基于計算機(jī)通信技術(shù)的DCS 控制系統(tǒng)在工業(yè)自動化中的應(yīng)用

王文波

（國電南瑞科技股份有限公司， 江蘇 南京 210000）

0 引言

DCS 控制系統(tǒng)在工業(yè)自動化中的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，主要包括化工、電力、冶金、石油、煤炭、輕工、食品、制藥、水處理等行業(yè)。在這些行業(yè)中，DCS 控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程的實(shí)時監(jiān)測、調(diào)節(jié)、優(yōu)化和管理，提高生產(chǎn)效率、質(zhì)量和安全性，降低能耗和成本，增強(qiáng)市場競爭力。不僅提高了生產(chǎn)過程的可靠性和穩(wěn)定性。還提高了生產(chǎn)過程的智能化和自動化水平。由于DCS 控制系統(tǒng)采用了先進(jìn)的計算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)，使得系統(tǒng)具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和信息傳輸能力，能夠?qū)崿F(xiàn)對生產(chǎn)過程的全面監(jiān)測和精確控制，以及對生產(chǎn)數(shù)據(jù)的分析和優(yōu)化。

1 DCS 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能

1.1 介紹DCS 控制系統(tǒng)的基本組成

DCS 控制系統(tǒng)是分布式控制系統(tǒng)（Distributed Control System）的英文縮寫，在國內(nèi)自控行業(yè)又稱之為集散控制系統(tǒng)。它是一種以計算機(jī)為基礎(chǔ)，以分散控制、集中操作、分級管理、配置靈活和組態(tài)方便為特點(diǎn)的新型計算機(jī)控制系統(tǒng)，綜合了計算機(jī)，通信、顯示和控制等4C 技術(shù)[1]。DCS 控制系統(tǒng)的基本組成部分如圖1 所示。集散控制系統(tǒng)在發(fā)展的過程中，促進(jìn)了我國工業(yè)自動化控制系統(tǒng)的發(fā)展，但也存在一些挑戰(zhàn)。當(dāng)前，我國經(jīng)濟(jì)不斷提高，有效促進(jìn)了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，正是這些技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，促進(jìn)集散控制系統(tǒng)的進(jìn)步，該系統(tǒng)不斷對PLC、工業(yè)PC、NC 和相關(guān)調(diào)節(jié)器進(jìn)行集成，有效滿足工業(yè)自動化系統(tǒng)對現(xiàn)代性、創(chuàng)新性和系統(tǒng)性的發(fā)展需求，促進(jìn)計算機(jī)控制技術(shù)和自動化控制系統(tǒng)的發(fā)展，隨著計算機(jī)控制系統(tǒng)和自動化控制系統(tǒng)的不斷完善，使這些系統(tǒng)逐漸達(dá)成現(xiàn)代化發(fā)展目標(biāo)。

圖1 DCS 控制系統(tǒng)的基本組成

1.2 介紹DCS 控制系統(tǒng)的主要功能特點(diǎn)

1.2.1 實(shí)時性

DCS 控制系統(tǒng)具備實(shí)時監(jiān)測和調(diào)節(jié)生產(chǎn)過程的能力，能夠迅速響應(yīng)各種變化和干擾，從而確保生產(chǎn)過程的平穩(wěn)和優(yōu)化。DCS 控制系統(tǒng)運(yùn)用高速通信網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)，使得數(shù)據(jù)傳輸和交換的效率和準(zhǔn)確性得到了顯著提升。

1.2.2 參數(shù)調(diào)整

DCS 控制系統(tǒng)具備高度的靈活性，可以根據(jù)不同的生產(chǎn)需求和條件，對各種參數(shù)進(jìn)行靈活的調(diào)整和優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)多種高效的控制策略和算法。通過對系統(tǒng)運(yùn)行情況的監(jiān)視和控制，可以及時發(fā)現(xiàn)問題并及時采取措施，提高系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。DCS 控制系統(tǒng)運(yùn)用了先進(jìn)的組態(tài)軟件和人機(jī)交互技術(shù)，使得參數(shù)的調(diào)整變得簡單易行，同時也提供了直觀的可視化效果[2]。

1.2.3 報警功能

DCS 控制系統(tǒng)具備實(shí)時檢測和報警生產(chǎn)過程中異常情況的能力，能夠及時提醒操作人員采取處理或干預(yù)措施，以避免事故的發(fā)生或擴(kuò)大。DCS 控制系統(tǒng)運(yùn)用了多種警報機(jī)制和級別，以確保警報信息的明確性和實(shí)用性。

1.2.4 監(jiān)督功能

DCS 控制系統(tǒng)能夠?qū)ιa(chǎn)過程中的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和存儲，供操作人員或管理人員進(jìn)行查詢和分析，實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程的監(jiān)督和評價。DCS 控制系統(tǒng)采用了大容量的存儲設(shè)備和數(shù)據(jù)庫技術(shù)，使得數(shù)據(jù)的保存具有安全性和完整性。

2 DCS 控制系統(tǒng)的工作原理和流程

DCS 控制系統(tǒng)的工作原理和流程基本上可以分為如下三個階段：

1）采集數(shù)據(jù)：DCS 控制系統(tǒng)中的各種傳感器會不斷地采集工業(yè)過程中的各種參數(shù)數(shù)據(jù)，如溫度、壓力、液位、流量等。這些數(shù)據(jù)會通過輸入/輸出模塊傳送到現(xiàn)場控制器，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和預(yù)處理，然后通過通信網(wǎng)絡(luò)傳送到操作員站或工程師站，進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示和存儲。

2）控制過程：DCS 控制系統(tǒng)中的現(xiàn)場控制器會根據(jù)設(shè)定的控制策略和算法，對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時分析和運(yùn)算，生成相應(yīng)的控制信號，通過輸出模塊傳送到現(xiàn)場設(shè)備或執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對工業(yè)過程的調(diào)節(jié)和優(yōu)化。同時，現(xiàn)場控制器也會將控制結(jié)果反饋給操作員站或工程師站，進(jìn)行監(jiān)視和評價。

3）管理信息：DCS 控制系統(tǒng)中的操作員站或工程師站會根據(jù)不同的用戶需求，對采集到的數(shù)據(jù)和控制結(jié)果進(jìn)行不同層次和不同方式的管理和處理，如報警、記錄、查詢、統(tǒng)計、優(yōu)化等。同時，操作員站或工程師站也可以通過通信網(wǎng)絡(luò)與上位機(jī)或其他系統(tǒng)進(jìn)行信息交換和集成，實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程的綜合管理和決策。

隨著現(xiàn)代計算機(jī)和通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展，DCS 正朝著多元化、網(wǎng)絡(luò)化、開放化、集成管理的方向不斷演進(jìn)，使得不同型號的DCS 能夠?qū)崿F(xiàn)互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，并通過以太網(wǎng)將DCS 系統(tǒng)與工廠管理網(wǎng)無縫連接，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時數(shù)據(jù)上網(wǎng)，成為過程工業(yè)自動控制的主流趨勢[3]。分散控制系統(tǒng)如圖2 所示。

圖2 分散控制系統(tǒng)

3 DCS 控制系統(tǒng)在工業(yè)自動化中的應(yīng)用

3.1 化工領(lǐng)域

在化工生產(chǎn)過程中，DCS 控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對化學(xué)反應(yīng)、分離、精制、催化等多個環(huán)節(jié)的高精度控制和優(yōu)化，從而提高產(chǎn)品的質(zhì)量和收率，降低能源消耗和排放，確保生產(chǎn)過程的安全和環(huán)保。例如，某化工廠聚合物多元醇生產(chǎn)項(xiàng)目早期自動化控制采用氣動儀表、測量精度低、自動控制滯后，后經(jīng)過技術(shù)改造，儀表選用測量精度較高的數(shù)顯控制器，在很大程度上提高了測量精度。同時，采用DCS 控制系統(tǒng)對生產(chǎn)過程進(jìn)行集中監(jiān)視和調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了溫度、壓力、流量等參數(shù)的閉環(huán)控制，提高了生產(chǎn)效率和穩(wěn)定性。

3.2 電力領(lǐng)域

DCS 控制系統(tǒng)在電力生產(chǎn)過程中可以實(shí)現(xiàn)對鍋爐、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)等設(shè)備的監(jiān)測和保護(hù)，實(shí)現(xiàn)對電廠的負(fù)荷調(diào)度和優(yōu)化，提高電力的供應(yīng)和質(zhì)量，保障電網(wǎng)的穩(wěn)定和安全。例如，某火力發(fā)電廠采用DCS 控制系統(tǒng)對熱工控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，項(xiàng)目包括模擬量控制系統(tǒng)（MCS）、邏輯控制系統(tǒng)（SCS）、鍋爐安全監(jiān)控系統(tǒng)（FSSS）、機(jī)組數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)（DAS）、汽輪機(jī)監(jiān)測保護(hù)系統(tǒng)（TSI）、汽輪機(jī)電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)（DEH）等。通過DCS控制系統(tǒng)的應(yīng)用，使得各個設(shè)備能夠高效運(yùn)作，提高了電廠的運(yùn)行可靠性和經(jīng)濟(jì)性。該電廠360 MW 機(jī)組DCS 控制器功能分配如表1 表2 所示。

表1 360 MW 機(jī)組DCS 控制器功能分配（總數(shù)為6 600 點(diǎn)，19 對大控制器）

表2 360MW 機(jī)組DCS 控制器功能分配（總數(shù)為5 450 點(diǎn)，17 對大控制器）

3.3 冶金領(lǐng)域

DCS 控制系統(tǒng)在冶金生產(chǎn)過程中可以實(shí)現(xiàn)對煉鐵、煉鋼、軋鋼等過程的監(jiān)測和調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對冶金設(shè)備的優(yōu)化配置和管理，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和性能，降低資源消耗和廢棄物排放，保障生產(chǎn)的安全和環(huán)保。例如，某鋼鐵廠采用DCS 控制系統(tǒng)對熱連軋線進(jìn)行改造，項(xiàng)目包括軋機(jī)主傳動、輔助傳動、液壓伺服、潤滑冷卻、溫度檢測等子系統(tǒng)。通過DCS 控制系統(tǒng)的應(yīng)用，使得軋機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)自動速度跟蹤、張力平衡、厚度調(diào)節(jié)等功能，提高了軋鋼的質(zhì)量和效率。

4 DCS 控制系統(tǒng)在工業(yè)自動化中的應(yīng)用優(yōu)勢和價值

4.1 提高生產(chǎn)效率

DCS 控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r地對生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)測和調(diào)節(jié)，及時地響應(yīng)各種變化和干擾，保證生產(chǎn)過程的穩(wěn)定和優(yōu)化。DCS 控制系統(tǒng)采用了高速的通信網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)，使得數(shù)據(jù)的傳輸和交換具有高效性和準(zhǔn)確性。例如，某化工廠在采用DCS 控制系統(tǒng)后，聚合物多元醇的年產(chǎn)量由原來的2.5 萬t 提高到3.5 萬t，生產(chǎn)效率提高了40%。

4.2 保障生產(chǎn)安全

DCS 控制系統(tǒng)能夠?qū)ιa(chǎn)過程中出現(xiàn)的異常情況進(jìn)行及時的檢測和報警，提醒操作人員進(jìn)行處理或干預(yù)，防止事故的發(fā)生或擴(kuò)大。DCS 控制系統(tǒng)采用了多種報警方式和級別，使得報警信息具有明確性和有效性。例如，某火力發(fā)電廠在采用DCS 控制系統(tǒng)后，鍋爐安全監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對鍋爐的各種參數(shù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測和保護(hù)，當(dāng)參數(shù)超出設(shè)定范圍時，能夠自動切斷燃料、水、空氣等供給，并發(fā)出聲光報警信號，避免了鍋爐爆炸等嚴(yán)重事故的發(fā)生。

4.3 降低生產(chǎn)成本

DCS 控制系統(tǒng)能夠根據(jù)不同的生產(chǎn)需求和條件，靈活地對各種參數(shù)進(jìn)行設(shè)置和修改，實(shí)現(xiàn)各種控制策略和算法。DCS 控制系統(tǒng)采用了先進(jìn)的組態(tài)軟件和人機(jī)界面技術(shù)，使得參數(shù)的調(diào)整具有簡便性和可視性。例如，某鋼鐵廠在采用DCS 控制系統(tǒng)后，軋機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)自動速度跟蹤、張力平衡、厚度調(diào)節(jié)等功能，使得軋鋼過程中的廢品率由原來的5%降低到2%，節(jié)約了原料和能源的消耗。

4.4 提升產(chǎn)品質(zhì)量

DCS 控制系統(tǒng)能夠?qū)ιa(chǎn)過程中的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和存儲，供操作人員或管理人員進(jìn)行查詢和分析，實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程的監(jiān)督和評價。DCS 控制系統(tǒng)采用了大容量的存儲設(shè)備和數(shù)據(jù)庫技術(shù)，使得數(shù)據(jù)的保存具有安全性和完整性。例如，某化工廠在采用DCS控制系統(tǒng)后，聚合物多元醇的產(chǎn)品質(zhì)量得到了顯著提高，其色度由原來的50 降低到10 以下，其水分由原來的0.5%降低到0.1%以下。

5 結(jié)語

強(qiáng)化計算機(jī)通信技術(shù)的DCS 控制系統(tǒng)在工業(yè)自動化中的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)各類生產(chǎn)機(jī)械設(shè)備自動化、智能化管控，進(jìn)而提升整體生產(chǎn)效率、不斷提升機(jī)械設(shè)備生產(chǎn)效率、確保生產(chǎn)安全。同時，還可以有效地提升工作效率和減少人力成本的投入。另外，還能實(shí)現(xiàn)高精細(xì)處理，使整個工業(yè)生產(chǎn)過程更加流暢與智能。通過自動化技術(shù)可以有效地減少人力成本的投入、提高產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量和合格率、繼而降低生產(chǎn)成本。最后,利用計算機(jī)通信技術(shù)的DCS 控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對人力，物力以及其他資源的有效利用，工業(yè)企業(yè)可以在企業(yè)管理與創(chuàng)新中應(yīng)用更加優(yōu)勢的資源，不斷提高生產(chǎn)效率與產(chǎn)品質(zhì)量，進(jìn)而促進(jìn)各個專業(yè)領(lǐng)域核心競爭力的迅速增強(qiáng)，為我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。