DCS系統(tǒng)發(fā)展及其在水泥智能工廠建設中的作用

王恒兵

摘 要：DCS系統(tǒng)作為工業(yè)生產(chǎn)控制的核心，伴隨著電子計算機和控制技術(shù)的發(fā)展應運而生，經(jīng)過近半個世紀的發(fā)展，在水泥等流程行業(yè)得到了廣泛運用，有效提升了工業(yè)自動化控制水平。當前國家正大力推行工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應用，水泥行業(yè)也正在掀起智能工廠建設熱潮。本文從DCS系統(tǒng)的概念、發(fā)展及其在水泥的應用，論述了DCS系統(tǒng)與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)系以及在水泥智能工廠建設中的作用，預測了DCS系統(tǒng)的未來發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：DCS系統(tǒng);工業(yè)互聯(lián)網(wǎng);水泥智能工廠

中圖分類號：TQ172.6 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1003-5168（2022）4-0017-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.04.003

Development of DCS and Role in Construction of Intelligent Cement Plant

WANG Hengbing

（Anhui Conch Information Technology Engineering Co.， Ltd.， Wuhu 241000，China）

Abstract： As the core of industrial production control， DCS came into being with the development of electronic computer and control technology. After nearly half a century of development， DCS has been widely used in cement industry and other process industries， and has effectively improved the level of industrial automation control. At present， China is vigorously promoting the application of Industrial Internet， and the cement industry is also setting off an upsurge in construction of intelligent plant. From the perspectives of concept， development and application of DCS in cement industry， this paper discusses the relationship between DCS and Industrial Internet， its role in the construction of intelligent cement plant， and forecasts the future development direction of DCS.

Keywords： DCS; industrial internet; intelligent cement plant

1 DCS系統(tǒng)概述

1.1 技術(shù)發(fā)展

20世紀70年代，以霍尼韋爾TDC2000系統(tǒng)為代表的第一代集散控制系統(tǒng)開始應用于化工等流程行業(yè)，有效提升了生產(chǎn)線的控制水平，此時的DCS具備了操作管理裝置、通信網(wǎng)絡和現(xiàn)場分散控制裝置，實現(xiàn)了DCS“分散控制、集中控制”的基本功能。

進入20世紀80年代后期，隨著半導體技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)、控制技術(shù)、計算機技術(shù)和軟件技術(shù)的飛速發(fā)展，DCS系統(tǒng)功能、網(wǎng)絡傳輸速率和系統(tǒng)可靠性不斷提高，軟件界面由梯形圖、填表式組態(tài)開發(fā)方式逐漸向圖形化編程方式發(fā)展，系統(tǒng)開發(fā)和維護難度逐步降低。另外，各大系統(tǒng)都在向可擴展性、標準化和產(chǎn)品化方面發(fā)展，DCS的發(fā)展應用日趨成熟，逐漸成為流程行業(yè)自動控制的標準配置。

DCS系統(tǒng)的發(fā)展是測控儀表行業(yè)的一次重大革命，DCS出現(xiàn)之前，流程行業(yè)的各工序車間，都設置有就地的控制室，受限于通信技術(shù)的欠缺，所有的開關(guān)和儀表監(jiān)控信號都是通過電纜與控制室內(nèi)的模擬燈光指示屏和開關(guān)控制臺相連，控制室監(jiān)控設備龐大復雜，大量的電纜集中敷設于控制室內(nèi)。融合4C技術(shù)包括計算機技術(shù)（Computer）、通信技術(shù)（Comunication）、控制技術(shù)（Control）和顯示技術(shù)（CRT），輸入/輸出（Input/Output，IO）模塊就地置于控制室內(nèi)，采集現(xiàn)場信號，經(jīng)過現(xiàn)場控制器計算處理后，通過通信網(wǎng)絡，實現(xiàn)中央控制室的集中監(jiān)控。

各現(xiàn)場控制器按照現(xiàn)場工序進行分片控制，一個現(xiàn)場控制器的故障不影響整個DCS運行，分散了系統(tǒng)風險。為了提高系統(tǒng)可靠性，部分重點行業(yè)對控制器、網(wǎng)絡、通信模塊及操作站等采用了冗余配置，極大地提高了DCS的運行可靠性。

DCS作為工廠監(jiān)控的核心系統(tǒng)和設備，主要由大量的電子元器件組成，針對工業(yè)現(xiàn)場粉塵大、溫度高、電磁環(huán)境差等一系列問題，在產(chǎn)品的防塵、防腐、抗電磁干擾方面做了大量的設計工作，系統(tǒng)控制器、卡件、網(wǎng)絡設備及操作站都是專用工業(yè)設備，防護等級高，體積龐大，造價不菲。

1.2 DCS系統(tǒng)技術(shù)

DCS全稱集散控制系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS），主要以現(xiàn)場I/O模塊、控制器、控制網(wǎng)絡和操作站為基礎，采用控制功能分散、顯示操作集中、兼顧分而自治和綜合協(xié)調(diào)的設計原則的生產(chǎn)控制系統(tǒng)，在流程行業(yè)得到了廣泛的應用。作為DCS系統(tǒng)神經(jīng)系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡，連接控制器、操作站和IO系統(tǒng)，具有如下特點：極高的可靠性，必須連續(xù)、準確運行;適用于惡劣環(huán)境，能抗電源、雷擊、電磁和低電位差干擾;分層結(jié)構(gòu)，為適應DCS的分層控制要求，其通信網(wǎng)絡分為現(xiàn)場總線、車間級網(wǎng)絡系統(tǒng)、工廠級網(wǎng)絡系統(tǒng)等不同層次。

DCS系統(tǒng)包括現(xiàn)場控制站（I/O站）、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、人機接口單元、電源、機柜等多元化組成，系統(tǒng)有著開放體系架構(gòu)，能夠提供多層開放數(shù)據(jù)接口。在DCS系統(tǒng)設計中運用合適冗余配置，診斷模件及自診斷功能，保證系統(tǒng)應用可靠性。系統(tǒng)內(nèi)任意組件產(chǎn)生故障問題，都不會對系統(tǒng)工作造成影響。系統(tǒng)參數(shù)、報警、自診斷與管理功能高度集中CRT與打印機顯示打印，從系統(tǒng)功能與物理層面分散控制系統(tǒng)，整個DCS系統(tǒng)可以達到99.9%的可利用率，系統(tǒng)的平均無故障用時基本為10萬 h，基本廣泛應用于火電、核電、石化、冶金、建材等行業(yè)領域。

2 DCS系統(tǒng)在水泥行業(yè)的應用

水泥作為典型的流程行業(yè)，生產(chǎn)過程全部實現(xiàn)了機械化。在立窯和濕法線時期，自動化程度較低，基本是繼電器和儀表集中監(jiān)控，礦山和發(fā)運等外圍生產(chǎn)環(huán)節(jié)，基本采用人工操作設備開關(guān)的原始方式，設備的啟停聯(lián)鎖主要依靠繼電器電路保護實現(xiàn)，模擬量調(diào)節(jié)靠集中式儀表進行監(jiān)控和調(diào)節(jié)，部分環(huán)節(jié)甚至完全依賴于人工經(jīng)驗操作，系統(tǒng)自動化控制水平較低，系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和產(chǎn)品的質(zhì)量控制水平較差。產(chǎn)線運行周期較短，對操作維護人員的要求較高，產(chǎn)線人員多，工作量大。

20世紀八九十年代，國家通過技術(shù)引進，建設了一批具有國際先進水平的新型水泥干法生產(chǎn)線，配套引進了當時十分先進的DCS控制系統(tǒng)。20世紀90年代在引進消化吸收進口產(chǎn)線工藝、裝備等技術(shù)的基礎上，國產(chǎn)化新型水泥干法生產(chǎn)線開始在國內(nèi)掀起建設熱潮，DCS也隨之在新建水泥生產(chǎn)線上得到廣泛的應用，經(jīng)過20多年的應用，水泥生產(chǎn)線DCS應用日漸成熟。下面以一個典型水泥工廠的DCS應用案例，說明DCS在水泥行業(yè)的應用配置原則、控制范圍和技術(shù)實施要點。

采用開放式DCS系統(tǒng)，全面支持現(xiàn)場總線技術(shù)，采用全局數(shù)據(jù)庫技術(shù)，實現(xiàn)全局一體化編程。系統(tǒng)通信為標準以太網(wǎng)，系統(tǒng)編程語言采用IEC61131-3標準。

系統(tǒng)網(wǎng)絡分為現(xiàn)場控制層和控制管理層。

2.1 現(xiàn)場控制層

①現(xiàn)場總線設備及第三方PLC采用ProfiBus DP通信標準與控制器進行通信，傳輸介質(zhì)采用光纜或標準雙絞線。

②現(xiàn)場智能儀表采用ProfiBus PA通信標準與控制器進行通信。

2.2 控制管理層

①采用標準TCP/IP協(xié)議以太網(wǎng)實現(xiàn)系統(tǒng)控制器及操作員站之間的通信;網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)為星型結(jié)構(gòu);傳輸介質(zhì)為光纜。

②采用OPC數(shù)據(jù)交換標準與外部管理系統(tǒng)進行通信。

DCS過程控制站采用現(xiàn)場總線控制器，包含電源、控制網(wǎng)絡、現(xiàn)場總線網(wǎng)絡連接模塊，采用工業(yè)防塵防腐設計，電源采用冗余設計。

控制器正常運行后，控制器加載、上傳不會造成設備停機，在此基礎上要求控制器負荷小于70%[1]。

DCS操作員站硬件選用適用工業(yè)現(xiàn)場的PC機，操作員站軟件運行在Windows操作系統(tǒng)上。操作員站使用以太網(wǎng)與過程站及其他設備進行通信，操作員站之間數(shù)據(jù)及畫面完全可以共享，互為冗余備份。

系統(tǒng)狀態(tài)顯示方面，分為系統(tǒng)總體顯示、過程站顯示、模件顯示三部分，系統(tǒng)自動進行實時診斷，診斷狀態(tài)信息在診測畫面上以圖形方式顯示及文字詳細提示。趨勢顯示支持對變量進行趨勢組態(tài)，畫面可以進行靈活操作，實時操作記錄及打印。用戶操作界面為圖形界面，所有操作風格為“所見即所得”操作風格。

3 DCS與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)之間的關(guān)系

DCS系統(tǒng)作為工廠生產(chǎn)控制的核心，實現(xiàn)了工業(yè)生產(chǎn)監(jiān)控由電氣自動化控制發(fā)展到電子計算機控制，是工業(yè)3.0時代的重要標志。DCS系統(tǒng)本身就是一個局域性的物聯(lián)網(wǎng)，是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的重要基礎。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是新一代信息通信技術(shù)與工業(yè)經(jīng)濟深度融合的新型基礎設施、應用模式和工業(yè)生態(tài)，通過對人、機、物、系統(tǒng)等的全面連接，構(gòu)建起覆蓋全產(chǎn)業(yè)鏈、全價值鏈的全新制造和服務體系，為工業(yè)乃至產(chǎn)業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化發(fā)展提供了實現(xiàn)途徑，是第四次工業(yè)革命的重要基石。

比較而言，DCS與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)相比，存在以下特點。

①兩者都是信息通信技術(shù)與工業(yè)深度融合，實現(xiàn)了人、機、物、系統(tǒng)的全面連接，從理念上來說，兩者是基本一致的。DCS系統(tǒng)采集了生產(chǎn)線信號進行邏輯處理和控制運算，并通過系統(tǒng)控制網(wǎng)絡與中控操作站相連，實現(xiàn)操作人員對現(xiàn)場機器、設備和產(chǎn)線的監(jiān)控、調(diào)節(jié)和控制，實現(xiàn)了工業(yè)生產(chǎn)控制方式和效率的飛躍。但DCS連接的是某條產(chǎn)線內(nèi)的設備，實現(xiàn)生產(chǎn)線的調(diào)節(jié)和監(jiān)控。而工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是跨工廠、跨行業(yè)和跨領域的人、機、物、系統(tǒng)的全面連接。運用云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等先進技術(shù)，實現(xiàn)覆蓋全產(chǎn)業(yè)鏈、全價值鏈的全新制造和服務體系，涵蓋了制造和服務兩個方面。

②受制于技術(shù)發(fā)展水平，DCS系統(tǒng)是一個專用的、局部性的系統(tǒng)，為了提高系統(tǒng)的開放性和與外部系統(tǒng)的互聯(lián)互通，DCS系統(tǒng)一直在開放性方面不斷發(fā)展前進。在與第三方通信方面，有Modbus通信、Profibus通信、Can通信等一系列開放標準通信協(xié)議，適用于不同的行業(yè)和設備。在與上位管理系統(tǒng)通信方面，通過OPC方式進行雙向通信。正是有了各個層級的標準通信接口，使得DCS在各層級有了與外部系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換的通道，開放性大大提高，通過不同系統(tǒng)的互聯(lián)互通，DCS系統(tǒng)融入了整個工廠的控制系統(tǒng)網(wǎng)絡，豐富的實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)成為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的重要數(shù)據(jù)來源。

③工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)包括網(wǎng)絡、平臺、數(shù)據(jù)、安全四大體系，以網(wǎng)絡為基礎、平臺為中樞、數(shù)據(jù)為要素、安全為保障。這四大體系對于DCS而言同樣重要，DCS系統(tǒng)中的各級網(wǎng)絡實現(xiàn)了內(nèi)部數(shù)據(jù)的流動以及與外部系統(tǒng)的交換;DCS操作系統(tǒng)同樣也是系統(tǒng)的核心和中樞，對工業(yè)現(xiàn)場的運行數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換、運算，實現(xiàn)邏輯控制、電機驅(qū)動、PID控制等人機交互功能，完成生產(chǎn)線的監(jiān)控。數(shù)據(jù)是DCS系統(tǒng)的要素，所有的信號狀態(tài)、儀表數(shù)據(jù)和操作指令都會轉(zhuǎn)換為計算機可以識別的數(shù)據(jù)進行處理，相對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，DCS數(shù)據(jù)來源相對單一，主要來自IO數(shù)據(jù)采集模塊以及與現(xiàn)場其他系統(tǒng)的交互[2]。在數(shù)據(jù)安全方面，DCS系統(tǒng)本身是一個相對封閉的系統(tǒng)，一般與外部互聯(lián)網(wǎng)通過網(wǎng)關(guān)等方式進行隔離，防范外部互聯(lián)網(wǎng)的病毒或者惡意攻擊，但是隨著近年來智能工廠的建設，外部系統(tǒng)對DCS系統(tǒng)數(shù)據(jù)的需求不斷增強，從DCS單向讀取到雙向讀寫，OPC隔離網(wǎng)關(guān)技術(shù)應用得到不斷發(fā)展，在保障DCS安全的基礎上，實現(xiàn)了DCS系統(tǒng)與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的融合和交互。

4 DCS在水泥智能工廠建設中的作用

DCS目前已經(jīng)成為水泥工廠自動化的核心和中樞，在當前水泥智能工廠建設過程中，DCS系統(tǒng)成為連接生產(chǎn)線設備與各大智能系統(tǒng)的橋梁和紐帶，為智能工廠建設提供了強大的數(shù)據(jù)支撐。

從圖1可以看出，水泥智能工廠的專家系統(tǒng)、質(zhì)量系統(tǒng)與DCS之間實現(xiàn)的是實時雙向通信，不僅從DCS系統(tǒng)讀取數(shù)據(jù)，作為優(yōu)化控制和配料控制模型的輸入?yún)?shù)，同時將優(yōu)化控制操作參數(shù)以及配料控制數(shù)據(jù)要求實時寫入DCS系統(tǒng)，通過DCS系統(tǒng)控制相關(guān)執(zhí)行機構(gòu)和配料計量稱設備，實現(xiàn)專家優(yōu)化控制和質(zhì)量系統(tǒng)配料功能。DCS與MES系統(tǒng)、能源管理系統(tǒng)、設備管理系統(tǒng)以及集團數(shù)據(jù)上傳系統(tǒng)通過隔離網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)單向數(shù)據(jù)通信，外部系統(tǒng)只能讀取DCS系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，不能向DCS進行寫入控制，確保DCS系統(tǒng)控制安全[3]。

4.1 燒成系統(tǒng)DCS主要監(jiān)控參數(shù)

一在燒成帶溫度控制方面，可以運用比色高溫計成功測量火焰溫度，由于火焰溫度作為燒成帶溫度的關(guān)鍵主導因素，所以需要根據(jù)NOx濃度作為燒成帶溫度變化控制標志。在窯轉(zhuǎn)矩監(jiān)控方面，由于所用熟料溫度不同，窯壁產(chǎn)生熟料用量與帶起高度也就各不相同。熟料溫度越高，會被帶起的量越多[4]。所以越高的熟料溫度，窯轉(zhuǎn)矩就越大，可是在改變窯內(nèi)掉轉(zhuǎn)和喂料量的情況下，同樣會對窯轉(zhuǎn)矩值造成影響。

4.2 水泥生產(chǎn)線DCS自動回路優(yōu)化控制

水泥生產(chǎn)線控制回路優(yōu)化設計應用DCS系統(tǒng)，不僅代表了水泥自動化生產(chǎn)發(fā)展方向，實現(xiàn)回路優(yōu)化控制，也取代了原本依靠人力操作維持水泥正常穩(wěn)定生產(chǎn)方式。經(jīng)國內(nèi)外多年研究實踐發(fā)現(xiàn)，多條單回路優(yōu)化控制能夠?qū)崿F(xiàn)水泥生產(chǎn)線自動化生產(chǎn)，通過控制窯尾喂料自動化調(diào)節(jié)，控制分解爐喂煤量，能夠保證爐內(nèi)溫控，有助于保持一定分解率，并且增濕塔出口廢氣溫度控制，自動化控制窯內(nèi)負壓，自動化調(diào)節(jié)冷卻機與冷風風量[5]。

專家優(yōu)化控制和質(zhì)量系統(tǒng)屬于高級生產(chǎn)控制系統(tǒng)，基本不與外部互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)相連，風險相對可控，因此可以直接通過OPC與DCS進行雙向讀寫[6]。然而能源管理系統(tǒng)、設備管理系統(tǒng)、供銷物流管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)來源相對較廣，部分系統(tǒng)采用一級架構(gòu)或者云化部署，與外部互聯(lián)網(wǎng)緊密相連。從管理上來說，DCS數(shù)據(jù)向這些系統(tǒng)提供電能、溫度、壓力、計量等數(shù)據(jù)，目前暫時還沒有DCS寫入控制需求。

上述方案主要是基于現(xiàn)階段的技術(shù)發(fā)展水平，外部病毒及網(wǎng)絡攻擊尚不能完全避免，DCS系統(tǒng)對生產(chǎn)線運行又至關(guān)重要，一旦受到網(wǎng)絡攻擊將會導致生產(chǎn)線全部停止生產(chǎn)。如何確保DCS系統(tǒng)安全又能夠與外部管理系統(tǒng)進行雙向的數(shù)據(jù)交互，將是下一步智能工廠建設重點攻克的方向[7]。

5 結(jié)語

DCS自誕生以來，已經(jīng)經(jīng)歷了近半個世紀的發(fā)展和演變，與電子和計算機技術(shù)以及網(wǎng)絡技術(shù)的發(fā)展緊密相關(guān)，因工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場控制而生，在系統(tǒng)防護、運行可靠性和控制安全方面有著現(xiàn)階段商用計算機系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)勢，成為了工業(yè)生產(chǎn)的控制中樞和數(shù)據(jù)核心，同時也成為了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和智能工廠建設的基礎和關(guān)鍵的數(shù)據(jù)源[8]。

隨著計算機技術(shù)、人工智能技術(shù)、云計算技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，安全性和可靠性得到不斷提升，DCS系統(tǒng)自身也面臨著巨大的變革，支持物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能終端直接將數(shù)據(jù)送入大數(shù)據(jù)系統(tǒng)和算法中心，傳統(tǒng)控制器、IO系統(tǒng)、操作站將會直接被虛擬化，未來的DCS系統(tǒng)將會虛擬在一臺服務器中，與現(xiàn)場設備的信號交互會通過智能終端與物聯(lián)網(wǎng)來實現(xiàn)。

參考文獻：

[1] 馬世乾.DCS控制系統(tǒng)在水泥余熱發(fā)電中的應用[J].建筑工程技術(shù)與設計，2015（15）：1241.

[2] 高美華，曹靜，溫龍.基于自主可控DCS系統(tǒng)的百萬噸級烯烴智能工廠架構(gòu)優(yōu)化應用[J].2020（8）：249.

[3] 邱哲，徐榮剛.淺談海南煉化DCS應用中的問題與完善措施[J].儀器儀表用戶，2018，25（6）：47-50.

[4] 陸耀輝，楊俊.WOES智能優(yōu)化節(jié)能系統(tǒng)“分析診斷”功能在水泥廠的應用[J].智慧工廠，2020（11）：4.

[5] 周湘.水泥廠現(xiàn)場儀表信號采集及傳輸?shù)姆椒ㄑ芯縖J].建筑與裝飾，2020（22）：154-156.

[6] 喬珺.橫河電機智能自動化解決方案助力四川石化實現(xiàn)智能化[J].自動化博覽，2018（2）：38-40.

[7] 馮貴墨，陳立琳，佟欣，等.MES在火力發(fā)電系統(tǒng)中的應用[J].鍋爐制造，2019（5）：62-64.