DCS系统在石油化工中的应用

1DCS在石油化工中的应用摘要随着社会科技的发展，现在工业生产的自动化程度也是越来越高。作为工业自动化的驱动力之一的DCS控制系统的应用也越来越广泛，它是计算机技术、系统控制技术、网络通讯技术和多媒体技术相结合的产物，可提供窗口友好的人机界面和强大的通讯功能，是完成过程控制、过程管理的现代化设备，具有广阔的应用前景。因此，DCS控制系统在现代工业中越发显得重要。在此，本文主要探讨了DCS控制系统的发展，简单介绍了它的构成，最后结合实际阐述了当下石化行业在选择DCS控制系统时的建议。关键字:DCS控制系统；自动化；石化行业；选型第一章DCS系统的简介和发展历程1、DCS的诞生20世纪70年代中期，大规模集成电路取得实破性的发展，8位微处理器普及，使自动化仪表产业发生巨大的变化，其中原来正处在十字路口的集中式计算机控制系统，很快吸收了微处理器技术，诞生了微机集散系统，全称为微处理器的总体分散型控制系统(TotalDistributedControlSystemwithμp)，在1975年首先由美国Honeywell公司发表了TDC2000总体分散型控制系统[1]，其特征是完成8个回路控制的基本控制器(BC)可以分散的设置，通过数据高速公路(DHW)的数据总线把多台BC与CRT(阴极射线管)操纵站连接在一起，形成各节点都有计算机的分布式计算机控制系统，与其同时，美国、日本、英国、法国、加拿大等国都开发出相应的产品，相继应用在以模拟量回路控制为主的系统中，应用行业遍及石油、化工、冶金、电力、轻工，建材、公用工程等各行业，这类产品统称DCS(DistributedControlSystem)。2、DCS在石化行业中的应用70年代，炼油和石油化工这些以石油原油和天燃气为原料的流程产业发展非常迅猛，如我国那个时期就引进了多套年产30万吨乙烯为首的整套装置，其它还有大型化肥、化纤、塑料合成橡胶等装置，所以DCS在市场细分中以满足石油化工等流程产业为主，这是市场的需要。在这些行业中，温度、压力、流量、液位的检测和控制占了绝大部分，所以这些模拟量的数据采集和控制成为DCS的首先应满足的功能，而DCS的前身2(集中计算机控制系统)，已有了成熟的DDC(直接数字控制)技术；此外石化产业中，在塔、釜、罐等大型工艺设备运转中，少不了各种机电设备如风机、泵类及各种阀门的开关量的检测和控制，所以开关量的顺序控制也是很重要的，这是DCS应满足的第二个功能；在石化产业中，反应罐等设备是间歇式工作的，即一批原料投进，经过反应，形成产品，产出后，经过间歇，再投第二批原料，这种批量控制是石化行业中不少产品的生产装置的控制形式，这要求开关量、模拟量结合进行控制，现在也有称它为混合控制系统(HybridControlSystem)。当然，除此三项控制功能外，还有人机界面友好、安全可靠、易于安装、轻易使用、便于维护、便于扩展和升级换代等要求。另外在石油化工大型装置和中、小型装置要求对应DCS产品又有所细分，所以产生了大型DCS和中小型DCS产品，而且各DCS厂家在应用实绩方面也产生了细分市场，如有些厂家的DCS产品用于锅炉控制能力更强，有些厂家的DCS用于海上采油平台业绩更多等等。我国在大型进口设备成套中引进国外的DCS及石化等行业改造中设计采用国外DCS以外，经过20多年的努力，国内已有多家生产DCS的厂家，其中和利时、浙江中控、上海新华3家已具有相当规模。国内石化行业已使用国内外生产的700多套DCS，应用水平也较高，自动投运率在90%以上，目前正向充分发挥DCS功能和开展先进控制和优化方向发展。第二章DCS系统的构成1、DCS系统的结构特点世界上有多种类型的DCS，在功能、容量、特点上各具特色，其结构特点主要有以下五大部分。（1）人机接口。包括操作员接口和工程师接口。前者实现对工艺过程运行的监视和操作，通过通讯网络与现场控制站连接；后者实现对控制功能的组态，直接与现场控制站连接。（2）现场控制站。现场控制站是DCS的核心，DCS由它实现对现场过程信号进行输入/输出、数据采集、反馈控制、顺序控制等。（3）通讯网络。用于连接各个站进行相互通讯、交换数据。（4）通用计算机接口。用于DCS与通用计算机连接通讯，完成更高层次的控制和管理。（5）上位机。上位机主要实现高层次的优化管理。如优化控制、成本管理与控制等。DCS自1975年问世以来，已经经历了二十多年的发展历程。在这二十多年中，DCS虽然在系统的体系结构上没有发生重大改变，但是经过不断的发展和完善，其功能和性能都得到了巨大的提高。总的来说，DCS正在向着更加开放，更加标准化，更加产品化3的方向发展。2、DCS系统的三个重要组成其中，控制站、操纵站和工程师站、数据通讯及网络在发展过程中占有重要地位。(1)控制站DCS系统中，控制站继续了DDC(直接数字控制)技术[2]，它是一个完整的计算机，实际运行中可以暂时在不与操纵站及网络相连的脱机情况下，完成过程控制策略，保证生产装置运行。从计算机系统结构来说，控制站属于过程控制专用计算机，大型DCS控制站对中心处理器要求较高，必须为专用的处理器，准16位和准32位或64位运算方式。第三代DCS控制站已采用多CPV分别用于控制、通讯、冗余切换等操纵。控制站作为一个完整的计算机，它的主要I/0设备为现场的输进、输出处理设备，即过程输进/输出(PI/0)，包括信号变换与信号调理，A/D、D/A转换。它在第二代和第三代产品中已陆续采用了嵌进式技术，并采用单片机等完成量程调整，远程I/0数据传输、小型化、减少PI/0卡硬件规格等功能，直至连接智能化的现场变送器或接受采用现场总线技术的数字信号。控制站是整个DCS的基础，它的可靠性和安全性最为主要，死机和控制失灵的现象是尽对不答应的，而且冗余、掉电保护、抗电磁干扰、构成防爆系统等方面都有效而可靠，才能满足用户要求。(2)操纵站和工程师站DCS系统形成初期操纵站各工程师站合一，即操纵站具有操纵员功能、工程师功能、通讯功能和高级语言功能等。其中工程师功能中包括系统组态、系统维护、系统通用(Vtility)功能。DCS操纵站是典型的计算机，有着丰富的外围设备和人机界面[3]，在人机界面即流程图画面方面，也由半图形方式、全图形方式过程为目标图形方式，以GVI图形用户界面为平台，并采用鼠标，而且在工程师站中进行控制策略组态和制作流程图画面采用菜单、窗口、CAD技术等，使人机界面友好。DCS系统应具有开放性，便于系统集成各操纵。目前大多数DCS操纵站和工程师站已采用高档PC机或工控机，WindowsNT(或Windows98以上)操纵系统、客户机/服务器(C/S)结构、DDC(动态数据交换)或OPC(用于过程控制对象链接嵌进)接口技术，可通过以太网接口与治理网络相连。操纵站要实现其多项功能，必须完成数据组织和存储两方面任务，如与工位号相关的一些数据，在操纵站中要对由某控制站某端子与现场仪表相连的，由物理位置决定的工位规定工位号(即特征号或标签Tag)各工位说明(可以用汉字)，使之与工艺对象一致，以保证工艺操纵职员的操纵，工位号可以在整个系统中通用。其它还有系统配置、操纵标记、趋势记录、历史数据管总貌画面组态、工艺单元或区域组态等，这些均组织成文件，终极形成数据库，存储在硬盘的相应区域，使数据具有独立性和共享性、保证数据的实时性、完整性和安全性。4(3)数据通讯及网络在石化行业，DCS一直多用在一个生产装置范围内的多机通讯系统中，而且控制站和操纵站、工程师站均集中放置在控制室内。而DCS的数据通讯一般从初期的数据高速公路起多可长达1km，所以这方面有点浪费。鉴於石化行业的习惯，全厂各生产车间用DCS的通讯总线相连的实例较少，所以在第三代DCS中通讯功能的发展是与全厂治理网络(以太网)技术相融合，逐渐实现通讯网络由多重结构向扁平化过渡，所以，第三代DCS的通讯系统特点是具有开放性。第三章DCS在石油化工中应用1、DCS的选型石化行业在应用DCS时，无论新建项目或是改造项目，首先是DCS的选型题目。DCS控制系统的选型首先应该考虑的就是项目的规模与性质，系统的设计根据项目的规模可分为大型项目与中小型项目，根据项目性质可分为新建项目与扩建项目。对于大型项目，无论是新建或是改扩建，均应考虑建立独立的DCS网络，改扩建项目应考虑到与原有DCS网络的接口以及后续的系统扩充问题;对于中小型项目，应根据项目实际情况，以原有的DCS控制系统网络为主，将数据集成于其中。2、选型的建议鉴于各种DCS有其通用性，而且参与竞争的DCS厂家或系统集成商较多，所以各设计院或业主在标书中均不指定DCS的型号，只规定I/0点数、控制回路数、控制室与现场工艺装置之间的物理位置、人机界面要求、先进控制或数学模型优化等方面的要求、与整个企业治理网络之间关系等项要求，标书中为了显示公平、公正、公然的原则，还提出DCS应符合各种标准或特殊的性能指标等等。DCS的功能比较复杂，DCS开发过程是针对不同行业的，而且具体的工程项目的要求也很多，很难对DCS作唯一的选择，所以如某DCS用于本类工程较多，这样业主选用该DCS，选型风险就比较小，这是合理的。但国产DCS历史较短，在某些行业大型工艺装置上使用的业绩较少或没有，所以“实绩”这个门槛题目还要具体情况具体分析。第四章总结DCS控制具备的高可靠性、开放性以及组态、维护方便等特点，使其在各种工业领域得到很多的应用。在化工企业，DCS控制系统的应用已经较为成熟完善，只要合理的进行DCS控制系统的方案设计，就可以充分发挥DCS控制系统的先进性与优越性，提高企业的自动化生产水平。5参考文献1、赵旭《化工自动化及仪表》,1981(6):49-54+632、张杰睿《科技创新导报》，2015No.12-1674-098X3、钱旭，李毅《中国矿业大学学报》,1999,28(3):255-2576