DCS系統發展及其在水泥智能工廠建設中的作用

王恒兵

摘 要：DCS系統作為工業生產控制的核心，伴隨著電子計算機和控制技術的發展應運而生，經過近半個世紀的發展，在水泥等流程行業得到了廣泛運用，有效提升了工業自動化控制水平。當前國家正大力推行工業互聯網應用，水泥行業也正在掀起智能工廠建設熱潮。本文從DCS系統的概念、發展及其在水泥的應用，論述了DCS系統與工業互聯網的關系以及在水泥智能工廠建設中的作用，預測了DCS系統的未來發展方向。

關鍵詞：DCS系統;工業互聯網;水泥智能工廠

中圖分類號：TQ172.6 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1003-5168（2022）4-0017-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.04.003

Development of DCS and Role in Construction of Intelligent Cement Plant

WANG Hengbing

（Anhui Conch Information Technology Engineering Co.， Ltd.， Wuhu 241000，China）

Abstract： As the core of industrial production control， DCS came into being with the development of electronic computer and control technology. After nearly half a century of development， DCS has been widely used in cement industry and other process industries， and has effectively improved the level of industrial automation control. At present， China is vigorously promoting the application of Industrial Internet， and the cement industry is also setting off an upsurge in construction of intelligent plant. From the perspectives of concept， development and application of DCS in cement industry， this paper discusses the relationship between DCS and Industrial Internet， its role in the construction of intelligent cement plant， and forecasts the future development direction of DCS.

Keywords： DCS; industrial internet; intelligent cement plant

1 DCS系統概述

1.1 技術發展

20世紀70年代，以霍尼韋爾TDC2000系統為代表的第一代集散控制系統開始應用于化工等流程行業，有效提升了生產線的控制水平，此時的DCS具備了操作管理裝置、通信網絡和現場分散控制裝置，實現了DCS“分散控制、集中控制”的基本功能。

進入20世紀80年代后期，隨著半導體技術、網絡技術、控制技術、計算機技術和軟件技術的飛速發展，DCS系統功能、網絡傳輸速率和系統可靠性不斷提高，軟件界面由梯形圖、填表式組態開發方式逐漸向圖形化編程方式發展，系統開發和維護難度逐步降低。另外，各大系統都在向可擴展性、標準化和產品化方面發展，DCS的發展應用日趨成熟，逐漸成為流程行業自動控制的標準配置。

DCS系統的發展是測控儀表行業的一次重大革命，DCS出現之前，流程行業的各工序車間，都設置有就地的控制室，受限于通信技術的欠缺，所有的開關和儀表監控信號都是通過電纜與控制室內的模擬燈光指示屏和開關控制臺相連，控制室監控設備龐大復雜，大量的電纜集中敷設于控制室內。融合4C技術包括計算機技術（Computer）、通信技術（Comunication）、控制技術（Control）和顯示技術（CRT），輸入/輸出（Input/Output，IO）模塊就地置于控制室內，采集現場信號，經過現場控制器計算處理后，通過通信網絡，實現中央控制室的集中監控。

各現場控制器按照現場工序進行分片控制，一個現場控制器的故障不影響整個DCS運行，分散了系統風險。為了提高系統可靠性，部分重點行業對控制器、網絡、通信模塊及操作站等采用了冗余配置，極大地提高了DCS的運行可靠性。

DCS作為工廠監控的核心系統和設備，主要由大量的電子元器件組成，針對工業現場粉塵大、溫度高、電磁環境差等一系列問題，在產品的防塵、防腐、抗電磁干擾方面做了大量的設計工作，系統控制器、卡件、網絡設備及操作站都是專用工業設備，防護等級高，體積龐大，造價不菲。

1.2 DCS系統技術

DCS全稱集散控制系統（Distributed Control System，DCS），主要以現場I/O模塊、控制器、控制網絡和操作站為基礎，采用控制功能分散、顯示操作集中、兼顧分而自治和綜合協調的設計原則的生產控制系統，在流程行業得到了廣泛的應用。作為DCS系統神經系統的通信網絡，連接控制器、操作站和IO系統，具有如下特點：極高的可靠性，必須連續、準確運行;適用于惡劣環境，能抗電源、雷擊、電磁和低電位差干擾;分層結構，為適應DCS的分層控制要求，其通信網絡分為現場總線、車間級網絡系統、工廠級網絡系統等不同層次。

DCS系統包括現場控制站（I/O站）、數據通信系統、人機接口單元、電源、機柜等多元化組成，系統有著開放體系架構，能夠提供多層開放數據接口。在DCS系統設計中運用合適冗余配置，診斷模件及自診斷功能，保證系統應用可靠性。系統內任意組件產生故障問題，都不會對系統工作造成影響。系統參數、報警、自診斷與管理功能高度集中CRT與打印機顯示打印，從系統功能與物理層面分散控制系統，整個DCS系統可以達到99.9%的可利用率，系統的平均無故障用時基本為10萬 h，基本廣泛應用于火電、核電、石化、冶金、建材等行業領域。

2 DCS系統在水泥行業的應用

水泥作為典型的流程行業，生產過程全部實現了機械化。在立窯和濕法線時期，自動化程度較低，基本是繼電器和儀表集中監控，礦山和發運等外圍生產環節，基本采用人工操作設備開關的原始方式，設備的啟停聯鎖主要依靠繼電器電路保護實現，模擬量調節靠集中式儀表進行監控和調節，部分環節甚至完全依賴于人工經驗操作，系統自動化控制水平較低，系統運行的穩定性和產品的質量控制水平較差。產線運行周期較短，對操作維護人員的要求較高，產線人員多，工作量大。

20世紀八九十年代，國家通過技術引進，建設了一批具有國際先進水平的新型水泥干法生產線，配套引進了當時十分先進的DCS控制系統。20世紀90年代在引進消化吸收進口產線工藝、裝備等技術的基礎上，國產化新型水泥干法生產線開始在國內掀起建設熱潮，DCS也隨之在新建水泥生產線上得到廣泛的應用，經過20多年的應用，水泥生產線DCS應用日漸成熟。下面以一個典型水泥工廠的DCS應用案例，說明DCS在水泥行業的應用配置原則、控制范圍和技術實施要點。

采用開放式DCS系統，全面支持現場總線技術，采用全局數據庫技術，實現全局一體化編程。系統通信為標準以太網，系統編程語言采用IEC61131-3標準。

系統網絡分為現場控制層和控制管理層。

2.1 現場控制層

①現場總線設備及第三方PLC采用ProfiBus DP通信標準與控制器進行通信，傳輸介質采用光纜或標準雙絞線。

②現場智能儀表采用ProfiBus PA通信標準與控制器進行通信。

2.2 控制管理層

①采用標準TCP/IP協議以太網實現系統控制器及操作員站之間的通信;網絡結構為星型結構;傳輸介質為光纜。

②采用OPC數據交換標準與外部管理系統進行通信。

DCS過程控制站采用現場總線控制器，包含電源、控制網絡、現場總線網絡連接模塊，采用工業防塵防腐設計，電源采用冗余設計。

控制器正常運行后，控制器加載、上傳不會造成設備停機，在此基礎上要求控制器負荷小于70%[1]。

DCS操作員站硬件選用適用工業現場的PC機，操作員站軟件運行在Windows操作系統上。操作員站使用以太網與過程站及其他設備進行通信，操作員站之間數據及畫面完全可以共享，互為冗余備份。

系統狀態顯示方面，分為系統總體顯示、過程站顯示、模件顯示三部分，系統自動進行實時診斷，診斷狀態信息在診測畫面上以圖形方式顯示及文字詳細提示。趨勢顯示支持對變量進行趨勢組態，畫面可以進行靈活操作，實時操作記錄及打印。用戶操作界面為圖形界面，所有操作風格為“所見即所得”操作風格。

3 DCS與工業互聯網之間的關系

DCS系統作為工廠生產控制的核心，實現了工業生產監控由電氣自動化控制發展到電子計算機控制，是工業3.0時代的重要標志。DCS系統本身就是一個局域性的物聯網，是工業互聯網的重要基礎。

工業互聯網是新一代信息通信技術與工業經濟深度融合的新型基礎設施、應用模式和工業生態，通過對人、機、物、系統等的全面連接，構建起覆蓋全產業鏈、全價值鏈的全新制造和服務體系，為工業乃至產業數字化、網絡化、智能化發展提供了實現途徑，是第四次工業革命的重要基石。

比較而言，DCS與工業互聯網相比，存在以下特點。

①兩者都是信息通信技術與工業深度融合，實現了人、機、物、系統的全面連接，從理念上來說，兩者是基本一致的。DCS系統采集了生產線信號進行邏輯處理和控制運算，并通過系統控制網絡與中控操作站相連，實現操作人員對現場機器、設備和產線的監控、調節和控制，實現了工業生產控制方式和效率的飛躍。但DCS連接的是某條產線內的設備，實現生產線的調節和監控。而工業互聯網是跨工廠、跨行業和跨領域的人、機、物、系統的全面連接。運用云計算、大數據、物聯網等先進技術，實現覆蓋全產業鏈、全價值鏈的全新制造和服務體系，涵蓋了制造和服務兩個方面。

②受制于技術發展水平，DCS系統是一個專用的、局部性的系統，為了提高系統的開放性和與外部系統的互聯互通，DCS系統一直在開放性方面不斷發展前進。在與第三方通信方面，有Modbus通信、Profibus通信、Can通信等一系列開放標準通信協議，適用于不同的行業和設備。在與上位管理系統通信方面，通過OPC方式進行雙向通信。正是有了各個層級的標準通信接口，使得DCS在各層級有了與外部系統進行數據交換的通道，開放性大大提高，通過不同系統的互聯互通，DCS系統融入了整個工廠的控制系統網絡，豐富的實時生產數據成為工業互聯網的重要數據來源。

③工業互聯網包括網絡、平臺、數據、安全四大體系，以網絡為基礎、平臺為中樞、數據為要素、安全為保障。這四大體系對于DCS而言同樣重要，DCS系統中的各級網絡實現了內部數據的流動以及與外部系統的交換;DCS操作系統同樣也是系統的核心和中樞，對工業現場的運行數據進行轉換、運算，實現邏輯控制、電機驅動、PID控制等人機交互功能，完成生產線的監控。數據是DCS系統的要素，所有的信號狀態、儀表數據和操作指令都會轉換為計算機可以識別的數據進行處理，相對工業互聯網，DCS數據來源相對單一，主要來自IO數據采集模塊以及與現場其他系統的交互[2]。在數據安全方面，DCS系統本身是一個相對封閉的系統，一般與外部互聯網通過網關等方式進行隔離，防范外部互聯網的病毒或者惡意攻擊，但是隨著近年來智能工廠的建設，外部系統對DCS系統數據的需求不斷增強，從DCS單向讀取到雙向讀寫，OPC隔離網關技術應用得到不斷發展，在保障DCS安全的基礎上，實現了DCS系統與工業互聯網的融合和交互。

4 DCS在水泥智能工廠建設中的作用

DCS目前已經成為水泥工廠自動化的核心和中樞，在當前水泥智能工廠建設過程中，DCS系統成為連接生產線設備與各大智能系統的橋梁和紐帶，為智能工廠建設提供了強大的數據支撐。

從圖1可以看出，水泥智能工廠的專家系統、質量系統與DCS之間實現的是實時雙向通信，不僅從DCS系統讀取數據，作為優化控制和配料控制模型的輸入參數，同時將優化控制操作參數以及配料控制數據要求實時寫入DCS系統，通過DCS系統控制相關執行機構和配料計量稱設備，實現專家優化控制和質量系統配料功能。DCS與MES系統、能源管理系統、設備管理系統以及集團數據上傳系統通過隔離網關實現單向數據通信，外部系統只能讀取DCS系統中的數據，不能向DCS進行寫入控制，確保DCS系統控制安全[3]。

4.1 燒成系統DCS主要監控參數

一在燒成帶溫度控制方面，可以運用比色高溫計成功測量火焰溫度，由于火焰溫度作為燒成帶溫度的關鍵主導因素，所以需要根據NOx濃度作為燒成帶溫度變化控制標志。在窯轉矩監控方面，由于所用熟料溫度不同，窯壁產生熟料用量與帶起高度也就各不相同。熟料溫度越高，會被帶起的量越多[4]。所以越高的熟料溫度，窯轉矩就越大，可是在改變窯內掉轉和喂料量的情況下，同樣會對窯轉矩值造成影響。

4.2 水泥生產線DCS自動回路優化控制

水泥生產線控制回路優化設計應用DCS系統，不僅代表了水泥自動化生產發展方向，實現回路優化控制，也取代了原本依靠人力操作維持水泥正常穩定生產方式。經國內外多年研究實踐發現，多條單回路優化控制能夠實現水泥生產線自動化生產，通過控制窯尾喂料自動化調節，控制分解爐喂煤量，能夠保證爐內溫控，有助于保持一定分解率，并且增濕塔出口廢氣溫度控制，自動化控制窯內負壓，自動化調節冷卻機與冷風風量[5]。

專家優化控制和質量系統屬于高級生產控制系統，基本不與外部互聯網系統相連，風險相對可控，因此可以直接通過OPC與DCS進行雙向讀寫[6]。然而能源管理系統、設備管理系統、供銷物流管理系統數據來源相對較廣，部分系統采用一級架構或者云化部署，與外部互聯網緊密相連。從管理上來說，DCS數據向這些系統提供電能、溫度、壓力、計量等數據，目前暫時還沒有DCS寫入控制需求。

上述方案主要是基于現階段的技術發展水平，外部病毒及網絡攻擊尚不能完全避免，DCS系統對生產線運行又至關重要，一旦受到網絡攻擊將會導致生產線全部停止生產。如何確保DCS系統安全又能夠與外部管理系統進行雙向的數據交互，將是下一步智能工廠建設重點攻克的方向[7]。

5 結語

DCS自誕生以來，已經經歷了近半個世紀的發展和演變，與電子和計算機技術以及網絡技術的發展緊密相關，因工業生產現場控制而生，在系統防護、運行可靠性和控制安全方面有著現階段商用計算機系統無法比擬的優勢，成為了工業生產的控制中樞和數據核心，同時也成為了工業互聯網和智能工廠建設的基礎和關鍵的數據源[8]。

隨著計算機技術、人工智能技術、云計算技術、物聯網技術的不斷發展和成熟，安全性和可靠性得到不斷提升，DCS系統自身也面臨著巨大的變革，支持物聯網技術的智能終端直接將數據送入大數據系統和算法中心，傳統控制器、IO系統、操作站將會直接被虛擬化，未來的DCS系統將會虛擬在一臺服務器中，與現場設備的信號交互會通過智能終端與物聯網來實現。

參考文獻：

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