。即使在重新啟動(dòng)后恢復(fù)了正常，但這種處理方式只局限于表面還是不能從根本上解決問(wèn)題。

4.2問(wèn)題解決方法

鑒于以上兩次事故，以及對(duì)問(wèn)題深刻分析與探討，作出了對(duì)機(jī)組的運(yùn)行暫時(shí)停止的決定，并制定了如下解決方案：

（1）為了解決信號(hào)的穩(wěn)定性問(wèn)題，需要增加隔離器，增加對(duì)外供電模擬量的信號(hào)輸入，從而因模擬量信號(hào)強(qiáng)烈波動(dòng)導(dǎo)致對(duì)DCS系統(tǒng)內(nèi)存資源的占用率將大幅降低；

（2）為減少系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)荷，不僅要對(duì)部分信號(hào)進(jìn)行更改，還有邏輯系統(tǒng)采樣時(shí)間以及分辨率；另外，還要對(duì)工程師站和操作員站在同一時(shí)刻打開(kāi)畫(huà)面的次數(shù)進(jìn)行控制。

（3）可以對(duì)無(wú)效無(wú)用的報(bào)警點(diǎn)舍棄，為了增強(qiáng)報(bào)警系統(tǒng)恢復(fù)到初始功能時(shí)的狀態(tài)要控制系統(tǒng)報(bào)警點(diǎn)，以此降低系統(tǒng)壓力。

4.3改進(jìn)結(jié)果

在以上各項(xiàng)措施實(shí)施以后，占用容量的情況有所改善，不僅對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的進(jìn)程容量進(jìn)行擴(kuò)充，AC進(jìn)程更是從312Mbytes降低到120Mbytes。在此之后，對(duì)機(jī)組點(diǎn)火啟動(dòng)，DCS也不會(huì)嚴(yán)重死機(jī)，通信狀況也有所改善，阻塞中斷現(xiàn)象沒(méi)有再發(fā)生，吹管也隨后順利完成。寄存器的參數(shù)經(jīng)過(guò)調(diào)整轉(zhuǎn)變?yōu)椋篈C、CC為384Mbytes（原始默認(rèn)值：128Mbytes），ARC196Mbytes（原始默認(rèn)值：64Mbytes），RC128Mbytes（原始默認(rèn)值：64Mbytes），PDS256Mbytes（原始默認(rèn)值：128Mbytes）。

5　結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)分析研究得出如下結(jié)論：

（1）西門(mén)子DCS系統(tǒng)在焦?fàn)t自動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用符合實(shí)際工程需求，具有廣闊前景；

（2）西門(mén)子DCS系統(tǒng)在焦?fàn)t自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)用中具有較好的技術(shù)先進(jìn)性、操作友好性和維護(hù)方便性；

（3）西門(mén)子DCS系統(tǒng)在焦?fàn)t自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)，需要對(duì)系統(tǒng)的容量進(jìn)行充分的冗余考慮，這樣可以避免系統(tǒng)死機(jī)等事故的發(fā)生。

最終，通過(guò)對(duì)該煤化工公司焦?fàn)t自動(dòng)控制系統(tǒng)中采用的西門(mén)子DCS系統(tǒng)PCS7設(shè)計(jì)、應(yīng)用、分析及實(shí)施技術(shù)改造，說(shuō)明西門(mén)子DCS系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性和實(shí)用性，對(duì)國(guó)內(nèi)其他同類型項(xiàng)目的應(yīng)用具有一定的借鑒意義。

［1］羅穎堅(jiān).西門(mén)子TELEPERM XP分散控制系統(tǒng)在臺(tái)山電廠的設(shè)計(jì)應(yīng)用［J］.廣東電力，2006，（4）.

［2］西門(mén)子發(fā)布分散控制系統(tǒng)SPPA T-300q［Z］.中國(guó)電力，2006，（10）. ［3］張華平.西門(mén)子DCS在沙鋼7.63m焦?fàn)t中的應(yīng)用［Z］.冶金動(dòng)力，2012-08-15.

［4］鄭宇. 西門(mén)子DCS系統(tǒng)在大型焦?fàn)t中的應(yīng)用［J］.科技情報(bào)開(kāi)發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2009（7）.

［5］張澎濤等.西門(mén)子SPPA T-3000 DCS系統(tǒng)的應(yīng)用與優(yōu)化［J］，內(nèi)蒙古電力技術(shù)，2008（4）.

李慶民（1966-），男，本科，河北工程大學(xué)，自動(dòng)化高級(jí)專家。研究方向：自動(dòng)化設(shè)計(jì)與制造。

E-mail: lqm@vip.163.com

Analysis Improvement on Application Technology of SIEMENS DCS System in Certain Coke Oven

Qingmin Li
（KeDa （Guangdong） Clean Energy Company Limited， Guangdong， Foshan， 528313， China）

According to the requirements of automatic control of the coal chemical company with the coke oven， the SIEMENS DCS system is designed and applied. The PCS 7 as control platform of the DCS is designed in detail， and alsothe superiority of the application of SIEMENS DCS system is analyzed. Finally analyzing fault occurrences of the DCS system during debugging and running ， putting forward the corresponding solutions，and effect is good， for have a certain reference significance to others.

SIEMEN； DCS System； Coke Oven； Automatic Control

TQ525

A

2095-8412 （2016） 03-532-04