基于計算機通信技術的DCS 控制系統在工業自動化中的應用

王文波

（國電南瑞科技股份有限公司， 江蘇 南京 210000）

0 引言

DCS 控制系統在工業自動化中的應用領域非常廣泛，主要包括化工、電力、冶金、石油、煤炭、輕工、食品、制藥、水處理等行業。在這些行業中，DCS 控制系統可以實現對生產過程的實時監測、調節、優化和管理，提高生產效率、質量和安全性，降低能耗和成本，增強市場競爭力。不僅提高了生產過程的可靠性和穩定性。還提高了生產過程的智能化和自動化水平。由于DCS 控制系統采用了先進的計算機技術和通信技術，使得系統具有強大的數據處理和信息傳輸能力，能夠實現對生產過程的全面監測和精確控制，以及對生產數據的分析和優化。

1 DCS 控制系統的結構和功能

1.1 介紹DCS 控制系統的基本組成

DCS 控制系統是分布式控制系統（Distributed Control System）的英文縮寫，在國內自控行業又稱之為集散控制系統。它是一種以計算機為基礎，以分散控制、集中操作、分級管理、配置靈活和組態方便為特點的新型計算機控制系統，綜合了計算機，通信、顯示和控制等4C 技術[1]。DCS 控制系統的基本組成部分如圖1 所示。集散控制系統在發展的過程中，促進了我國工業自動化控制系統的發展，但也存在一些挑戰。當前，我國經濟不斷提高，有效促進了網絡技術和通信技術的發展，正是這些技術的進步和發展，促進集散控制系統的進步，該系統不斷對PLC、工業PC、NC 和相關調節器進行集成，有效滿足工業自動化系統對現代性、創新性和系統性的發展需求，促進計算機控制技術和自動化控制系統的發展，隨著計算機控制系統和自動化控制系統的不斷完善，使這些系統逐漸達成現代化發展目標。

圖1 DCS 控制系統的基本組成

1.2 介紹DCS 控制系統的主要功能特點

1.2.1 實時性

DCS 控制系統具備實時監測和調節生產過程的能力，能夠迅速響應各種變化和干擾，從而確保生產過程的平穩和優化。DCS 控制系統運用高速通信網絡和數據處理技術，使得數據傳輸和交換的效率和準確性得到了顯著提升。

1.2.2 參數調整

DCS 控制系統具備高度的靈活性，可以根據不同的生產需求和條件，對各種參數進行靈活的調整和優化，從而實現多種高效的控制策略和算法。通過對系統運行情況的監視和控制，可以及時發現問題并及時采取措施，提高系統運行的安全性。DCS 控制系統運用了先進的組態軟件和人機交互技術，使得參數的調整變得簡單易行，同時也提供了直觀的可視化效果[2]。

1.2.3 報警功能

DCS 控制系統具備實時檢測和報警生產過程中異常情況的能力，能夠及時提醒操作人員采取處理或干預措施，以避免事故的發生或擴大。DCS 控制系統運用了多種警報機制和級別，以確保警報信息的明確性和實用性。

1.2.4 監督功能

DCS 控制系統能夠對生產過程中的各種數據進行記錄和存儲，供操作人員或管理人員進行查詢和分析，實現對生產過程的監督和評價。DCS 控制系統采用了大容量的存儲設備和數據庫技術，使得數據的保存具有安全性和完整性。

2 DCS 控制系統的工作原理和流程

DCS 控制系統的工作原理和流程基本上可以分為如下三個階段：

1）采集數據：DCS 控制系統中的各種傳感器會不斷地采集工業過程中的各種參數數據，如溫度、壓力、液位、流量等。這些數據會通過輸入/輸出模塊傳送到現場控制器，進行數據處理和預處理，然后通過通信網絡傳送到操作員站或工程師站，進行數據顯示和存儲。

2）控制過程：DCS 控制系統中的現場控制器會根據設定的控制策略和算法，對采集到的數據進行實時分析和運算，生成相應的控制信號，通過輸出模塊傳送到現場設備或執行機構，實現對工業過程的調節和優化。同時，現場控制器也會將控制結果反饋給操作員站或工程師站，進行監視和評價。

3）管理信息：DCS 控制系統中的操作員站或工程師站會根據不同的用戶需求，對采集到的數據和控制結果進行不同層次和不同方式的管理和處理，如報警、記錄、查詢、統計、優化等。同時，操作員站或工程師站也可以通過通信網絡與上位機或其他系統進行信息交換和集成，實現對生產過程的綜合管理和決策。

隨著現代計算機和通訊網絡技術的迅猛發展，DCS 正朝著多元化、網絡化、開放化、集成管理的方向不斷演進，使得不同型號的DCS 能夠實現互聯互通，實現數據交換，并通過以太網將DCS 系統與工廠管理網無縫連接，從而實現實時數據上網，成為過程工業自動控制的主流趨勢[3]。分散控制系統如圖2 所示。

圖2 分散控制系統

3 DCS 控制系統在工業自動化中的應用

3.1 化工領域

在化工生產過程中，DCS 控制系統能夠實現對化學反應、分離、精制、催化等多個環節的高精度控制和優化，從而提高產品的質量和收率，降低能源消耗和排放，確保生產過程的安全和環保。例如，某化工廠聚合物多元醇生產項目早期自動化控制采用氣動儀表、測量精度低、自動控制滯后，后經過技術改造，儀表選用測量精度較高的數顯控制器，在很大程度上提高了測量精度。同時，采用DCS 控制系統對生產過程進行集中監視和調節，實現了溫度、壓力、流量等參數的閉環控制，提高了生產效率和穩定性。

3.2 電力領域

DCS 控制系統在電力生產過程中可以實現對鍋爐、汽輪機、發電機等設備的監測和保護，實現對電廠的負荷調度和優化，提高電力的供應和質量，保障電網的穩定和安全。例如，某火力發電廠采用DCS 控制系統對熱工控制系統進行改造，項目包括模擬量控制系統（MCS）、邏輯控制系統（SCS）、鍋爐安全監控系統（FSSS）、機組數據監測系統（DAS）、汽輪機監測保護系統（TSI）、汽輪機電液調節系統（DEH）等。通過DCS控制系統的應用，使得各個設備能夠高效運作，提高了電廠的運行可靠性和經濟性。該電廠360 MW 機組DCS 控制器功能分配如表1 表2 所示。

表1 360 MW 機組DCS 控制器功能分配（總數為6 600 點，19 對大控制器）

表2 360MW 機組DCS 控制器功能分配（總數為5 450 點，17 對大控制器）

3.3 冶金領域

DCS 控制系統在冶金生產過程中可以實現對煉鐵、煉鋼、軋鋼等過程的監測和調節，實現對冶金設備的優化配置和管理，提高產品的質量和性能，降低資源消耗和廢棄物排放，保障生產的安全和環保。例如，某鋼鐵廠采用DCS 控制系統對熱連軋線進行改造，項目包括軋機主傳動、輔助傳動、液壓伺服、潤滑冷卻、溫度檢測等子系統。通過DCS 控制系統的應用，使得軋機能夠實現自動速度跟蹤、張力平衡、厚度調節等功能，提高了軋鋼的質量和效率。

4 DCS 控制系統在工業自動化中的應用優勢和價值

4.1 提高生產效率

DCS 控制系統能夠實時地對生產過程進行監測和調節，及時地響應各種變化和干擾，保證生產過程的穩定和優化。DCS 控制系統采用了高速的通信網絡和數據處理技術，使得數據的傳輸和交換具有高效性和準確性。例如，某化工廠在采用DCS 控制系統后，聚合物多元醇的年產量由原來的2.5 萬t 提高到3.5 萬t，生產效率提高了40%。

4.2 保障生產安全

DCS 控制系統能夠對生產過程中出現的異常情況進行及時的檢測和報警，提醒操作人員進行處理或干預，防止事故的發生或擴大。DCS 控制系統采用了多種報警方式和級別，使得報警信息具有明確性和有效性。例如，某火力發電廠在采用DCS 控制系統后，鍋爐安全監控系統能夠實現對鍋爐的各種參數進行實時監測和保護，當參數超出設定范圍時，能夠自動切斷燃料、水、空氣等供給，并發出聲光報警信號，避免了鍋爐爆炸等嚴重事故的發生。

4.3 降低生產成本

DCS 控制系統能夠根據不同的生產需求和條件，靈活地對各種參數進行設置和修改，實現各種控制策略和算法。DCS 控制系統采用了先進的組態軟件和人機界面技術，使得參數的調整具有簡便性和可視性。例如，某鋼鐵廠在采用DCS 控制系統后，軋機能夠實現自動速度跟蹤、張力平衡、厚度調節等功能，使得軋鋼過程中的廢品率由原來的5%降低到2%，節約了原料和能源的消耗。

4.4 提升產品質量

DCS 控制系統能夠對生產過程中的各種數據進行記錄和存儲，供操作人員或管理人員進行查詢和分析，實現對生產過程的監督和評價。DCS 控制系統采用了大容量的存儲設備和數據庫技術，使得數據的保存具有安全性和完整性。例如，某化工廠在采用DCS控制系統后，聚合物多元醇的產品質量得到了顯著提高，其色度由原來的50 降低到10 以下，其水分由原來的0.5%降低到0.1%以下。

5 結語

強化計算機通信技術的DCS 控制系統在工業自動化中的應用可以實現各類生產機械設備自動化、智能化管控，進而提升整體生產效率、不斷提升機械設備生產效率、確保生產安全。同時，還可以有效地提升工作效率和減少人力成本的投入。另外，還能實現高精細處理，使整個工業生產過程更加流暢與智能。通過自動化技術可以有效地減少人力成本的投入、提高產品的生產質量和合格率、繼而降低生產成本。最后,利用計算機通信技術的DCS 控制系統可以實現對人力，物力以及其他資源的有效利用，工業企業可以在企業管理與創新中應用更加優勢的資源，不斷提高生產效率與產品質量，進而促進各個專業領域核心競爭力的迅速增強，為我國經濟發展打下堅實的基礎。