论文部分内容阅读
摘要：随着我国经济逐渐转型升级，我国煤化工行业得到了迅速发展，由于在煤化工生成过程的复杂性和危险性，因此选择科学高效的风险控制措施十分重要。随着DCS在自动化控制领域不断成熟和发展，应用DCS技术对煤化工生成过程进行监控可以有效降低风险防止事故发生。本文结合煤化工行业的实际特点，对DCS的特点、组成、功能进行简述，分析在运行中容易出现的问题，同时提出相应的措施，具有较高的指导意义。
关键词：DCS;煤化工;AC800F
一、引言
近30年来，随着生产过程自动化水平的逐步提高，DCS在工业控制领域发挥了越来越重要的作用[1–3]。对工业的安全稳定、电力和化工生产效率起着不可替代的作用。越来越多的化工企业开始考虑引进新的控制方式和控制系统的改造。他们采用新技术彻底改变现有的控制方式，以提高自动化的控制水平、控制效率和控制策略。大型化工厂通常由数千个I/O测点组成，在DCS系统的控制下与现场设备相连，以稳定、安全的方式维护工厂的安全。1975年，美国霍尼韦尔公司发布了TDC2000系统[4–5]与此同时，日本横河公司发布了Centum系统。此后，过程控制进入了分布式控制时代[6]。DCS（Distributed Control System）是一种由计算机技术、自动控制技术和通信技术等相结合形成的新型控制技术，它是以通信网络为纽带，由过程控制级和过程监控级组成的多机系统，具有分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活、配置方便等诸多特点[7]，基于此特点它被广泛引入煤化工过程控制中，实现集中方便管理。
二、DCS在煤化工行业应用分析
（一）DCS的构成
如图1所示，分布式控制系统（DCS）基于计算机网络和通信技术，包括系统的过程控制和过程监控。由工程师站、操作员站、现场控制站、通信控制站、数据站组成的综合自动化系统，这些站通过现场总线技术的控制网络连接起来，完成大中型集散控制系统（DCS）和大数据采集监控系统（SCADA）功能。根据系统功能可分为过程控制级、控制管理级、生产管理级和管理级的层次结构，具有分散控制、集中管理、集成、信息、智能化和小型化的特点，可以实现自动检测、自动调节、自动保护、自动运行等功能。
（二）DCS软硬件配置
系统硬件结构主要由工程师站、操作员站、现场控制站（包括主控单元和I/O单元设备）、数据站、通信系统、网络服务器、网络监控网络系统等组成。其中，工程师站的功能是运行相应的配置管理程序，对整个系统进行集中控制和管理;操作员站运行相应的实时监控程序，对整个系统进行监控;数据站的功能是运行相应的管理程序，对整个系统的实时数据和历史数据进行管理;现场控制站的功能是运行相应的实时控制程序，对现场进行控制和管理，负责数据采集、控制输出、控制操作等，包括CPU主控模块、电源模块、IO模块。系统软件包括工程师站配置软件、操作员站软件、现场控制器软件、数据站软件等，配置软件安装在工程师站上，包括数据库控制、设备配置、控制器配置、报表配置、图形配置等。定量、工程师在线下载、历史数据查询等组件。操作员站软件安装在操作员站上，帮助用户完成监控人机交互界面，包括流程图、趋势、参数列表、报警等操作功能。数据站软件安装在数据站上，完成对实时和历史数据系统的集中管理和监控，同时还为每个站点的数据请求提供服务。控制站软件安装在现场控制站主控单元上，完成数据采集、转换和控制操作。
（三）DCS在煤气化上的应用
煤气化工序主要包括：煤粉制备、煤粉供给及气化、渣水处理等，即，将开采的原煤经过磨煤机进行煤粉制备，通过筛选机筛选合格的煤粉通过惰性气体运送到气化炉进行气化反应，产生的合格气体输送到下一道工序，同时对气化炉产生的渣水进行处理和再利用。因此，DCS在上述三道工序中应用如下：
1.对磨煤机进料的比例控制[8]。按照要求原料煤和石灰石要按照一定比例送入磨煤机中，经过磨煤机的碾磨成粉状，被高温惰性气体进行输送，因此在该工序中DCS主要实现比例的精确控制，属于比例环节控制。
2.气化炉控制。DCS对气化炉进行四个方面的控制，首先DCS实现煤炭和氧气的比例控制，通过控制氧气和煤粉的比例防止气化炉温度过高产生的炸炉事故;其次DCS实现气化炉液位的控制，液位控制的效果直接决定洗气的好坏，液位过低，气体洗涤效果差，不但增加系统负担同时也危害设备安全;液位过高，气体含水量高，洗气效果差;再次DCS实现对气化炉温度控制，通过调整氧气与碳比来调节气化炉反应温度，炉温一般应该高于煤的灰熔点;最后，DCS实现激冷水流量控制，在气化炉中冷激水作用是冷却和洗涤气体，如果冷激水流量低，会造成气化炉温度升高，严重时会烧坏激冷环，因此要严格控制水流量过低。
3.水洗塔控制[9]。DCS实现对水洗塔出口气体温度和含水量比例控制，如果合成气体温度不稳定造成水气比波动增大，造成液位控制难度大;同时DCS实现对水洗塔液位控制，液位过高，气体含水量变大，影响催化剂寿命;液位过低造成激冷水泵抽空。
三、DCS在煤化工应用过程中存在问题和解决措施
（一）DCS存在问题
DCS虽然为煤化工行业安全和质量控制带来便利，但是也存在一定的问题和隐患，具体表现为一下几方面：
1.可靠性问题。由于煤化工所有工序都是连续的，在长时间高频率动作下，DCS中有些触点会发生误动作或不动作现象，这些一部分由于DCS自身处理器问题，比如受到外界环境干扰，还有一部分是由于外部恶劣环境造成的，比如粉尘覆盖。这些问题直接造成整个系统的失效甚至崩溃。
2.通信能力不稳定。煤化工过程中由于被控对象比较多，除了要求处理器具备较高的数据处理能力以外，设备之间的通信能力也要强大，但是在现实中DCS的通信接口会受到干擾，无法及时与其他接口进行信息传递。 3.故障诊断和容错能力不足。在控制过程中系统难免会出现故障，在异常情况下系统能够及时发现故障并报警或者纠错的话，无疑会提高系统的可靠性，但是现实中工况复杂多变而且故障类型不确定，特别是国产DCS系统的故障诊断能力不高，发生故障是无法及时报警或者误报警，这些都会影响系统的使用和推广。
（二）解决措施
针对以上三个方面的问题，提出如下相应的解决措施：
（1）针对可靠性问题，在平时巡检和维护过程中及时发现和排除干扰因素，对处理单元及时检查和更新，保证其处理能力能够满足煤化工行业对数据处理能力的要求，与此同时，可以对设备设置抗干扰防护系统，隔绝外界的干扰，比如采取接地或者设置防雷击保护系统，实现系统可靠，安全运行。
（2）针对通信能力不稳定问题。一方面选择合适的通信技术，另一方面对系统定期进行升级或扩容，通过合理扩容避免因数据量激增导致的通信能力下降或信道拥塞问题，从而提高信道的传输效率。
（3）针对自诊断和容错能力不足问题，可以通过对DCS系统功能扩展，加入人工智能算法，通过大量多次训练使终端设备具备自诊断和自恢復功能，同时及时更新报警系统，增加故障类型使其更加符合现代工业生产要求。
（4）加强维护。首先要定期清理和检测，煤化工过程中避免不了会产生大量粉尘，这些粉尘会干扰设备正常运行，同时要对系统软件和硬件定期进行检测和更新保证其完整性;其次，增强仪器仪表相关从业人员技术素质，能够对系统存在问题做出及时预判和快速处理，避免事故产生。
四、结论
本文通过对DCS系统特点、软硬件构成进行简述，分析了在煤气化工序中DCS的具体应用，同时结合实际指出当前DCS系统存在问题，并给出具体的解决措施。综上所述，在DCS日益发展成熟的今天，煤化工行业要充分利用DCS控制系统的优越性，促进企业安全、质量和效益的提升，同时针对存在的问题要加强整改，降低煤化工行业风险，从而促进企业安全效益和经济效益共同发展。
参考文献
陈建国.浅谈煤化工DCS系统的维护和管理仪器仪表用户，2018，25（12）：104–106.
冯中昱. DCS控制系统在煤化工企业生产中的应用及维护探究化工管理，2018（30）：34–35.
赵宁.试论DCS控制系统在煤化工企业生产中的应用及维护.化工管理，2018（27）：99–100.
仝瑞麟.煤化工生产中DCS系统的应用与改善途径分析.山西化工，2018，38（3）：145–147.
李庆民.西门子DCS系统在某焦炉中应用技术的改进分析[J].工业技术创新，2016，03（3）：532–535.
宁红军，杜红涛，赵刚海.环己醇生产装置中DCS控制系统的升级改造河南化工，2016，33（2）：42–44.
刘经纬，呼宏安，李国庭.煤粉制备装置气力输送控制系统的优化[J].化工自动化及仪表，2015，42（11）：1277–1278.
赵连彬.和利时DCS与西门子S7–315PLC通讯中的应用.自动化与仪器仪表，2015（9）：35–36.
胡俊伟. DCS在煤化工中的应用[J].石化技术，2015，22（8）：228+243.
关键词：DCS;煤化工;AC800F
一、引言
近30年来，随着生产过程自动化水平的逐步提高，DCS在工业控制领域发挥了越来越重要的作用[1–3]。对工业的安全稳定、电力和化工生产效率起着不可替代的作用。越来越多的化工企业开始考虑引进新的控制方式和控制系统的改造。他们采用新技术彻底改变现有的控制方式，以提高自动化的控制水平、控制效率和控制策略。大型化工厂通常由数千个I/O测点组成，在DCS系统的控制下与现场设备相连，以稳定、安全的方式维护工厂的安全。1975年，美国霍尼韦尔公司发布了TDC2000系统[4–5]与此同时，日本横河公司发布了Centum系统。此后，过程控制进入了分布式控制时代[6]。DCS（Distributed Control System）是一种由计算机技术、自动控制技术和通信技术等相结合形成的新型控制技术，它是以通信网络为纽带，由过程控制级和过程监控级组成的多机系统，具有分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活、配置方便等诸多特点[7]，基于此特点它被广泛引入煤化工过程控制中，实现集中方便管理。
二、DCS在煤化工行业应用分析
（一）DCS的构成
如图1所示，分布式控制系统（DCS）基于计算机网络和通信技术，包括系统的过程控制和过程监控。由工程师站、操作员站、现场控制站、通信控制站、数据站组成的综合自动化系统，这些站通过现场总线技术的控制网络连接起来，完成大中型集散控制系统（DCS）和大数据采集监控系统（SCADA）功能。根据系统功能可分为过程控制级、控制管理级、生产管理级和管理级的层次结构，具有分散控制、集中管理、集成、信息、智能化和小型化的特点，可以实现自动检测、自动调节、自动保护、自动运行等功能。
（二）DCS软硬件配置
系统硬件结构主要由工程师站、操作员站、现场控制站（包括主控单元和I/O单元设备）、数据站、通信系统、网络服务器、网络监控网络系统等组成。其中，工程师站的功能是运行相应的配置管理程序，对整个系统进行集中控制和管理;操作员站运行相应的实时监控程序，对整个系统进行监控;数据站的功能是运行相应的管理程序，对整个系统的实时数据和历史数据进行管理;现场控制站的功能是运行相应的实时控制程序，对现场进行控制和管理，负责数据采集、控制输出、控制操作等，包括CPU主控模块、电源模块、IO模块。系统软件包括工程师站配置软件、操作员站软件、现场控制器软件、数据站软件等，配置软件安装在工程师站上，包括数据库控制、设备配置、控制器配置、报表配置、图形配置等。定量、工程师在线下载、历史数据查询等组件。操作员站软件安装在操作员站上，帮助用户完成监控人机交互界面，包括流程图、趋势、参数列表、报警等操作功能。数据站软件安装在数据站上，完成对实时和历史数据系统的集中管理和监控，同时还为每个站点的数据请求提供服务。控制站软件安装在现场控制站主控单元上，完成数据采集、转换和控制操作。
（三）DCS在煤气化上的应用
煤气化工序主要包括：煤粉制备、煤粉供给及气化、渣水处理等，即，将开采的原煤经过磨煤机进行煤粉制备，通过筛选机筛选合格的煤粉通过惰性气体运送到气化炉进行气化反应，产生的合格气体输送到下一道工序，同时对气化炉产生的渣水进行处理和再利用。因此，DCS在上述三道工序中应用如下：
1.对磨煤机进料的比例控制[8]。按照要求原料煤和石灰石要按照一定比例送入磨煤机中，经过磨煤机的碾磨成粉状，被高温惰性气体进行输送，因此在该工序中DCS主要实现比例的精确控制，属于比例环节控制。
2.气化炉控制。DCS对气化炉进行四个方面的控制，首先DCS实现煤炭和氧气的比例控制，通过控制氧气和煤粉的比例防止气化炉温度过高产生的炸炉事故;其次DCS实现气化炉液位的控制，液位控制的效果直接决定洗气的好坏，液位过低，气体洗涤效果差，不但增加系统负担同时也危害设备安全;液位过高，气体含水量高，洗气效果差;再次DCS实现对气化炉温度控制，通过调整氧气与碳比来调节气化炉反应温度，炉温一般应该高于煤的灰熔点;最后，DCS实现激冷水流量控制，在气化炉中冷激水作用是冷却和洗涤气体，如果冷激水流量低，会造成气化炉温度升高，严重时会烧坏激冷环，因此要严格控制水流量过低。
3.水洗塔控制[9]。DCS实现对水洗塔出口气体温度和含水量比例控制，如果合成气体温度不稳定造成水气比波动增大，造成液位控制难度大;同时DCS实现对水洗塔液位控制，液位过高，气体含水量变大，影响催化剂寿命;液位过低造成激冷水泵抽空。
三、DCS在煤化工应用过程中存在问题和解决措施
（一）DCS存在问题
DCS虽然为煤化工行业安全和质量控制带来便利，但是也存在一定的问题和隐患，具体表现为一下几方面：
1.可靠性问题。由于煤化工所有工序都是连续的，在长时间高频率动作下，DCS中有些触点会发生误动作或不动作现象，这些一部分由于DCS自身处理器问题，比如受到外界环境干扰，还有一部分是由于外部恶劣环境造成的，比如粉尘覆盖。这些问题直接造成整个系统的失效甚至崩溃。
2.通信能力不稳定。煤化工过程中由于被控对象比较多，除了要求处理器具备较高的数据处理能力以外，设备之间的通信能力也要强大，但是在现实中DCS的通信接口会受到干擾，无法及时与其他接口进行信息传递。 3.故障诊断和容错能力不足。在控制过程中系统难免会出现故障，在异常情况下系统能够及时发现故障并报警或者纠错的话，无疑会提高系统的可靠性，但是现实中工况复杂多变而且故障类型不确定，特别是国产DCS系统的故障诊断能力不高，发生故障是无法及时报警或者误报警，这些都会影响系统的使用和推广。
（二）解决措施
针对以上三个方面的问题，提出如下相应的解决措施：
（1）针对可靠性问题，在平时巡检和维护过程中及时发现和排除干扰因素，对处理单元及时检查和更新，保证其处理能力能够满足煤化工行业对数据处理能力的要求，与此同时，可以对设备设置抗干扰防护系统，隔绝外界的干扰，比如采取接地或者设置防雷击保护系统，实现系统可靠，安全运行。
（2）针对通信能力不稳定问题。一方面选择合适的通信技术，另一方面对系统定期进行升级或扩容，通过合理扩容避免因数据量激增导致的通信能力下降或信道拥塞问题，从而提高信道的传输效率。
（3）针对自诊断和容错能力不足问题，可以通过对DCS系统功能扩展，加入人工智能算法，通过大量多次训练使终端设备具备自诊断和自恢復功能，同时及时更新报警系统，增加故障类型使其更加符合现代工业生产要求。
（4）加强维护。首先要定期清理和检测，煤化工过程中避免不了会产生大量粉尘，这些粉尘会干扰设备正常运行，同时要对系统软件和硬件定期进行检测和更新保证其完整性;其次，增强仪器仪表相关从业人员技术素质，能够对系统存在问题做出及时预判和快速处理，避免事故产生。
四、结论
本文通过对DCS系统特点、软硬件构成进行简述，分析了在煤气化工序中DCS的具体应用，同时结合实际指出当前DCS系统存在问题，并给出具体的解决措施。综上所述，在DCS日益发展成熟的今天，煤化工行业要充分利用DCS控制系统的优越性，促进企业安全、质量和效益的提升，同时针对存在的问题要加强整改，降低煤化工行业风险，从而促进企业安全效益和经济效益共同发展。
参考文献
陈建国.浅谈煤化工DCS系统的维护和管理仪器仪表用户，2018，25（12）：104–106.
冯中昱. DCS控制系统在煤化工企业生产中的应用及维护探究化工管理，2018（30）：34–35.
赵宁.试论DCS控制系统在煤化工企业生产中的应用及维护.化工管理，2018（27）：99–100.
仝瑞麟.煤化工生产中DCS系统的应用与改善途径分析.山西化工，2018，38（3）：145–147.
李庆民.西门子DCS系统在某焦炉中应用技术的改进分析[J].工业技术创新，2016，03（3）：532–535.
宁红军，杜红涛，赵刚海.环己醇生产装置中DCS控制系统的升级改造河南化工，2016，33（2）：42–44.
刘经纬，呼宏安，李国庭.煤粉制备装置气力输送控制系统的优化[J].化工自动化及仪表，2015，42（11）：1277–1278.
赵连彬.和利时DCS与西门子S7–315PLC通讯中的应用.自动化与仪器仪表，2015（9）：35–36.
胡俊伟. DCS在煤化工中的应用[J].石化技术，2015，22（8）：228+243.