DCS控制高壓電機的改進實例

張 倩

（三門峽職業技術學院，河南 三門峽472000）

在工業發展的當前對電機的應用需要越來越高，而10kV高壓電機的運用范圍也越來越廣。因此高壓電機在當前發展中的需求還需要深入研究和改進，針對在運行過程中出現的故障原因，如系統突然停止運行、模塊斷電高壓電機停止運行的情況，由于不存在自動將正在運轉的高壓電機停止的可能性，為安全生產埋下隱患。因此筆者在探究DCS系統運用的同時，針對DCS控制高壓電機的改進實例進行詳細分析，為相關的生產發展提供理論參考。

1 DCS系統

DCS系統具有很好的拓展性與延伸性，但是要保證DCS系統的可靠性主要有幾個方式，①廣泛利用高可靠性硬件設備和生產工藝來確保DCS系統的可靠性；②是大量采用冗余技術發展確保DCS系統的可靠性；③在軟件設計上實現系統的容錯技術、故障自動診斷技術、自動處理技術，確保系統的高可靠性與穩定性[1]。

2 DCS系統設計

2.1 硬件結構設計

DCS系統過程控制級控制裝置各有千秋，如過程控制單元和現場控制站等系統的結構形式一致，都可以統稱為現場控制單元FCU；過程管理級的組成有工程師站和操作員站等完成對過程控制級的集中監視與管理，也被稱為操作站。在系統內硬件和軟件都是按照模塊化結構設計形成的。其實本質上DCS系統的開發就是把系統提供的各種模塊整合為一個系統來使用，也被稱為組態[2]。

（1）現場控制單元。現場控制單元距離現場很近，但是與控制中心距離稍遠。現場控制單元是由高度模塊化構成的結構，可以根據工程監測和控制的需要，合理配置不同規模的過程控制單元。由多個功能分散的插板按照一定的順序安裝在插板箱中，控制單元與控制管理級之間使用總線來連接實現信息的交互溝通。現場控制單元的硬件配置需要插件配置、主機插件（CPU）、電源插件等等；硬件冗余配置有利于提升DCS系統的可靠性，而在DCS系統上，無論是主機插件、電源插件還是關鍵I/O插件都能夠實現冗余配置。硬件安裝不同的DCS系統對插件的安裝也有不同的規定，除此之外現場控制單元通常分為基本型和擴展性，其中基本型指的是各種插件安裝在一個插件箱中[3]。

（2）DCS系統操作站設計。操作站用來顯示和記錄不同控制單元的數據，在生產關系與人之間產生信息交互的功能。操作站的構成有主機系統、顯示器、鍵盤、信息存儲、打印等設備，主要實現顯示功能、操作功能、打印報表等功能。另外DCS系統操作站還有操作員站和工程師站的劃分。從系統上看操作員站主要是實現一般的生產、監控等任務，完成數據信息采集、監控限制和故障診斷等功能。工程師站還具有系統組態和控制目標修改等功能。但是在硬件設備上來看多數系統的操作員站、工程師站都是在一個顯示器上的，僅用鍵盤加以區分。

2.2 軟件系統設計

在軟件系統內部現場控制單元的軟件主要包括數據巡檢、控制算法、控制輸出和通信等功能模塊。在軟件系統中數據中心是核心，數據共享和執行代碼都與實時數據庫進行數據交換，用來存儲數據、控制數據和計算數據。數據巡檢模塊使用現場的數據，采集故障信息等對現場的信息運算、變換做一些輔助功能。DCS系統控制功能通過組態生成，對于不同的系統所需的控制算法和系統也各不相同，因此控制功能往往涉及到計算模塊、邏輯運算模塊、PID模塊等。

3 DCS控制運用發展趨勢

（1）系統本身的功能朝著開放式的方向發展，傳統的DCS系統結構屬于封閉式，兼容性很難。開放式的DCS系統給予用戶更多的系統集成自主權，用戶能夠根據自己的需求選擇不同的廠家選擇設備、連接軟件資源等連入控制系統內，達到系統最佳集成方案。這里除了DCS系統的集成之外，還包括DCS、PLC、FCS之間的大范圍集成[4]。

（2）儀表技術的發展從智能化與網絡化發展，而工業控制設備從智能化方向發展。說明這個過程能夠將控制的功能不斷下移，真正在工業控制上實現全數字和全分散控制。在智能化背景下由于具備精度高、可靠性高的功能和優勢，導致系統在安裝、維護、使用上都非常方便。

（3）工業控制設備軟件朝著更加先進的方向發展，在廣泛運用各種先進控制技術、智能技術的背景下，充分挖掘DCS系統綜合性能，實現其性能的最優化和最直接化，最大程度充分挖掘系統控制功能的價值。以此對其的運用將集中在先進控制、工業設備過程優化、信息集成與系統集成等方面，對于軟件的開發與產業化運用也將集中在這個方面。

（4）系統構架朝著FCS的趨勢發展。從當前的技術上看現階段的DCS系統集成的方式有三種。一直以來DCS系統發展的重點都在于控制上，以分散為關鍵。但是在現代化的發展中更重視信息的全系統信息綜合管理，因此在DCS系統未來的發展上還應該將綜合作為發展的關鍵，實現控制體系、運行體系等朝著自動化、智能化方向發展。

4 DCS控制高壓電機的改進實例

4.1 故障情況分析

在造紙工廠的生產過程中，對紙量需求的增加導致單機設備的輸入功率也在不斷變化。以10kV高壓電機的應用為例。高壓電機在控制上和低壓電機有區別，高壓電機有合閘線圈與跳閘線圈。在目前的運用中大量的工廠都是運用DCS系統輸出兩個高電平脈沖控制高壓電機的啟動、停止。但是在運行的過程中，如果DCS系統的CPU性能難以滿足需要，突然下降死機、UPS電源故障、DO模板斷電等原因，這個時候處于運行過程的高壓電機難停止。如果要停止高壓電機就需要通知專業人員到高壓配電室手動降停，或者是現場工作人員按下緊急按鈕停止工作。由于不能自動停止高壓電動機，在生產的過程中會容易造成設備破壞，嚴重的情況下還會導致安全事故[5]。

4.2 解決途徑

高壓電機在運行的過程中，由于真空接觸器有合閘線圈與跳閘線圈，合閘線圈得電的情況下真空接觸器合閘啟動高壓電機，反之高壓電機停止工作。在高壓電機常規線路控制中，針對電機的啟動、停止啟動命令，系統無論是DCS遠程控制亦或是本地控制，都屬于進入高壓微機綜合保護器的情況下，高壓微機綜合保護器輸出指令，真空接觸器得到合閘、跳閘的指令后進行得電動作；這個時候急停開關并不通過高壓微機的綜合保護器，直接與真空接觸器的跳閘線圈連接。DCS控制真空接觸器需要合閘、分閘兩個DI信號，這兩個信號都是在3s內發出的脈沖信號，真空接觸器完成指令之后自動存儲信息。

在分閘的過程中使用了繼電器常開觸點，以此高壓電機在運行的過程中，繼電器是不會得到電的。蓋亞電機常規的DCS系統控制器邏輯是只有程序發出停止命令之后，才會發出3s的上升沿脈沖信號完成指令，然后繼電器得道電合閘真空接觸器跳閘線圈得到電，高壓電機的運行停止。但是如果是PLC、CPU司機、DO模塊突然斷電的情況，就不會有命令信號傳輸出去，這個時候就會出現電機一直處于運行狀態的故障情況。

4.3 改進途徑

在高壓電機二次控制回路的基礎上將停止控制回路使用的繼電器K12的常開觸點改動，轉移到K12的常閉觸點位置上。修改之后控制線路圖已經改變。在DCS邏輯程序的修改上，把原來的邏輯脈沖功能塊TP后面加一取反控制的程序模塊。DCS系統正常運行的時候，一直發出“1”上升沿信號，讓分閘的DO信號保持在輸出狀態，繼電器一直處于得電的狀態。在上述步驟中已經將繼電器K12的常閉觸點進行改進，常閉觸點與跳閘線圈回路連接，這個時候真空接觸器是沒有得到電的，若要停止設備的話DO點停止輸出3s，將會輸出3s的下降沿脈沖信息，繼電器K12就會失去得電狀態，觸點閉合。高壓柜真空接觸器的跳閘線圈的電控制高壓電機停止運行。

經過上述的改進之后，CPU若出現斷電、死機的情況，系統中的全部DO點不會產生，這個時候繼電器失去電、常閉觸點處于閉合狀態；高壓柜中真空接觸器跳閘線圈得到電，進而控制高壓電機的運行停止。

4.4 改進結論

經過上述的改進之后，高壓電機控制系統處于可靠的運行狀態，能消除設備運行中的安全隱患。但是由于在工業生產中存在諸多的不確定性，因此還需要采取合理的措施進行控制。如果生產中屬于新建項目的話，可以在項目設計階段，與生產高壓柜的廠家聯系，與DCS廠家共同進行設計，在設備出廠之前，對高壓柜的接線、DCS邏輯運行線路進行改動，方便工廠生產需要，從根源上解除隱患存在的問題。

5 結語

綜上所述，筆者在探析DCS系統設計結構和運行前景的同時，以工業生產中的實例為突破口，探析了的DCS控制高壓電機的改進實例。在改進之后高壓電機的運行與生產達到了預期的效果，而且對設備的啟動、繼電保護等不存在影響。與原本的設計相比，并不影響整體的運行，還降低了安全隱患發生的概率。