李慶民（廣東科達潔能股份有限公司，廣東佛山，528313）

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西門子DCS系統(tǒng)在某焦爐中應用技術的改進分析

李慶民
（廣東科達潔能股份有限公司，廣東佛山，528313）

根據(jù)某煤化工公司搗固焦爐的自動控制需求，應用西門子DCS系統(tǒng)進行了技術改造。本文總結了基于DCS系統(tǒng)下控制平臺PCS7系統(tǒng)的設計流程，分析了調(diào)試運行期間DCS系統(tǒng)發(fā)生的問題，并提出了相應的解決方案，技術改造工程取得了良好的效果，對其他同類型項目具有一定的借鑒意義。

西門子；DCS系統(tǒng)；搗固焦爐；自動控制

引言

隨著現(xiàn)代大型工業(yè)生產(chǎn)自動化產(chǎn)品的不斷興起，以及工業(yè)生產(chǎn)過程日益復雜的控制要求，DCS（Distributed Control System）分布式控制系統(tǒng)由于其結合了多方面先進的現(xiàn)代科技技術，可提供友好型窗口，具有人機界面互操作性強、通訊效能高等優(yōu)點［1］，使得其在企業(yè)的生產(chǎn)、管理和控制中的應用越來越廣泛。

1　焦爐項目簡介

某煤化工公司地處西北某生態(tài)工業(yè)園內(nèi)，占地1700畝，項目總投資38.5億。該項目建設四組八座高度為5.5m，型號為TJL5550D的搗固焦爐炭化室。形成了焦爐煤氣制甲醇和焦油加工生產(chǎn)線的配套建設，干焦年產(chǎn)量520萬噸，化產(chǎn)每小時2×14萬立方米，天然氣年產(chǎn)24萬噸，另有甲醇20萬噸、炭黑13萬噸，苯加氫10萬噸等項目。

該煤化工公司的搗固焦爐由原化學工業(yè)第二設計院院設計的TJL5550D型，該焦爐全長15980mm、有效長15140mm、高5500mm、有效5200mm、炭化室平均寬500mm、錐度20、炭化室中心距1350mm、立火道中心距480mm、立火道32個。這四組八座焦爐一次性集成設計，整體設計較為負責。采用先進的干熄焦技術，為8座5.5Mx65孔的搗固焦爐共配套設計了4座處理能力為160t/h的大型化干熄焦裝置（鍋爐采用中溫中壓自然循環(huán)技術）。另外采用多項適用新技術和化產(chǎn)，采用雙集氣管高壓氨水無煙裝煤、推焦除塵地面站等國內(nèi)先進的生產(chǎn)工藝。這些焦爐及其相關設備的控制系統(tǒng)采用了西門子公司的DCS系統(tǒng)。

2　西門子DCS系統(tǒng)的構成及特點

DCS系統(tǒng)是一種利用微機對信息進行分散式處理、最優(yōu)化控制的系統(tǒng)，由現(xiàn)場儀表層、控制裝置單元層、工廠（車間）層和企業(yè)管理層四層結構構成［2］?？蓪崿F(xiàn)工礦企業(yè)控制單元的模塊化，具有分散控制、集中操作、分級管理、配置靈活以及方便組態(tài)等諸多功能［3］。主要特點有穩(wěn)定性高、開放性、靈活性好、易于維護協(xié)調(diào)、控制功能較全等，是在現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)的主流控制系統(tǒng)。

DCS系統(tǒng)根據(jù)管理和操作權限的不同，在結構上分為過程級、操作級和管理級共三個層級，每個層級具有截然不同的功能和操作方式。操作級主要是完成系統(tǒng)的操作和系統(tǒng)結構的組態(tài)，主要分為操作員站和工程師站。管理級則用于企業(yè)高層的監(jiān)控、決策和管理支持功能，主要是指工廠管理信息系統(tǒng)（MIS系統(tǒng)）。

DCS系統(tǒng)的控制具有功能強，性能高，算法多樣，結構有序等優(yōu)點。系統(tǒng)的構成靈活，管理便捷，可以使信息資源得到最大限度共享，同時又安全、可靠、方便?？刂品绞蕉鄻樱刂萍夹g先進，各種控制技術均可實現(xiàn)，甚至是特殊控制算法在需要時也可適宜地加入。除此以外，DCS是由多級計算機系統(tǒng)構成的，由網(wǎng)絡通信為連接并由過程控制級以及過程監(jiān)控級組成的。因而其組成方式靈活多變。其多樣性體現(xiàn)在不僅體現(xiàn)在可以由各式各樣的站點構成，例如操作員站、工程師站、記錄站等。也可以由各種服務器構成，把顯示、操作、打印等管理性功能集中在了一起。其中過程控制級是位于底層的，其對數(shù)據(jù)進行的收集，采樣和控制都是由分散的現(xiàn)場控制站，數(shù)據(jù)采集站實現(xiàn)的，然后傳送到生產(chǎn)監(jiān)控級計算機。各種優(yōu)化計算、故障診斷、顯示報警、統(tǒng)計報表等來自過程控制級的數(shù)據(jù)由生產(chǎn)監(jiān)控級進行集中操作管理。在計算機技術日益發(fā)達的前提下，DCS在實現(xiàn)計劃的調(diào)度，倉儲、能源的管理等方面發(fā)揮了重要的作用，并可以與更高級別、更高性能的計算機設備進行網(wǎng)絡連接。

3　西門子DCS系統(tǒng)設計分析

3.1某焦爐DCS系統(tǒng)設計

該煤化工公司的焦爐控制系統(tǒng)采用西門子DCS系統(tǒng)中的PCS7 系統(tǒng)作為控制平臺。根據(jù)焦爐運行操作的實際情況，結合DCS系統(tǒng)的層級劃分，系統(tǒng)的過程級功能模塊主要分為上升管壓力控制子系統(tǒng)、爐底加熱換向子系統(tǒng)、放散與煤氣短缺子系統(tǒng)、焦爐本體子系統(tǒng)共四個子系統(tǒng)。這四個系統(tǒng)的硬件配置方面均采用西門子400系列冗余控制器。焦爐DCS系統(tǒng)控制網(wǎng)絡結構圖見圖1，各子系統(tǒng)配置情況見表1。

圖1　焦爐DCS系統(tǒng)控制網(wǎng)絡結構圖

（1）Proven系統(tǒng)就是上升管壓力控制子系統(tǒng)，實時監(jiān)測每個炭化室的壓力、及時反饋所監(jiān)測到的數(shù)據(jù)，以及控制壓力是Proven系統(tǒng)的主要作用。在這個子系統(tǒng)中，正壓表示在焦爐正常結焦的時候返回的壓力；于此相反，在焦爐裝煤的時候返還回來的壓力就是負壓。

表2　焦爐各系統(tǒng)硬件配置明細表

（2）Reversing系統(tǒng)即是爐底加熱換向子系統(tǒng)。焦爐爐底加熱換向有紅綠兩種，是系統(tǒng)利用西門子PCS7的現(xiàn)場總線控制功能（SFC）根據(jù)焦爐的溫度變化情況而定的。

（3）Bleeder/gas-shortage系統(tǒng)就是放散，煤氣短缺子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)主要是被用于日常不正常工作狀態(tài)的檢測，如果管道壓力過大，抑或是鼓風機系統(tǒng)吸力不足，爐頂?shù)姆鍟幌到y(tǒng)自動控制打開，點火燃燒。以此來提高荒煤氣使用效率，降低大氣污染。

（4）焦爐本體子系統(tǒng)。焦爐內(nèi)部配置都是與此相關的子系統(tǒng)，構成成分多樣，功能齊全，變換方式靈活，應用領域廣泛。

3.2某焦爐DCS系統(tǒng)的應用優(yōu)勢

（1）DCS系統(tǒng)在焦爐自動控制系統(tǒng)方面具有一定的技術先進性。就國內(nèi)而言，西門子DCS系統(tǒng)在焦爐中的應用相對較少［4］。DCS集散自動控制系統(tǒng)的技術先進性可指導國內(nèi)其他焦爐控制系統(tǒng)，為其提供經(jīng)驗，也讓人們開始了對焦爐行業(yè)從粗放式經(jīng)營到精細式控制.另外，DCS系統(tǒng)的應用也提高了煉焦工作的自動化程度，降低了人工成本，同時也使煉焦工作更能實現(xiàn)環(huán)保要求。

（2）以西門子Wincc為例即傳統(tǒng)的HMI軟件。這種HMI軟件的編程人員的手工操作量相對較大，不僅要手動建立所需變量，而且還要手動建立各個監(jiān)測點的輸入、輸出域。但DCS系統(tǒng)卻能夠自動生成控制單元，讓焦爐的自動控制運行更加方便快捷。傳統(tǒng)的HMI工作強度大，壓力大且不易操作。相對于較為繁瑣的控制單元來說，畫面編輯與腳本程序編輯不能同時進行，需要單獨操作。而西門子PCS7軟件集兩種編程于一體，分別為PLC編程和HMI 畫面編輯。編程環(huán)境并不復雜，簡約、通俗、易懂，用戶若需要自動形成各個工藝監(jiān)測點和控制單元，在編寫完成控制程序后，只需按次序編澤后即可。

（3）更貼近符合用戶需求的為工程師站+服務器+客戶端模式。從西門子PLC編程軟件Step7，HMI軟件Wincc可以看出，對系統(tǒng)進行操作、維護的人員在添加新的檢測點和控制單元時，既要在PLC中編寫修改程序，又要在HMI軟件中編寫修改程序。并且不論域面有任何改動，每臺電腦單獨的程序更新都是必須進行的，且更新時一定要停止當前的監(jiān)控狀態(tài)（即需要退出并暫時停止系統(tǒng)的運行），等到工程人員拷貝完成并且運行正常后，才可以繼續(xù)進行操作［5］。

4　西門子DCS系統(tǒng)在該焦爐中的問題及改進

4.1焦爐改造遇到的問題

在改造時發(fā)生了問題，即DCS系統(tǒng)的操作層級發(fā)生嚴重死機故障。

經(jīng)過觀察，發(fā)現(xiàn)問題主要有三點：一是DCS系統(tǒng)報警窗故障的發(fā)生；二是畫面顯示不清晰，都是壞點且切換緩慢；三是以致操作員站的總監(jiān)控失去操控權，不能對設備的畫面進行監(jiān)視和操控。雖然當時采用了一些措施使系統(tǒng)恢復正常，即對AC軟件重啟，但是死機故障仍然不可避免，還是在幾天以后再次發(fā)生，以致所有工程師站和操作員站都無法正常工作而失去功能。

問題分析：對DCS系統(tǒng)出現(xiàn)問題時的情況進行觀察、檢查與分析，發(fā)現(xiàn)某些進程所配備的動態(tài)內(nèi)存空間是一定的，而當發(fā)現(xiàn)故障時，DCS系統(tǒng)服務器有些進程占用的內(nèi)存太大了，從而導致超出預定空間，然而這些進程的超出又會導致一系列嚴重的后果，例如造成CPU負荷大，系統(tǒng)進程慢甚者癱瘓。即使在重新啟動后恢復了正常，但這種處理方式只局限于表面還是不能從根本上解決問題。

4.2問題解決方法

鑒于以上兩次事故，以及對問題深刻分析與探討，作出了對機組的運行暫時停止的決定，并制定了如下解決方案：

（1）為了解決信號的穩(wěn)定性問題，需要增加隔離器，增加對外供電模擬量的信號輸入，從而因模擬量信號強烈波動導致對DCS系統(tǒng)內(nèi)存資源的占用率將大幅降低；

（2）為減少系統(tǒng)運行負荷，不僅要對部分信號進行更改，還有邏輯系統(tǒng)采樣時間以及分辨率；另外，還要對工程師站和操作員站在同一時刻打開畫面的次數(shù)進行控制。

（3）可以對無效無用的報警點舍棄，為了增強報警系統(tǒng)恢復到初始功能時的狀態(tài)要控制系統(tǒng)報警點，以此降低系統(tǒng)壓力。

4.3改進結果

在以上各項措施實施以后，占用容量的情況有所改善，不僅對系統(tǒng)內(nèi)的進程容量進行擴充，AC進程更是從312Mbytes降低到120Mbytes。在此之后，對機組點火啟動，DCS也不會嚴重死機，通信狀況也有所改善，阻塞中斷現(xiàn)象沒有再發(fā)生，吹管也隨后順利完成。寄存器的參數(shù)經(jīng)過調(diào)整轉變?yōu)椋篈C、CC為384Mbytes（原始默認值：128Mbytes），ARC196Mbytes（原始默認值：64Mbytes），RC128Mbytes（原始默認值：64Mbytes），PDS256Mbytes（原始默認值：128Mbytes）。

5　結束語

通過分析研究得出如下結論：

（1）西門子DCS系統(tǒng)在焦爐自動控制系統(tǒng)中的應用符合實際工程需求，具有廣闊前景；

（2）西門子DCS系統(tǒng)在焦爐自動控制系統(tǒng)應用中具有較好的技術先進性、操作友好性和維護方便性；

（3）西門子DCS系統(tǒng)在焦爐自動控制系統(tǒng)應用時，需要對系統(tǒng)的容量進行充分的冗余考慮，這樣可以避免系統(tǒng)死機等事故的發(fā)生。

最終，通過對該煤化工公司焦爐自動控制系統(tǒng)中采用的西門子DCS系統(tǒng)PCS7設計、應用、分析及實施技術改造，說明西門子DCS系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性和實用性，對國內(nèi)其他同類型項目的應用具有一定的借鑒意義。

［1］羅穎堅.西門子TELEPERM XP分散控制系統(tǒng)在臺山電廠的設計應用［J］.廣東電力，2006，（4）.

［2］西門子發(fā)布分散控制系統(tǒng)SPPA T-300q［Z］.中國電力，2006，（10）. ［3］張華平.西門子DCS在沙鋼7.63m焦爐中的應用［Z］.冶金動力，2012-08-15.

［4］鄭宇. 西門子DCS系統(tǒng)在大型焦爐中的應用［J］.科技情報開發(fā)與經(jīng)濟，2009（7）.

［5］張澎濤等.西門子SPPA T-3000 DCS系統(tǒng)的應用與優(yōu)化［J］，內(nèi)蒙古電力技術，2008（4）.

李慶民（1966-），男，本科，河北工程大學，自動化高級專家。研究方向：自動化設計與制造。

E-mail: lqm@vip.163.com

Analysis Improvement on Application Technology of SIEMENS DCS System in Certain Coke Oven

Qingmin Li
（KeDa （Guangdong） Clean Energy Company Limited， Guangdong， Foshan， 528313， China）

According to the requirements of automatic control of the coal chemical company with the coke oven， the SIEMENS DCS system is designed and applied. The PCS 7 as control platform of the DCS is designed in detail， and alsothe superiority of the application of SIEMENS DCS system is analyzed. Finally analyzing fault occurrences of the DCS system during debugging and running ， putting forward the corresponding solutions，and effect is good， for have a certain reference significance to others.

SIEMEN； DCS System； Coke Oven； Automatic Control

TQ525

A

2095-8412 （2016） 03-532-04