王文凱

摘要：隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)逐漸轉(zhuǎn)型升級(jí)，我國(guó)煤化工行業(yè)得到了迅速發(fā)展，由于在煤化工生成過(guò)程的復(fù)雜性和危險(xiǎn)性，因此選擇科學(xué)高效的風(fēng)險(xiǎn)控制措施十分重要。隨著DCS在自動(dòng)化控制領(lǐng)域不斷成熟和發(fā)展，應(yīng)用DCS技術(shù)對(duì)煤化工生成過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控可以有效降低風(fēng)險(xiǎn)防止事故發(fā)生。本文結(jié)合煤化工行業(yè)的實(shí)際特點(diǎn)，對(duì)DCS的特點(diǎn)、組成、功能進(jìn)行簡(jiǎn)述，分析在運(yùn)行中容易出現(xiàn)的問(wèn)題，同時(shí)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(lái)，隨著生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化水平的逐步提高，DCS在工業(yè)控制領(lǐng)域發(fā)揮了越來(lái)越重要的作用[1–3]。對(duì)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(lái)越多的化工企業(yè)開(kāi)始考慮引進(jìn)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(dòng)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(gè)I/O測(cè)點(diǎn)組成，在DCS系統(tǒng)的控制下與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備相連，以穩(wěn)定、安全的方式維護(hù)工廠的安全。1975年，美國(guó)霍尼韋爾公司發(fā)布了TDC2000系統(tǒng)[4–5]與此同時(shí)，日本橫河公司發(fā)布了Centum系統(tǒng)。此后，過(guò)程控制進(jìn)入了分布式控制時(shí)代[6]。DCS（Distributed Control System）是一種由計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)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(guò)程控制級(jí)和過(guò)程監(jiān)控級(jí)組成的多機(jī)系統(tǒng)，具有分散控制、集中操作、分級(jí)管理、配置靈活、配置方便等諸多特點(diǎn)[7]，基于此特點(diǎn)它被廣泛引入煤化工過(guò)程控制中，實(shí)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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)，包括系統(tǒng)的過(guò)程控制和過(guò)程監(jiān)控。由工程師站、操作員站、現(xiàn)場(chǎng)控制站、通信控制站、數(shù)據(jù)站組成的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，這些站通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的控制網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)，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(guò)程控制級(jí)、控制管理級(jí)、生產(chǎn)管理級(jí)和管理級(jí)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(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)調(diào)節(jié)、自動(dòng)保護(hù)、自動(dòng)運(yùn)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(chǎng)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(yùn)行相應(yīng)的配置管理程序，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行集中控制和管理;操作員站運(yùn)行相應(yīng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控程序，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控;數(shù)據(jù)站的功能是運(yùn)行相應(yīng)的管理程序，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行管理;現(xiàn)場(chǎng)控制站的功能是運(yùn)行相應(yīng)的實(shí)時(shí)控制程序，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行控制和管理，負(fù)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(chǎng)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(kù)控制、設(shè)備配置、控制器配置、報(bào)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(xún)等組件。操作員站軟件安裝在操作員站上，幫助用戶(hù)完成監(jiān)控人機(jī)交互界面，包括流程圖、趨勢(shì)、參數(shù)列表、報(bào)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(duì)實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)系統(tǒng)的集中管理和監(jiān)控，同時(shí)還為每個(gè)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)請(qǐng)求提供服務(wù)?？刂普拒浖惭b在現(xiàn)場(chǎng)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(kāi)采的原煤經(jīng)過(guò)磨煤機(jī)進(jìn)行煤粉制備，通過(guò)篩選機(jī)篩選合格的煤粉通過(guò)惰性氣體運(yùn)送到氣化爐進(jìn)行氣化反應(yīng)，產(chǎn)生的合格氣體輸送到下一道工序，同時(shí)對(duì)氣化爐產(chǎn)生的渣水進(jìn)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(duì)磨煤機(jī)進(jìn)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(jī)中，經(jīng)過(guò)磨煤機(jī)的碾磨成粉狀，被高溫惰性氣體進(jìn)行輸送，因此在該工序中DCS主要實(shí)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(duì)氣化爐進(jìn)行四個(gè)方面的控制，首先DCS實(shí)現(xiàn)煤炭和氧氣的比例控制，通過(guò)控制氧氣和煤粉的比例防止氣化爐溫度過(guò)高產(chǎn)生的炸爐事故;其次DCS實(shí)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(guò)低，氣體洗滌效果差，不但增加系統(tǒng)負(fù)擔(dān)同時(shí)也危害設(shè)備安全;液位過(guò)高，氣體含水量高，洗氣效果差;再次DCS實(shí)現(xiàn)對(duì)氣化爐溫度控制，通過(guò)調(diào)整氧氣與碳比來(lái)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(diǎn);最后，DCS實(shí)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(huì)造成氣化爐溫度升高，嚴(yán)重時(shí)會(huì)燒壞激冷環(huán)，因此要嚴(yán)格控制水流量過(guò)低。

3.水洗塔控制[9]。DCS實(shí)現(xiàn)對(duì)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(dòng)增大，造成液位控制難度大;同時(shí)DCS實(shí)現(xiàn)對(duì)水洗塔液位控制，液位過(guò)高，氣體含水量變大，影響催化劑壽命;液位過(guò)低造成激冷水泵抽空。

三、DCS在煤化工應(yīng)用過(guò)程中存在問(wèn)題和解決措施

（一）DCS存在問(wèn)題

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

1.可靠性問(wèn)題。由于煤化工所有工序都是連續(xù)的，在長(zhǎng)時(shí)間高頻率動(dòng)作下，DCS中有些觸點(diǎn)會(huì)發(fā)生誤動(dòng)作或不動(dòng)作現(xiàn)象，這些一部分由于DCS自身處理器問(wèn)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(wèn)題直接造成整個(gè)系統(tǒng)的失效甚至崩潰。

2.通信能力不穩(wěn)定。煤化工過(guò)程中由于被控對(duì)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(qiáng)大，但是在現(xiàn)實(shí)中DCS的通信接口會(huì)受到干擾，無(wú)法及時(shí)與其他接口進(jìn)行信息傳遞。

3.故障診斷和容錯(cuò)能力不足。在控制過(guò)程中系統(tǒng)難免會(huì)出現(xiàn)故障，在異常情況下系統(tǒng)能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障并報(bào)警或者糾錯(cuò)的話，無(wú)疑會(huì)提高系統(tǒng)的可靠性，但是現(xiàn)實(shí)中工況復(fù)雜多變而且故障類(lèi)型不確定，特別是國(guó)產(chǎn)DCS系統(tǒng)的故障診斷能力不高，發(fā)生故障是無(wú)法及時(shí)報(bào)警或者誤報(bào)警，這些都會(huì)影響系統(tǒng)的使用和推廣。

（二）解決措施

針對(duì)以上三個(gè)方面的問(wèn)題，提出如下相應(yīng)的解決措施：

（1）針對(duì)可靠性問(wèn)題，在平時(shí)巡檢和維護(hù)過(guò)程中及時(shí)發(fā)現(xiàn)和排除干擾因素，對(duì)處理單元及時(shí)檢查和更新，保證其處理能力能夠滿足煤化工行業(yè)對(duì)數(shù)據(jù)處理能力的要求，與此同時(shí)，可以對(duì)設(shè)備設(shè)置抗干擾防護(hù)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(hù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)可靠，安全運(yùn)行。

（2）針對(duì)通信能力不穩(wěn)定問(wèn)題。一方面選擇合適的通信技術(shù)，另一方面對(duì)系統(tǒng)定期進(jìn)行升級(jí)或擴(kuò)容，通過(guò)合理擴(kuò)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(wèn)題，從而提高信道的傳輸效率。

（3）針對(duì)自診斷和容錯(cuò)能力不足問(wèn)題，可以通過(guò)對(duì)DCS系統(tǒng)功能擴(kuò)展，加入人工智能算法，通過(guò)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(shí)及時(shí)更新報(bào)警系統(tǒng)，增加故障類(lèi)型使其更加符合現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)要求。

（4）加強(qiáng)維護(hù)。首先要定期清理和檢測(cè)，煤化工過(guò)程中避免不了會(huì)產(chǎn)生大量粉塵，這些粉塵會(huì)干擾設(shè)備正常運(yùn)行，同時(shí)要對(duì)系統(tǒng)軟件和硬件定期進(jìn)行檢測(cè)和更新保證其完整性;其次，增強(qiáng)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(wèn)題做出及時(shí)預(yù)判和快速處理，避免事故產(chǎn)生。

四、結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)DCS系統(tǒng)特點(diǎn)、軟硬件構(gòu)成進(jìn)行簡(jiǎn)述，分析了在煤氣化工序中DCS的具體應(yīng)用，同時(shí)結(jié)合實(shí)際指出當(dāng)前DCS系統(tǒng)存在問(wèn)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(jìn)企業(yè)安全、質(zhì)量和效益的提升，同時(shí)針對(duì)存在的問(wèn)題要加強(qiáng)整改，降低煤化工行業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，從而促進(jìn)企業(yè)安全效益和經(jīng)濟(jì)效益共同發(fā)展。

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