控制工程师论坛

    根据通河工程中DCS系统的运用，着重描述了DCS系统的功能。接合通河工程阐述了报警、报表、网络、智能前端、检测点的布置、信号干扰以及FIX32组态软件。同时还阐述了DCS系统在工程运用中的不足和改进建议。
　　
    一、DCS在通河工程中的描术：

    通河工程是根据锅炉运行的规范、工艺流程的要求、锅炉燃烧工段的控制要求、锅炉汽包水位的控制要求、锅炉配风系统的控制要求和性能特点。采用的控制方案是：现场仪表+智能前端+DCS控制系统。分散式控制系统（DCS系统）是依托成熟可靠的工业网络体系，以锅炉安全、稳定、经济运行为最终目标，力求达到最佳成本效益比。

    DCS集散型控制系统是由一个工程师站、一个操作站和现场接口站、高速通信网、网关以及集散控制系统的系统软件和应用软件所构成的分布式计算机控制系统。它具有模块化、开放式的结构,并通过现场接口站连接各种智能仪表。

    控制系统由数据采集系统（DAS）、模拟量控制系统（MCS）两个子系统组成,为满足运行、监视、操作等要求，方便故障判断和事故分析,测量信号点采用“2选1”冗余设计,确保可自动剔除坏质量点。各控制系统的手/自动切换和手动操作全部在组态软件（FIX32软件）上实现,无后备硬手操作。

    所有过程数据均来自过程站,操作站实时数据处理软件除将瞬时数据存贮记录外,还将用户组态定义的历史数据在一定时刻将之存贮。历史数据的时间周期分为秒、分、时三种,历史数据的存贮采用多级存贮,将近期历史数据存放在内存中,以提高存取速度;长期历史数据转存到硬盘中。因为硬盘容量也有限,硬盘上的历史数据文件可卸载至软盘备份,否则将被以后的数据覆盖。DAS系统完成数据采集、运行操作、报警记录、事故追忆打印、报表形成和打印等功能,主要特点有:

    ● 报表打印:报表一般的形式为多层次中文字体报表,报表中数据类型有瞬时数据、历史数据和累积数据,相应地报表种类也按照其数据表项取值的不同分为瞬时报表、历史报表和累积报表。例如：通河工程中的所有检测点的瞬时值均采用瞬时报表（如：炉膛的压力、温度，风机的流量、压力，汽泡水位、压力等等）；重点调节回路的检测点（如：汽泡水位调节回路、除氧水箱调节回路等等）均采用历史报表；而主蒸汽管路的检测点则用累积报表。运用瞬时报表主要是为了时时监测实时采集数据的变化情况，历史报表和累积报表则主要是为了当系统出现故障时有数据进行参考，以便能更快的查出系统的问题所在。 

    ● 报警功能:DCS报警功能分为系统报警和过程报警两类,系统报警对整个DCS系统中软硬件部件故障状态进行报警,而过程报警则对整个DCS过程监测控制回路某指定具有报警设定的参数进行报警。出现报警后,系统对该报警进行记录,并通过专用键盘上相关该报警的指示灯指示以及声报警器指示,系统报警和过程报警通过不同的报警声提示用户。

    ● 系统报警功能:DCS系统采取了多方面的容错设计,特别是过程站,各部件均可1：1热备份,操作站各站是松耦合状态的冗余备份工作状态。系统中各部分具有完备的故障诊断报警以及降级、恢复等完备处理能力,系统报警处理是其中之一。

    ● 过程报警:过程报警是属于过程监控范畴的报警,对工艺参数的变化超限进行报警,比如某测量参数超过指定的上限或下限（例如：汽泡水位、炉膛压力、蒸汽温度等等）及某输出参数变化速度是否超过指定的速度等（例如：烟气的流量等等）。
　　
    DCS过程报警功能具有如下特点:

    ●报警可设优先级0～7,已报警的优先级最高的报警工位名始终显示在报警窗口上,直至其被处理。

    ●设计有专门的报警记录画面,记录着最多64项近期发生的报警信息。
　　报警记录项格式为:
　　工位名 工位中文说明 报警时参数值 报警原因 时间 日期

    ●已发生报警的工位在工位一览画面、综观画面、控制分组画面、趋势画面、调整画面、流程图画面上都有醒目的红色报警指示标志。

　　●报警时可选择驱动声音报警和打印机输出。
　　DCS系统完成锅炉的在线监控、故障诊断等优化运行功能。系统具有良好的接口与组态性能。
　　
    系统的运用：

    ●DCS系统控制策略：针对通河工程的特点，采用的是PID调节控制，这种控制策略具有控制性能好、精度高等优点；

　　●传感器、计算机、测量仪表、操作器均选用性能可靠、价格适宜的优质产品，保证系统的可靠性。
    DCS系统采用计算机控制方式，测点数据的显示、现场设备的控制和保护均可由计算机来完成。其基本控制回路包括：
　　
    ●锅炉汽泡水位系统的自动控制。它主要是由汽泡水位，主蒸气管道的压力，供水管道的压力和流量+变频器+上位机组成的，采用的是常规的三冲量自动调节方式。如下图：

    热汽温采用串级PID调节,以确保系统的可靠性和安全性。

    锅炉压力调节控制。燃烧控制的目标是维持安全燃烧且控制主蒸汽压力稳定在设定值。安全燃烧的一个主要指标是控制炉膛内的温度分布，压力值。为达到这一控制目标，主要采用的控制手段是调节给煤、一次风、二次风，运行时将其设定在一固定值简化操作。控制的影响因素主要有：一般情况下增给煤或减少风量炉温升高且变化十分明显；负荷变化引起炉膛温度分布发生变化等。由以上的燃烧过程特性可知，在燃烧影响因素中，负荷的变化将引起炉膛的温度分布发生变化，同时由于锅炉应用的环境为供热能，因此整个燃烧控制方案根据蒸汽负荷大小设定给煤机转速（给煤量）和送风量以便快速跟随负荷的扰动。如下图：

    由于蒸汽压力的变化，实际上反映了蒸汽负荷的变化，即蒸汽的产生量和蒸汽的消耗量（负荷）不相适应。当蒸汽负荷增加时，如果燃料量不变，蒸汽压力就要下降，为了保持蒸汽压力不变，当负荷增加时，就必须适当的改变燃料量，增加蒸发量，以恢复蒸汽的压力。因此，首先设定蒸汽压力给定值，当负荷变化导致蒸汽压力波动时，根据蒸汽压力的偏差值进行调节。

    DCS系统完成生产过程中的数据采集（采集锅炉运行的过程变量和状态，如阀位、电机状态、温度、流量、压力、等状态的瞬时值）、调节控制（对采集到的数据和状态信息进行处理，判断是否正常、可用，是否超上下限并需要报警；对采集数据的判断结果作出相应的反应，如重新采集某点的数据或报警，判断采集仪表、转换电路是否需要进行冗余切换等），以实现闭环和开环控制功能。其过程输入信息是面向传感器的信号，如热电偶、热电阻、变送器（压力、流量、液位等）及开关量等，其输出是驱动执行机构。

    为实现DCS系统的上述功能对通河工程一般布置测点如下:

    温度测点有：

    炉膛温度，一次风室温度，高温过热器进口烟温，低温过热器进口烟温，省煤器进口烟温，空气预热器二次风进口烟温，空气预热器二次风出口烟温，空气预热器一次风进口烟温，空气预热器一次风出口烟温，排烟温度，引风机前烟气温度, 低温过热器出口汽温，减温器进口汽温，减温器出口汽温，过热蒸汽温度，给水混合集箱进水温度，给水混合集箱出水温度，省煤器出口水温等。
　　
    压力测点有：

    汽包压力，主蒸汽压力，给水压力，一次风室压力，高温过热器进口负压，低温过热器进口负压，省煤器进口负压，二次风预热器进口负压，一次风预热器进口负压，排烟处负压，一次风进口风压，二次风进口风压，除尘器前负压，除尘器后负压等。

    流量测点有：

    蒸汽流量，给水流量，一次风风量，二次风风量等。
　　
    液位测点有：

    汽包液位，除氧器液位等。
　　
    报警系统：

    为保证锅炉的安全、稳定、经济运行，设置了多路报警系统。
    1．汽包水位高、低报警
    2．给水压力高、低报警
    3．蒸汽温度高、低报警
    4．炉膛温度高、低报警
    5．炉膛负压高、低报警
    6．计算机系统硬件故障报警
　　
    智能前端：

    它是一个带有模拟屏的智能化模块，具有形象，直观，安全的优点。在通河工程中，采用计算机控制的同时，再配以动态模拟显示控制，可对生产流程进行全面实时控制，即使在计算机发生故障时，操作人员也能在控制室的模拟屏上对生产过程迅速进行手工操作。

    分散的现场控制单元对生产过程进行信号采集和控制，操作员站集中对信息进行综合管理，两者用通讯网络连接成一个实有机整体。如下图：

    它主要由模拟屏处理器、模拟屏、UPS电源、通讯网络组成。既可动态显示生产过程的主要参数，物料的流动、设备的运转启动、亦可实现泵、阀、电机等开关的硬手操。因此，在计算机系统故障时，可独立实现生产过程的就地人工操作。它通过通讯网络，完成现场数据采集与DCS之间的交换。它包括：模拟量（AI）、数字量（A0）、开关量（DO/DI）等等。在通河工程中，它实现了计算机故障时的独立人工作操，确保生产过程的安全性，利用DCS系统资源和数据库，大大的减少实现动态模拟屏的软硬件开销，便于系统的维护。
　　
    通讯模块：

    支持RS-232 C/RS-422，RS-485以及工业Intranet等通信协议等。在较复杂的工业控控制系统中，上、下位机的通信常常用串行异步通信，由于RS-232总线串行通讯最大距离一般为50—100英尺，最大通信特率为20Kbps，而RS-485总线串行通信最大距离一般为1000英尺，最大通信特率为10Mbps，而且，RS-485的收发器成本低，抗干扰好，构成网络容易，因此，考虑选用RS-485通讯模块。

　　干扰信号：
　　
    干扰的产生及后果：

    在实际生产过程中，一些大型动力设备如变压器、电焊机、电动机、大功率可控硅整流设备等的启动过程，电磁感应的影响或因公共接地回路电流的存在产生的多种样的干扰信号，会通过不同途径与系统耦合，然后进入控制系统，给系统带来干扰，影响系统的正常运行，甚至导致严重后果。从理论上讲，干扰可分为横向干扰和纵向干扰，横向干扰就是指因电磁感应而产生的垂直干扰，干扰信号在仪表控制系统周围产生干扰电磁场，在仪表控制回路内产生干扰电势，并与仪表正常信号叠加，从而引起系统运行异常。纵向干扰就是指漏电阻引起的平行干扰，干扰信号通过接地回路形成接地回路电流进入系统，影响仪表检测控制的正常工作，给系统的可靠性，准确性带来不可忽视的影响
　　
    干扰的防止：

    对外部干扰信号，可通过不同类型的干扰采用不同的方法消除，如输入信号进行隔离与滤波。对电流干扰采用有郊方法抑制，在信号线走向方面，将强弱信号分开屏蔽敷设，在电览选型方面采用屏蔽措施等等。以系统的投用来说，只有消除干扰，才有确保仪表自控系统的正常运行，为系统平稳长周期运行提供了有力的保证。
　　
    二 、为了实现DCS的所有功能和使操作人员能直接观察及控制，我们，采用的是FIX32组态软件。根述如下：
　　
    软件介绍：

    FIX和FIX MMI 软件是INTELLUTION工业自动化软件FIX家族中的最新产品。自从1984年INTELLUTION推出THE FIX，INTELLUTION在提供强有力的工业自动化的工业自动化软件方面处于领先地位。INTELLUTION的产品提供了监控和数据采集（SCADA）功能。

    1988年，FIX DMACS 的推出使之在工业上成为第一种基于PC机的真正分布式处理，客户/服务器的SCADA软件。此后INTELLUTION又推出了基于OS/2、VMS、MS-WIDOWS及WINDOWS NT 等各种操作系统的FIX DMACS 版本和配置。

    INTELLUTION还提供批处理系统FIX BOS。FIX BOS集成了FIX 的SCADA功能，通过关系数据库管理批处理定义。

    FIX 软件节点对装配一个新系统和扩充一个已存在的FIX 系统是一个理想的选择。各种平台的FIX 软件在同一网络上配合得天衣无缝。
　　
    FIX的功能：

    FIX软件是一种工业自动化软件。在工程中它自云动为工厂人员提供实时数据，并为其它应用程序提供参数。这种实时数据提供是高效率发挥人力、物力和最终实现自动化的关键。
　　
    A、基本功能：

    FIX 和FIX MMI 是一个软件系统。其核心部分提供了各种基本功能，这些功能使得应用程序可以执行指定的任务。其中两个最基本的功能是数据采集和数据处理。图一表示了两个基本功能。

    数据采集是从现场获得数据并将它们加工成可利用形式的基本功能。FIX 软件也可向现场写数据，这样就建立了控制及用程序所需的双向连接。例如：现场中用压力仪表采集炉膛中的压力信号并把数据送给FIX 软件在画面中显示，同时也可以通过调节回路把FIX软件中的处理信号传送给变频器来调节风机控制风量，使炉膛满足压力要求。

    FIX 软件不需要用特别的硬件获得数据。它可以通过一个叫I/O 驱动器的软件接口同现场已存在的I/O 设备直接通讯。INTELLUTION 提供了多种I/O 驱动器，支持通用和特殊的I/O设备。一旦FIX 获得数据，它将进行处理并传送给需要这些数据的程序。数据采集和数据处理的基本功能是FIX 和 FIX MMI 所执行的所有工业自动化任务的基础。保证数据的完整性所有INTELLUTION软件的核心。
　　
    B、MMI和 SCADA功能：

    自动化的第一个也是最重要的一个目标就是使现场操作员和技术员高效率地工作。FIX 把传统的控制室变成了计算机和一个图形屏幕，计算机可以代替控制室的许多功能，包括：监视、 监控、 报警、 控制。
　　
    如下图：表示了SCADAR 的功能。

    监视：将现场数据实时显示给操作员。FIX 软件提供了丰富的数字、文字、图形格式，这使数据更容被操作人员接受。

    监控：监视实时数据，同时由操作员改变设定点和由计算机直接改变关键值的能力，因为FIX 件既可以读，又可以写现场数据，所以你可以建立一个监控站，你可以选择哪些数据点是可读写的，哪些是只读的。

    不论操作员是在监视站上工作还是在监控站上工作，他们都应具有即识别生产过程中异常事件的能力。报警能够识别异常事件并立既报告这些事件。FIX 软件根据乐设定的上下限度产生报警。FIX 应用程序可以各种不同方式使用报警以通知操作员。你还可以有选择地在网络上的FIX 节点间配置报警信息通讯。

    控制是自动提供算法的能力。这些算法调整过程数值，使这些数值保持在设定的限度之内。控制比监控更高一些级，它不需要人的直接参与，你可以用计算机控制整个分过程。INTELLUTION 软件包括了连续控制、批控制、统计处理控制的能力。
　　
    C、报表功能：

    实时数据仅仅是信息处理中的一级。许多现场需要将实时数据作成报表并保存这些报表，供以后分析时使用。FIX 和 FIX MMI 具有生成报表和文件的能力，以保存关键的系统和过程信息。如下图：

    一个FIX 系统中任一个数据点的信息都可以以指定的速率采样并被贮存在数据文件中。这些数据可以在任何时候从数据文件中调出并用来建立历史数据的趋势显示。管理员和工程师们可以使用这些数据检查导致紧急事件的直接原因。归档的数据是一个强有力的过程优化的工具。

    INTELLUTION 向用户提供了通过工业标准数据交换规约如DDE 和 ODBC SQL 存取FIX 数据的功能。用户可用电子报表如MICROSOFT的EXCEL生成详尽的报表，包括FIX 采集、计算机的实时数据和历史数据。
　　
    D、分布式处理能力:    

    FIX 软件能够做什么与如何去做是同样重要的。FIX处理能力可以应付各种类型的配置和处理策略。

    软件设计中最重要的部分是在网上进行真正的分布式处理的能力。许多系统以一种分等级的方式进行操作，这使得网上任一部分的故障都危及到系统。FIX 和 FIX MMI 结构允许在网上所有计算机上分配关键的功能。每一个节点可以同网上的其它各个节点通讯，但本地任务的执持却没有必要依靠其它节点。这为高系统的设计提供了有力的支持。

    大多数应用程序都是以若干秒/分钟/小时为间隔来采集和处理数据的。FIX 软件可运行任何基于时间的处理组合。这就允许用户在那高速采样的数据和那些采样间隔长的数据之间平衡系统的资源。在某些应用中，FIX 可以处理时间间隔达到0.05秒的数据。

    通常，在关键事件发生时进行处理具有较高的效率。导致异常处理的原因可以是：
    1 数据改变
    2 由过程硬件送来的信息
    3 操作员的操作
    4 软件应用

    基本异常的处理是在分布式SCASA 系统中监视中大量I/O设备的基础。例如，炉膛压力可以通过广域网上的远程终端RTU 来监视，由RTU 传来的数据一般很少改变，因此，没有必要用固定的时间隔来获取数据。但一旦数据改变，油田操作需要立即获得知这一情况。FIX产品可以接收到这个数据的变化并立即处理它。
　　
    系统结构：
　　
    节点 ：是指运行FIX 软件的任何计算机。

    程序 ：FIX 和 FIX MMI 是多任务系统。每个FIX 节点能同时运行多个程序，在内部关键程序有访问系统资源的优先权，FIX 能按优先权响应更重要的资源要求。

    基本结构 ：FIX 软件是在现场仪表的基础上建立的，典型的情况是：现场装有与探头或控制器相联接的设备，这些设备可以是供现场数据或进行局部的控制。在现场需要全面协调地实现控制时，就很难依靠人去逐一对这些设备进行观察和操作。而FIX 和 FIX MMI 则可以集中这些设备的数据并向操作员提供一个“过程窗口”，它以操作员最容易理解和操作的方式实现对过程现场的观察与控制。

    I/O 驱动器 ：工业自动控制软件必需做的第一件事是从过程中收集数据。传感器和控制器将原始数据发送给PLC、RTU或者其它过程硬件。FIX 软件提供一个PLC 或RTU 的软件接口来读取这些数据，这个软件接口叫做I/O 驱动器。

    数据库：FIX 软件的心脏部分是过程数据库。这个过程数据库是由过程控程逻辑而形成的一种过程描。用数据库编辑程序建立的过程数据库由块和链组成。一个块是一组过程控制指令代码，它执行规定的动作。每个块要求你在数据库建立程序的对话框中提供几个参数。

    人机界面 ：FIX 和 FIX MMI 的最重的应用是提供了面向过程的窗口软件。这种通过和仪表或计算机的相互作用来了解现场情况的功能称为人机界面。在没有使用传感器，控制器，和过程硬件的系统中，就不能充分发挥MMI 的优势。

    分布网络结构 ：INTELLUTION 的网络设计有两个原则：真正的分布处理和按需求的数据传输。

    还有多平台互连，报警，安全等等。
　　
    三、DCS系统在工程中的不足和改进见议
　　
    DCS系统在工程中的不足：

    1． FIX 软件中绘图工具功能的不足。主要是它自已不能够独立的完成一个组态画面，它的完成必须通过辅助工具DRAW首先完成主要的图形画面，然后拷贝位图而得到；同时就是绘图中缺少渲染立体感的工具，绘制的图形不能形象的描述本体。

    2． 报表功能设置的复杂。报表主要的功能是完成记录实时数据和历史数据。在它的创建过程中必须完成以下的步聚：首先完成动态数据连接（DDE）的配置，其次是建一个DDESHARE并启动DDE和EXCEL，然后就是在FIX任务配置中设置EXCEL任务并且把EXCEL的路径设置FIX的根目录下，最后才在EXCEL中连接数值。这一复杂的设置过程给用户带来了学习和运用的难度。

    3． 现场采集的数据和数据库中的数据交换的不方便性。现场采集的数据先通过智能前端转换和保存，在它把数据传送给FIX数据库的时候它必须经过一个中间环节，它的实现过程是通过VISUAL BASIC语言编程来完成的。如果在现场的运行过程中，有某一个站点需要改动或者是需要去增加一个站点，就必须有编程的人员在旁边去重新修改这个程序，这对于使用者或厂家来说，无疑是一个难题，因为他必须懂这个语言才行。

    4． 没有辅助的命令语言功能。在FIX软件中，整个软件的功能都是通过程序块来实现的，对于使用者或者是操作者来说，要去完成一个工程，就必须按照它先设计好的功能块一步一步去完成，在实际的操作过程中就可能遇到那些功能块可能或者是无法解决的问题（比如：在检测温度时，它需要在曲线图中同时体现设定温度和测量温度曲线），这就是FIX软件的局现性。同时，它不能给使用者或者是操作者提供足够的使用空间，这主要表现在它没有强大的命令语言功能供使用者或是操作者在实际的工作中去完善他们的工况。

    5． 数据库块中缺少一个打印数据库内容的功能。数据库中保在着各种变量的类型、功能描述、上下限数值、报警的优先级、数据的测量值等等。知晓每一个时刻的值的变化对于管理者来说是非常重要的，因此，它必须根据管理者的需要来时时打印这些数据。
　　
    对于DCS系统的改进建议

    针对上述情况下的几点不足，提出如下建议：
    1． 增强给图工具的功能。
　　2． 减化报表的设置，最好是把报表功能作为一种工具直接运用。
　　3． 解决好通信口的连接问题，能使各种模块直接能和FIX 通信。
　　4． 开发一个强大的语言命令功能程序。
　　5． 在数据库菜单中增加一打印功能。 
    总的来说，DCS系统在我们的工业中起着越来越重要的作用，因此，我们应该更加完善它的功能，力求达到最佳成本效益比。