基于DCS系統(tǒng)的除塵集中控制研究

張虎存 張智敏 董永忠

摘? 要：該文以除塵集中控制為研究對象，分析DCS系統(tǒng)的概念、結(jié)構(gòu)組成，通過多方面優(yōu)勢充分論證DCS除塵控制系統(tǒng)的可行性。并從硬件配置、軟件配置、網(wǎng)絡(luò)配置、確定閉環(huán)控制組態(tài)邏輯和實現(xiàn)工藝聯(lián)鎖控制功能等環(huán)節(jié)，分析DCS系統(tǒng)在除塵集中控制項目中的具體方法，明確系統(tǒng)搭建與應(yīng)用要點，圍繞應(yīng)用期間面臨的典型問題來提出解決策略。旨在發(fā)揮DCS系統(tǒng)作用，改善傳統(tǒng)舊除塵控制系統(tǒng)，提高控制效果，保障除塵系統(tǒng)運行穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：DCS系統(tǒng)；除塵集中控制；實踐應(yīng)用；網(wǎng)絡(luò)配置；升級改造

中圖分類號：X701.2? ? ? ? 文獻標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）06-0140-04

Abstract： This paper takes the centralized control of dust removal as the research object， analyzes the concept and structure of DCS system， and fully demonstrates the feasibility of DCS dust removal control system through many advantages. From the aspects of hardware configuration， software configuration， network configuration， determination of closed-loop control configuration logic and realization of process interlock control function， the specific methods of DCS system in the centralized control project of dust removal are analyzed， the key points of system construction and application are clarified， and the solving strategies are put forward around the typical problems faced during the application. The purpose of this paper is to give full play to the role of DCS system， improve the traditional old dust removal control system， improve the control effect， and ensure the stable operation of the dust removal system.

Keywords： DCS system; centralized control of dust removal; practical application; network configuration; upgrade

近年來，DCS系統(tǒng)憑借完善的使用功能與強大現(xiàn)場控制能力，在除塵集中控制項目中得到廣泛應(yīng)用，由自動控制方式徹底取代落后的人工控制方式，對改善除塵效果、改善生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境有重要現(xiàn)實意義，也是實現(xiàn)綠色生產(chǎn)目標(biāo)的重要技術(shù)手段。與此同時，需從DCS系統(tǒng)軟硬件等多方面入手，加快除塵集中控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)型升級，為生產(chǎn)建設(shè)提供系統(tǒng)支持。

1? DCS系統(tǒng)概述

1.1? 概念

DCS系統(tǒng)也被稱為集散控制系統(tǒng)，是以微處理器作為核心部件，采取集中顯示操作和分散控制功能形式的新一代自動控制系統(tǒng)，結(jié)合了早期分散控制技術(shù)、集中控制技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢。相比于傳統(tǒng)控制系統(tǒng)，DCS系統(tǒng)顛覆了系統(tǒng)架構(gòu)及設(shè)計思路，推出多層分級、合作自洽的全新結(jié)構(gòu)形式，各級由諸多子系統(tǒng)組成，單套子系統(tǒng)負責(zé)實現(xiàn)單項或是多項特定的有效控制目標(biāo)，最終由同級多套子系統(tǒng)、若干層級來組成金字塔結(jié)構(gòu)。

1.2? 結(jié)構(gòu)組成

第一，控制網(wǎng)絡(luò)，以連接現(xiàn)場DPU分散處理單元、操作員站和工程師站作為功能定位，完成站點數(shù)據(jù)交換任務(wù)，使用超五類雙絞線作為控制室與電子設(shè)備傳輸介質(zhì)，以鎧裝光纜作為設(shè)備間、控制室間傳輸介質(zhì)。同時，把控制網(wǎng)絡(luò)分為2個層級，由多套控制系統(tǒng)組成上層車間集中控制網(wǎng)，由具體功能模塊組成除塵子系統(tǒng)控制網(wǎng)。第二，I/O網(wǎng)絡(luò)，采取總線式拓撲結(jié)構(gòu)，通過現(xiàn)場總線保持分散處理單元與I/O單元連接狀態(tài)，單個分段上接入不超過16個的控制節(jié)點，負責(zé)持續(xù)把現(xiàn)場監(jiān)測信號提交至系統(tǒng)后臺，向現(xiàn)場設(shè)備傳達控制指令。第三，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接口，由SIS接口機與隔離網(wǎng)關(guān)設(shè)備組成，SIS接口機內(nèi)設(shè)置和車間電除塵或布袋除塵裝置的通信接口和光電接口，通信接口支持TCP/IP協(xié)議，隔離網(wǎng)關(guān)設(shè)備提供病毒防護和物理隔離功能[1]。

1.3? 應(yīng)用優(yōu)勢

根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)用情況來看，DCS系統(tǒng)的自動化程度較高，具備強大的運算分析與環(huán)境感應(yīng)能力，可以全面感應(yīng)現(xiàn)場情況與下達正確控制指令，無需人工過度介入控制過程，綜合控制效果遠超早期除塵控制系統(tǒng)。以除塵裝置高頻電源控制為例，早期普遍采取火花率整定控制、脈沖供電控制、手動固定頻率控制等方式，火花率整定控制存在耗電量大的局限性，脈沖供電控制存在易出現(xiàn)閃絡(luò)問題的局限性，手動固定頻率控制存在工作負擔(dān)沉重和錯誤操作概率高的局限性。相比之下，DCS系統(tǒng)采取一體化監(jiān)控方式，現(xiàn)場安裝控制器與傳感器，持續(xù)監(jiān)測各臺除塵裝置高頻電源的運行參數(shù)、故障信息，保持上位機和主機實時通訊狀態(tài)，檢測到異常狀況后，或是輸入輸出值偏差程度超限，則立即下達二次電壓、二次電流等參數(shù)的調(diào)控指令，必要時切斷除塵裝置工作電源。

2? DCS系統(tǒng)在除塵集中控制項目中的實踐應(yīng)用方法

2.1? 硬件配置

在硬件配置環(huán)節(jié)，DCS除塵控制系統(tǒng)硬件裝置由多臺工程師站工控機、操作員站工控機、現(xiàn)場控制站、I/O機籠、電源模塊、主控模塊和端子模塊等部分組成，必須明確各項使用模塊的通道數(shù)量與功能定位，根據(jù)現(xiàn)場控制需要來確定模塊數(shù)量。例如，模擬量輸入模塊把通道數(shù)量控制在8個左右，負責(zé)實現(xiàn)轉(zhuǎn)速變送、執(zhí)行器閥位反饋、流量監(jiān)測等使用功能。把開關(guān)量輸入/輸出模塊的通道數(shù)量均控制為16個，分別實現(xiàn)電機與振動器的狀態(tài)信號采集功能、輸出啟停指令功能。隨后，在車間現(xiàn)場分散布置I/O模件與測點，把除塵系統(tǒng)工藝流程作為測點分配依據(jù)，互為備用設(shè)備的測點布置在不同I/O模件上，相同設(shè)備測點布置在單個分散處理單元內(nèi)部，并額外設(shè)置一定比例的冗余測點。如果現(xiàn)場集中分布電子設(shè)備，則在設(shè)備周邊配置專用的DPU機柜，機柜內(nèi)部安裝分散處理單元、網(wǎng)絡(luò)交換機和光電接口，便于后續(xù)開展維護管理工作。最后，完成硬件配置工作后，工作人員操縱工程師站工控機，完成組態(tài)工作，以I/O測點分布情況、工藝聯(lián)鎖控制要求作為依據(jù)，組態(tài)內(nèi)容包括現(xiàn)場設(shè)備組態(tài)、數(shù)據(jù)庫組態(tài)、服務(wù)器算法組態(tài)、控制算法組態(tài)，將組態(tài)源代碼發(fā)送給現(xiàn)場控制站備份保存[2]。

2.2? 軟件配置

在軟件配置環(huán)節(jié)，工作人員根據(jù)實際控制需求，做好操作系統(tǒng)軟件、監(jiān)控軟件和控制組態(tài)軟件的選型工作。正常情況下，選用Windows軟件搭建操作系統(tǒng)，該操作系統(tǒng)運行平穩(wěn)，并滿足未來系統(tǒng)改擴建需求；選用MMI軟件搭建監(jiān)控系統(tǒng)，作為一款人機接口軟件，具備包括支持多重冗余結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)連接、漢化顯示、數(shù)據(jù)庫生成與自動更新、系統(tǒng)測試、建立動態(tài)圖符圖庫在內(nèi)的完善使用功能，且操作難度較低，工作人員僅需接受短期培訓(xùn)即可熟練掌握系統(tǒng)操作技能；選用組態(tài)軟件需要支持全圖形化組態(tài)、結(jié)構(gòu)化文本組態(tài)等多種組態(tài)方式，還需要具備支持編寫用戶程序的自定義模塊。待軟件選擇完畢后，即可編制DCS控制系統(tǒng)軟件程序，圍繞實際控制需求和管理要求確定編程思路。具體將系統(tǒng)監(jiān)控畫面分為3個層級，上層為機組控制層，以機組概況、主控情況、系統(tǒng)運行參數(shù)匯總、現(xiàn)行控制模式作為顯示內(nèi)容；中間層為系統(tǒng)控制層，主要顯示除塵工藝系統(tǒng)的主要控制回路信息；底層為設(shè)備控制層，負責(zé)顯示除塵裝置與配套裝置的實時運行參數(shù)，如電壓值、電流值、出口煙塵濃度等。最后，開展調(diào)試檢查作業(yè)，逐項檢驗操作指導(dǎo)、在線監(jiān)測、離線監(jiān)測、報表打印、閉環(huán)控制和遠程控制等各項使用功能，根據(jù)調(diào)試報告來判斷軟件程序是否滿足除塵集中控制需要，對不合理部位進行優(yōu)化改進處理[3]。

2.3? 網(wǎng)絡(luò)配置

在網(wǎng)絡(luò)配置環(huán)節(jié)，將網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)劃分為監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)與控制網(wǎng)絡(luò)3部分，分別制定面向各層級的網(wǎng)絡(luò)配置方案。其中，監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)簡稱為MNET，可采取工業(yè)以太網(wǎng)雙網(wǎng)冗余配置方案，保持系統(tǒng)服務(wù)器與操作員站及工程師站通訊互聯(lián)狀態(tài)。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)簡稱為SNET，同樣采取雙網(wǎng)冗余配置方案，重點保持系統(tǒng)服務(wù)器和現(xiàn)場控制站間的通訊互聯(lián)狀態(tài)?？刂凭W(wǎng)絡(luò)簡稱為CNET，工作人員可選擇采取Profibus-DP現(xiàn)場總線配置方案，負責(zé)保持現(xiàn)場控制站、主控單元以及過程I/O模塊間的通訊互聯(lián)狀態(tài)。同時，保持各層級網(wǎng)絡(luò)的獨立運行狀態(tài)，實現(xiàn)獨立數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制等使用功能，這有利于保持工業(yè)自動化系統(tǒng)與IT系統(tǒng)隔離狀態(tài)，如果出現(xiàn)故障問題，不會對除塵控制系統(tǒng)的總體工況造成明顯影響。最后，在DCS系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置若干通訊接口，由同級系統(tǒng)通訊接口、車間與廠級系統(tǒng)通訊接口2部分組成。第一，同級系統(tǒng)通訊接口，在車間內(nèi)除塵等工藝段的控制系統(tǒng)上預(yù)留通訊接口，支持RS485等連接方式，把接口布置在分散處理單元內(nèi)部，保持各套業(yè)務(wù)控制系統(tǒng)的雙向通訊狀態(tài)，在其基礎(chǔ)上形成車間聯(lián)動控制系統(tǒng)，獲取全部工藝數(shù)據(jù)下達除塵控制指令。第二，車間與廠級系統(tǒng)通訊接口，設(shè)置一套完整的冗余接口，加載接口功能軟件包，采取SIS接口站獨立設(shè)置方案，負責(zé)把車間控制系統(tǒng)的全部數(shù)據(jù)點持續(xù)上傳至SIS廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)，并在通訊接口上采取身份認證、入侵檢測、訪問控制等多項網(wǎng)絡(luò)安全措施，避免車間控制系統(tǒng)因通訊接口而遭受外部網(wǎng)絡(luò)干擾[4]。

2.4? 確定閉環(huán)控制組態(tài)邏輯

閉環(huán)控制系統(tǒng)具體采取插值法、PID算法2種組態(tài)邏輯。第一，插值法。提前在系統(tǒng)內(nèi)設(shè)定煙塵濃度值、濃度調(diào)節(jié)范圍、二次電力調(diào)節(jié)范圍等參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值，持續(xù)采集現(xiàn)場監(jiān)測信號，把所搜集數(shù)據(jù)導(dǎo)入公式來計算調(diào)節(jié)量，如在公式內(nèi)導(dǎo)入實時煙塵濃度、煙塵濃度目標(biāo)上下限值、二次電流目標(biāo)上下限值，以此來計算二次電流輸出值的調(diào)節(jié)量，煙塵濃度超過上限值時把二次電流設(shè)定值切換為上限值，煙塵濃度低于下限值時則把二次電流設(shè)定值切換為下限值。此類控制組態(tài)邏輯可以完成煙塵濃度閉環(huán)控制等任務(wù)，響應(yīng)時間較短，但控制精度略有不足，無法實現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)節(jié)目標(biāo)，并在控制目標(biāo)出現(xiàn)大幅波動情況下還會導(dǎo)致除塵裝置電源運行參數(shù)隨之波動，不推薦采取插值法作為控制組態(tài)邏輯。第二，PID算法。重點描述負荷功率、除塵器出口煙塵濃度二者的邏輯關(guān)系，把機組負荷指令變化作為除塵器二次電流的調(diào)節(jié)計算前饋條件，根據(jù)負荷情況來確定煙塵濃度波動范圍，再計算二次電流調(diào)節(jié)量，最終向閉環(huán)回路下達二次電流輸出參數(shù)的修正指令。PID算法是除塵控制系統(tǒng)最為常用的閉環(huán)控制組態(tài)邏輯，不但可以順利實現(xiàn)煙塵濃度精確控制目標(biāo)，還有利于推動信息采集系統(tǒng)向集成化、小型化與智能化方向發(fā)展。同時，為避免除塵系統(tǒng)受到電場影響而出現(xiàn)二次揚塵現(xiàn)象，工作人員應(yīng)在算法內(nèi)增設(shè)煙塵濃度突升邏輯判斷程序，如果除塵器出口煙塵濃度驟然提升、且超出突升最大限值，自動把被調(diào)量維持在突升前濃度值，避免因過幅度調(diào)節(jié)電流參數(shù)而出現(xiàn)電流不穩(wěn)、突升突降情況[5]。

2.5? 實現(xiàn)工藝聯(lián)鎖控制功能

除塵系統(tǒng)有著結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特征，由攪拌機、集塵罩、輸送管道、除塵器和風(fēng)機等若干部分組成，工藝流程如圖1所示。工作人員在搭建除塵DCS集中控制系統(tǒng)時，必須重點實現(xiàn)工藝聯(lián)鎖控制功能，把除塵系統(tǒng)整體視作為控制對象，才能取得理想控制效果，確保除塵系統(tǒng)長期保持平穩(wěn)、高效運行狀態(tài)。第一，風(fēng)機提速功能。加裝勺管執(zhí)行器，持續(xù)接收控制信號，以信號電流值作為執(zhí)行器開度調(diào)節(jié)依據(jù)，信號電流值越大，則執(zhí)行器開度越大，進而調(diào)整液力耦合器輸出轉(zhuǎn)速和風(fēng)機組轉(zhuǎn)速，正常情況下，可以在執(zhí)行器接收信號后的30 s內(nèi)完成提速動作。同時，可以預(yù)先在控制程序內(nèi)設(shè)定風(fēng)機組高速運行的最長持續(xù)時間，待風(fēng)機組提速完畢、處于高速運行狀態(tài)后，到達預(yù)定時間后自動后退推焦桿，把風(fēng)機組平穩(wěn)切換為低速運行狀態(tài)。第二，反吹清灰功能。以除塵器前后端壓力差作為控制對象，安裝傳感器，持續(xù)檢測除塵器積灰厚度，如果積灰厚度超標(biāo)、降低除塵器運行效率，系統(tǒng)下達反吹清灰控制指令，將清灰持續(xù)時間控制在10 s左右即可，通過增加前后壓差強制清理表面積灰。同時，如果除塵系統(tǒng)處于離線運行狀態(tài)，則采取固定頻率控制方式，預(yù)先設(shè)定前后次間隔時間，除塵系統(tǒng)定期開展反吹清灰作業(yè)。第三，空壓器聯(lián)鎖功能。在除塵系統(tǒng)運行期間，空氣壓縮站持續(xù)向氣動閥門及反吹清灰裝置供氣，供氣壓力和反吹清灰效果、氣動閥門開度調(diào)節(jié)速度密切相關(guān)，供氣壓力過高會縮短除塵裝置使用壽命，供氣壓力過低則會削弱反吹清灰效果。因此，工作人員需要對空壓器實施聯(lián)鎖控制，預(yù)先設(shè)定供氣壓力限值，低于限值后自動補充氣量，回升至上限值后停止補氣。第四，閥門開度調(diào)節(jié)功能。以風(fēng)機轉(zhuǎn)速作為配風(fēng)閥、入口電動翻板等部件的開度調(diào)節(jié)手段，預(yù)先設(shè)定不同運行模式下的標(biāo)準(zhǔn)開度值。當(dāng)風(fēng)機切換為低速運行或是高速運行模式時，通訊接口向現(xiàn)場設(shè)備發(fā)送模擬量信號，控制閥門與電動翻板迅速調(diào)節(jié)至標(biāo)準(zhǔn)開度。第五，入口煙塵溫度監(jiān)測功能。對于袋式除塵系統(tǒng)，由于除塵器大量使用纖維織物，在高溫條件下會加快老化速度，嚴重時導(dǎo)致除塵器燒毀。為防止此類問題發(fā)生，要在除塵器入口部位加裝溫度傳感器，監(jiān)測入口煙塵溫度，確定實時溫度超過限值后，自動發(fā)送報警信號，必要時暫停除塵系統(tǒng)運行[6]。

2.6? 完善系統(tǒng)使用功能

第一，數(shù)據(jù)處理功能。以DCS控制器作為數(shù)據(jù)處理裝置，持續(xù)采集監(jiān)測數(shù)據(jù)，把數(shù)據(jù)導(dǎo)入程序算法進行運算處理，根據(jù)運算結(jié)果來反映除塵系統(tǒng)運行工況、輸出控制指令。同時，為改善數(shù)據(jù)處理效果，還需要配備新型DCS控制器，在控制器程序上明確設(shè)定各類運算任務(wù)的優(yōu)先程度，搭配高速I/O卡件，在短時間內(nèi)調(diào)用足夠資源完成重要任務(wù)的本地運算處理，并把復(fù)雜任務(wù)提交至系統(tǒng)服務(wù)器，采取分布式計算方式進行運算處理，將運算結(jié)果反饋給現(xiàn)場控制站。第二，通訊交換功能。以通訊網(wǎng)絡(luò)作為連接分散系統(tǒng)與集中系統(tǒng)的重要紐帶，依托工業(yè)以太網(wǎng)來搭建框架結(jié)構(gòu)，將無主令牌LIN網(wǎng)協(xié)議等作為應(yīng)用層協(xié)議，保持各站平等狀態(tài)，以模塊為基礎(chǔ)單位來完成結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)通訊任務(wù)，無需額外設(shè)置主要管理站。第三，組態(tài)維護功能。此項功能由邏輯組態(tài)、下載修改、運行調(diào)試及遠程診斷組成。憑借DCS控制器自身性能，足以支持在線修改控制與離線下載控制，在下載修改期間不會對煙塵DCS系統(tǒng)正常運行造成影響。同時，在系統(tǒng)內(nèi)實現(xiàn)虛擬DCS功能，構(gòu)建完整的虛擬DCS模型，依托模型開展仿真實驗來完成調(diào)試檢查作業(yè)。第四，人機交互功能。在系統(tǒng)內(nèi)增加語音控制等人機交互程序，工作人員無論前往車間現(xiàn)場還是位于控制室，都可以實時了解除塵系統(tǒng)運行工況[7]。

2.7? 老舊系統(tǒng)升級改造

早期除塵控制系統(tǒng)，公司采用的是西門子S7-300 PLC控制系統(tǒng)，雖然也是適用于工業(yè)環(huán)境的控制系統(tǒng)，但實際控制效果并不理想，應(yīng)用期間暴露出工藝繁瑣、除塵裝置缺乏關(guān)聯(lián)、數(shù)據(jù)處理能力薄弱和工藝操作流程落后等多項問題有待解決。并且系統(tǒng)經(jīng)過多年的運行，存在部分設(shè)備老化、控制系統(tǒng)分散等問題，給電廠的安全經(jīng)濟運行帶來了負面影響。因此，2022年，我公司對老舊PLC除塵控制系統(tǒng)進行了升級改造，由DCS系統(tǒng)來取代PLC系統(tǒng)。

此次改造，將石灰石、除塵、輸灰和脫硝4套西門子S7-300 PLC控制系統(tǒng)改為了Nexus OC6000e 控制系統(tǒng)，并且把脫硫控制室和除塵控制室進行整合，實現(xiàn)了除塵、輸灰、脫硝和脫硫系統(tǒng)集中控制的目的。

除塵系統(tǒng)改造后，實現(xiàn)了石灰石、除塵、輸灰、脫硝和脫硫控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)一體化，減少操作員站數(shù)量；一臺操作員站可同時操作監(jiān)控各個系統(tǒng)；操作系統(tǒng)統(tǒng)一畫面風(fēng)格、操作標(biāo)準(zhǔn)；完善了語音報警、光字牌報警、操作記錄追憶、SOE追憶和歷史趨勢等功能，從而減少了事故率，加強了事故分析能力；減輕了運行人員的工作強度，提高了工作效率；改善了設(shè)備運行環(huán)境；優(yōu)化了公司現(xiàn)有人員結(jié)構(gòu)、提升了人員技能素質(zhì)等。

3? 結(jié)束語

綜上所述，為最大限度提升除塵控制系統(tǒng)的自動化程度，切實滿足生產(chǎn)需要，實現(xiàn)綠色環(huán)保生產(chǎn)目標(biāo)。工作人員必須認識到DCS控制系統(tǒng)的重要價值，依托DCS系統(tǒng)來打造全新的除塵集中控制系統(tǒng)，切實掌握除塵DCS系統(tǒng)在軟硬件配置、網(wǎng)絡(luò)配置、完善功能、升級改造等方面的實踐應(yīng)用方法，以取得理想控制成效。

參考文獻：

[1] 樊華，何非凡，范少華.基于DCS系統(tǒng)除塵集中控制的研究與應(yīng)用[J].河南電力，2021（S1）：4-5，9.

[2] 郭杰，楊會海，朱德明等.DCS在焦?fàn)t地面除塵系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].自動化儀表，2012，33（4）：38-40.

[3] 郭有林，郭永貴.焦?fàn)t加熱DCS系統(tǒng)改造及故障處理[J].燃料與化工，2012，43（5）：31.

[4] 孫巖，高粉艷.火電廠電除塵器出口煙塵濃度閉環(huán)控制在DCS中的實現(xiàn)[J].儀器儀表用戶，2020，27（6）：85-87，21.

[5] 周大偉.焦?fàn)t地面除塵站控制系統(tǒng)硬件設(shè)計[J].電子制作，2015（9）：255.

[6] 楊軼.火電廠輔助車間DCS集中聯(lián)網(wǎng)控制[D].上海：上海交通大學(xué)，2011.

[7] 陳小藝，董鶴飛.電爐除塵控制系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用[J].冶金自動化，2022，46（S1）：162-166.