化工工藝設施中低壓電機的DCS監控應用

付強

摘 要：隨著我國社會科學技術發展進程的不斷深入，信息化高速進入到我們生活的每一處角落，而基于計算機技術的工業控制也逐步成為時代發展的必需，自動化控制理念成為了我們所處這個時代的標志。那么，筆者在該文中將以化工工藝設施中低壓電機的DCS監控技術作為研究對象，并主要闡述其應用。

關鍵詞：化工工藝 低壓電機 DCS監控 應用

中圖分類號：TP277 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）03（a）-0-01

1 DCS系統的構成及特點

DCS技術自20世紀70年代誕生以來，經歷了多次技術變革與更新發展，目前已被廣泛應用于各個行業領域，其中以石油和化工的應用最為普及。石油化工企業應用DCS技術來替代傳統的儀表控制系統現已成為一種必然的發展趨勢。DCS系統即分布式控制系統，其是本質上是基于計算機技術來對化工生產過程進行集中化監視、實際操作、分散控制與管理。DCS系統作為一種既可以縱向分層又可以橫向分散的綜合控制系統，其主要依托于多層計算機網絡技術將分散于全生產范圍以內各種控制設備的信息數據處理裝置加以連接和整合，從而實現了各個部分信息共享組織工作控制、管理以及決策的功用。

現如今，我國大多數化工工藝設施均以使用DCS的監控方式來進行工業控制。DCS監控的實際方式是發變組保護、綜合自動化運行保護裝置、用電系統的保護和自動裝置的動作情況。其動原理是基于通過各個獨立設備裝置的動作信號和位置狀態等有效開關量來作為基本輸入量值（DI）輸送至DCS控制系統中心實現控制過程。如電流（A）、電壓（V）和功率（P）等模擬變量通過電量變送器輸出4～20 mA的標準信號并輸送至DCS系統的控制中心，DCS的控制指令則被作為輸出量發送至電氣設備或裝置，而各個電氣設備或裝置則與DCS系統的控制中心以硬接線的方式形成關聯。以下是筆者對DCS系統構成及特點的分析。

1.1 系統的構成

DCS系統的硬件構成分為管理操作應用的工作站臺、現場的控制站臺以及通信網絡平臺三大類。

（1）管理操作應用的工作站臺。管理操作應用的工作站臺包括工程師站臺、操作員站臺和歷史數據站臺等功能服務站臺。工程師站臺主要為相關技術人員提供可生成控制系統的人機端口，目的在于DCS系統的組態與維護，而這些技術人員也可以通過這一站臺對系統進行人為監視。操作員站臺為相關技術人員提供可以與系統數據庫進行人機交互的操作界面，目的在于監視可完成的數據狀態值和操作人員對數據點的操縱。歷史數據站臺則是為了存儲整個DCS系統的歷史數據通過利用組態軟件來實現歷史數據趨勢的狀態值顯示、報表輸出打印和故障追憶等功用。現場控制站臺被用于對現場信息的采集與處理環境以實現大多數的控制策略，且本控制站臺具有比較可靠的冗余保障和網絡通信功用。通信網絡可連接DCS系統的各個分散部件，從而確保完成數據、指令以及其他信息的傳遞工作過程。同時，為了進一步保障DCS系統的可靠性和穩定性，系統的電源設備、通信網絡和過程控制站臺均采用冗余的配置。

（2）DCS系統的軟件部分通常是由實時多任務的操作系統、數據庫存系統、數據通訊軟件、組態軟件和其他應用軟件共同組成。

（3）DCS系統在其結構上一般采取模塊化的設計思路，以合理地配置和靈活地組態來實現電機組的模擬量控制（MCS）、數據采集系統（DAS）、鍋爐燃燒控制和爐膛安全系統（FSSS）、順序控制系統（SCS）等功能及效用。

1.2 系統的特點

DCS系統之所以能夠被廣泛地應用于工業控制當中，究其原因主要是因為DCS系統具有以下幾方面的特點。

（1）分散性。DCS系統的分散性是指分散控制、地域分散、設備分散、功能分散和危險分散。系統硬件的積木化和軟件的模塊化是其分散性特點的具體行為體現，主要的目的就是為了使系統控制的危險因素最大化的分散，從而有效提高系統控制的可靠性與安全性。

（2）集中性。DCS系統的集中性是指集中化的監視、操作及管理過程。通過利用通信網絡將分散的設備及軟件連接統一成為一個整體，然后基于分布式的數據庫來實現整個系統的信息集成與共享，且操作人員還可以同時在多臺操作站臺上來進行集中監視、操作及管理。

（3）自治性。DCS系統的自治性是指該系統中的分散設備均可以獨立形式進行工作。控制站臺自主進行輸入、計算、控制及輸出過程，操作員站臺可以自主實現監視、操作及管理過程，工程師站臺則可以在在線或離線狀態下進行組態過程。

（4）協調性：DCS系統的協調性是指系統中的各臺設備利用通信網絡和數據庫聯合，相互傳遞信息和組織工作，從而實現了系統的整合功能。需強調的是，DCS系統的分散性與集中和協調性與自治兩組關系并不對立的關系而是相互補充。

（5）靈活性和擴展性：DCS系統的硬件設備具有積木式結構的特點，既可以靈活配置各類大小不一的系統構造，又可基于企業發展趨勢來進行系統拓展。而系統的軟件部分則是采用模塊式的結構，主動提供信息的傳遞、計算及控制功能塊，既可以靈活組態各類控制系統，又可以基于工藝流程的變化來隨時修正具體的控制預案。

（6）可靠性和適應性：實際上，DCS系統的分散性就可以使得系統更具可靠性，并輔以如冗余等技術，使得DCS系統能夠完全適應各種惡劣的工作環境。

2 DCS監控系統在化工低壓電機中的應用

DCS系統是計算機技術、自動控制技術和網絡傳輸技術的集成品。以下通過分析DCS監控系統在化工工藝設施低壓電機中的應用即可體現。

2.1 低壓電機DCS監控系統的組成方式

（1）低壓電機的現場總線分別與10kV、6kV智能終端設備連接，并通過通信管理層與上位機系統連接。對于一些較成熟的專用設備如AVR設置、故障錄波的保護裝置、輔助電源自動切換裝置是被采用的獨立產品，通過管理和PC系統連接。在CRT電氣后臺工作站和DCS系統監測控制臺上清晰的結構方式可實現靈活轉換，且可以分階段實施，拓展也極為方便。系統監控管理采用雙網絡結構、網絡可靠性較高。基于該系統，要么直接由通訊與DCS通訊管理，也可以直接和DCS通信通過以太網。通過備份主機通訊卡系統可以實現與MIS系統的信息交換。

（2）通信單元、DCS系統以及電氣后臺系統之間的端口。它們之間信息交換過程的側重點有所不同。設置電氣后臺系統的主要目的在于使得電氣設備操作技術人員可以對整個電氣自動保護裝置進行日常的監視和維護。通常情況下，不對其進行控制操作，但是在電氣后臺系統中的信息接收量往往要比DCS系統多很多，且可以實現對即時數據的收集、狀態值顯示、查詢以及報表打印等等等等。

（3）遠程I/O和分布式I/O的連接模式：遠程I/O的采集單元通常是在I/O相對比較集中現場進的I/O機柜的安裝。主要負責收集附近電氣設備的I/O量，并通過I/O通信網絡傳輸數字信息傳遞至DCS控制中心。具體來說，就是利用分散安裝于就地開關柜的集合保護功能、測量功能、控制功能和通迅功能于一體的智能測控保護裝置，將由10 kV、6 kV工作段集中控制的低壓電動機，由鍋爐、汽機及保安MCC供電集中控制的低壓電動機。

（4）智能終端設備和現場總線的連接模式：開放的現場總線是一種全數字化、雙向多支路的計算機網絡。通過網絡將智能終端設備，主要控制計算機和現場設備。對數字信號傳輸的信息，每個接觸可以共享一個物理傳輸介質。

智能終端設備是基于微電子技術的發展，大規模集成電路、嵌入式系統，包括CPU、內存、A/D轉換器、I/O電路集成設備等。主要由中壓和低壓保護系統的測量和控制設備和自動化設備。這些設備與測量、控制、保護、信號、通信等基本功能，并完成單獨的特殊功能。

2.2 低壓電機DCS監控系統的原理分析

低壓電機DCS監控系統是基于控制分散，分散風險和操作和管理集中的設計理念，采用多層分級結構、合作、自主，適應了現代化生產和管理的要求。因為DCS是最新的現場總線和嵌入式軟件、先進控制、報告、CRT和網絡技術等，使得它可以解決小到一個大的整體設備（如低壓電機），現代工廠完全控制整個生產過程，并提供了基礎信息管理平臺。

整個系統由三個功能層構成

（1）測控保護層。由大量的保護裝置和自動裝置。它主要由分散安裝于就地開關柜的智能終端裝置、發變組保護、AVR、ATS，沿著裝置組成等等。保護功能完全獨立。使用現場總線技術，利用光纖或屏蔽雙絞線連接，通信管理。從而實現分布式綜合監控這些設備。

（2）信息溝通管理。這一層的功能是DCS控制命令的控制層，或電氣背景工作站從固定值變化順序，發給相關的設備。并將發送的信息發送到DCS系統的每個單元或電氣背景工作站。通訊管理與通信信息接收、發送消息、代碼轉換等功能。通訊管理和以太網是用來連接電腦系統。通訊管理一般配置的前端機或通訊管理單元，提供12 ～16個通訊接口。

（3）上位機系統。該層包括DCS系統和電氣系統后臺工作站。電氣背景工作站系統主要負責設備的管理和維護，電氣系統、功率測量、故障錄波、保護定值的變化和交付等。由DCS系統完成的照片顯示，報表生成和打印、控制、和事件日志和警報等。

3 結語

綜上所述，我們有理由相信DCS系統可以被廣泛應用于化工工藝設施中低壓電機監控中，通過進一步提升DCS系統的可靠性和穩定性，將會給生產用戶提供更多的收益。當前，我們急需做到的工作應該是拓展DCS系統突破化工主工藝設備的局限性，力求將更多的輔助系統結合于整個DCS系統使之成為功能特色更為多樣化的自動控制系統。

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