DCS 在双氧水生产装置中的应用

1 引言
　　 在工业过程计算机控制系统中，集散控制系统（DCS）已经成为一种主流控制系统，随着DCS应用的深入，对DCS组态工作也由制造商转向用户完成。即通常所说的用户组态。目前业内人士对DCS用户组态工作的研究还局限于对DCS操作画面组态的研究。本文介绍DCS在我厂双氧水生产中的成功应用及本人在实践中的体会，对DCS用户组态提出一些看法。
　　
2 系统工艺流程
　　 本生产装置包括新、旧两个生产线。均包含五个工序：氢化工序、氧化工序、萃取净化工序、后处理工序、工作液配制及回收工序
　　 氢化工序把蒽醌转化蒽氢醌或四氢化蒽醌。氧化工序用空气中的氧直接氧化蒽氢醌和四氢化蒽氢醌，并转化为蒽醌、四氢化蒽醌，同时生成双氧水。萃取的作用是用无离子水从氧化液中萃取回收双氧水，生产一定浓度的双氧水溶液，该溶液再经过净化处理后，不仅降低有机碳的含量，而且生产27.5~35%的产品出售市场。来自萃取的萃余液经过后处理再生处理后进入下一个使用循环过程。其生产过程如下:


2.1 工艺对控制系统的要求
　　 2.1.1实现各个单元操作的集中监控，包括：温度、压力、流量、液位等物理量的监测与控制。动态参数检测、控制必须准确、可靠。
　　 2.1.2必要的遥控措施,对突发事件如停电等，系统应采取相应的保护措施，确保在紧急情况下或需要的时候对一些关键的控制点（阀门、马达等）实施遥控。
　　 2.1.3配置必要的报警和联锁。
　　 2.1.4重要参数的记录和方便地查阅其实时趋势和历史趋势。
　　 2.1.5可随时监测有关单元的有关参数或重要设备的运行情况。
　　 2.1.6控制系统操作简单，参数设置、调整方便，便于操作，人性化的操作界面。
　　 2.1.7操作员站显示整个生产工艺流程，修改和打印各种有关参数。
　　
　　
　　 2.2 系统控制检测点
　　 本系统温度、液位等模拟量检测点较多，热电阻39个，4~20mA模拟量输入98个，4~20mA模拟量输出 48个,控制回路48个，开关量输入26个。
　　
3 硬件配置
　　 在系统硬件配置时要纵览全局,从满足生产过程对控制的要求，现场变送器和执行机构等部件特点,传输信号电缆和DCS输入/输出卡件等方面全面考虑，从工艺的合理性、投资的经济性、运行的可靠性、维修的方便性等进行综合分析。我做如下配置，系统结构图如附图1
　　 3.1冗余的系统服务器/操作站，配置1台工程师站和1台操作站，并预留PC接口，满足了系统的操作需要，在工程师站上安装操作站软件，系统运行时可作为一台操作站使用，系统开车时2个操作站同时参与操作。系统正常时将2个操作站分别用于新、旧系统的操作管理。
　　 3.2冗余的高性能混合型控制器，两个控制器之间热备份，同时接受网络数据，其中之一的控制器发生故障，备份控制器自动进入工作状态。完成调节控制、数据处理、逻辑联锁、设备控制等功能。
　　 3.3冗余的以太网和控制网，系统配置了2条网络，监控层要求开放。数据通讯系统是将分散处理单元、输入/输出处理系统及工程师站和操作站联接起来，以保证可靠和高效的系统通讯。因此采用冗余的以态网配置，通讯协议为TCP/IP标准协议，控制网要求安全。
　　 3.4在I/O卡件配置上，采用预留出大于15%的扩展空间，卡件的类型尽量少，整个系统仅有5种I/O模件，从而减少了备件的种类和费用。在测温模件选型时，考虑系统温度测点较多，测温元件类型相同，均为铂电阻，因此采用RTD输入模件，节省了变送器的投资费用。
　　 3.5所有电源设备和部件冗余。



4 系统功能
　　 4.1工程师站功能
　　 4.1.1用于程序开发、系统诊断、控制系统组态、数据库和画面的编辑及修改。
　　 4.1.2生成任何显示画面和趋势图等，并能通过通讯总线加载到操作员站,能调出系统中任一已定义的系统显示画面进行修改等工作。
　　 4.1.3通过通讯总线，可调出系统内任一分散处理单元的系统组态信息和有关数据。可将组态数据从工程师站上下载到各个分散单元的操作站。此外，重新组态的数据被确认后，系统能自动刷新其内存。
　　 4.1.4具有离线和在线全代码下载功能，不影响专置安全正常运转，可以在线加入或摘除网络设备而不影响其它网络设备正常运转。
　　 4.1.5具有对DCS系统的运行状态进行监控的功能。包括对各控制站的运行状态、各操作站的运行状态、各级网络通讯状态等方面的监控。
　　 4.1.6具有在线组态功能。如：量程上下限的改变、控制参数的调整等。
　　 4.1.7具有在线显示组态图上所有输入/输出、中间量的数值。
　　 4.1.8工程师站设置操作保护密码，以防擅自改变控制策略、应用程序、系统数据库。
　　 4.2操作员站功能
　　 操作站是人机对话的界面，几乎所有的控制指令和状态参数都在此交换。在操作站上可以分别显示各个流程图上现场的各种工艺参数，控制驱动装置、切换控制方式、调整过程设定值等，监控系统内每一个模拟量和数字量，显示并确认报警、操作指导、记录操作日志、记录操作信息如改变设定值、手/自动切换以及时间等，显示历史趋势图，定时打印报表。操作简单，满足操作控制和生产管理的要求。
　　
5、系统组态设计
　　 一套用户组态的DCS能否被成功应用，提高控制品质，使因其故障而造成的影响减小，方便监控和操作，其关键是组态设计的质量。DCS用户组态是指在DCS中，按照其厂商提供的功能部件的特点、数量和性能，根据工艺设计要求，设计、实现并确定有关排列。DCS用户组态工作是一件十分细致的工作，在组态过程中，既要了解生产过程对控制的要求，熟悉生产过程，深刻认识各种设备和过程的生产顺序，明确生产过程和仪表的相互关系；还要熟练掌握DCS所提供的各个控制算法或模块功能，以及各功能模块提供的各参数的相互影响，从深度和广度上对DCS、工艺生产过程以及控制要求有了足够清楚的认识，完成组态工作。
　　 5.1硬件排列组态
　　 DCS硬件排列是指DCS输入/输出设备上的接线位置与外部生产过程参数位置之间的分配，DCS的设计思路之一是分散控制，合理的输入/输出信号组合可以使负荷分散。
　　 硬件要均衡配置:将空槽位和预留I/O通分散安排,同时尽量使各控制站之间的负荷相对平衡。避免集中配置易造成局部信息流过于拥挤产生瓶颈，从而降低了DCS的整体性能，不利于I/O信号的合理调整，增加今后系统改造的难度。同时每个卡件将信号按照实际变化和重要性设置不同的执行周期，将不同执行周期的信号按物理位置合理的组合。如：LIC101、LIC102、LIC203、LIC206、LIC403，在生产过程中是重要的控制点，执行周期设置为50ms，而LI201、LI202、LI204、LI205等相对参数变化慢，因而执行周期设置为100ms，这样同一卡件执行周期快慢搭配在一起，使输入/输出部件微处理单元的负荷较均匀，减少硬件因负荷过大而发生故障。同时对工艺操作相关的参数，如：氢化液储槽液位LIC102，其泵出口流量FIC104，氧化液储槽液位LIC206，其泵出口流量FIC204，再生液储槽液位LIC403，流量FIC401。本装置生产过程中氢化液、氧化液、再生液是循环的，为保持液位稳定必须流量平衡，将这些相互关联的参数分配在不同的卡件，当某一卡件发生故障时，可以从相关参数来判断，避免造成大范围的控制瘫痪，将风险降到最低。硬件排列设计如附图2
　　 5.2应用软件组态
　　 应用软件组态在工程师站完成，下载到DCS的控制器执行，控制器主要由CPU、ROM、RAM、E2PROM、地址设定开关等组成。CPU完成运算，ROM用来存操作系统、功能块库，功能块在ROM中的排列是确定的，用户是不能改变的。RAM用来存CPU的运算结果和I/O信号。E2PROM存用功能块连成的控制方案。下电时，控制方案是不会丢失的。不仅如此，控制方案不合适，还可以修改。控制器在网络中应该有地址，由这些地址开关来设定。功能块在ROM中的排列有相应的地址。在运用这些功能块时，应该标明该功能块输入输出之间运算的关系，还有运算所需要的许多参数。在根据被控对象，确定控制策略形成控制方案时，在功能块库中选择控制所需要的功能块，弄清各功能块之间的联接关系，并首先定义它在E2PROM中的地址，并且和其它功能块的联系也都是用地址来表示的，同时填入所需参数，画出每一个控制回路所需的功能块以及它们之间的连接关系，这些工作称为组态。
　　 功能块库中最重要的功能块是PID功能块，它的输出Y(t)和输入X(t)的关系是比例-积分-微分关系，它在过程控制中有极其重要的作用。在完成闭环控制时一定要用到PID功能块。闭环控制的单回路控制和串级控制回路的方框图如图一、图二所示：


含PV-SP的PID功能块是实现过程变量（PV）和设定值（SP）之差进行比例-积分-微分运算，它的参数有设定、过程变量、比例-积分-微分的系数。它的输出通常送到输出板的端子板的地址。最后输送给阀门。一般情况下，PID功能块中包括PV-SP的运算。同时在PID之前还可以加入其它运算，如加死区。DCS的PID功能块几乎是包罗万象的，有100多个参数。1，首先问PV从那里来，要填入PV的地址；PV值来自一块模拟输入模件或端子板；2，SP的地址，SP的地址通常是站的地址；3，有没有死区，没有死区，这一项就不用管了，有死区，要写入死区的宽度和高度；4，要不要积分，要积分，积分常数是多少