1、DCS在雙氧水生產裝置中的應用_工業自動化控制_控制系統    1、引言     在工業過程計算機控制系統中，集散控制系統DCS已經成為一種主流控制系統，隨著DCS應用的深入，對DCS組態工作也由制造商轉向用戶完成。即通常所說的用戶組態。目前業內人士對DCS用戶組態工作的研究還局限于對DCS操作畫面組態的研究。本文介紹DCS在我廠雙氧水生產中的成功應用及本人在實踐中的體會，對DCS用戶組態提出一些看法。     2、系統工藝流程    本生產裝置包括新、舊兩個生產線。均包含五

2、個工序：氫化工序、氧化工序、萃取凈化工序、后處理工序、工作液配制及回收工序。    氫化工序把蒽醌轉化蒽氫醌或四氫化蒽醌。氧化工序用空氣中的氧直接氧化蒽氫醌和四氫化蒽氫醌，并轉化為蒽醌、四氫化蒽醌，同時生成雙氧水。萃取的作用是用無離子水從氧化液中萃取回收雙氧水，生產一定濃度的雙氧水溶液，該溶液再經過凈化處理后，不僅降低有機碳的含量，而且生產27.535%的產品出售市場。來自萃取的萃余液經過后處理再生處理后進入下一個使用循環過程。其生產過程如下：圖1 工藝流程圖    2.1 工藝對控制系統的要求    

3、(1) 實現各個單元操作的集中監控，包括：溫度、壓力、流量、液位等物理量的監測與控制。動態參數檢測、控制必須準確、可靠。    (2) 必要的遙控措施,對突發事件如停電等，系統應采取相應的保護措施，確保在緊急情況下或需要的時候對一些關鍵的控制點閥門、馬達等實施遙控。    (3) 配置必要的報警和聯鎖。    (4) 重要參數的記錄和方便地查閱其實時趨勢和歷史趨勢。    (5) 可隨時監測有關單元的有關參數或重要設備的運行情況。    (6)

4、控制系統操作簡單，參數設置、調整方便，便于操作，人性化的操作界面。    (7) 操作員站顯示整個生產工藝流程，修改和打印各種有關參數。    2.2 系統控制檢測點    本系統溫度、液位等模擬量檢測點較多，熱電阻39個，420mA模擬量輸入98個，420mA模擬量輸出 48個,控制回路48個，開關量輸入26個。     3、硬件配置     在系統硬件配置時要縱覽全局,從滿足生產過程對控制的要求，現場變送器和執行機構等部件特點,傳輸信號電纜和

5、DCS輸入/輸出卡件等方面全面考慮，從工藝的合理性、投資的經濟性、運行的可靠性、維修的方便性等進行綜合分析。我做如下配置，系統結構圖如表1。表1 系統硬件表    3.1 冗余的系統效勞器/操作站，配置1臺工程師站和1臺操作站，并預留PC接口，滿足了系統的操作需要，在工程師站上安裝操作站軟件，系統運行時可作為一臺操作站使用，系統開車時2個操作站同時參與操作。系統正常時將2個操作站分別用于新、舊系統的操作管理。     3.2 冗余的高性能混合型控制器，兩個控制器之間熱備份，同時接受網絡數據，其中之一的控制器發生故障，備份控制器自動進入

6、工作狀態。完成調節控制、數據處理、邏輯聯鎖、設備控制等功能。     3.3 冗余的以太網和控制網，系統配置了2條網絡，監控層要求開放。數據通訊系統是將分散處理單元、輸入/輸出處理系統及工程師站和操作站聯接起來，以保證可靠和高效的系統通訊。因此采用冗余的以態網配置，通訊協議為TCP/IP標準協議，控制網要求平安。     3.4 在I/O卡件配置上，采用預留出大于15%的擴展空間，卡件的類型盡量少，整個系統僅有5種I/O模件，從而減少了備件的種類和費用。在測溫模件選型時，考慮系統溫度測點較多，測溫元件類型相同，均為鉑電阻，因此采用RT

7、D輸入模件，節省了變送器的投資費用。     3.5 所有電源設備和部件冗余。    4、系統功能     4.1 工程師站功能    (1) 用于程序開發、系統診斷、控制系統組態、數據庫和畫面的編輯及修改。    (2) 生成任何顯示畫面和趨勢圖等，并能通過通訊總線加載到操作員站,能調出系統中任一已定義的系統顯示畫面進行修改等工作。    (3) 通過通訊總線，可調出系統內任一分散處理單元的系統組態信息和有關數據。

8、可將組態數據從工程師站上下載到各個分散單元的操作站。此外，重新組態的數據被確認后，系統能自動刷新其內存。    (4) 具有離線和在線全代碼下載功能，不影響專置平安正常運轉，可以在線參加或摘除網絡設備而不影響其它網絡設備正常運轉。    (5) 具有對DCS系統的運行狀態進行監控的功能。包括對各控制站的運行狀態、各操作站的運行狀態、各級網絡通訊狀態等方面的監控。    (6) 具有在線組態功能。如：量程上下限的改變、控制參數的調整等。    (7) 具有在線顯示組態圖上所有輸

9、入/輸出、中間量的數值。    (8) 工程師站設置操作保護密碼，以防擅自改變控制策略、應用程序、系統數據庫。     4.2 操作員站功能     操作站是人機對話的界面，幾乎所有的控制指令和狀態參數都在此交換。在操作站上可以分別顯示各個流程圖上現場的各種工藝參數，控制驅動裝置、切換控制方式、調整過程設定值等，監控系統內每一個模擬量和數字量，顯示并確認報警、操作指導、記錄操作日志、記錄操作信息如改變設定值、手/自動切換以及時間等，顯示歷史趨勢圖，定時打印報表。操作簡單，滿足操作控制和生產管理的要求。 &

10、#160;   5、系統組態設計     一套用戶組態的DCS能否被成功應用，提高控制品質，使因其故障而造成的影響減小，方便監控和操作，其關鍵是組態設計的質量。DCS用戶組態是指在DCS中，按照其廠商提供的功能部件的特點、數量和性能，根據工藝設計要求，設計、實現并確定有關排列。DCS用戶組態工作是一件十分細致的工作，在組態過程中，既要了解生產過程對控制的要求，熟悉生產過程，深刻認識各種設備和過程的生產順序，明確生產過程和儀表的相互關系；還要熟練掌握DCS所提供的各個控制算法或模塊功能，以及各功能模塊提供的各參數的相互影響，從深度和廣度上對DCS

11、、工藝生產過程以及控制要求有了足夠清楚的認識，完成組態工作。    5.1 硬件排列組態    DCS硬件排列是指DCS輸入/輸出設備上的接線位置與外部生產過程參數位置之間的分配，DCS的設計思路之一是分散控制，合理的輸入/輸出信號組合可以使負荷分散。    硬件要均衡配置：將空槽位和預留I/O通分散安排,同時盡量使各控制站之間的負荷相對平衡。防止集中配置易造成局部信息流過于擁擠產生瓶頸，從而降低了DCS的整體性能，不利于I/O信號的合理調整，增加今后系統改造的難度。同時每個卡件將信號按照實際變化和重要性

12、設置不同的執行周期，將不同執行周期的信號按物理位置合理的組合。如：LIC101、LIC102、LIC203、LIC206、LIC403，在生產過程中是重要的控制點，執行周期設置為50ms，而LI201、LI202、LI204、LI205等相對參數變化慢，因而執行周期設置為100ms，這樣同一卡件執行周期快慢搭配在一起，使輸入/輸出部件微處理單元的負荷較均勻，減少硬件因負荷過大而發生故障。同時對工藝操作相關的參數，如：氫化液儲槽液位LIC102，其泵出口流量FIC104，氧化液儲槽液位LIC206，其泵出口流量FIC204，再生液儲槽液位LIC403，流量FIC401。本裝置生產過程中氫化液、氧

13、化液、再生液是循環的，為保持液位穩定必須流量平衡，將這些相互關聯的參數分配在不同的卡件，當某一卡件發生故障時，可以從相關參數來判斷，防止造成大范圍的控制癱瘓，將風險降到最低。    5.2 應用軟件組態    應用軟件組態在工程師站完成，下載到DCS的控制器執行，控制器主要由CPU、ROM、RAM、E2PROM、地址設定開關等組成。CPU完成運算，ROM用來存操作系統、功能塊庫，功能塊在ROM中的排列是確定的，用戶是不能改變的。RAM用來存CPU的運算結果和I/O信號。E2PROM存用功能塊連成的控制方案。下電時，控制方案是不會喪失的

14、。不僅如此，控制方案不適宜，還可以修改。控制器在網絡中應該有地址，由這些地址開關來設定。功能塊在ROM中的排列有相應的地址。在運用這些功能塊時，應該標明該功能塊輸入輸出之間運算的關系，還有運算所需要的許多參數。在根據被控對象，確定控制策略形成控制方案時，在功能塊庫中選擇控制所需要的功能塊，弄清各功能塊之間的聯接關系，并首先定義它在E2PROM中的地址，并且和其它功能塊的聯系也都是用地址來表示的，同時填入所需參數，畫出每一個控制回路所需的功能塊以及它們之間的連接關系，這些工作稱為組態。     功能塊庫中最重要的功能塊是PID功能塊，它的輸出Y(t)和輸入X(t)的

15、關系是比例-積分-微分關系，它在過程控制中有極其重要的作用。在完成閉環控制時一定要用到PID功能塊。閉環控制的單回路控制和串級控制回路的方框圖如圖2、圖3所示：圖2圖3    含PV-SP的PID功能塊是實現過程變量PV和設定值SP之差進行比例-積分-微分運算，它的參數有設定、過程變量、比例-積分-微分的系數。它的輸出通常送到輸出板的端子板的地址。最后輸送給閥門。一般情況下，PID功能塊中包括PV-SP的運算。同時在PID之前還可以參加其它運算，如加死區。DCS的PID功能塊幾乎是包羅萬象的，有100多個參數。1，首先問PV從那里來，要填入PV的地址；PV值來自一

16、塊模擬輸入模件或端子板；2，SP的地址，SP的地址通常是站的地址；3，有沒有死區，沒有死區，這一項就不用管了，有死區，要寫入死區的寬度和高度；4，要不要積分，要積分，積分常數是多少，5，要不要微分，要微分，微分常數是多少；6，比例是多少；7，要不要死區，如果要，需輸入死區寬度，死區的高度。8， PID功能塊的輸出到那里，如輸到模擬輸出模件或端子板的功能塊。其輸出到閥門。也可以到存儲器中，但要規定一個地址。這時PID功能塊的輸出成為另一塊功能塊的輸入。如串級控制，第一個PID的輸出是第二個PID的設定，這時PV有二個，也用二個站功能塊，但只有一個站功能塊有手/自切換關系。   

17、;  在功能塊庫中另外一個重要功能塊是站功能塊，它不能用數學公式表示輸入和輸出的直接關系，它是實現人機交流的功能塊，把由人決定的設定值送給控制回路，并送進控制回路何時接入的條件和實現手/自動切換的條件等。     其他功能塊如算術運算加、減、乘、除，平方、開方等是必不可少的。其次是函數運算，三角幾何運算，矩陣運算，C語言接口和Basic語言接口功能塊等。與硬件連接的功能塊，如讀取模擬和開關輸入的功能塊，模擬和開關輸出的功能塊，從網上讀取模擬量和開關量的功能塊，送到網上的模擬量和開關量的功能塊。I/O與CM相應的儀表位號、量程、單位等要一致。充分利用DCS

18、所提供的各種控制算法或模塊。     在雙氧水生產裝置中幾種典型的控制策略組態：    1氫化塔壓力最大值與進氣流量串級調節控制策略組態圖4    如圖4所示，PIC102、PIC103、PIC104分別為氫化塔上、中、下塔塔頂壓力，工藝操作過程為每兩節塔串聯使用，要求三節塔的壓力最大值與進氫化塔氫氣流量FT101串聯調節。針對工藝的特點，引入SWITCH功能模塊，利用DCS所提供的功能模塊軟連接等優點，這樣很容易實現在不同情況下對調節閥FN101的控制。     2萃取塔界

19、面液位與進水流量串級調節控制策略組態     在本裝置中共投運了五套串級調節系統，在組態中運用DCS軟連接的優點，使手動自動串級自由切換，開車時運用單回路調節，生產穩定后操作工可以很容易切換為串級調節，在操作站操作MANAUTOCAS，方便地將軟連接切換，調節質量高，操作簡單，組態方案如圖5：圖5    3參數累積，溫度壓力被償計算     如蒸汽流量FI107，部門考核需要要求累積，在組態時參加模塊狀“TOTALIZER 累積計算模塊，FIC201、FIC202、FIC20為空氣流量，測量用孔板，因此應

20、用DCS軟連接引入壓力補償溫度較穩定。    4閥位設置     因工藝平安需要，調節閥有氣開式和氣閉式，使用時發現，操作工和儀表工必須要清楚每臺閥門作用方式氣開或氣閉，才能進行手動操作的設置，這給操作增加了難度，后來在控制組態中引入而在AUXCALC6功能塊，如LIC401，LV401閥門為氣閉式。圖6    參加AUXCALC6功能塊，寫入表達式，OP=100PIDA.OP氣閉式閥門100%輸出信號時，閥位全關，組態后在操作上與氣開式閥門相同，操作信號為0%時為全關，100%時為全開，使操作方便簡單，同時調節的正反作用設置也無須改慮閥門的正反作用，又能保證系統在氣源故障時在平安閥位。同時利用功能塊設置停車操作按鈕，在電源設備突發事故時，操作工只要點擊停車按鈕，所有調節閥將按工藝要求設置的平安閥位上，保障生產平安。而且當控制點為回路故障，如現場變送器故障、線路斷路時，提供了平安保障，可設置控制輸出進行保持、全開輸出、全關輸出、平安值輸出等；而且可設置對過程變化異常的報警；對控制輸出的微小抖動的限制，從而可以消除調節閥在一個位置上的劇烈抖動，提高控制品質，延長調節