DCS系统论文104.docx

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DCS系统论文104

DCS系统在

制药行业中的应用及维修

韩家麟

东北制药总厂

指导教师：

吕慧

2009-9-29

前言：

DCS---又名集中管理分散控制系统，是集计算机技术，控制技术，通讯技术和CRT技术为一体的综合性高技术产品，DCS通过操作站，对工艺过程进行集中监视，操作，管理，又通过控制站对工艺过程各部分进行分散控制。

既不同于常规仪表控制系统，又不同于集中式的计算机控制系统，而是集中了两者的优点，克服了它们各自的不足。

DCS以其可靠、灵活性、人机界面友好性及通讯的方便等特点日益被广泛应用。

一、DCS系统的概述

1.DCS系统推出的初衷

DCS系统的推出并逐步发展成为过程控制领域的主角是由于以下几方面原因：

1.1现代化的生产工艺系统日趋大型化，复杂化，需要检测和控制的参数大量增加，使得传统的仪表控制系统显得难以胜任，势必得另辟蹊径。

1.2传统的仪表控制系统通常使用多个生产厂家提供的产品，使得工艺生产所需的备品备件品种繁多，为此而化费大量人力物力，并且工艺生产中相当程度上依赖这些仪表生产厂商。

这一状况也希望有所改变。

1.3数字电路技术的迅猛发展，尤其是大规模集成电路技术的应用，集成度以及成品率大幅度提高，使得在过程控制中大量使用微处理器在成本上成为可能。

1.4自动化控制理论的发展，特别是连续系统离散化理论，采样理论，这些理论大大地推进了过程控制从传统的仪表控制系统向DCS系统变革的进程。

1.5通讯理论和技术的发展，在对局域网（LAN）的大量研究过程中，通讯理论和技术得到了极大的发展和完善，这方面对DCS系统发展的影响是举足轻重的。

1.6计算机应用技术的发展，为计算机在过程控制系统中的应用奠定了基础，计算机和操作人员之间有了良好的界面，使不具备计算机专门知识的操作人员乐于接受。

1.7关于DCS系统提供了一些独特的控制功能，如历史数据和实时数据的管理，性能计算等等。

这一点是传统的仪表控制系统所无可比拟的，正是由于DCS的这些优势，把过程控制推向一个新的更高层次的领域。

2、系统特点

2.1系统采用分布式结构，在开放式的冗余通讯网络上分布了多台系统组件，这些系统组件带有独立的功能处理器，每个功能处理器都是为了完成特定的任务而进行组态和编程，一旦完成组态和编程，功能处理器可独立于任何上位计算机，（工程师站或操作站）并按组态自行工作。

位于此冗余通讯网络上的操作站与工程师站是系统的人-机界面。

2.2用于现场控制的过程控制单元其物理位置分散、控制功能分散、系统功能分散，而用于过程监视及管理的人-机接口单元显示，操作，记录，管理功能集中。

该系统将安装在生产装置的控制室内经过现场调试、配上电源、接上输入输出信号就可满足本装置的生产监视，过程控制、操作画面、参数报警、数据记录及趋势等项的功能要求，并能安全可靠的运行系统以功能分为，主要有操作站、控制站（工程师站）和网络三部分。

操作站是操作员了解各装置全部信息的接口单元是实现控制显示全部的过程变量及参数，记录趋势显示报警管理报表打印和系统运行状态监视等功能，是整个控制系统的人机交换界面。

控制站是完成信号的采集、转换、控制等功能及用于组态和维护。

网络将各站联系在一起，实现各站数据和信息的传递，并通过它和其它管理网络的连接，实现综合信息的控制管理。

3、系统组成

3.1过程控制器通过智能型过程I/O硬件，连接端子及必要的信号处理，完成连续的，离散的、顺序的控制及数据采集功能，过程控制器集中在装置控制室的机柜内。

3.2作为人-机接口的CRT操作站/工程师站、打印机等外部设备安装在中控室，附加的上位管理机网络的计算机则分散在各管理岗位，如调度室，总经理办公室等等。

3.3系统组件（过程控制器、操作站和工程师站）之间是通过高速数据公路进行通讯，系统中全部变量更新周期至少1次/秒，重要变量的更新周期为10次/秒。

3.4建立全公司上位机生产管理网络。

网络应能实时采集系统中所有监控数据。

4、输入/输出信号类型

DCS的过程控制器应能直接接收或处理以下各种类型的输入和输出信号：

4.1模拟量输入

4.1.1热电偶（TypesJ,K,E,R,S,T,B）

4.1.2热电阻（RTD）（Typespt100等）（如：

一体化温度变送器，露点变送器）

4.1.34—20mADC二线制电流信号（如：

压力变送器，差压变送器，温度变送器、涡街流量计，PH计）

4.1.44—20mADC有源电流信号DC电压信号

4.1.5脉冲频率信号

有源无源是对变送器而言，如无源需要提供电源，由板卡提供24V或由配电器提供电源。

4.2数字量输入

4.2.1干接点（如：

搅拌电机备妥信号状态显示，气动切断阀反馈接点）

4.2.2有源接点（如：

音叉料位计不提供24V，提供24V叫无源）

4.3模拟量输出

4—20mADC二线制电流信号

4.4数字量输出

4.4.1干接点（如：

继电器的闭合触点。

）

4.4.2有源接点

5、系统功能要求

5.1控制功能

过程控制器可以实现连续的和离散的功能，用户能够方便地定义控制器的多种处理速度，以不同的速度运行连续控制和联锁逻辑控制，控制器应具有双CPU，组态为1：

1冗余，系统具有在线编程和修改的能力，新的控制功能块可以插入正在运行程序中的任何位置，经在线仿真确认其正确后，传送到高速公路上相应的控制器，而不影响系统的正常运行。

5.1.1连续控制

过程控制器可以完成基本的调节和先进的控制，控制器至少应提供以下算法：

---各种PID控制

---平方/开方

---加/减/乘/除四则运算

---分段线性化

---超前/滞后

---延时

---高/中/低选择苦

---变化率限制

---质量流量补偿运算

---累积、平均

---采样和保持

---用户自定义的功能块

---硬/软操作器接口

5.1.2离散控制功能

在离散控制中至少应提供以下算法：

---开关控制

---与、或、非逻辑

---计数/计时

---用户自定义的功能块

5.2画面功能

CRT画面为操作员了解生产过程状态提供了显示窗口，并能支持以下几类画面。

5.2.1总貌画面

显示系统各设备、装置、区域的运行状态以及全部过程参数变量的状态、测量值、设定值、控制方式（手动/自动状态）、高低报警等信息。

从各显示块可以调出其他画面。

5.2.2分组画面

以模拟仪表的表盘形式按事先设定的分组，同时显示几个回路的信息：

如过程参数变量的测量值、调节器的设定值、控制方式等。

变量值每秒更新一次，分组可任意进行，操作员可从分组画面调出任一变量（模拟量或离散量）的详细信息。

对模拟回路可以手动改变设定值、输出值、控制方式等：

对离散量可以手动操作设备的开启和停止，画面显示出指令状态和实际状态。

5.2.3单点画面（调整画面）

显示一个参数、控制点的全部信息以及实时趋势和历史趋势。

从调整画面也可以直接对模拟回路进行设定、调整操作。

5.2.4趋势画面

系统具有显示高速公路上任何数据点趋势的能力，并在同一座标轴上显示至少四个变量的趋势记录曲线，有可供用户自由选择的参数变量、不同颜色和不同的时间间隔，也可以对数据进行任意放大显示。

5.2.5报警画面

显示当前所有正在进行的进程参数报警和系统硬件故障报警，并按报警的时间顺序从最新发生的报警开始排起，报警优先级别和状态用不同的颜色来区别，未经确认的报警处于闪烁状态。

但系统运行出现异常，发出声光报警信号，越线的过量程的显示数字由绿变红，提醒操作人员及时处理，声光报警系统有试验和消音功能。

报警内容包括：

---报警时间

---进程变量名

---过程变量说明

---过程变量的当前值

---报警设定值

---过程变量的工程单位

---报警优先级别

5.2.6；图形画面

生产装置的图片、工艺流程图、联锁逻辑图画面、报表显示画面、计量仪表显示画面、设备简图、单线图等都可以在CRT上显示出来，每个画面都包括字母数字字符和图形符号，通常采用可变化的颜色、图形、闪烁表示过程变量的不同状态，所有过程变量的数值和状态每秒动态刷新。

操作员在此画面对有关进程变量实施操作和调整。

5.2.7棒图

棒图可以表示过程变量的变化，如棒图表示塔的液位，棒图能以水平或垂直方式显示，每屏可根据用户需求显示任意点水平棒图或垂直棒图。

5.3报表功能

5.3.1DCS按照预先定义的格式打印报表，报表数据的收集和打印是按照用户定义的时间间隔自动进行，报表打印通常采用事件驱动方式或操作员命令方式，报表软件将自动产生所有的标题和表头。

5.3.2报表类型如下：

a）有格式报表

b）无格式报表

c）事件顺序报表

d）诊断报表

e）设备操作报表

f）过程变量趋势

5.4历史数据存储功能

DCS应对报警、联锁、操作指令的变化等事件及其日期、时间作为历史数据加以储存。

应有足够的能记录半年以上历史数据的存储间，并具有可扩充至外部存储设备如光盘等。

当发生数据丢失及存储空间剩10%空间时应有报警。

二、DCS系统的应用

某制药企业选用的HC900控制器是美国HoneyWell公司在2002年推出的新一代自动化产品。

HoneyWell公司是世界上第一家推出集散式控制系统的厂家，也是目前世界上最著名的DCS生产厂家之一。

该企业使用的是CTN-2000生产过程控制系统，它集成了美国HoneyWell公司的HC900控制器硬件和组态软件（iFIX）等集散控制系统与现场电子、执行器等，实现分布式过程控制。

具有Client/Server或对等网络结构，在工程师站完成控制器组态和监控站组态，实现整个生产过程的自动控制。

该企业计算机控制系统的模拟量、数字量输入输出的检测点位高达400多个，涉及到的仪阀门表主要有：

PLC可编程序控制器、压力变送器、差压变送器.、一体化温度变送器、一体化质量流量计、一体化内锥流量计、露点温度变送器、智能电气阀门定位器、涡街流量计、音叉式液位开关、PH控制调节仪、智能氧分析仪、电子称重仪、自力式压力调节阀、电磁阀、电动开关阀、气动开关阀、气动单座薄膜调节阀等。

该企业工艺过程控制系统在功能上主要分成操作站，控制站和网络三部分：

1）操作站：

实现控制、记录趋势显示、报警管理、报表打印和系统运行状态监视等功能，室整个控制系统的人机交换界面。

2）控制站：

完成信号的采集、转换、控制等功能。

3）网络：

将各站联系在一起，实现各站数据和信息的传递，并通过它和其他管理网络的连接，实现综合信息的控制管理。

系统控制功能多样化，一般都具有几十种运算控制算法或其他数学和逻辑功能，如四则运算、逻辑运算、前馈、超前控制、PID控制、自适应控制和滞后时间补偿等，还有顺序控制和各种连锁保护、报警功能。

根据控制对象的不同要求，把这些功能有机的结合在一起，能方便地满足系统的要求。

例如加碱控制：

首先根据要求设定好三个联锁值，其联锁逻辑如下：

PH设定：

在反应过程中，只要在线检测的PH值大于或等于设定的PH值，加碱的调节阀就自动关闭。

温度设定：

在反应过程中，只要在线检测的料液温度值大于或等于设定的温度值，加碱的调节阀就自动关闭。

加碱量设定：

在反应过程中，只要加碱的累计量大于或等于设定的加碱量，加碱的调节阀就自动关闭。

过筛包装放料阀联锁控制:

V1750液位报警

V1700液位报警

1．应用效果

DCS系统的应用，实现了制药工艺的连续化、密闭化，提高了测量精度。

各项经济技术指标，有较为明显的变化。

按每公斤，降低生产成本一元钱计算，年产4000吨，年增效达400万元。

DCS控制系统与模拟仪表控制经济指标对比表

改造前

改造后

数据对比

收率

88.44%

90.17%

1.73%

设备故障率

2.73%

2.21%

-0.52%

原料消耗（元／Kg）

1.8738

1.6925

-0.1813

能源成本（元／Kg）

1.7100

1.2200

-0.4900

产品成本（元／Kg）

28.9447

27.8200

-1.1247

三、DCS系统的故障诊断

DCS系统在工业生产过程的广泛应用，使可靠性、稳定性问题更加突出，也使人们对整个系统要求越来越高。

人们希望DCS系统尽量少出故障，又希望DCS系统一旦出现故障，能尽快诊断出故障部位，并尽快修复，使系统重新工作。

下面简单介绍故障大体分类及故障诊断的一般方法。

1、DCS系统故障的分类

为了便于分析、诊断DCS系统故障发生的部位和产生原因，可以把故障大致分为如下几类。

1.1现场仪表设备故障

现场仪表设备包括与生产过程直接联系的各种变送器、各种开关、执行机构、负载等。

现场仪表设备发生故障，直接影响DCS系统的控制功能。

在目前的DCS控制系统中，这类故障占绝大部分。

这类故障一般是由于仪表设备本身的质量和寿命所致。

1.2系统故障

这是影响系统运行的全局性故障。

系统故障可分为固定性故障和偶然性故障。

如果系统发生故障后可重新启动，使系统恢复，则可认为是固定性故障。

这种故障一般是由系统设计不当或系统运行年限较长所致。

1.3硬件故障

这类故障主要指DCS系统中的模板（特别是I/O模板）损坏造成的故障。

这类故障一般比较明显且影响也是局部的，它们主要原因使用不当、使用时间较长或模板内元件老化所致。

1.4软件故障

这类故障是软件本身所包含的错误所引起的。

软件故障又可分为系统软件故障和应用软件故障。

系统软件是DCS系统带来的，若设计考虑不周，在执行中一旦条件满足就会引发故障，造成停机或死机等现象。

此类故障并不常见。

应用软件是用户自己编定的。

在实际工程应用中，由于应用软件工作复杂，工作量大，因此软件错误几乎难以避免，这就是要求在DCS系统调试及试运行中十分认真，及时发现并解决。

1.5操作、使用不当造成故障

在实际运行操作中，有时会出现DCS系统某功能不能使用或某控制部分不能正常工作，但实际上DCS系统并没有毛病，而是操作人员操作不熟练或对连锁关系不清楚导致的操作错误。

这对于初次使用DCS系统的操作人员较为常见。

2、故障的分析诊断

DCS系统一旦出现故障，正确分析和诊断故障发生的部位是当务之急。

故障的诊断就是根据经验，参照发生故障的环境和现象，现场检测元件一次变送仪表按照线路、元件、模块、插件、单元、系统来确定故障的部位和原因。

DCS系统故障诊断可按下列步骤进行。

（1）是否为使用不当引起的故障。

这类故障常见的有供电电源错误、端子接线错误、模板安装错误、现场操作错误等。

（2）是否为DCS系统操作错误引起的故障。

这类故障常见的有某整定参数整定错误、某设定状态错误造成的。

（3）确认是现场仪表设备故障还是DCS系统故障。

若是现场一次仪表故障，可用测量电压、电流、电阻的方法来判断故障，修复相应现场仪表。

（4）若是DCS系统本身的故障，应确认是硬件毛病或是软件故障。

（5）若是硬件故障，找出相应硬件部位，也可用替换比较法确定后，更换模板。

（6）若是软件故障，还应确认是系统软件或是应用软件故障。

（7）若是系统软件有故障，可重新启动看能否恢复，或重新装载系统软件重新启动。

（8）若是应用软件故障，可检查用户编写的程序和组态的所有数据，找出故障原因。

（9）利用DCS系统的自诊断测试功能，DCS系统和各部分都设计有相应的自诊断功能，在系统发生故障时一定要充分利用这一功能，来分析和判断故障的部位和原因。

四、结论

DCS系统拥有操作便捷，可视化程度高、远程控制迅速等优点。

对于系统的维护工作，关键是要做到预防为主，作为系统维护人员应根据系统配置和生产设备控制情况，制定科学、合理、可行的维护策略和方式方法，做到预防性维护、日常维护紧密配合，进行系统的、有计划的、定期的维护，保证系统在要求的环境下长期良好地运行，使生产过程控制平稳、运行稳定，为实现生产和效益的目标，提供可靠保证。

现场仪器仪表与计算机控制系统有机的良好的结合，更能发挥出它们应有的强大作用，成为企业实现安全、稳定、连续、高效、优质生产的重要保证，取得显著的经济效益。