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DCS控制系统在制氧中的应用

DCS它是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机，通信、显示和控制等4C技术，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活以及组态方便 。
在特殊控制领域，如核电站控制系统，DCS的含义被误叫做数字化控制系统（Digitalcontrolsystem），其实质仍为分布式操作系统 。
概述
首先，DCS的骨架—系统网络，它是DCS的基础和核心 。由于网络对于DCS整个系统的实时性、可靠性和扩充性，起着决定性的作用，因此各厂家都在这方面进行了精心的设计 。对于DCS的系统网络来说，它必须满足实时性的要求，即在确定的时间限度内完成信息的传送 。这里所说的“确定”的时间限度，是指在无论何种情况下，信息传送都能在这个时间限度内完成，而这个时间限度则是根据被控制过程的实时性要求确定的 。因此，衡量系统网络性能的指标并不是网络的速率，即通常所说的每秒比特数（bps），而是系统网络的实时性，即能在多长的时间内确保所需信息的传输完成 。
系统网络还必须非常可靠，无论在任何情况下，网络通信都不能中断，因此多数厂家的DCS均采用双总线、环形或双重星形的网络拓扑结构 。为了满足系统扩充性的要求，系统网络上可接入的最大节点数量应比实际使用的节点数量大若干倍 。这样，一方面可以随时增加新的节点，另一方面也可以使系统网络运行于较轻的通信负荷状态，以确保系统的实时性和可靠性 。在系统实际运行过程中，各个节点的上网和下网是随时可能发生的，特别是操作员站，这样，网络重构会经常进行，而这种操作绝对不能影响系统的正常运行，因此，系统网络应该具有很强在线网络重构功能 。
DCS
其次，这是一种完全对现场I/O处理并实现直接数字控制（DDC）功能的网络节点 。一般一套DCS中要设置现场I/O控制站，用以分担整个系统的I/O和控制功能 。这样既可以避免由于一个站点失效造成整个系统的失效，提高系统可靠性，也可以使各站点分担数据采集和控制功能，有利于提高整个系统的性能 。DCS的操作员站是处理一切与运行操作有关的人机界面（HMI-HumanMachineInterface或operatorinterface）功能的网络节点 。
工程师站是对DCS进行离线的配置、组态工作和在线的系统监督、控制、维护的网络节点，其主要功能是提供对DCS进行组态，配置工作的工具软件（即组态软件），并在DCS在线运行时实时地监视DCS网络上各个节点的运行情况，使系统工程师可以通过工程师站及时调整系统配置及一些系统参数的设定，使DCS随时处在最佳的工作状态之下 。与集中式控制系统不同，所有的DCS都要求有系统组态功能，可以说，没有系统组态功能的系统就不能称其为DCS 。
汉中钢铁有限公司制氧厂6000m3空分设备于2003年4月投入运行，其配套的是北京和利时公司的MACS-SmartproDCS控制系统 。MACS是和利时公司设计的新一代大型DCS控制系统 。该系统采用了目前世界上先进的现场总线技术（Profibus-DP总线），对控制系统实现计算机监控，具有可靠性高，适用性强等优点，是一个完善、经济、可靠的控制系统 。该DCS系统的使用，不但使汉钢的自动化水平上了一个新的台阶，也是6000m3空分系统正常运行的有力保障 。
1DCS结构及组成1.1汉钢制氧DCS系统结构图（如图1所示）
1.2管理监控站
汉钢制氧DCS控制采用北京和利时公司DCS系统，型号为SmartPro 。上层配置两台计算机对DCS的运行情况进行实时综合监视及操作，其中一台作为工程师站兼操作站，另外一台为操作站 。操作站计算机软件均采用和利时公司的FacView作为监控平台，且运行独立工程，其中任一台退出不会影响另一台计算机的运行 。在工程师站上安装有控制算法软件ConMaker，用于对DCS控制程序进行修改和监控 。
1.3现场控制站现场控制站配置两个互为冗余的主控单元（FM811），主控单元上有硬件冗余切换电路及故障自检电路 。两个主控单元进行热备份，它们同时接收网络数据，两个主控单元同时做控制运算，但只有一个输出运算结果，且通过双口RAM实时更新数据 。一旦工作中的主控单元发生故障，备份主控单元自动进入工作状态，而且切换过程是无扰动的 。
1.4网络冗余
MACS系统的网络由上到下分为监控网络（即MNET）、系统网络（即SNET）和控制网络（即CNET）三个层次，监控网络实现工程师站、操作员站与系统服务器的互连，系统网络实现现场控制站与系统服务器的互连，控制网络实现现场控制站与过程I/O单元的连接与通讯 。每个主控单元的多功能卡上设计有两套SNET网络接口电路，用于实现SNET网络的冗余结构 。所以该系统网络实现了冗余配置 。
1.5电源冗余
该系统电源模块为特殊设计，功率大，稳定性好，均实现冗余配置，两个电源并联使用，均流运行，当其中一个故障时，另一个自动承担全部负载 。
汉钢制氧DCS系统配备了8块电源模块，其中两两互为冗余 。
1.6I/O模块
现场控制站实现了所有I/O模块的智能化，将控制有效地分散到各个I/O模块，降低主控单元/主控模块的负担，使得板级运行状态检测和故障诊断能力得以提高 。采用Profibus-DP总线技术取代传统的并行总线，使各模块的故障被有效地隔离 。所有模块均带有隔离电路，将通道上窜入的干扰源与系统隔离 。现场控制站的所有模块上都带有CPU，每块模板都周期性地进行自诊断 。而且由于采取了特殊保护措施，系统中主控单元和所有模块（AI、AO、DI、DO）均可带电拔插，对系统的运行不会产生任何影响 。这样保证了系统在某些模块发生故障时，维护人员可以快速更换且不用停电，从而缩短了故障处理的时间 。汉钢制氧DCS系统使用I/O模板情况如表1：
2汉钢DCS系统控制功能汉钢制氧DCS系统包含以下控制内容 。
2.1空压机
空压机系统中检测了空压机、主电机的轴温，润滑油温度、压力及进气、排气温度和压力、空压机轴振动测量、冷却水温度、压力等一系列相关数据 。其中主要有如下几个重要内容：
（1）空压机防喘振SV1015阀自动调节及联锁控制
SV1015防喘振阀是气关阀，如果电磁阀失电，该调节阀将自动打开 。在空压机开机以后，SV1015阀投入自动运行，根据设定值自动调节压缩机排气压力 。本系统中SV1015阀自动调节平稳准确，完全符合设计要求 。另外为该阀设计了一系列的联锁条件，有效地防止了SV1015阀误动作的产生 。
（2）空压机运行安全保护联锁控制
空压机是空分设备中最重要的组件，它的正常与否直接影响空分系统的正常运行 。所以空压机运行安全联锁保护也非常关键 。其中空压机I级到IV级轴温、大小齿轮温度每一个点对应都有两支热电阻检测其温度，其中一路引入DCS系统实现联锁保护（任一温度点≥80℃就联锁停机），另外一路接入现场仪表盘面巡检仪上显示 。在实际生产中出现过两次由于电阻本身损坏而造成空压机联锁停机，为了杜绝这种误动作的产生，我们将现场巡检仪改为巡检控制仪，将该巡检控制仪的超限报警输出信号接入DCS，与原先接入的温度比较信号相与，从而有效地杜绝了因为热电阻的原因而产生的误动作 。修改控制程序以后，空压机再也没有出现过误动停机的现象 。
控制原理图如图2所示 。
2.2预冷系统
预冷系统主要包含空冷塔、水冷塔和冷冻机组部分的压力、温度、液面及流量检测，以及冷冻机组的启停控制 。同时主要还有空冷塔液面自动调节（V1111）、水冷塔液面自动调节（V1138）以及V1136阀遥控调节 。
2.3纯化系统
纯化系统除分子筛、电加热器部分的工艺检测及CO2检测外，主要实现了电加热器的自动联锁和分子筛部分电磁阀的自动切换 。汉钢制氧DCS系统由于设备安装及其它原因的影响，目前没有采用自动切换分子筛，而是采用计算机集中手动方式完成分子筛的切换操作 。在原电加热器联锁设计中存在漏洞，出现过一次没有再生气体通过电加热器，而电加热器仍然加热，导致电加热器干烧损坏的事故，在查明原因后，我们将MS1212阀的开到位信号引入联锁系统，从而有效地杜绝了电加热器干烧的现象再次发生 。
2.4分馏塔系统
分馏塔系统检测了分馏塔内部各个部位及5组换热器的温度，上塔、下塔阻力及压力，液氧液位、液空液位，入塔空气流量，出塔氧气、氮气流量等一系列工艺检测量 。另外，主要实现了以下重要调节量：液氧液位自动调节（V1阀）、液空液位自动调节（V2阀）等 。
2.5膨胀机系统
汉钢制氧配备了两台膨胀机 。DCS系统主要检测了两台膨胀机的进出口压力及温度，增压机进出口压力，膨胀机喷嘴压力，膨胀机轴承温度及进口油压，ET1、ET2出口温度，两台膨胀机转速等 。另外，对SV443、SV444放散阀、膨胀机进口调节SV457、SV458阀的开关、膨胀机油泵启停与膨胀机轴承温度、油压及膨胀机转速进行联锁控制，保障了膨胀机的安全运行 。
2.6压氧、压氮系统
汉钢制氧配备了三台氧压机，一台氮压机，其中三号氧压机可切换为备用氮压机使用 。压氧、压氮系统主要检测了氧氮压机各级进排气温度、压力，润滑油温度、压力等工艺过程量，同时还实现了氧氮压机、油泵的启停联锁控制 。
另外还实现了氧气、氮气回流调节 。
2.7外网调压系统
外网调压系统配有氧气球罐、氮气球罐各一个，并设置有氧气调压间，主要完成将产品氧气向炼钢转炉输送，保证转炉炼钢用氧的压力稳定，均衡 。外网调压系统检测了氧气、氮气球罐压力，送往炼钢氧气、氮气压力、流量 。主要实现了氧气压力双路自动调节，使炼钢转炉冶炼所用氧气的压力平稳输送，保障转炉生产的顺行 。
2.8液氧储槽系统
汉钢制氧配有50m3立式液氧储槽一座，用于液氧储存及氧气充瓶 。液氧储槽系统主要检测了储槽内的压力及液氧液位 。
3汉钢DCS系统软硬件配置3.1软件配置
———操作系统：WindowsNTWorkstaTIonV410
———控制策略及组态软件：ConMaker
———监控组态软件：FaceView
———现场控制站应用控制软件1套（汉钢制氧专用）
———汉钢制氧操作站监控应用软件2套（汉钢制氧专用）312硬件配置（1）操作站
———主机：DELLP4电脑两台（双网卡）
———显示器：DELL21寸高分辨率彩色显示器
———以太网交换机：8口D-Link交换机2台
———UPS电源：SANTAK6KVA不间断电源1台（2）现场控制站
———主机柜：和利时专用主机柜1面
———主控单元：和利时FM811主机2台
———电源：和利时FM191电源8台
———I/O模块：和利时FM145、FM151、FM143、FM143A、FM161、FM171模拟量输入输出，开关量输入输出模块共46块 。
———中继器：西门子RS485中继器1台
———继电器柜：输出继电器及开关柜1面
DCS系统所有用电都通过UPS电源供给，在市电停电时，UPS电源仍然能够提供1小时以上的供电，保障DCS系统操作、监控的顺利进行 。
4汉钢DCS系统运行状况汉钢制氧厂DCS系统自2003年4月底正式投运以来，经历了一系列的考验 。现总结如下：
（1）系统运行初期由于相关维护人员对系统不熟悉，在监控程序时由于误操作曾经造成过系统停机，后经过完善系统管理权限，该现象没再发生过 。
（2）电加热器由于接触器功率太小，造成短路拉弧，损坏DCS系统模块中两个输入点，更换接触器和输入模块后系统正常 。
（3）DCS系统曾经出现监控画面自动切换、操作员权限自动变化等一系列莫名其妙的现象，后经过观察判断，我们确认是和利时提供的两块工程键盘产生的故障，将这两块工程键盘取掉后系统恢复正常，上述现象没再发生过 。
（4）其它如热电阻损坏造成空压机停机、电加热器空烧等事故经过对控制程序完善修改及采取相关保护措施，杜绝了该类事故的重复发生 。
（5）操作站监控画面每隔一段时间就会出现操作及画面切换变慢的现象，我们在办公室经过对监控画面软件测试后发现了该软件存在的漏洞，并及时地将其漏洞反馈给和利时公司，该公司对其程序做了相应修改 。我们更新监控软件后，画面切换变慢现象虽然仍有出现，但是出现的频率大大降低 。
【DCS控制系统在制氧中的应用】（6）除过上述情况以外，汉钢制氧DCS系统总体情况还是很可靠的，运行1年多来，没有出现过1次因为DCS本身故障而停止生产的状况发生 。汉钢制氧能够顺利运行1年多，该DCS系统发挥了极大的作用 。

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