一、DCS系统简介
DCS控制系统是目前在过程控制中的常采用的系统，它具有性价比高、可靠性好、使用方便、操作简单、显示直观、形象等特点。尤其在锅炉系统的控制中，使用DCS系统，通过选择优化控制，模糊控制等先进控制策略，将达到提高锅炉的热效率，降低运行成本（节电、节煤），减少环境污染，保证系统运行安全、可靠之目的，从而取得明显的经济效益和社会效益。
根据用户要求，需对2台75t/h的链条炉采用DCS系统进行控制，主要完成蒸汽压力、蒸汽温度、汽包水位、燃烧系统等参数的测控。DCS系统采集锅炉的各项参数，控制锅炉自动运行，使之处于经济燃烧状态并保持热力平衡，达到节煤、节电、减少环境污染、减轻工人劳动强度、提高供热系统安全性、可靠性等效果。DCS系统的网络功能使生产、财务等相关部门可以实现对供热系统的计算机化管理。
二、DCS基本原理
整个系统采用英国欧陆的Eurotherm Suite T2550R来构成，各操作员站将完成信号调离、采样、数字滤波、优化控制功能，同时通过标准的网络和通信协议把操作员站连接在一起。当其中任何一级或一台控制器发生故障，决不会影响到系统的其它部分，并且能够通过后备操作等手段使锅炉系统继续正常运行。系统绝无2000年问题和使用期限制，并且由于采用了冗余配制和具有自诊断功能，提高了可靠性和可维护性，从而大大地提高了系统的可利用率，MTBF（平均无故障时间）将超过200年。
（一） 系统结构
根据所需的要求及方便用户操作，使用和经济性原则，该系统将有如下结构：
（二） 系统功能及特点说明
1、 工程师／操作员站
工程师／操作员站（OPS）以CRT为基础，可把多个现场控制站送到的数据进行处理，使操作人员能通过键盘或鼠标灵活、方便、准确地监视过程量，以及根据变化调整过程参数等，在本系统中，它还替代工程师站（以节省投资）。可实时采集它所对应现场控制站的各种数据，可以对不同性质的参数以不同颜色区别，可以对不同环节分页，如：汽水系统、送风系统、炉膛和烟道系统。并以人们熟悉的图形和表格方式进行显示。可显示实时参数、报警参数、各种曲线、趋势信息等，并有时钟提示当前时间。同时可对控制参数、设定值等进行在线修改。其具体功能有：
1）监视工艺参数及流程
2）显示趋势信息
3）越界参数显示
4）控制参数修改
5）事件记录
6）生产数据计量统计
7）运行报表生成
8）替代工程师站完成系统组态
工程师／操作员站采用开放式结构，选用高可靠工业控制机，配以其他设备，组成一个完整的工程师／操作员站系统。其组成如下：
1）服务器/工程师型落地式操作站；
2）T3500服务器（主频2.0GHZ）；
3）21＂特丽珑纯平彩色显示器，分辨率1280×1024；
4）内存256MB，硬盘40GB；
5）软驱1.44M，光驱50倍速；
6）薄膜键盘、球标；
7）A3彩色喷墨打印机／A4黑白激光打印机；
8）控制网接口卡；
9）管理网接口卡；(以太网接口10／100／1000MHz自适应)
2、现场控制站：
现场控制站是DCS系统与现场打交道的设备，现场控制站对锅炉及汽机的各个参数进行采集，上传给现场操作站和监控站，并接受现场操作站和监控站下传的控制参数作实时调节，其功能如下：
1）与现场变送器、执行器一起构成具有调节功能的控制站。
2）对现场送来的各种信号，进行信号调理。
3）配置一定的输入/输出模块，可完成相应的处理。
4）可以执行预先设定好的控制算法。
5）具备与工程师／操作员站（OPS）进行数据交换的通讯接口。
6）可以下设远程I/O单元。
其组成如下：
a、3通道模拟量输入模件AI3（4~20mA）
b、4通道模拟量输入模件AI2（mA）
c、4通道mA输入给热电阻供电TA111mA
d、4通道模拟量输入模件AI4（TC）
e、2通道模拟量输出模件AO2
f、8通道数字量输入模件DI8
g、4通道数字量输出模件RLY4
三、数据采集系统：（DAS）
每个CRT都具有图形和字符显示功能，通过各种画面或图表对现场运行过程的各个环节进行操作、控制和监视。
所有过程点：包括模拟量输入、输出；数字量输入、输出等都可以用相应的工艺流程图、棒形图、曲线图及参数表等多种形式进行显示。根据实际参数的正常、越限等不同状态而用不同的颜色来表示。所有屏幕的信息均可打印输出，而报表的输出，可根据用户的在线任意选择，组合打印输出。多种曲线可显示在同一幅屏幕内，参数名和各参数显示的颜色可任意选择。画面显示的内容可随实际状态或数据的变化而实时变化。
显示的转化采用软“按钮”和“菜单”的形式实现，全中文引导信息，符合工程实际的结构编排，使操作人员可方便地翻页或调阅任一画面。
具有对历史数据的存储和检索功能。系统每五分钟（可由用户决定）自动存储一组实时数据。所有历史数据都可用图、表、曲线或用户需求的方式显示或归类排列出来，以便进行分析。
四、模拟量控制系统：（MCS）
模拟量控制系统是实现锅炉经济燃烧、维持各系统运行参数正常，保证各系统安全、正常运行的重要环节。
本系统可适应负荷在较大范围内变动时的正常控制，并有各种自动保护措施，输出4~20mA（1~5VDC可选），并可在线实时设定上下限位。在变送器信号消失或越位，均有报警功能，同时受影响部分自动切换至手动状态。每一控制回路均有完善的后备手操功能。任何控制参数的修改、设定都具有不同权限的密码口令授权，以防止误操作和无关人员随意操作。
五、系统控制方案分析
1、汽包水位调节
我们在此推荐我公司独有设计开发的四冲量汽包水位调节系统，有别于传统三冲量汽包水位调节系统的是：
控制精度大幅度提高。传统三冲量，一般能保证在±15mm控制精度，而本算法可高达±7mm以内。动态品质大幅度提高，传统三冲量，调节周期为12分钟，一般情况下本算法可达到4 分钟的控制周期。具体实施方案。如下图所述：
2、过热蒸汽压力调节系统
采用左侧给煤机给煤量。调节过热蒸汽压力，对于此回路，必须考虑煤量变化对过热蒸汽压力作用的大滞后及惯性。在使用汽包压力与过热蒸汽流量，计算出热需求量超额值，并引人串级调节系统副环的前提下，采用“自适应增益采样调节系统”，克服超调及振荡，稳定过热蒸汽压力。软件构成参见下图
3、二次风量调节
根据本锅炉实际运行所需，应保证在不同负荷下对应的与一次风量配比关系。对此，我们采用比值调节系统实现，但比值设定值应为负荷的函数（类似指数关系，源于实际最佳曲线）。
同时，采用二次风量校正烟气含氧量，为此，采用均匀调节系统，此系统主控参数为一、二次风量配比。在确保主控参数正常的前提下，实现烟气含氧量校正，提高锅炉运行的经济性指标。具体软件构成参见下图：
4、过热蒸汽温度调节
过热蒸汽温度调节，应充分考虑燃烧量变化对过热蒸汽温度作用的大惯性。为此，在引入减温器出口温度作为串级调节系统副环输入的前提下，特引入旋风分离器出口烟温（或入口烟温）作为前馈量输入。考虑到热电偶损坏时对此控制回路影响尽可能降至最小，在软件中设置自动断偶屏蔽功能。根据实际运行经验，可确保过热蒸汽温度控制在设定值±5℃，具体实施方案参见下图：
5、炉膛负压调节系统
由于此类锅炉负压测值上叠加有幅度高达70Pa的高频干扰信号，必须将测量值进行数字低通滤波处理，以消除干扰。否则，控制回路将无法工作，但由此将引入30秒左右的测量滞后。为此，特在常规控制基础上，引入一、二次风量信号作为前馈信号，克服滞后影响。具体方案参见下图：
六、系统功能
1、运行维护
在调节回路中，设置了维护界面，用于修改设定值、前馈系数、控制步长、P.I.D参数等，灵活方便。（注：必须是专业人员通过密码才能进入界面。如班长或生产部负责人等）这些设置需由现场操作站来完成，下传至现场控制站。
2、现场单元参数跟踪检测
软件中可设定一个或多个参数的曲线图，用于观察其变化趋势。其上可显示量程、实际值、上限、下限、（纵坐标）时间段（横坐标）。
在控制回路中，可设置棒形对比图，标出设定值、实时值、控制单元动作值，以确定动作方向，差值等内容。
3、数据记录功能
系统能自动将运行数据保存，以便分析各种情况，参数越多，时间段越密，则保存时间越短；反之则越长。数据库存满后，最新的数据会自动将最旧的挤出，确保存储空间。如要更长时间保存，可写入软盘。
4、数据打印功能
通过菜单系统，可以打印任何一幅画面内容和数据库中的任何一个和一段时间，一个或多个参数值。运行分析人员可得到最真实的第一手资料（根据用户要求配置不同的打印机）。
七、联锁、报警功能（SCS）
系统可对重要参数设置报警。当实际值超过设定的上限、上上限、下限、下下限时，系统将会以声光形式发出报警，提醒司炉工注意，各限值可根据实际情况修正。
锅炉控制系统报警内容：主蒸汽温度、主蒸汽压力、汽包水位、炉膛压力、汽包压力、给水压力等等。
如因任何原因产生的紧急停炉，系统将自动记录发生故障连锁停炉、报警、故障的时间、越限值等具体信息，以供查询、分析及处理。
八、系统特点
1、自主性：
系统上各单元（控制单元、采集单元）通过网络接口链接起来，各单元都有自己的CPU，独立自主地完成自己的规定任务，某一单元出现问题，暂时退出工作不影响整个系统。
2、友好性、适应性、可扩充性：
工程师站和操作员站具有实用简捷的人机对话系统，CRT及彩色高分辨率交互图形显示，画面丰富、直观、控制、调整、趋势、流程图、回路一览、报表一览等。软件和硬件采用开放式、标准化、和模块设计、系统积木式的结构，具有灵活的配置，扩充也极为方便。
3、可靠性：
系统结构采用容错设计。所有的硬件（包括CPU、AD、DA、通信链路都可采用双重化设计），为提高软件的可靠性，采用程序分段与模块化设计、积木式结构，采用程序卷回或指令复执的容错性设计，系统具有极高的可靠性，平均无故障运行大于200年。
4、各种参数可以在线修改。
5、采用全中文Windows NT操作平台。
6、语音报警提示。
7、手动/自动控制双向无扰动切换。
8、可存贮历史数据并自动更新。
九、基本工作原理
通过该DCS系统，可对75t/h链条炉的有关参数进行实时的检测与控制，并通过现场组态和各种具有针对的优化算法的控制，使系统达到优化控制，经济运行之目的。
正常工作时，一台现场控制站控制控制一台锅炉，当组态好的软件由工程师／操作员站下装后，它就可独立完成各种测控任务。并可在所对应的现场操作站CRT上显示用户所需的信息。用户通过键盘或鼠标来实时改变显示的画面，以满足各种观测要求，同时，如工况变化需改变设定值时，也可由它来设定。当然，为保证可靠性，这一操作需要密码。
由于DCS的独特结构和工艺，本身具有较高的可靠性，即使有某一部件（如模块）发生问题，也决不会影响全局，而仅仅它所对应的回路有影响。整个系统照样正常工作，且设计中允许带电插拔，同时具有故障自诊断功能。因此，安全性也得到保证。
工程师／操作员站除替代了工程师站的工作，可进行软件组态、下装外，还可实时显示系统中各现场控制站传来的数据，以友好的人机界面实现操作人员对数据采集和控制过程的监视、操作，可用各种图表显示，形象直观，并可对任一现场控制站传送控制参数，且可把需要的信息打印输出或复制到软盘上，以便分析或长期保存。
十、系统配置方案
整个系统配置为：
1．工程师站/操作员站 4套
2．现场控制站 3套
十一、系统可靠性
1、 电源：
系统配备不间断电源（UPS），来保证DCS系统不会非正常退出，以应付突然断电等情况。DCS虽然有较强的适应性，但工厂用电难免要中断，而DCS在这种情况下很容易破坏程序和内部数据。
2、 接地：
DCS灵敏度很高。且输入输出都是小信号。锅炉房内电磁干扰很大，故进出DCS的信号线全部采用屏蔽线，屏蔽线层现场端悬空。DCS端接入接地母线，信号模件等地线同样接入接地母线，接地母线必须单独接地，不得接入其他接地以免引入浮电位。
3、系统冗余：
系统控制单元和采集单元都可以按冗余设计，其中一个器件出问题，能自动无扰动切换到备用器件。
4、信号隔离：
所有输入、输出信号全部经过光电隔离，隔离电压大于3000V，所有输入信号之间，输出信号之间，输入与输出之间无干扰和相互影响。
十二、DCS控制系统的作用
1、减少环境污染：
由于DCS控制系统很好地控制了风煤比，使锅炉处于经济燃烧状态，煤燃烧得干净彻底，使排向大气的有害气体和粉尘量大大减少，同时更提高了灰渣的质量，从而更有效地减少了环境污染。
2、延长锅炉使用寿命：
DCS控制系统使锅炉处于最佳工况，锅炉出热效率最高，送风量和引风量也正好合适，起到节能、延长锅炉使用寿命的效果。
3、保证锅炉出力稳定：
DCS的自动控制能使热能的供需量处于平衡状态，锅炉的出力始终处于设定值，波动很小，使锅炉出力稳定，提高了主蒸汽质量。
4、提高系统的安全性
系统设置了双重报警系统，并且有连锁停炉功能。可以先对危险的参数设置报警，提醒操作人员注意，以尽早发现事故隐患，减少事故的发生，如果工况继续趋于危险状态，系统将自动停炉，从而提高了系统的安全性。
5、减轻工人的劳动强度：
原来由操作人员完成的很大一部分工作，如调节进水量、给煤量、送风量、引风量、定时的运行数据记录等等工作，现在由DCS来完成，工作的劳动强度大大减轻了。
6、事故的可查性和对操作人员的考核：
一旦出现事故，可以通过系统记录的历史数据检查事故所发生的那段时间设备的运行数据，以便分析事故原因。也可以通过历史数据考核操作人员的操作设备的运行情况。
7、所有控制回路实现手动/自动无扰动切换：
系统能自动跟踪控制回路的动作方向、位置，在手动切换到自动、自动切换到手动时，能够手动/自动无扰动切换。
8、实现控制系统的自动化管理：
系统可根据历史数据自动生成报表。可以对煤耗量、出汽量、进水量等进行累计，计算热效率。利用DCS的通讯功能，连接到企业内部网络上，财务、供应部门可以利用DCS提供的数据实现对控制系统的自动化管理。
NETWORK 6000 MTBF(平均无故障时间)的计算
欧陆公司的MTBF指标来源于两种途径
1.对于有故障记录的组件采用如下方式进行计算：
MTBF＝(Number of units x Time)/(Number of Faults) hours
Number of units:已被应用的组件总数
Time:正常运行的时间，单位参考抽样周期。
Number of Faults: 失效的组件总数
2.对于无故障记录的组件采用如下方式进行计算：
MTBF＝(2 x Number of units x Time)/X2 hours
X2 :源于X2表n=2(k-1); k＝失效的组件总数，时间为一年；a＝1－可信度等级
以上两种计算方式均以一个月为采样周期，是以月为采用基数的。由于欧陆对已售出的组件有哪些正在使用或哪些被搁置不能完全确认。因此，欧陆在统计组件总数时假设已售出的组件的30%尚处于闲置状态。
DCS系统环境要求
一． 系统位置的选择
DCS系统的各组成单元应放在一起（彼此之间的距离不要太远）。
DCS系统的机房应远离高压电或爆炸危险的区域（或装置）。
二． 机房布置
建议用户设两个机房：一个放现场控制站，和各种接线端子柜，仪表柜等，另一个放工程师站和操作员站，两个机房相邻，中间用铝合金门窗隔开。
设计机房时，尽量不要设计得太小，太挤，应考虑以下几点：
1) 操作站周围要有足够的空间供接线操作和检查用，打印机台周围要有足够的距离，方便换纸，取报表等。
2) 控制柜周围留有足够的空间，便于开门和接线操作及检查用。
3) 考虑到DCS的通风和散热，室内应设空调，以满足DCS系统的环境温度要求。
三． DCS系统的环境要求：
a) 操作站：
1. 工作温度：10℃~35℃
2. 存放温度：0℃~60℃
3. 相对湿度：10%~90%(无冷凝)
4. EMC辐射：EN50081-2(工业标准)
5. EMC抗干扰：EN50082-2(工业标准)
6. 防护等级：IP54
b) 控制站：
1. 工作温度：0℃~50℃
2. 存放温度：-25℃~85℃
3. 相对湿度：5%~95%(无冷凝)
4. EMC辐射：EN50081-2(工业标准)
5. EMC抗干扰：EN50082-2(工业标准)
6. 防护等级：IP56
c) 静电防护措施，控制室需铺设防静电地板。
四． 电源要求：
1. DCS系统的所有设备必须用同一供电线路供电，即在控制室设一供电盘，所有DCS用电都用这一条供电线路供电。如果为了提高系统供电的可靠性，采用两条独立的供电线路供电，一条正常使用，一条备用，应注意两条线路要有正确的断路器切换装置，不可两路并连在一起。
2. DCS供电应专线供电，该线路上不允许有任何大功率设备。
3. 要核实供电电源的电压波动和频率波动范围是否超出DCS的供电要求指标，如果超过，则应在供电线路上设电源滤波器；核实供电线路上会不会有强电干扰，如果有，则在供电线路上应设隔离变压器。
4. 核实DCS的供电容量来设计线路的容量，特别是UPS的容量。
电源要求指标：
电压：200～240V AC；±5%。
频率：50±3Hz
波形失真：5%
五． 接地要求：
本DCS系统采用单独接地，一点接地方式，接地电阻应小于4欧姆，与其它接地点应有一定距离(建议大于50米)，尽量远离动力接地。
六． 信号电缆的铺设要求
信号线电缆应与动力线电缆隔开，信号电缆应采用屏蔽电缆。在电缆与外界的交界处，应采取防水，防鼠等措施。
DCS控制系统功率表
1. 电源功率及设备热负荷如下表：
|
设备名称
|
数量
|
供电
|
功率消耗
|
热负荷
|
|
单件
|
总计
|
单件（W）
|
总计（W）
|
|
操作站
|
4
|
220VAC,50HZ
|
360VA
|
1440VA
|
450
|
1800
|
|
控制柜
|
3
|
220VAC,50HZ
|
500VA
|
1500VA
|
625
|
1875
|
|
打印机
|
2
|
220VAC,50HZ
|
120VA
|
240VA
|
150
|
300
|
2. 控制室可参照中石化总公司标准SHJ6-88“石油化工企业控制室和自动分析器室设计规范”设计,具体要求如下：
室内照度不小于150x，室内应安装空调,确保无腐蚀性气体，或保持微正压，夏季温度为25℃±2℃，湿度60%±5%，冬季温度为22℃±2℃，湿度60%±5%，控制室应作屏蔽，磁场强度小于5奥斯特，本DCS与其它DCS相比，无任何特殊要求。]]>