DCS控制系統(tǒng)在煤化工中的應(yīng)用

王文凱

摘要：隨著我國經(jīng)濟逐漸轉(zhuǎn)型升級，我國煤化工行業(yè)得到了迅速發(fā)展，由于在煤化工生成過程的復(fù)雜性和危險性，因此選擇科學(xué)高效的風(fēng)險控制措施十分重要。隨著DCS在自動化控制領(lǐng)域不斷成熟和發(fā)展，應(yīng)用DCS技術(shù)對煤化工生成過程進行監(jiān)控可以有效降低風(fēng)險防止事故發(fā)生。本文結(jié)合煤化工行業(yè)的實際特點，對DCS的特點、組成、功能進行簡述，分析在運行中容易出現(xiàn)的問題，同時提出相應(yīng)的措施，具有較高的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：DCS;煤化工;AC800F

一、引言

近30年來，隨著生產(chǎn)過程自動化水平的逐步提高，DCS在工業(yè)控制領(lǐng)域發(fā)揮了越來越重要的作用[1–3]。對工業(yè)的安全穩(wěn)定、電力和化工生產(chǎn)效率起著不可替代的作用。越來越多的化工企業(yè)開始考慮引進新的控制方式和控制系統(tǒng)的改造。他們采用新技術(shù)徹底改變現(xiàn)有的控制方式，以提高自動化的控制水平、控制效率和控制策略。大型化工廠通常由數(shù)千個I/O測點組成，在DCS系統(tǒng)的控制下與現(xiàn)場設(shè)備相連，以穩(wěn)定、安全的方式維護工廠的安全。1975年，美國霍尼韋爾公司發(fā)布了TDC2000系統(tǒng)[4–5]與此同時，日本橫河公司發(fā)布了Centum系統(tǒng)。此后，過程控制進入了分布式控制時代[6]。DCS（Distributed Control System）是一種由計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)和通信技術(shù)等相結(jié)合形成的新型控制技術(shù)，它是以通信網(wǎng)絡(luò)為紐帶，由過程控制級和過程監(jiān)控級組成的多機系統(tǒng)，具有分散控制、集中操作、分級管理、配置靈活、配置方便等諸多特點[7]，基于此特點它被廣泛引入煤化工過程控制中，實現(xiàn)集中方便管理。

二、DCS在煤化工行業(yè)應(yīng)用分析

（一）DCS的構(gòu)成

如圖1所示，分布式控制系統(tǒng)（DCS）基于計算機網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)，包括系統(tǒng)的過程控制和過程監(jiān)控。由工程師站、操作員站、現(xiàn)場控制站、通信控制站、數(shù)據(jù)站組成的綜合自動化系統(tǒng)，這些站通過現(xiàn)場總線技術(shù)的控制網(wǎng)絡(luò)連接起來，完成大中型集散控制系統(tǒng)（DCS）和大數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA）功能。根據(jù)系統(tǒng)功能可分為過程控制級、控制管理級、生產(chǎn)管理級和管理級的層次結(jié)構(gòu)，具有分散控制、集中管理、集成、信息、智能化和小型化的特點，可以實現(xiàn)自動檢測、自動調(diào)節(jié)、自動保護、自動運行等功能。

（二）DCS軟硬件配置

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要由工程師站、操作員站、現(xiàn)場控制站（包括主控單元和I/O單元設(shè)備）、數(shù)據(jù)站、通信系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等組成。其中，工程師站的功能是運行相應(yīng)的配置管理程序，對整個系統(tǒng)進行集中控制和管理;操作員站運行相應(yīng)的實時監(jiān)控程序，對整個系統(tǒng)進行監(jiān)控;數(shù)據(jù)站的功能是運行相應(yīng)的管理程序，對整個系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)進行管理;現(xiàn)場控制站的功能是運行相應(yīng)的實時控制程序，對現(xiàn)場進行控制和管理，負責(zé)數(shù)據(jù)采集、控制輸出、控制操作等，包括CPU主控模塊、電源模塊、IO模塊。系統(tǒng)軟件包括工程師站配置軟件、操作員站軟件、現(xiàn)場控制器軟件、數(shù)據(jù)站軟件等，配置軟件安裝在工程師站上，包括數(shù)據(jù)庫控制、設(shè)備配置、控制器配置、報表配置、圖形配置等。定量、工程師在線下載、歷史數(shù)據(jù)查詢等組件。操作員站軟件安裝在操作員站上，幫助用戶完成監(jiān)控人機交互界面，包括流程圖、趨勢、參數(shù)列表、報警等操作功能。數(shù)據(jù)站軟件安裝在數(shù)據(jù)站上，完成對實時和歷史數(shù)據(jù)系統(tǒng)的集中管理和監(jiān)控，同時還為每個站點的數(shù)據(jù)請求提供服務(wù)。控制站軟件安裝在現(xiàn)場控制站主控單元上，完成數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換和控制操作。

（三）DCS在煤氣化上的應(yīng)用

煤氣化工序主要包括：煤粉制備、煤粉供給及氣化、渣水處理等，即，將開采的原煤經(jīng)過磨煤機進行煤粉制備，通過篩選機篩選合格的煤粉通過惰性氣體運送到氣化爐進行氣化反應(yīng)，產(chǎn)生的合格氣體輸送到下一道工序，同時對氣化爐產(chǎn)生的渣水進行處理和再利用。因此，DCS在上述三道工序中應(yīng)用如下：

1.對磨煤機進料的比例控制[8]。按照要求原料煤和石灰石要按照一定比例送入磨煤機中，經(jīng)過磨煤機的碾磨成粉狀，被高溫惰性氣體進行輸送，因此在該工序中DCS主要實現(xiàn)比例的精確控制，屬于比例環(huán)節(jié)控制。

2.氣化爐控制。DCS對氣化爐進行四個方面的控制，首先DCS實現(xiàn)煤炭和氧氣的比例控制，通過控制氧氣和煤粉的比例防止氣化爐溫度過高產(chǎn)生的炸爐事故;其次DCS實現(xiàn)氣化爐液位的控制，液位控制的效果直接決定洗氣的好壞，液位過低，氣體洗滌效果差，不但增加系統(tǒng)負擔(dān)同時也危害設(shè)備安全;液位過高，氣體含水量高，洗氣效果差;再次DCS實現(xiàn)對氣化爐溫度控制，通過調(diào)整氧氣與碳比來調(diào)節(jié)氣化爐反應(yīng)溫度，爐溫一般應(yīng)該高于煤的灰熔點;最后，DCS實現(xiàn)激冷水流量控制，在氣化爐中冷激水作用是冷卻和洗滌氣體，如果冷激水流量低，會造成氣化爐溫度升高，嚴(yán)重時會燒壞激冷環(huán)，因此要嚴(yán)格控制水流量過低。

3.水洗塔控制[9]。DCS實現(xiàn)對水洗塔出口氣體溫度和含水量比例控制，如果合成氣體溫度不穩(wěn)定造成水氣比波動增大，造成液位控制難度大;同時DCS實現(xiàn)對水洗塔液位控制，液位過高，氣體含水量變大，影響催化劑壽命;液位過低造成激冷水泵抽空。

三、DCS在煤化工應(yīng)用過程中存在問題和解決措施

（一）DCS存在問題

DCS雖然為煤化工行業(yè)安全和質(zhì)量控制帶來便利，但是也存在一定的問題和隱患，具體表現(xiàn)為一下幾方面：

1.可靠性問題。由于煤化工所有工序都是連續(xù)的，在長時間高頻率動作下，DCS中有些觸點會發(fā)生誤動作或不動作現(xiàn)象，這些一部分由于DCS自身處理器問題，比如受到外界環(huán)境干擾，還有一部分是由于外部惡劣環(huán)境造成的，比如粉塵覆蓋。這些問題直接造成整個系統(tǒng)的失效甚至崩潰。

2.通信能力不穩(wěn)定。煤化工過程中由于被控對象比較多，除了要求處理器具備較高的數(shù)據(jù)處理能力以外，設(shè)備之間的通信能力也要強大，但是在現(xiàn)實中DCS的通信接口會受到干擾，無法及時與其他接口進行信息傳遞。

3.故障診斷和容錯能力不足。在控制過程中系統(tǒng)難免會出現(xiàn)故障，在異常情況下系統(tǒng)能夠及時發(fā)現(xiàn)故障并報警或者糾錯的話，無疑會提高系統(tǒng)的可靠性，但是現(xiàn)實中工況復(fù)雜多變而且故障類型不確定，特別是國產(chǎn)DCS系統(tǒng)的故障診斷能力不高，發(fā)生故障是無法及時報警或者誤報警，這些都會影響系統(tǒng)的使用和推廣。

（二）解決措施

針對以上三個方面的問題，提出如下相應(yīng)的解決措施：

（1）針對可靠性問題，在平時巡檢和維護過程中及時發(fā)現(xiàn)和排除干擾因素，對處理單元及時檢查和更新，保證其處理能力能夠滿足煤化工行業(yè)對數(shù)據(jù)處理能力的要求，與此同時，可以對設(shè)備設(shè)置抗干擾防護系統(tǒng)，隔絕外界的干擾，比如采取接地或者設(shè)置防雷擊保護系統(tǒng)，實現(xiàn)系統(tǒng)可靠，安全運行。

（2）針對通信能力不穩(wěn)定問題。一方面選擇合適的通信技術(shù)，另一方面對系統(tǒng)定期進行升級或擴容，通過合理擴容避免因數(shù)據(jù)量激增導(dǎo)致的通信能力下降或信道擁塞問題，從而提高信道的傳輸效率。

（3）針對自診斷和容錯能力不足問題，可以通過對DCS系統(tǒng)功能擴展，加入人工智能算法，通過大量多次訓(xùn)練使終端設(shè)備具備自診斷和自恢復(fù)功能，同時及時更新報警系統(tǒng)，增加故障類型使其更加符合現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)要求。

（4）加強維護。首先要定期清理和檢測，煤化工過程中避免不了會產(chǎn)生大量粉塵，這些粉塵會干擾設(shè)備正常運行，同時要對系統(tǒng)軟件和硬件定期進行檢測和更新保證其完整性;其次，增強儀器儀表相關(guān)從業(yè)人員技術(shù)素質(zhì)，能夠?qū)ο到y(tǒng)存在問題做出及時預(yù)判和快速處理，避免事故產(chǎn)生。

四、結(jié)論

本文通過對DCS系統(tǒng)特點、軟硬件構(gòu)成進行簡述，分析了在煤氣化工序中DCS的具體應(yīng)用，同時結(jié)合實際指出當(dāng)前DCS系統(tǒng)存在問題，并給出具體的解決措施。綜上所述，在DCS日益發(fā)展成熟的今天，煤化工行業(yè)要充分利用DCS控制系統(tǒng)的優(yōu)越性，促進企業(yè)安全、質(zhì)量和效益的提升，同時針對存在的問題要加強整改，降低煤化工行業(yè)風(fēng)險，從而促進企業(yè)安全效益和經(jīng)濟效益共同發(fā)展。

參考文獻

陳建國.淺談煤化工DCS系統(tǒng)的維護和管理儀器儀表用戶，2018，25（12）：104–106.

馮中昱. DCS控制系統(tǒng)在煤化工企業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用及維護探究化工管理，2018（30）：34–35.

趙寧.試論DCS控制系統(tǒng)在煤化工企業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用及維護.化工管理，2018（27）：99–100.

仝瑞麟.煤化工生產(chǎn)中DCS系統(tǒng)的應(yīng)用與改善途徑分析.山西化工，2018，38（3）：145–147.

李慶民.西門子DCS系統(tǒng)在某焦?fàn)t中應(yīng)用技術(shù)的改進分析[J].工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新，2016，03（3）：532–535.

寧紅軍，杜紅濤，趙剛海.環(huán)己醇生產(chǎn)裝置中DCS控制系統(tǒng)的升級改造河南化工，2016，33（2）：42–44.

劉經(jīng)緯，呼宏安，李國庭.煤粉制備裝置氣力輸送控制系統(tǒng)的優(yōu)化[J].化工自動化及儀表，2015，42（11）：1277–1278.

趙連彬.和利時DCS與西門子S7–315PLC通訊中的應(yīng)用.自動化與儀器儀表，2015（9）：35–36.

胡俊偉. DCS在煤化工中的應(yīng)用[J].石化技術(shù)，2015，22（8）：228+243.