葉宛麗

（吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，132013）

隨著化工企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模和可實現(xiàn)功能的逐步擴大，化工生產(chǎn)所配置的生產(chǎn)裝置規(guī)模和復雜度也得到了大幅度的提升，這種環(huán)境下，僅僅依靠人工進行生產(chǎn)控制已經(jīng)無法滿足化工企業(yè)的生產(chǎn)需求，而信息技術(shù)的發(fā)展及其在多領(lǐng)域的應用使得化工生產(chǎn)自動化越來越普及，推動了化工企業(yè)的產(chǎn)品生產(chǎn)控制逐步向自動化、智能化、規(guī)?；约皬碗s化方向發(fā)展。依托計算機相關(guān)技術(shù)配合使用多種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)以及控制技術(shù)和顯示技術(shù)等多種綜合性技術(shù)而發(fā)展起來的分布式控制系統(tǒng)（DCS），在化工生產(chǎn)控制中得到了廣泛的應用。該控制系統(tǒng)可以對化工生產(chǎn)中的多種設(shè)備進行自動化生產(chǎn)管理和控制，可以有效提高企業(yè)的生產(chǎn)效率，降低管理成本，節(jié)約能耗，還能夠為企業(yè)的持續(xù)發(fā)展提供不竭動力，是現(xiàn)代化化工生產(chǎn)控制的核心手段之一。

1 DCS 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能

1.1 總體體系結(jié)構(gòu)

DCS 系統(tǒng)可以利用多種拓撲網(wǎng)絡(luò)將化工生產(chǎn)現(xiàn)場中的設(shè)備和相關(guān)儀器儀表等與下位機、服務(wù)器、工作站等組成一個可控網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)通常具有三層結(jié)構(gòu)，可以在分散環(huán)境下對多個監(jiān)測設(shè)備和監(jiān)測過程進行控制與管理。

首先，分散過程控制級處于整個DCS 系統(tǒng)的底層，用于直接對生產(chǎn)對象、控制對象等進行數(shù)據(jù)采集和功能控制。該層將上述設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息采集后集中傳遞給上一級，即集中操作監(jiān)控級，進行分析，同時下載和接收上一級傳遞的控制指令及操作命令對具體對象進行工業(yè)控制，如更改參數(shù)采集方式、執(zhí)行順序或閉環(huán)調(diào)節(jié)控制等。

其次，集中操作監(jiān)控級位于DCS 系統(tǒng)的中間層，面向化工生產(chǎn)控制與操作人員。該層可以將其下一級傳遞的數(shù)據(jù)分析處理后以更加簡單明了直觀的方式呈現(xiàn)在操作管理人員面前，并利用曲線圖、趨勢圖以及流程圖等標注生產(chǎn)運行狀態(tài)等，便于操作管理人員實時分析生產(chǎn)中各參數(shù)和各過程的執(zhí)行狀態(tài)，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果制定具體的執(zhí)行內(nèi)容。

再次，綜合信息管理級屬于DCS 系統(tǒng)的最高級管理層，向整個系統(tǒng)提供軟硬件支持以及協(xié)助完成生產(chǎn)管理和市場經(jīng)營等功能。該層可以對整個生產(chǎn)過程中的每一個環(huán)節(jié)進行監(jiān)控，對各生產(chǎn)控制數(shù)據(jù)進行匯總、分析以及存檔，增強化工企業(yè)的自動化辦公水平。

1.2 通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

DCS 系統(tǒng)的通信結(jié)構(gòu)也分文三個層次，分別為信息管理層、過程控制層以及控制站內(nèi)部控制網(wǎng)絡(luò)層。

其中，信息管理層中應用通用的、支持TCP/IP 協(xié)議的分散網(wǎng)絡(luò)將各網(wǎng)橋和計算機并網(wǎng)成為完整的DCS 控制系統(tǒng)。該通信層可以對整個系統(tǒng)中產(chǎn)生的運行參數(shù)以及系統(tǒng)信息等進行匯總，并向下層傳遞生產(chǎn)調(diào)度指令，將各信息并入企業(yè)數(shù)據(jù)庫。

控制站內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)層則是根據(jù)實際的工作需要使用具體的、適當?shù)耐ㄐ艆f(xié)議和通信結(jié)構(gòu)進行信息傳輸和信息交換。

1.3 主要實現(xiàn)功能

實際應用中，以控制站、操作員工作站等為主體的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)與以現(xiàn)場控制站、操作站等為主體的控制網(wǎng)絡(luò)是實現(xiàn)化工生產(chǎn)的主要部分。

利用控制站DCS 系統(tǒng)可以方便的建立某一項目或某一流程的I/O 服務(wù)，通過該服務(wù)協(xié)議和內(nèi)容控制現(xiàn)場設(shè)備進行數(shù)據(jù)采集，并將采集到的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)化為圖形信息，向操作或管理人員呈現(xiàn)，如單回路控制畫面、流程畫面等。

利用操作員站DCS 系統(tǒng)可以快速的對生產(chǎn)過程中的某一參數(shù)進行調(diào)節(jié)和控制，如設(shè)備壓力，產(chǎn)品溫度、輸入材料流量等。通過這種實時參數(shù)調(diào)整方式可以有效保證生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量與生產(chǎn)要求相匹配。

利用其他輔助監(jiān)控設(shè)備DCS 系統(tǒng)還能夠?qū)﹃P(guān)鍵流程或關(guān)鍵設(shè)備進行狀態(tài)監(jiān)控或異常報警等。該功能可以有效提升整個生產(chǎn)系統(tǒng)的故障應對和處理能力，不僅可以向工作人員提供準確的故障位置，故障原因等信息，還能夠自動生成故障時間、故障說明的記錄日志，方便后期優(yōu)化。例如，當攪拌電動機或空壓機發(fā)生故障時，系統(tǒng)檢測到異常信號會將監(jiān)控屏幕中顯示該設(shè)備狀態(tài)的狀態(tài)燈由綠色變?yōu)榧t色，并發(fā)送聲音警報等向操作人員報警。

2 DCS 系統(tǒng)在化工生產(chǎn)中的具體應用

2.1 反應器反應溫度的DCS 控制

化工生產(chǎn)的一個關(guān)鍵控制部分是反應器，反應器內(nèi)的反應溫度直接影響著化工反應的效果和生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量。雖然化工產(chǎn)品的質(zhì)量由壓力、溫度、工藝等多個因素決定，但是實際生產(chǎn)經(jīng)驗表明，反應溫度是化工生產(chǎn)過程控制中的關(guān)鍵因素之一。若能夠?qū)Ψ磻鲀?nèi)的反應溫度進行實時采集和分析，進而根據(jù)分析結(jié)果決定是否需要對反應生成的反應熱進行處理，則可以有效的控制反應器內(nèi)的化工材料相互間的反應狀態(tài)，避免因溫度過高引起的連鎖反應，甚至導致無法控制現(xiàn)象的出現(xiàn)。

以圖1 所示反應器控制系統(tǒng)為例，反應器內(nèi)的反應原料由A,B,C三個端口進入反應器，但是在進入時，三者之間的流量比例和流速等會對反應溫度產(chǎn)生影響。此時為了控制反應器內(nèi)處于穩(wěn)定的狀態(tài)需要在反應器中配備質(zhì)量流量計、流量定值控制儀、橢圓齒輪流量計等測量設(shè)備，以便于根據(jù)測量結(jié)果控制不同原料進入反應器的流量、流速等。確保投料誤差在標準范圍內(nèi)。

反應器中的反應過程分為三個典型階段：升溫升壓階段、過渡階段、恒溫恒壓階段。在升溫時可以設(shè)定具體的升溫執(zhí)行方式，由DCS系統(tǒng)自動控制升溫參數(shù)，進而控制升溫速度。若在升溫過程中出現(xiàn)溫度提升速度過快或過慢現(xiàn)象，則需要將自動控制系統(tǒng)的控制狀態(tài)移除，手工調(diào)節(jié)蒸汽調(diào)節(jié)閥等溫度控制裝置，調(diào)整升溫速度，使升溫速度重新進入正常狀態(tài)。恒溫恒壓狀態(tài)的溫度調(diào)節(jié)同樣可以應用DCS系統(tǒng)完成。

具體實現(xiàn)過程如下：

設(shè)反應器的升溫過程存在四個關(guān)鍵溫度點，分別為a，b，c，d。當T2 的溫度低于a 時，反應器DCS 控制系統(tǒng)會使用單回路PID 控制電路調(diào)整V1 和V2 蒸汽閥閥位，實現(xiàn)對溫度的調(diào)節(jié)；當T2 的溫度達到a 未到b 時，DCS 控制系統(tǒng)會斷開V2 蒸汽閥的控制調(diào)節(jié)，只應用V1 對反應器進行調(diào)節(jié)；溫度超過b 未到c 時，此時轉(zhuǎn)換到調(diào)節(jié)T1 來執(zhí)行溫度與壓力串級控制相關(guān)程序，進一步控制溫度的變化；若溫度超過c，說明溫度過高，此時需要及時切除V1 和V2，同時啟動循環(huán)水調(diào)節(jié)閥V3 調(diào)整溫度。

利用DCS 系統(tǒng)可有效實現(xiàn)反應器控制的自動化，提高溫度控制精度到±0.5℃級別。

2.2 液位串級控制

以圖2 所示的系統(tǒng)為例，該圖中存在兩個化工反應塔T1205 和T1407。鑒于兩個塔之間的進料出料之間存在一定的關(guān)聯(lián)，可以將兩個塔進行串聯(lián)控制。T1205 塔需要控制和調(diào)整液位時需要調(diào)整塔底出料量，而其排除的出料量又是T1407 塔的進料量，兩者之間串聯(lián)成控制系統(tǒng)可以提高進料、出料的穩(wěn)定與同步。此外，配合使用回路電路，還能夠消除塔內(nèi)或者出料排出端對出料流量的影響，進一步提升液位控制的精度和穩(wěn)定度。

2.3 連鎖控制

該控制應用主要用于對生產(chǎn)現(xiàn)場的生產(chǎn)設(shè)備進行保護，避免某一設(shè)備發(fā)生故障后造成一系列連鎖反應，對其他設(shè)備造成損害。連鎖控制功能是由計算機控制系統(tǒng)的邏輯運算部分完成的。該邏輯運算部分會對整個DCS 控制系統(tǒng)進行運行狀態(tài)監(jiān)控和采集，一旦發(fā)現(xiàn)某一連鎖反應規(guī)則成立則會按照預定設(shè)置對該連鎖鏈路內(nèi)的生產(chǎn)設(shè)備進行操作控制，如切斷電磁閥、更改調(diào)節(jié)閥狀態(tài)等。警報狀態(tài)解除后等待操作人員指令，重新恢復到正常運行狀態(tài)。

3 DCS 控制系統(tǒng)的優(yōu)越性分析

DCS 控制系統(tǒng)將硬件設(shè)備，軟件控制以及信息傳輸網(wǎng)絡(luò)組成一個有機的控制系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)對分布于離散環(huán)境下的設(shè)備進行集中控制與管理，不僅可以實現(xiàn)生產(chǎn)的最優(yōu)化，還能夠提升生產(chǎn)管理效果，降低生產(chǎn)控制成本?？偨Y(jié)來看，DCS 控制系統(tǒng)應用于化工生產(chǎn)具有如下幾方面優(yōu)點。

3.1 強大的控制功能

借助計算機硬件和專業(yè)數(shù)據(jù)處理與控制電路系統(tǒng)等硬件設(shè)備，DCS 控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)多種控制方式和控制內(nèi)容，無論是單回路控制還是多變量優(yōu)化控制、無論是常規(guī)PID 運算還是其他復雜運算和補償、無論是整體性連續(xù)反饋控制還是具體環(huán)境下的局部間斷邏輯控制，只需要對DCS 控制系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)或程序進行調(diào)節(jié)和選取即可完成。

3.2 靈活的人機交互功能

DCS 系統(tǒng)可以將多監(jiān)測點的多監(jiān)測數(shù)據(jù)集中呈現(xiàn)在管理界面中供相關(guān)工作人員使用。DCS 系統(tǒng)在應用趨勢圖、流程圖等直觀呈現(xiàn)方式監(jiān)呈現(xiàn)監(jiān)控狀態(tài)方面具有獨特的優(yōu)勢。除此之外，關(guān)聯(lián)參數(shù)和關(guān)聯(lián)設(shè)備的關(guān)系分布和參數(shù)調(diào)整也可以通過監(jiān)控中心完成。在實際應用中，操作人員通過觀察監(jiān)控屏幕中各參數(shù)和圖表的狀態(tài)來對整個化工生產(chǎn)過程進行控制，若需要調(diào)整某一參數(shù)或修改某一回路組態(tài)，只需要遠程操作即可完成，真正實現(xiàn)對化工生產(chǎn)的集中控制與管理。

3.3 擴展性靈活

DCS 控制系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，每一模塊相互獨立，若需要對系統(tǒng)進行功能擴展或監(jiān)控范圍擴展，只需要按照規(guī)定的接口進行功能或模塊設(shè)計即可。若需要改變系統(tǒng)的控制級別，只需要按照組態(tài)的方法將新的控制回路添加到DCS 控制系統(tǒng)中?？梢姡撓到y(tǒng)具有非常高的擴展靈活性，便于化工生產(chǎn)企業(yè)按照資金狀況、生產(chǎn)進度等分批次完善DCS 控制系統(tǒng)。

3.4 安全性能高

在安全控制方面，DCS 控制系統(tǒng)同樣采用分散控制結(jié)構(gòu)，對于關(guān)鍵生產(chǎn)流程和生產(chǎn)內(nèi)容還采用了多冗余設(shè)置，將安全故障的影響范圍和影響時間控制在最低限度范圍內(nèi)。DCS 控制系統(tǒng)還存在自我診斷和恢復功能，對于處理能力范圍內(nèi)的故障，系統(tǒng)可以通過調(diào)整控制回路，重新啟動等操作恢復到正常工作狀態(tài)。

4 總結(jié)

化工生產(chǎn)自動化水平的不斷提高，生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大等均要求在生產(chǎn)控制中采用先進的自動化和智能化程度較高的管理控制系統(tǒng)對生產(chǎn)進行控制。DCS 控制系統(tǒng)是一種廣泛應用于化工生產(chǎn)的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以通過適當?shù)木W(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)將分散的被監(jiān)測設(shè)備進行統(tǒng)一集中管理，提升生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量，提高生產(chǎn)控制精度，降低生產(chǎn)成本，增強化工企業(yè)的市場競爭力。

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