DCS系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計與實時性能分析

摘要：化工單位DCS（分散控制系統(tǒng)）運行的時間較長，系統(tǒng)易出現(xiàn)各類問題，需進(jìn)行系統(tǒng)整改，避免系統(tǒng)故障。首先確定DCS組成，明確硬件、軟件的功能；其次從連鎖、自動控制兩個方面進(jìn)行邏輯控制；最后試運行DCS，觀察生產(chǎn)控制效果。在案例單位優(yōu)化邏輯控制方案后，負(fù)荷變動為3.2 MW（標(biāo)準(zhǔn)±4.8 MW）、主汽壓力+0.25 MPa（標(biāo)準(zhǔn)±0.3 MPa）等7項指標(biāo)均符合DCS控制驗收要求，循環(huán)水泵調(diào)控、噴氨調(diào)節(jié)的效果較好。

關(guān)鍵詞：DCS控制系統(tǒng)；系統(tǒng)架構(gòu)；邏輯；模擬量

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.11.023

中圖分類號：TP 273" " " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " " 文章編碼：1672-7274（2024）11-00-03

Architecture Design and Real time Performance Analysis of DCS Control System

--Taking the DCS Control System of a Certain Chemical unit as an Example

FU Guoyi

（Shenzhen Energy Resources Comprehensive Development Co.， Ltd.， Shenzhen 518000， China）

Abstract： The DCS system of chemical units runs for a long time and is prone to various problems. System rectification is needed to avoid system failures. Firstly， determine the composition of the DCS system and clarify the functions of hardware and software; Secondly， logical control is carried out from two aspects： chain control and automatic control. Finally， test run the DCS system and observe the production control effect. After optimizing the logic control scheme in the case unit， the load variation of 3.2 MW （standard ± 4.8 MW）， main steam pressure+0.25 MPa （standard ± 0.3） and other 7 indicators all meet the DCS control acceptance requirements. The effect of regulating the circulating water pump and ammonia injection is good.

Keywords： DCS control system; system architecture; logic; analog quantity

DCS具有可靠性強、開放性強、靈活性強和協(xié)調(diào)性強的特點，系統(tǒng)運行具有標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、模塊化的特點。DCS的特點決定了以現(xiàn)場總線為主要通信介質(zhì)的工作流程。DCS依托可靠性強、抗干擾性強的現(xiàn)場總線，實現(xiàn)高效運行。本文以DCS控制技術(shù)為出發(fā)點，利用計算機程序進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)控，其技術(shù)成熟性較高，具體包括分散控制、集中管控等多個功能，在火電行業(yè)獲得多重應(yīng)用。

1" "DCS需求分析

1.1 工作流程

作為由一組或多個控制器節(jié)點組成的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，現(xiàn)場總線可以借助控制器節(jié)點與上位機進(jìn)行信息交互，在此過程中檢測和操作被控對象，完成工業(yè)設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程操作。DCS在現(xiàn)場總線的支持下，完成了對被控對象的動態(tài)監(jiān)控和操作，這是系統(tǒng)控制的關(guān)鍵點。在現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)覆蓋下，可連接分散設(shè)備形成智能控制網(wǎng)絡(luò)，人員位于中控臺完成連接分散設(shè)備、數(shù)據(jù)庫等綜合操作，當(dāng)操作出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)問題時，DCS可將信息自動上傳到中控臺，輔助人員在短時間內(nèi)定位故障點，解決異常數(shù)據(jù)。在DCS的幫助下實現(xiàn)數(shù)據(jù)的收集及其他軟件和設(shè)備的自動控制，系統(tǒng)會根據(jù)創(chuàng)建模式的不足，結(jié)合人工智能對系統(tǒng)進(jìn)行完善，逐步形成自動化和智能化的控制。

1.2 系統(tǒng)組成

案例電力單位DCS，由機柜、控制程序、I/O單元等各類組成，具有運行功能完善、控制流程清晰的技術(shù)特點。每個控制器支持連接4組I/O總線，每組I/O總線可連接12個I/O單元。

（1）機柜。DCS適用的機柜類型較多，包括控制類、I/0擴展類等。機柜尺寸具有較強的適用性，可用于各類DCS。系統(tǒng)改造期間繼續(xù)使用原系統(tǒng)的機柜，節(jié)省系統(tǒng)改造成本，各組機柜均采取單獨供電形式。

（2）iDPU控制器。DCS內(nèi)設(shè)計的控制器類型為iDPU，是一種單板工業(yè)設(shè)備終端，具有處理器、內(nèi)存、串口等。

（3）I/O單元。DCS內(nèi)設(shè)立的I/O單元表現(xiàn)出較強的智能性，能自主采集信號進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，調(diào)控算法與iDPU相互傳送信息等。

1.3 硬件分析

（1）控制器：DCS內(nèi)的控制器共有三種類型，包括基礎(chǔ)型、通信型、先進(jìn)型。此次系統(tǒng)改造，以通信型控制器為例。改造的控制程序含有兩個網(wǎng)絡(luò)接口、三個通信控制接口等。

（2）擴展程序：DCS內(nèi)的擴展程序主要由I/O單元、電源等構(gòu)成。

（3）模擬量輸入單元：作為DCS內(nèi)智能采集信息的關(guān)鍵程序，該單元內(nèi)設(shè)有處理器，支持實時處理16路信號，處理的信號類型包括熱電偶、熱電阻兩種。在現(xiàn)場傳送輸入的信號會在電磁兼容接口、I/O轉(zhuǎn)換等多個流程處理后，傳送到處理器并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，分析完成后經(jīng)處理器向總線傳輸。

（4）模擬量傳輸單元：優(yōu)化DCS時模擬量傳輸單元具有一定智能性，支持同步傳輸8路模擬量信息。

1.4 軟件分析

人機接口包括操作人員、工程師等多個站點，是各個站點人員運行的終端設(shè)備，更是DCS較為關(guān)鍵部分，人機接口運行的控制程序?qū)τ谙到y(tǒng)改造效果具有一定的決定性作用。

（1）MPC總控應(yīng)用軟件的組成：運行總控程序后，系統(tǒng)界面展示的功能有用戶注冊、生成圖形、測點檢查、數(shù)據(jù)總覽、警報日志等。

（2）MPC總控的操作畫面：操作主界面的“圖形”可進(jìn)入系統(tǒng)的“主菜單”，系統(tǒng)功能具體有01號熱網(wǎng)系統(tǒng)、11號系統(tǒng)總圖、12號協(xié)調(diào)主控、14號汽水系統(tǒng)、16號爐膛系統(tǒng)、21號風(fēng)煙系統(tǒng)、22號送風(fēng)系統(tǒng)等。查看51號循環(huán)水泵，總控系統(tǒng)內(nèi)會展示循環(huán)水泵的技術(shù)組成：排污泵×2臺、循環(huán)水泵×2臺、液控蝶閥×2臺等。

2" "DCS邏輯架構(gòu)設(shè)計

2.1 連鎖邏輯

（1）循環(huán)水泵的運行要求：在運行循環(huán)水泵時，應(yīng)減少水中氣泡帶來的沖擊，保證葉片完好。可將葉輪全部放入水中，葉輪所處位置不能過高。當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)水位一側(cè)高度發(fā)生變化時，會致使泵體發(fā)生損壞。對此問題，在循環(huán)水泵出口點位設(shè)計一組蝶閥，增強隔離性，另調(diào)整油壓可以控制蝶閥的啟閉狀態(tài)[1]。

（2）循環(huán)水泵邏輯調(diào)控設(shè)計：連鎖時，40號循環(huán)水泵不再運行，連鎖運行39號循環(huán)水泵。工況一，39號循環(huán)水泵運行1 min時，蝶閥開啟角度較小，關(guān)閉39號循環(huán)水泵；工況二，39號循環(huán)水泵未見異常，運行中蝶閥處于75°角度，暫停39號循環(huán)水泵；工況三，39號循環(huán)水泵平穩(wěn)運行，蝶閥處于關(guān)閉狀態(tài)，關(guān)閉39號循環(huán)水泵。對上述邏輯描述，進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，改進(jìn)的邏輯控制方案中綜合考慮循環(huán)水泵、蝶閥啟閉的次序，并添加SR觸發(fā)器，邏輯控制方案見表1。

2.2 自動邏輯

本案例化工單位以脫硝系統(tǒng)為例，對供氨閥門進(jìn)行自動邏輯調(diào)控。

2.2.1 脫硝系統(tǒng)

在氨蒸發(fā)程序中傳輸?shù)陌睔鈺拈_關(guān)、調(diào)節(jié)兩個閥門位置到達(dá)氨-空氣混合，在氣體混合期間利用稀釋風(fēng)機導(dǎo)入空氣，促使氨氣與空氣相互混合。充分混合完成后利用氨注射格柵吸收氣體，將氣體傳入脫硝反應(yīng)程序中。最后使用催化還原技術(shù)，有效處理氮氧化物。

2.2.2 脫硝系統(tǒng)PID控制程序中設(shè)立前饋擾動信號

在控制程序中脫硝系統(tǒng)傳出的氮氧化物含量是系統(tǒng)的目標(biāo)控制值。在進(jìn)行自動邏輯控制時設(shè)有兩個回路，主干路線的偏差信息反饋傳出煙氣中氮氧化物含量與目標(biāo)值的差值，分支回路的偏差信息反饋SCR反應(yīng)器傳入氨氣流量與主控程序傳出值的差值，燃料量總值、SCR程序入口處的氮氧化物含量兩個數(shù)據(jù)相加后顯示于主控制器上。分支線路的控制器會將傳輸?shù)男盘柗答伣o“噴氨閥門”，在閥門傳輸位置裝設(shè)流量變送器反饋氨氣流量，進(jìn)行分支回路的誤差計算。在SCR反應(yīng)程序的傳輸位置裝設(shè)氮氧化物含量的變送程序，獲取的信號傳送至主回路。脫硝系統(tǒng)A面的穿入口氣氨調(diào)節(jié)裝置采取的自動控制方案：雙線串級PID控制程序中間的PID設(shè)為主控，外圍的PID作為備用，前饋與主控程序相互連接，在自動邏輯控制的基礎(chǔ)上增加警報模塊，建立全面的邏輯判斷方案。

3" "DCS運行與維護的策略

3.1 分析運行環(huán)境，做好充分準(zhǔn)備

對現(xiàn)場環(huán)境進(jìn)行全面調(diào)查，有效評價環(huán)境安全和準(zhǔn)確識別危險因素[2]，根據(jù)現(xiàn)場工作環(huán)境制定相應(yīng)的管理制度，綜合主客觀兩個核心要素降低設(shè)備運行風(fēng)險。例如，根據(jù)系統(tǒng)和設(shè)備運行狀態(tài)制定相應(yīng)的檢修計劃，組織專業(yè)技術(shù)人員、檢修人員定期對控制系統(tǒng)、設(shè)備進(jìn)行檢查，及時發(fā)現(xiàn)問題并排除故障。

3.2 完善運維制度，加強安全教育

操作人員是影響DCS運行狀態(tài)的關(guān)鍵因素，若不對操作人員加以管控，易出現(xiàn)各類問題。鑒于此，我們應(yīng)該從建立運維體系的角度出發(fā)，建立和完善與DCS運行和維護相關(guān)的管理體系和工作規(guī)定，有效限制相關(guān)人員不合規(guī)的工作行為，以免影響設(shè)備運行的可靠性和工作質(zhì)量[3]。

為了強化系統(tǒng)控制的安全性與效率，需將安全教育作為核心環(huán)節(jié)，提升控制人員的專業(yè)素養(yǎng)與應(yīng)急能力。在此基礎(chǔ)上鼓勵并引導(dǎo)控制人員運用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，深入理解并掌握各設(shè)備運行特性，通過數(shù)據(jù)挖掘手段精準(zhǔn)識別故障，迅速執(zhí)行故障排除措施，從而大幅度縮短從故障發(fā)生到解決的時間周期。同時，針對相關(guān)人員必須結(jié)合實際工作需求，量身打造專業(yè)培訓(xùn)計劃，這些培訓(xùn)不僅能鞏固和深化其專業(yè)理論知識，更要提升其實操技能，確保每位控制人員都能高效勝任崗位工作。

4" "系統(tǒng)試運行

4.1 熱控調(diào)試

（1）DAS調(diào)試：DCS安裝成功后要進(jìn)行熱控調(diào)試。從流量、壓力等方面進(jìn)行多點調(diào)試，判斷接線的規(guī)范性；有效核實測點名稱、量程等各類信息，查看水位、流量等各點補償方法的正確性；在DAS運行時，組態(tài)、通信、畫面展示、實時數(shù)據(jù)反饋等各項功能均應(yīng)達(dá)到系統(tǒng)需求。

（2）ECS調(diào)試：從各個ECS測點的名稱、量程、警報方面校對參數(shù)設(shè)計的準(zhǔn)確性。

（3）控制系統(tǒng)調(diào)試：從閥門、電機等各節(jié)點進(jìn)行啟閉調(diào)試，判斷接線正確性，記錄閥門啟閉所需的時間。參照《連鎖保護試驗卡》的相關(guān)規(guī)范，逐一測定連鎖保護效果，測定結(jié)果應(yīng)有人員簽字確認(rèn)。

（4）鍋爐安全監(jiān)測調(diào)試：判斷MFT、鍋爐各處功能的完好性，檢查油槍、點火槍功能是否處于正常運行狀態(tài)，查看火檢信號是否正常顯示，測定熱工測量設(shè)備讀數(shù)的正確性。

（5）模擬量控制程序的調(diào)試：判斷設(shè)備連接的規(guī)范性，查看系統(tǒng)各處參數(shù)設(shè)計的準(zhǔn)確性，測定熱電阻、熱電偶各項參數(shù)設(shè)計的適用性[4]。

4.2 應(yīng)用效果

新改造完成的DCS表現(xiàn)出較好的控制效果，具體表現(xiàn)如下。

（1）將連鎖控制添加到循環(huán)水泵控制程序中，能保證水泵調(diào)控的安全性。

（2）使用PID控制程序調(diào)控脫硝系統(tǒng)，使噴氨調(diào)節(jié)閥處于較好的控制狀態(tài)。在自動控制技術(shù)的支持下，脫硝系統(tǒng)運行平穩(wěn)，契合機組環(huán)保運行的技術(shù)要求[5]。

5" "結(jié)束語

綜上所述，案例單位從循環(huán)水泵、脫銷生產(chǎn)兩個方面進(jìn)行DCS控制程序的優(yōu)化設(shè)計，結(jié)果顯示循環(huán)水泵調(diào)控方案更具安全性，噴氨調(diào)節(jié)門的控制方法更具智能性，可保證系統(tǒng)運行效果，符合案例單位環(huán)保生產(chǎn)的技術(shù)目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

[1] 仇輝．熱電聯(lián)產(chǎn)企業(yè)分散控制系統(tǒng)（DCS）不同架構(gòu)的應(yīng)用及優(yōu)缺點分析[J]．中國科技縱橫，2022（9）：43-45．

[2] 孫歡歡．智能選廠全流程DCS設(shè)計與應(yīng)用[J]．有色金屬（選礦部分），2023（6）：170-174．

[3] 王繼東，徐偉強，李民，等．DCS中異構(gòu)組態(tài)的橋接模塊的設(shè)計與實現(xiàn)[J]．石油化工自動化，2023，59（1）：61-63．

[4] 張海波，王碩，滕騰，等．池式鈉冷快堆DCS優(yōu)化對SBO事故安全影響的研究[J]．自動化儀表，2023，44（z1）：145-148，153．

[5] 歐旭劍．火力發(fā)電廠H級燃機控制系統(tǒng)架構(gòu)分析與改進(jìn)[J]．電力設(shè)備管理，2023（18）：72-74，117．