化工生產(chǎn)中DCS控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究

＊孫慧博

（大慶金橋信息技術(shù)工程有限公司 黑龍江 163714）

引言

DCS控制系統(tǒng)的另一種名稱是集散控制系統(tǒng)。過程控制級、過程監(jiān)控級都是DCS控制系統(tǒng)的一種，DCS控制系統(tǒng)也是一種多級計算機系統(tǒng)，是以網(wǎng)絡(luò)通信為紐帶進行操作，DCS控制系統(tǒng)是綜合了各方面內(nèi)容的最新科研成果，其中包括：計算機技術(shù)、通訊技術(shù)、控制技術(shù)等。該系統(tǒng)的安全性較高、控制功能較強、具有靈動的擴展性、定期能夠升級換代等特點受到了現(xiàn)代人們的喜歡，各大石油化工企業(yè)都在采用該系統(tǒng)，DCS控制系統(tǒng)的應(yīng)用前景非常廣闊[1]。

1.DCS控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與性能

DCS控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與其他系統(tǒng)不同，設(shè)計過程也相對復(fù)雜，具體表現(xiàn)有以下幾點：

(1)可控網(wǎng)絡(luò)

DCS控制系統(tǒng)是一種可控性網(wǎng)絡(luò)，該系統(tǒng)應(yīng)用區(qū)域較廣，其中包括：生產(chǎn)現(xiàn)場、工作區(qū)間、生產(chǎn)設(shè)施、服務(wù)器等?？煽鼐W(wǎng)絡(luò)是由三層結(jié)構(gòu)組成，能夠在分散環(huán)境的同時監(jiān)管生產(chǎn)設(shè)施。分散控制系統(tǒng)一般在DCS控制系統(tǒng)的下端，主要工作內(nèi)容就是對生產(chǎn)對象進行控制與數(shù)據(jù)收集，在DCS下層中，采集信息完成后，應(yīng)將數(shù)據(jù)及時上報給上級領(lǐng)導(dǎo)。DCS下層主要包含采集信息、調(diào)節(jié)閉環(huán)、執(zhí)行程序。DCS中層主要對化工生產(chǎn)與操作方面進行監(jiān)控，在上級的基礎(chǔ)上對數(shù)據(jù)信息進行處理，最終呈現(xiàn)良好的監(jiān)控效果。其次，DCS控制系統(tǒng)具有綜合管理信息的性能，這也是DCS控制系統(tǒng)的上層[2]。

(2)DCS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

通信結(jié)構(gòu)也是DCS控制系統(tǒng)中的一部分，該結(jié)構(gòu)主要有三個層面，一是過程控制，二是控制系統(tǒng)內(nèi)部，三是信息數(shù)據(jù)管理。其中信息數(shù)據(jù)，管理層面主要由各種網(wǎng)絡(luò)與計算機組成。信息管理層面會直接參與到系統(tǒng)信息與參數(shù)運行當(dāng)中，并且可以對一些生產(chǎn)指令進行調(diào)度。而控制站的主要內(nèi)容就是對生產(chǎn)參數(shù)的控制與調(diào)節(jié)，確保生產(chǎn)質(zhì)量，滿足生產(chǎn)要求，此外，該層面還會有輔助設(shè)施，主要是對生產(chǎn)設(shè)施與生產(chǎn)過程進行監(jiān)管。因此在各大工業(yè)中應(yīng)用到該系統(tǒng)都能夠快速提高生產(chǎn)能力與解決能力，能夠及時發(fā)現(xiàn)設(shè)施故障，并進行處理[3]。

DCS分散控制管理系統(tǒng)基本裝置結(jié)構(gòu)主要裝置包括四類生產(chǎn)分散加工過程操作控制管理裝置、操作控制管理裝置、數(shù)據(jù)庫和通信控制裝置。分散生產(chǎn)過程操作控制管理裝置工作是生產(chǎn)集散過程控制管理系統(tǒng)與其他生產(chǎn)操作過程間的直接界面，生產(chǎn)操作過程的各種控制變量通過分散控制管理裝置進行轉(zhuǎn)化而成為生產(chǎn)操作控制監(jiān)視的變量數(shù)據(jù)，而生產(chǎn)操作的各種變量信息也通過分散控制管理裝置被傳送到生產(chǎn)執(zhí)行控制機構(gòu)。在一個分散生產(chǎn)控制站系統(tǒng)裝置內(nèi)，進行數(shù)字模擬量與其他數(shù)字模擬量的相互運算轉(zhuǎn)換，完成控制算法的各種處理運算，對控制輸入量與輸出量轉(zhuǎn)換進行各種有關(guān)的控制軟件信號濾波及其他的一些處理運算；而在操作生產(chǎn)管理系統(tǒng)裝置內(nèi)它是一個操作管理人員與其他集散生產(chǎn)控制管理系統(tǒng)間的連接界面，操作管理人員通過這些操作生產(chǎn)管理系統(tǒng)裝置可以了解分散生產(chǎn)管理過程的整體運行狀況，并通過它們轉(zhuǎn)發(fā)出各種操作管理指令給分散生產(chǎn)管理系統(tǒng)。生產(chǎn)操作過程的所有各種信息參數(shù)在工廠操作人員管理信息裝置上實時顯示，以此更便于工廠操作管理人員隨時監(jiān)視和執(zhí)行操作。

(3)反應(yīng)器

反應(yīng)器在DCS控制系統(tǒng)中是一項重要的控制設(shè)施，反應(yīng)器能在化工生產(chǎn)過程中充分反映出生產(chǎn)溫度、生產(chǎn)質(zhì)量與生產(chǎn)效果之間的關(guān)系，在化工生產(chǎn)過程中生產(chǎn)工藝、壓力、生產(chǎn)溫度都會影響到生產(chǎn)質(zhì)量。從時間結(jié)果表明，反應(yīng)器的溫度反應(yīng)是化工生產(chǎn)控制的重中之重。如果利用反應(yīng)器對生產(chǎn)溫度數(shù)據(jù)進行采集，時常出現(xiàn)的就是熱反應(yīng)情況，使用反應(yīng)器過程中，應(yīng)在低溫環(huán)境下進行，盡量避免出現(xiàn)連鎖反應(yīng)情況。反應(yīng)器有三個進入端口，在進入反應(yīng)器過程中，反應(yīng)器的流速與流量會對反應(yīng)溫度造成不同情況的影響。

2.DCS控制系統(tǒng)的特征與性能

(1)人機共同協(xié)助

DCS等微控制器將系統(tǒng)的功能實時整合計算出不同一個檢測點在其中的各項檢測數(shù)據(jù)，將這些各項數(shù)據(jù)實時集中整合到一起，并實時呈現(xiàn)在一個管理員的界面中，以便一個工作人員隨時進行數(shù)據(jù)查閱與管理應(yīng)用。而在一個工作人員進行使用數(shù)據(jù)流程圖與數(shù)據(jù)趨勢圖操作過程中，監(jiān)控系統(tǒng)能提供更多的便利。其次，在實際調(diào)整工廠生產(chǎn)圖表設(shè)備參數(shù)過程中通?？梢酝ㄟ^遠(yuǎn)程監(jiān)控控制中心的遠(yuǎn)程關(guān)聯(lián)設(shè)備參數(shù)設(shè)置進行自動調(diào)整。在實際進行生產(chǎn)操作過程中，工作人員為了有效控制好現(xiàn)代化工廠的生產(chǎn)，在調(diào)整生產(chǎn)設(shè)備過程中通?？梢酝ㄟ^遠(yuǎn)程監(jiān)控操作對生產(chǎn)圖表與設(shè)備參數(shù)關(guān)聯(lián)進行自動調(diào)整[4]。

(2)DCS具有較高的安全性

DCS控制系統(tǒng)的安全性能較高，該系統(tǒng)主要采用分散型控制方式，而對于比較特別的生產(chǎn)內(nèi)容與流程會采用多冗余控制方式，該方式會大幅度降低故障問題出現(xiàn)的概率，將影響因素控制在最小范圍內(nèi)。其次，DCS控制系統(tǒng)還具備自動恢復(fù)功能與診斷功能。

(3)DCS具有控制功能

DCS控制系統(tǒng)能夠通過計算機技術(shù)與數(shù)據(jù)信息等內(nèi)容實現(xiàn)多種控制，可以通過調(diào)整DCS相關(guān)參數(shù)來控制多變量、PID運算等方面。

(4)DCS具有靈活的擴展性功能

在設(shè)計DCS控制系統(tǒng)時會使用到模塊結(jié)構(gòu)，并且要求采用的模塊結(jié)構(gòu)相互是無關(guān)聯(lián)的，如果想要達(dá)到控制范圍的擴充，只需將結(jié)合的模塊進行優(yōu)化就可達(dá)到擴充效果。如果想要更改控制層次，可以通過組態(tài)方式進行改變，在DCS控制系統(tǒng)中引進新型控制回路[5]。

(5)DCS控制系統(tǒng)的特點

高可靠性。由于DCS控制系統(tǒng)將整個操作系統(tǒng)控制過程中的各種功能分散在各臺不同專用類型計算機上可以進行控制實現(xiàn)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一般不會采用容錯式的結(jié)構(gòu)設(shè)計，因此某一臺不同專用類型計算機所有可能出現(xiàn)的各種系統(tǒng)故障不會直接影響各種控制系統(tǒng)功能的完全化喪失。此外，由于整個操作系統(tǒng)中各臺不同專用類型計算機所實際需要同時承擔(dān)的各種系統(tǒng)控制任務(wù)比較單一，可以針對自己實際需要進行系統(tǒng)控制實現(xiàn)的各種控制功能分別選擇采用一臺一個具有特定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和一套專用控制軟件的系統(tǒng)控制專用操作平臺進行計算機，從而不僅可以直接使整個操作系統(tǒng)中每臺不同專用類型計算機的系統(tǒng)工作可靠性也同樣可以同時得到極大化的提高。

開放性。DCS本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用開放式、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化和綜合功能化的系列化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計，系統(tǒng)中各臺無線專用網(wǎng)絡(luò)計算機之間均可直接采用無線網(wǎng)或局域網(wǎng)移動通信網(wǎng)絡(luò)方式直接進行無線通信，實現(xiàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部信息實時無線傳輸，當(dāng)通信系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)需要及時進行功能改變或系統(tǒng)急需重新擴充整個通信系統(tǒng)全部網(wǎng)絡(luò)功能時，可將系統(tǒng)中的新增單臺專用計算機方便地直接安裝連入整個系統(tǒng)或其中的無線通信系統(tǒng)管理網(wǎng)絡(luò)或從新的通信管理網(wǎng)絡(luò)中直接安裝卸下，幾乎不會因需要直接影響系統(tǒng)其他單臺專用計算機的正常運行工作。

靈活性。通過組態(tài)控制軟件根據(jù)不同的應(yīng)用控制算法流程對象可將不同應(yīng)用中的控制流程對象分別自動進行軟硬件組態(tài)，即可以通過自動確定控制流程組態(tài)測量與自動判斷應(yīng)用控制對象流程測量信號及相互控制信息點之間連接的節(jié)點的相互關(guān)系、從控制算法流程圖形庫庫中自動選擇適用的各種類型控制算法流程設(shè)計規(guī)律以及從控制圖形庫中自動調(diào)用基本型的控制算法圖形庫軟件等來組成所有控制必需的各種控制流程質(zhì)量監(jiān)控和進度檢測自動報警流程控制系統(tǒng)畫面，從而方便地自動設(shè)計出和構(gòu)成所有控制必需的各種流程檢測控制系統(tǒng)管理軟件系統(tǒng)。

易于日常維護。一種功能單一的小型或微型單個專用局部計算機，具有系統(tǒng)維護簡單、方便的三大特點，當(dāng)某一小型局部或某個專用計算機系統(tǒng)出現(xiàn)重大故障時，可以在不需要影響整個電腦系統(tǒng)正常運行的任何情況下在線進行更換，迅速準(zhǔn)確排除故障。

3.DCS在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用

(1)確保反應(yīng)器溫度的平穩(wěn)性

反應(yīng)器在化工生產(chǎn)中是主要環(huán)節(jié)，也是最關(guān)鍵的一部分，它在化工生產(chǎn)腫的作用不可替代，能夠?qū)どa(chǎn)的安全性與水平會對生產(chǎn)質(zhì)量直接造成影響，而產(chǎn)品質(zhì)量直接決定著工藝參數(shù)與壓力。根據(jù)實際產(chǎn)品生產(chǎn)反應(yīng)情況分析來看，要做到想有效確保提高產(chǎn)品質(zhì)量必須同時保障生產(chǎn)反應(yīng)溫度的相對平穩(wěn)性，生產(chǎn)反應(yīng)過程中，若不能及時進行反應(yīng)則超出生產(chǎn)線的溫度，很可能因為一些內(nèi)部因素，讓生產(chǎn)溫度持續(xù)上升，直至無法控制溫度，影響整個生產(chǎn)流程。對于它在化工產(chǎn)品生產(chǎn)中的特點我們可以從恒溫控制度的角度可以分為三個方面：一至二是恒壓分成溫度過渡；二至三是分成溫度自動升壓；三至四是分成恒壓溫度恒溫。生產(chǎn)管理過程中，恒壓溫度恒溫控制是對化工精準(zhǔn)度控制要求最高的一部分，也是反應(yīng)器中最關(guān)鍵的一部分。在目前使用高溫反應(yīng)器的測溫過程中，人們采用的主要方式是基于a和b級別的WWWZPK模式測溫，這種新的測溫設(shè)計形式不僅能夠有效率地降低因溫度電場所變而帶來的測溫誤差，且該測溫方式具有穩(wěn)定性較高、測溫結(jié)果精準(zhǔn)、反應(yīng)靈敏、周期長等優(yōu)勢。

化工生產(chǎn)中的反應(yīng)器具有容量大、熱效應(yīng)強、反應(yīng)靈敏等特點，對傳熱效果會造成一定程度的影響，利用普通的控制形式很難滿足要求，如果采用DCS控制系統(tǒng)就能夠很好的解決該問題，有效提高結(jié)果的精準(zhǔn)度。

根據(jù)反應(yīng)器在物料過程中的液體相態(tài)溫度變化它又分為兩種主要操作原理類型：均相、非均相。該反應(yīng)物料綜合分類器的操作原理方式主要操作目的也就是根據(jù)一個液體反應(yīng)器內(nèi)各種液體反應(yīng)物和各種混合物的反應(yīng)物料及其相態(tài)溫度變化大的情況對其相態(tài)進行物料綜合統(tǒng)計分類。均式液液固相反相傳熱回應(yīng)器主要目的是將一個液體反應(yīng)器內(nèi)各種物料均勻性地進行加熱混合或充分加熱溶解后混合形成單一的一種液體氣相或液相，又同樣可以類別分為均式兩種氣固相和液液水相反應(yīng)器和液液固液水相傳熱反應(yīng)器。非均式液液固相反相傳熱回應(yīng)器物料可以以類別分為液固相和氣液相、氣固相和液液油水相、液液相、液固相和氣液固液水相等五種反應(yīng)器；根據(jù)均式液液固相反應(yīng)器具體物料結(jié)構(gòu)工作原理及其特點，可以細(xì)分為釜式、管式、塔式、固定液相流化床和塔式固定流化床五種液相反應(yīng)器；根據(jù)操作方法需要進行物料分類，反應(yīng)器進行分類它又可以細(xì)分為間歇式、半連續(xù)式和完全或半連續(xù)式；根據(jù)各種反應(yīng)物料溫度相態(tài)變化大的條件，反應(yīng)器進行分類它又可以細(xì)分為均式絕熱等溫液相反應(yīng)器和非均式絕熱等溫液相反應(yīng)器。根據(jù)低溫氣體液相傳熱器的操作原理方式進行分類它又可以細(xì)分為低溫氣體中的絕熱型、外熱型和自然型。

(2)DCS聯(lián)鎖控制系統(tǒng)

在化工生產(chǎn)過程中，DCS控制系統(tǒng)中的聯(lián)鎖控制會通過計算機技術(shù)與運算對生產(chǎn)過程的相關(guān)設(shè)備進行保護。在生產(chǎn)過程不僅能滿足了連鎖條件，又能對調(diào)節(jié)閥進行自動關(guān)開，而該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)都是由計算機軟件構(gòu)成，具有較好的穩(wěn)定性、精準(zhǔn)性，系統(tǒng)之間相互關(guān)聯(lián)，并且都具備記憶功能、自動關(guān)開功能等，能夠自動處理一些問題及整合信息，可以有效代替一些人力，避免因人工失誤所造成的故障問題。該自動控制聯(lián)鎖系統(tǒng)主要是由27套自動聯(lián)鎖控制系統(tǒng)共同設(shè)計進行，其中主要包括：設(shè)定、流量、液位等三個方面，液位調(diào)節(jié)聯(lián)鎖系統(tǒng)是完全能夠進行自動控制的，當(dāng)設(shè)定液位比流量下限更低時，DCS液位控制器在系統(tǒng)中就會自動發(fā)出信號對液位調(diào)節(jié)制動閥聯(lián)鎖進行自動關(guān)閉；當(dāng)液位比上限更高時，DCS控制系統(tǒng)會終端信號發(fā)出，開關(guān)觸點斷合，此時設(shè)備會處于暫定階段。

(3)確保液位穩(wěn)定

該控制系統(tǒng)一般會通過塔底自動控制系統(tǒng)來自動穩(wěn)定整個t1205液位，t1205液位的穩(wěn)定出料需求量主要部分是通過塔底t1407來控制進行的。如果塔底確保不了t1205液位穩(wěn)定，那么整個后塔的穩(wěn)定進料需求量就難以達(dá)到規(guī)定要求；反之，如果不能滿足了整個后塔的穩(wěn)定進料需求量，T1205液位就難以達(dá)到穩(wěn)定。為了有效確?？刂埔何坏牧鲃臃€(wěn)定性，滿足進料后塔的額定進料使用量，在設(shè)備生產(chǎn)使用過程中就必須嚴(yán)格采用串級均勻自動控制液位方法，也就是把液位給定值設(shè)置好，控制流量來達(dá)到目的[6]。

在我國化工企業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用過程中經(jīng)常應(yīng)用到的DCS過程控制管理系統(tǒng)，能夠有效確?；どa(chǎn)品的質(zhì)量與過程穩(wěn)定性。在實際化工生產(chǎn)應(yīng)用過程中，必須按照設(shè)計圖紙、方案進行操作，與此同時，在生產(chǎn)過程中，必須滿足設(shè)計方案中的穩(wěn)定性要求。其次，操作人員可以通過DCS控制系統(tǒng)，來對數(shù)據(jù)信息進行整合，可以通過遠(yuǎn)程操作對工藝參數(shù)進行調(diào)整，從而確保生產(chǎn)穩(wěn)定性與安全性。

4.結(jié)語

隨著我國經(jīng)濟不斷發(fā)展，化工企業(yè)自動化技術(shù)水平逐漸上升，生產(chǎn)規(guī)模不斷擴大。這就要求化工生產(chǎn)方面有自動化控制系統(tǒng)和智能化控制系統(tǒng)。隨著DCS控制系統(tǒng)的出現(xiàn)，各大化工企業(yè)都將該系統(tǒng)應(yīng)用在生產(chǎn)過程中，該系統(tǒng)不僅能提高化工生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量，還能對生產(chǎn)過程進行精度控制，同時也采用了統(tǒng)一管理形式來對化工過程進行監(jiān)測管理，更為化工企業(yè)降低了生產(chǎn)成本。在化工企業(yè)實際生產(chǎn)過程中，該系統(tǒng)的融入也為企業(yè)增加了市場競爭力。在化工生產(chǎn)過程加入DCS控制系統(tǒng)也改變了以前傳統(tǒng)的工業(yè)形勢，也填補了以往化工企業(yè)存在的一些漏洞，該系統(tǒng)通過計算機體系與網(wǎng)絡(luò)體系對生產(chǎn)工序進行監(jiān)督與管理，從而有效提高化工生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量與效率。總而言之，在化工生產(chǎn)過程中，DCS控制系統(tǒng)是必不可缺的，將DCS控制系統(tǒng)融入到生產(chǎn)工藝中能夠有效提升管理方面、監(jiān)控方面與操作方面。同時在化工生產(chǎn)過程中，通過分散式控制方法對生產(chǎn)工藝進行了實時控制，這樣也降低了因員工失誤所出現(xiàn)的故障問題，也降低了人工操作難度，與此同時，也提高了化工生產(chǎn)的安全性與可靠性。