大型高爐上DCS控制系統的應用分析

【摘要】本文主要分析了DCS控制系統在某鋼鐵廠2000m2高爐控制系統中的應用，包括其工藝流程、控制系統結構、以及網絡構成和實現控制功能等。并分析了DCS控制系統如何實現保障高爐順利生產、維持高爐系統穩定以及對其進行嚴密監測。

【關鍵詞】大型高爐；DCS控制系統；控制站；歷史站

集散控制系統（DCS）是由過程監控級和過程控制級組成的多級計算機系統，其以通信網絡為聯系樞紐將控制、通信、顯示和計算機等合理有序的融合在一起，即以計算機為技術核心，運用通信網絡將獨立進行控制、采集、監視和操作的過程控制站、計算機站和數據采集站等組織成為一個完整的系統，實現信息資源共享。其理念就是集中操作、分級管理、分散控制。[1]它不僅具有控制功能齊全、開放性、可靠性、靈活性以及協調性等優點，還具有自身特有的技術工藝如冗余、小型、自診斷和開放等使其在工業過程控制方面得以廣泛的應用。

1.自動化系統構成

本文中研究的該鋼鐵廠2000m2高爐采用的DCS控制系統開放性好、兼容性能佳，不僅可以實現不同廠家自動化設備的共同作業還可以與管理計算機進行信息傳遞。DCS采用的數據庫是分布式結構，有效的降低了集中式數據庫可能累積的高風險。并且用戶可以隨意的從該系統的某一點得到其在系統中的全部信息。該DCS控制系統有效的將儀表和電氣的分工作業融合起來，簡化了網絡結構加快了網絡速度，使得系統資源能夠得以充分的運用，同時也便于系統的維護和控制。

DCS控制系統可以對大部分高爐工藝實施有效的監控，主要有：上料系統；高爐本體系統；焦炭和礦石儲備、輸送系統；煤氣清洗系統；出鐵場系統；水渣系統；無料鐘爐頂系統；噴吹系統、熱風爐系統和煤粉制備系統等，并且對爐頂余壓發電系統的控制也實施了預留舉措。[2]

DCS控制系統分為兩級系統功能，其中一級是基礎自動化，其主要功能是對高爐生產過程的數據進行收集和初步處理，可對生產的邏輯順序進行控制也可對其生產過程的連續調節進行控制。在該鋼鐵廠選用的DCS控制系統中配置有控制站（DPU）、高速數據通信總線、操作員站（SUN工作站為其操作平臺），硬拷貝機和打印機等，其中操作員站中有2臺用作軟件維護和系統組態，相當于工程師站。 每一個控制站按冗余方式進行硬件的配置，包括冗余的分布式數據存儲器、Intel CPU和電源以及非冗余的輸出繼屯器、輸入接線端子和I/O模件等。軟件包括分布式數據庫程序以及系統固化支持程序等。操作站間均可以交替使用。高速數據通信總線的數據信息途徑以時間為界限進行分段廣播，其在室外的部分采用光纖傳播，室內的部分采用同軸電纜進行數字廣播。其以以太網為信息傳輸媒介，可以與其他系統之間進行信息傳遞。

另外一級為過程控制級，其主要功能為對高爐生產過程設定數據，進行作業管理、數據處理、數據存儲、控制計算和操作指導等。在過程控制級中共配有SUN工作站、打印機、硬拷貝機以及Pc終端機。以上配置與高爐原燃料之間可以通過調制解調的方式進行數據通信，其各單元之間也可以通過以太網和高速數據總線進行信息傳遞。以不間斷電源裝置對其進行供電，且其停電保持時間應不低于30min。依據不同的控制對像，控制設備被安置在相對應的控制室或電氣室中，被安置在現場的遠程I/O。

2.DCS控制系統對高爐的主要控制功能

2.1控制站的控制功能

DCS控制系統可依據高爐不同的工藝將控制站進行不同控制功能的分配，服務器是整個控制站中心，其主要管理系統的整個數據庫，包含有系統組態、流程圖、輸出點和控制回路等。該控制系統可只建立一個工程就可將編輯監控畫面、網絡硬件組態和編程融合在一起。其可以滿足各種畫面的編輯，編輯后只需將其下載到相應的操作站即可，這一個控制程序涵蓋了高爐的子控制系統。

控制臺的主要的控制功能可做如下的安排：（1）采集和處理焦炭和礦石輸送和儲備系統狀態以及稱重等數據；控制輸送皮帶機上礦石原料的跟蹤觀察等控制振動篩、稱量料斗閘門和礦石輸送皮帶機等設備的運轉先后控制焦炭輸送皮帶機、轉換溜槽和焦炭振動篩等設備的運轉先后；控制補正焦炭的水分；補正礦石和焦炭的稱量誤差以及處理設備故障的報警。（2）采集和處理高爐自身的系統溫度數據，控制爐頂系統設備的運行狀態，控制爐頂各設備如排壓閥、均壓閥和密封閥等的運轉先后以及控制料流調節；控制燃燒和送風溫度等。（3）采集和處理高爐煤氣和爐頂清洗系統以及熱風爐系統的流量、溫度及壓力數據；控制爐頂壓力；控制文氏管洗滌器的煤氣差壓和水位；監測高爐風口和冷卻板等。（4）采集和處理噴吹煤粉系統設備的運轉狀態的數據，采集和控制噴吹煤粉的流量、溫度和稱重等的數據；并控制其設備運行的順序和噴煤速率。（5）采集和記錄水渣和出鐵場系統的運轉狀態數據；采集和處理其稱重、流量、溫度和液位等數據；控制成品槽水清洗閥、事故閥、爐渣輸送皮帶機等設備；控制出渣方式和轉鼓速度以及水渣設備運轉程序等。[3]

2.2歷史站的控制功能

歷史站的主要控制功能是對高爐所有的生產數據進行歷史記錄，以數據反映部分生產的發展趨向，并將其以報表形式打印出來等。歷史站中存儲著重要的生產數據，因而保障歷史站中的數據安全是極為重要的。為了滿足數據存儲的空間，系統應當選用雙CPU模式，并使用冗余電源和網卡，以及大容量的硬盤，在本次研究的鋼鐵廠中其硬盤數量為8且存儲量為40GB的硬盤，且8塊磁盤均采用磁盤冗余陣列方式進行排列。在歷史中報表可以以數據的形式存貯一個月時間，實現了無紙化報表，并且在該系統的網絡上均可以對其進行抽調查看。[4]

2.3操作員站的控制功能

操作員站的操作系統為Windows XP，其軟件安裝版本為Ovation Developer Studio，且其需安裝兩塊冗余網卡。操作員站的主要控制功能是實現生產操作和對生產進行監控，但不能隨意更改編輯，若要更改則需在服務器上就進行操作，之后從服務器上下載到到相應的操作站。

3.DCS控制系統穩定運行的保障

保證DCS系統的運行的穩定是保障其對大型高爐合理控制的基礎，但是DCS系統的故障卻是一種無法完全避免的現象，因而我們只能通過對其的維護和調試以期減少這種現象的發生。系統故障發生的原因很多，針對其發生的原因可對其采取有針對性的防范措施。首先要對DCS系統中的服務器、控制器和通訊網絡等設備進行冗余結構的配置形式，這樣可以極大的增強其在對高爐進行控制時的穩定和安全性。其次要注重對系統的通訊功能進行維護，防止其因過重的負荷而發生故障。要確認通訊電纜之間連接的牢靠性，而且還要增強其抗干擾性。第三還要格外注重對DCS系統的冗余供電，可采用二級管脈沖給進以保障供電電源的供電不間斷。[5]最后要增強對系統的軟件管理，要采取有效的防干擾舉措，在電子區域內嚴禁各種無線通訊工具的使用，靠近DCS系統的區域內要對大功率通訊工具限制使用。而且還需制定相應的DCS系統預警方案和應急措施，對系統各項設備進行合理的周期性的檢修，將影響DCS系統穩定安全運行的隱患及早排除。

【參考文獻】

[1]杜二冬.淺談PLC在高爐控制和管理自動化中的應用[J].中國科技博覽，2011（24）.

[2]張國菊.高爐礦渣超細粉庫底全流程自動化控制系統[J].機械管理開發，2011（4）.

[3]劉龍.唐鋼自動化公司煉鐵高爐維檢中心.數字技術與應用，2011（10）.

[4]張磊.淺析DCS鍋爐自動控制系統的實現[J].科技與企業，2012（1）.

[5]黃巧林.基于DCS的鍋爐電氣自動控制系統的應用[J].中國電子務，2011（10）.