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DCS在工业控制中的应用 摘要：DCS控制系统（DIstributed Control System，分散控制系统）是随着现代大型工业生产自动化的不断兴起和过程控制要求的日益复杂应运而生的综合控制系统。它是计算机技术、系统控制技术、网络通讯技术和多媒体技术相结合的产物，可提供窗口友好的人机界面和强大的通讯功能，是完成过程控制、过程管理的现代化设备，具有广阔的应用前景。关键字：分散控制系统、特点、分类、技术、应用1、前言： 分散型控制系统（DCS）是以微处理机为基础，以危险分散控制，操作和管理集中为特性，集先进的计算机技术、通讯技术、CRT技术和控制技术即4C技术于一体的新型控制系统。随着现代计算机和通讯网络技术的高速发展，DCS正向着多元化、网络化、开放化、集成管理方向发展，使得不同型号的DCS可以互连，进行数据交换，并可通过以太网将DCS系统和工厂管理网相连，实现实时数据上网，成为过程工业自动控制的主流。 2、DCS控制系统特点：一、高可靠性 由于DCS将系统控制功能分散在各台计算机上实现，系统结构采用容错设计，因此某一台计算机出现的故障不会导致系统其它功能的丧失。此外，由于系统中各台计算机所承担的任务比较单一，可以针对需要实现的功能采用具有特定结构和软件的专用计算机，从而使系统中每台计算机的可靠性也得到提高。 二、开放性DCS采用开放式、标准化、模块化和系列化设计，系统中各台计算机采用局域网方式通信，实现信息传输，当需要改变或扩充系统功能时，可将新增计算机方便地连入系统通信网络或从网络中卸下，几乎不影响系统其他计算机的工作。 三、灵活性通过组态软件根据不同的流程应用对象进行软硬件组态，即确定测量与控制信号及相互间连接关系、从控制算法库选择适用的控制规律以及从图形库调用基本图形组成所需的各种监控和报警画面，从而方便地构成所需的控制系统。 四、易于维护功能单一的小型或微型专用计算机，具有维护简单、方便的特点，当某一局部或某个计算机出现故障时，可以在不影响整个系统运行的情况下在线更换，迅速排除故障。 五、协调性各工作站之间通过通信网络传送各种数据，整个系统信息共享，协调工作，以完成控制系统的总体功能和优化处理。 六、控制功能齐全控制算法丰富，集连续控制、顺序控制和批处理控制于一体，可实现串级、前馈、解耦、自适应和预测控制等先进控制，并可方便地加入所需的特殊控制算法。 DCS的构成方式十分灵活，可由专用的管理计算机站、操作员站、工程师站、记录站、现场控制站和数据采集站等组成，也可由通用的服务器、工业控制计算机和可编程控制器构成。 处于底层的过程控制级一般由分散的现场控制站、数据采集站等就地实现数据采集和控制，并通过数据通信网络传送到生产监控级计算机。生产监控级对来自过程控制级的数据进行集中操作管理，如各种优化计算、统计报表、故障诊断、显示报警等。随着计算机技术的发展，DCS可以按照需要与更高性能的计算机设备通过网络连接来实现更高级的集中管理功能，如计划调度、仓储管理、能源管理等。 3、DCS控制系统分类：DCS控制系统基本包括 模拟量控制系统（MCS），顺序控制系统（SCS），汽机DEH系统，电气ECS系统，旁路控制系统BCS系统。模拟量控制系统（MCS），是将汽轮发电机组的锅炉、汽机当作一个整体进行控制的系统，炉侧MCS指锅炉主控制系统、锅炉燃料量控制系统、送风控制系统、引风控制系统、启动分离器储水箱水位控制系统及蒸汽温度控制系统；机侧MCS指除氧器压力、水位调节系统、凝汽器水位调节系统；闭式水箱水位调节系统；高、低加水位调节系统及辅汽压力调节系统等。MCS担负着生产过程中水、汽、煤、油、风、烟诸系统的主要过程变量的闭环自动调节及整个单元汽轮发电机组的负荷控制任务。 顺序控制系统SCS是将机组的部分操作按热力系统或辅助机械设备划分成若干个局部控制系统，按照事先规定的顺序进行操作，以达到顺序控制的目的。炉侧顺序控制的范围包括：送风机、引风机、一次风机、空气预热器、炉膛吹灰系统等。机侧顺序控制系统的范围包括：汽机润滑油系统、凝泵、高加、除氧器、递加、真空泵、轴封系统、循环水系统、闭式水系统、汽泵、电泵、内冷水系统、密封油系统、胶球清洗系统等。 锅炉炉膛安全监控FSSS能在锅炉正常工作和启停等各种运行方式下，连续地密切监视燃烧系统的大量参数和状态，不断地进行逻辑判断和运算，必要时发出动作指令，通过各种顺序控制和连锁装置，使燃烧系统中的有关设备（如磨煤机、给煤机、油枪、火检冷却风机等）严格按照一定的逻辑顺序进行操作或处理未遂事故，以保证锅炉的安全。同时炉膛安全监控系统还具有燃烧管理功能，它通过对锅炉的各层燃烧器进行投切控制，满足机组启停和增减负荷的需要，对锅炉的运行参数和状态进行连续监视，并自动完成各种操作和保护动作，如紧急切断燃料供应和紧急停炉，以防事故扩大.。 汽机DEH系统，其主要作用是调节汽轮机的转速，可完成如下功能：挂闸；自动判断热状态；选择启动方式；升速；3000rpm定速；发电机假同期试验；并网带负荷；升负荷；阀切换；单阀/顺序阀切换；调节级压力反馈；负荷反馈；一次调频；CCS控制；ATR热应力控制；高负荷限制；低负荷限制；阀位限制；主蒸汽压力限制；快卸负荷；超速限制OPC；符合不平衡；超速保护OSP；喷油试验；超速试验；阀门活动试验；阀门在线整定；电磁阀试验；控制方式切换. 电气ECS系统，其主要作用是发电机的启、停控制及逻辑；厂用电系统各开关的控制及逻辑；电气系统的各参数与设备状态的监视；继电保护动作情况、故障报警及时间顺序记录. 汽泵组MEH系统，其主要作用是调节汽泵组的转速，可完成如下功能：挂闸、升速、定速、CCS控制、超速保护等功能。 旁路控制系统BCS系统，旁路系统是一个独立的系统，旁路控制能完成旁路操作的确切要求，并能完成安全功能或快开/快关功能，其基本组成部分分为高旁控制器和低旁控制器，主要实现高低旁的压力控制和温度控制。4、DCS控制系统主要技术概述： 系统主要有现场控制站（I/O站）、数据通讯系统、人机接口单元（操作员站OPS、工程师站ENS）、机柜、电源等组成。系统具备开放的体系结构，可以提供多层开放数据接口。 硬件系统在恶劣的工业现场具有高度的可靠性、维修方便、工艺先进。底层汉化的软件平台具备强大的处理功能，并提供方便的组态复杂控制系统的能力与用户自主开发专用高级控制算法的支持能力；易于组态，易于使用。支持多种现场总线标准以便适应未来的扩充需要。 系统的设计采用合适的冗余配置和诊断至模件级的自诊断功能，具有高度的可靠性。系统内任一组件发生故障，均不会影响整个系统的工作。 系统的参数、报警、自诊断及其他管理功能高度集中在CRT上显示和在打印机上打印，控制系统在功能和物理上真正分散。 整个系统的可利用率至少为99.9%；系统平均无故障时间为10万小时，实现了核电、火电、热电、石化、化工、冶金、建材诸多领域的完整监控。 “域”的概念。把大型控制系统用高速实时冗余网络分成若干相对独立的分系统，一个分系统构成一个域，各域共享管理和操作数据，而每个域内又是一个功能完整的DCS系统，以便更好的满足用户的使用。 网络结构可靠性、开放性及先进性。在系统操作层，采用冗余的100Mbps以太网；在控制层，采用冗余的100Mbps工业以太网，保证系统的可靠性；在现场信号处理层，12Mbps的PROFIBUS总线连接中央控制单元和各现场信号处理模块。 标准的Client/Server结构。MACS系统的操作层采用Client/Server结构。 开放并且可靠的操作系统。系统的操作层采用WINDOWS NT操作系统；控制站采用成熟的嵌入式实时多任务操作系统QNS以确保控制系统的实时性、安全性和可靠性。 标准的控制组态软件。可以实现任何监测、控制要求。 可扩展性和可裁剪性。保证经济性。5、DCS控制系统发展历程：随着计算机技术、网络技术和控制技术的不断发展，DCS自20世纪70年代问世以来，先后经历了四个发展时期，具体划分为： (1) 19751980 初创期。此时的DCS通讯系统只是一种初级局部网络，全系统由一个通讯指挥器指挥，对各单元的访问是轮流询问方式。如TDC-2000、MOD-3等。(2) 19801985 成熟期。采用局域网络，由主从式星型网络转变成对等式的总线网络通信或环网通信，扩大了通信范围，提高了传输速率。如TDC-3000、MOD-300等。(3) 19851990 扩展期。在局域网络方面采用国际标准组织ISO的OSI开放系统互联的参考模型，使符合开放系统的各制造厂的产品可以互连，互通信以及进行数据交换，第三方软件以可以应用。改变了过去DCS各厂自成系统的封闭结构，DCS由原来的仅能应用发展到不仅能应用而且能开发。TDC-3000（带UCN网）Centum XL等。(4) 90年代以后，网络开放期。采用符合国际标准的通信协议和规程，即IEE802（以太网）、IEE802.4（令牌总线）、EEFDDI（光纤分布数据界面）、TCP/IP（传输控制协议/互联协议）或MAP（制造自动化协议）等，使不同厂家型号、不同操作系统的计算机可共存一个网络标准，达到产品互换、资源共享的目的。如Centum CS-3000、Advant-500等。6、DCS控制系统应用举例：6.1、DCS系统在水泥控制系统中的应用在水泥制造过程的三大部分（原料制备、熟料烧成和水泥制成）中，熟料烧成系统是个互相干扰因素多、控制复杂、在质量和节能方面占有重要地位的关键过程。可以说，熟料烧成DCS系统控制是对稳定产品的质量、提高设备生产率以及能源的节约都起着至关重要的作用。文章详细分析烧成系统主要监控参数及水泥生产线DCS自动回路优化控制。水泥生产设备大型化是实现工艺技术的手段和途径。为达到此目的必须提高设备制造技术和与之相配套的原材料（耐热、耐磨、耐火材料）的质量，提高必要的检测、保护装置的灵敏可靠性。由于近年来计算机控制技术、通信技术和图形显示技术的飞速发展，DCS这种分散控制，集中管理的集散型控制系统已经在世界水泥工业中得到广泛的应用。采用这种系统可以实现电动机成组程序控制，过程量的采集、处理、显示和调节。大大提高了劳动生产率，提高了工厂的管理和经营水平。水泥工艺过程是处理固体和粉状物料的生产过程，风、煤、料产生的热工过程变化复杂，不可控因素较多。从过程控制的角度来看，是一个滞留时间长、时间常数大、外来干扰多、相互干扰关系复杂的过程。在水泥制造过程的三大部分（原料制备、熟料烧成和水泥制成）中，熟料烧成系统是个互相干扰因素多、控制复杂、在质量和节能方面占有重要地位的关键过程。以下就水泥生产线中的熟料生产部分介绍DCS系统在水泥行业中的应用。熟料生产DCS控制熟料烧成系统主要流程：来自原料制备系统的生料由第二级预热器出口管路上加入，在5级旋风预热器和回转窑内与燃烧的高温气体进行热交换，经过窑内烧成的熟料进入篦式冷却机进行骤冷。因此烧成过程的三个部分（预热器、回转窑、冷却机）相互干扰，形成反馈的动态情况。有时为了稳定某个参数而采取相应的操作，其结果不仅不能达目的，反而对其它参数产生不良的影响，造成整个窑系统的波动，因果关系复杂。由于水泥厂控制调节回路较多，系统参数要即时反映出窑内热工状况，发挥DCS系统调节过程变量的优点，并提供了强大的诊断报警功能，操作工人能即时准确的处理窑系统报警。DCS系统对保持窑内热工状况稳定和提高系统运转率起到至关重要的作用。烧成系统DCS主要监控参数生产过程中主要的监控参数有：烧成带温度、窑转矩、窑尾气体温度、分解炉出口或最下一级旋风预热器出口温度、一级筒出口温度、窑尾、一级预热器出口气体成分分析、各级旋风预热器出口压力、三、四、五级旋风筒锥部压力、窑尾压力、窑尾排风机出口压力、电收尘入口气体温度、窑头负压、窑头电收尘器入口温度、二次空气温度等。水泥生产线DCS自动回路优化控制水泥生产线控制回路的优化控制系统代表了水泥生产自动化的发展方向。回路优化控制取代了原有靠操作工人经验来维持水泥生产的热工稳定。国内外通过多年的研究和实践，认为以多条单回路优化控制来实现水泥生产线的自动化生产是可行的、有效的、必要的，它将大大提高水泥企业的控制水平。近几年来，回路优化控制已在水泥厂得到了大量的应用，取得了良好的效果。其主要有以下几种控制：窑尾喂料调节控制、 分解炉喂煤量控制、 增湿塔出口废气温度控制、 窑头罩负压自动控制、 冷却机篦速自动调节、冷却机冷风风量自动调节、窑头喂煤自动控制、冷却机喷水控制。根据上述热工参数的检测和水泥生产线DCS自动回路优化控制的阐述，在烧成系统中设置两个现场控制站对烧成系统得设备进行监控和调节。可好为水泥企业带来以下几方面的效益：稳定了产品质量提高了设备生产率减小了人为误差增强了调节的实时性保证了整个热工制度的稳定节约了大量能源 综上所述，随着水泥行业不断向大型化、智能化的发展，DCS系统在水泥行业中起着越来越重要的作用。必将成为水泥生产企业不可取代的主要生产控制方式。6.2、DCS 系统在国际先进浮法玻璃生产线中的应用该公司DCS 系统由工程师站（也可以当作操作员站使用）、操作员站、网络、现场控制站构成。图1 是该公司DCS 系统的示意图， 采用Siemens 公司PCS7 系统。系统硬件介绍此控制系统中ES 和OS 为一个层次， 网络为一个层次， 控制站为一个层次。在ES、OS 站上安装有Windows2000 操作系统、PCS7 软件和经过二次开发的软件， 通过ES 上的PCS7 软件， 可以对系统结构、网络、控制站进行组态、设置、调试和诊断， 通过OS 可以模拟显示生产工艺状况， 并由操作员输入控制参数或命令， 对现场设备进行控制和调节； 网络层采用Siemens 工业用100M 交换机，交换机之间通过光纤连为环网， 当一个方向的通讯线缆出现故障时， 通讯还可以从另一个方向进行， 从而保证了通讯的高速和高可靠性， ES、OS 和控制站等设备上面都安装有网卡， 通过交换机进行实时数据交换； 控制站采用两套性能良好的AS 414H 控制系统， 每套系统的CPU、电源和通讯都是冗余的， 既保证了控制的安全性、可靠性，又保证了控制反应速度。每套AS 414H 上面配置有不同数量的ET200M 子站， 通过Profibus 总线连接起来， 在各个子站上插有冗余的通讯板卡和各种I O 模板。I O 模板与现场设备如压力变送器、温度变送器、流量变送器等进行数据交换， 实现采集数据和控制执行设备的功能。系统软件介绍在软件方面， 大致有操作系统、基础软件（PCS7 套件）、应用软件等。操作系统选用成熟稳定的Windows2000专业版； PCS7 基础软件集成有： Internet Explorer 60SP1、MS SQL Server 2000 SP3、SIMATIC PCS7 productCDs 等。应用软件指的是在PCS7 基础软件之上， 根据具体工艺状况和现场设备开发的软件， 包括通常的组态（如PID 控制、模拟量值的监控、设备状态的监控、报警监控）和较为复杂的脚本程序。对于操作员来说， 我们通常看到和操作的是OS 上的工艺状况画面和各种实时的数据， 只有具有工程师权限的人员才能查看和修改组态过程的控制策略、工艺状况画面和网络的实时监测等功能。在该公司DCS 控制系统中， 按照工艺的划分， 我们把OS 大致分为三个对应工段： 熔窑、锡槽、退火窑。每个OS 各监控一个工段， 同时与其它两个OS 互为备用。DCS 系统在浮法玻璃生产线中应用的特点先进的熔窑专家控制系统目前国内熔窑温度控制普遍采用的控制方式为单回路的PID 控制或手动控制。这种传统的控制手段虽然容易实现， 但效果越来越不能满足现代浮法玻璃工艺。而国外现代控制理论发展很快， 出现了自适应控制、模糊控制、智能控制等新型控制系统。而现在专家系统已经很好的应用于工业窑炉方面， 并取得了较好的控制效果。通过建立起新型的玻璃熔窑智能控制模型， 实现性能优异的自适应和智能控制。一体式投料机控制技术该公司使用了四台平推式德国zippe 公司的投料机。由于四台投料机的位置角度不同， 因此要求不同的控制速度与投料量。但如果使用四个独立的控制块来控制投料机， 有可能引起控制的不同步， 因此在CFC 中只设计了一个控制块。激光液面计输入信号的信号通过PID 功能块LIC100 计算后， 通过LZ1001、LZ1002、LZ1003、LZ1004四个输出块乘以给定系数后输出频率， 以标准信号420MA 的形式输出至相应投机。此种方法极大减低了程序的复杂程度和工作量， 很好地解决了同步问题。总线式的电加热的控制方法玻璃生产线的锡槽工段， 一般都有很多电加热， 且分多区。该公司的锡槽工段有38 个电加热工作区和控制器。该公司使用AEG 的THYROP 控制器， 该控制器拥有两种控制方式， 一种是采用420MA 标准信号， 与DCS 系统联络。该方法需要每个区， 每台控制器都要单独与DCS 系统对接， 目前， 国内多条浮法玻璃生产线， 采用该办法。但该方法存在许多缺陷， 首先故障点较多， 铺设电缆复杂，控制精度有待提高。而该生产线采用的是第二种办法， 改模拟控制为数字控制， 改420MA 控制方式为Profibus 总线方式。具体来说， 就是通过Profibus 总线协议， 只需使用一根总线， 以串联方式。联接所有内置了modbussteckkarte总线卡的THYROP 控制器。天燃气控制技术目前国内大多数玻璃生产线， 都使用重油或煤气作为熔窑燃料， 而该公司使用的能源为天然气。天然气的特性、热值和控制方法对国内的玻璃线都很陌生。所以该厂天然气的控制方法很有借鉴意义。该天然气系统的主要特点为： 进气端使用双回路自整定调压阀将来气压力调整为工作压力范围。然后通过一个安全主阀门， 给个分支小炉燃烧供气， 并且该安全主阀门附带各种测量、报警、控制装置， 有测量压缩空气压力传感器、天然气压力低传感器、天然气压力高传感器， 并与助燃风进行联锁， 从各个方面进行监控， 确保供气系统的安全和稳定。先进的法国斯坦因退火窑技术该公司全套引进了法国斯坦因退火窑， 斯坦因公司的退火窑采用独特的热风循环技术， 即将前端高温区的热量配合适当的冷风通过不同的管道， 传递至后端的低温区，使整个热量在退火窑中循环和分配， 并配以电加热和风量控制调节阀， 很好实现了整个退火窑各个区温度的平稳控制。在线实时式玻璃应力检测技术该公司将产品定位于欧洲高端玻璃市场， 而欧盟在玻璃标准中对玻璃的应力要求非常严格。于是该公司DCS 系统在设计之初就在冷