西门子DCS系统在某焦炉中应用技术的改进分析

李庆民（广东科达洁能股份有限公司，广东佛山，528313）



西门子DCS系统在某焦炉中应用技术的改进分析

李庆民
（广东科达洁能股份有限公司，广东佛山，528313）

根据某煤化工公司捣固焦炉的自动控制需求，应用西门子DCS系统进行了技术改造。本文总结了基于DCS系统下控制平台PCS7系统的设计流程，分析了调试运行期间DCS系统发生的问题，并提出了相应的解决方案，技术改造工程取得了良好的效果，对其他同类型项目具有一定的借鉴意义。

西门子；DCS系统；捣固焦炉；自动控制

引言

随着现代大型工业生产自动化产品的不断兴起，以及工业生产过程日益复杂的控制要求，DCS（Distributed Control System）分布式控制系统由于其结合了多方面先进的现代科技技术，可提供友好型窗口，具有人机界面互操作性强、通讯效能高等优点［1］，使得其在企业的生产、管理和控制中的应用越来越广泛。

1　焦炉项目简介

某煤化工公司地处西北某生态工业园内，占地1700亩，项目总投资38.5亿。该项目建设四组八座高度为5.5m，型号为TJL5550D的捣固焦炉炭化室。形成了焦炉煤气制甲醇和焦油加工生产线的配套建设，干焦年产量520万吨，化产每小时2×14万立方米，天然气年产24万吨，另有甲醇20万吨、炭黑13万吨，苯加氢10万吨等项目。

该煤化工公司的捣固焦炉由原化学工业第二设计院院设计的TJL5550D型，该焦炉全长15980mm、有效长15140mm、高5500mm、有效5200mm、炭化室平均宽500mm、锥度20、炭化室中心距1350mm、立火道中心距480mm、立火道32个。这四组八座焦炉一次性集成设计，整体设计较为负责。采用先进的干熄焦技术，为8座5.5Mx65孔的捣固焦炉共配套设计了4座处理能力为160t/h的大型化干熄焦装置（锅炉采用中温中压自然循环技术）。另外采用多项适用新技术和化产，采用双集气管高压氨水无烟装煤、推焦除尘地面站等国内先进的生产工艺。这些焦炉及其相关设备的控制系统采用了西门子公司的DCS系统。

2　西门子DCS系统的构成及特点

DCS系统是一种利用微机对信息进行分散式处理、最优化控制的系统，由现场仪表层、控制装置单元层、工厂（车间）层和企业管理层四层结构构成［2］。可实现工矿企业控制单元的模块化，具有分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活以及方便组态等诸多功能［3］。主要特点有稳定性高、开放性、灵活性好、易于维护协调、控制功能较全等，是在现代工业控制系统的主流控制系统。

DCS系统根据管理和操作权限的不同，在结构上分为过程级、操作级和管理级共三个层级，每个层级具有截然不同的功能和操作方式。操作级主要是完成系统的操作和系统结构的组态，主要分为操作员站和工程师站。管理级则用于企业高层的监控、决策和管理支持功能，主要是指工厂管理信息系统（MIS系统）。

DCS系统的控制具有功能强，性能高，算法多样，结构有序等优点。系统的构成灵活，管理便捷，可以使信息资源得到最大限度共享，同时又安全、可靠、方便。控制方式多样，控制技术先进，各种控制技术均可实现，甚至是特殊控制算法在需要时也可适宜地加入。除此以外，DCS是由多级计算机系统构成的，由网络通信为连接并由过程控制级以及过程监控级组成的。因而其组成方式灵活多变。其多样性体现在不仅体现在可以由各式各样的站点构成，例如操作员站、工程师站、记录站等。也可以由各种服务器构成，把显示、操作、打印等管理性功能集中在了一起。其中过程控制级是位于底层的，其对数据进行的收集，采样和控制都是由分散的现场控制站，数据采集站实现的，然后传送到生产监控级计算机。各种优化计算、故障诊断、显示报警、统计报表等来自过程控制级的数据由生产监控级进行集中操作管理。在计算机技术日益发达的前提下，DCS在实现计划的调度，仓储、能源的管理等方面发挥了重要的作用，并可以与更高级别、更高性能的计算机设备进行网络连接。

3　西门子DCS系统设计分析

3.1某焦炉DCS系统设计

该煤化工公司的焦炉控制系统采用西门子DCS系统中的PCS7 系统作为控制平台。根据焦炉运行操作的实际情况，结合DCS系统的层级划分，系统的过程级功能模块主要分为上升管压力控制子系统、炉底加热换向子系统、放散与煤气短缺子系统、焦炉本体子系统共四个子系统。这四个系统的硬件配置方面均采用西门子400系列冗余控制器。焦炉DCS系统控制网络结构图见图1，各子系统配置情况见表1。

图1　焦炉DCS系统控制网络结构图

（1）Proven系统就是上升管压力控制子系统，实时监测每个炭化室的压力、及时反馈所监测到的数据，以及控制压力是Proven系统的主要作用。在这个子系统中，正压表示在焦炉正常结焦的时候返回的压力；于此相反，在焦炉装煤的时候返还回来的压力就是负压。

表2　焦炉各系统硬件配置明细表

（2）Reversing系统即是炉底加热换向子系统。焦炉炉底加热换向有红绿两种，是系统利用西门子PCS7的现场总线控制功能（SFC）根据焦炉的温度变化情况而定的。

（3）Bleeder/gas-shortage系统就是放散，煤气短缺子系统。该子系统主要是被用于日常不正常工作状态的检测，如果管道压力过大，抑或是鼓风机系统吸力不足，炉顶的翻板会被系统自动控制打开，点火燃烧。以此来提高荒煤气使用效率，降低大气污染。

（4）焦炉本体子系统。焦炉内部配置都是与此相关的子系统，构成成分多样，功能齐全，变换方式灵活，应用领域广泛。

3.2某焦炉DCS系统的应用优势

（1）DCS系统在焦炉自动控制系统方面具有一定的技术先进性。就国内而言，西门子DCS系统在焦炉中的应用相对较少［4］。DCS集散自动控制系统的技术先进性可指导国内其他焦炉控制系统，为其提供经验，也让人们开始了对焦炉行业从粗放式经营到精细式控制.另外，DCS系统的应用也提高了炼焦工作的自动化程度，降低了人工成本，同时也使炼焦工作更能实现环保要求。

（2）以西门子Wincc为例即传统的HMI软件。这种HMI软件的编程人员的手工操作量相对较大，不仅要手动建立所需变量，而且还要手动建立各个监测点的输入、输出域。但DCS系统却能够自动生成控制单元，让焦炉的自动控制运行更加方便快捷。传统的HMI工作强度大，压力大且不易操作。相对于较为繁琐的控制单元来说，画面编辑与脚本程序编辑不能同时进行，需要单独操作。而西门子PCS7软件集两种编程于一体，分别为PLC编程和HMI 画面编辑。编程环境并不复杂，简约、通俗、易懂，用户若需要自动形成各个工艺监测点和控制单元，在编写完成控制程序后，只需按次序编泽后即可。

（3）更贴近符合用户需求的为工程师站+服务器+客户端模式。从西门子PLC编程软件Step7，HMI软件Wincc可以看出，对系统进行操作、维护的人员在添加新的检测点和控制单元时，既要在PLC中编写修改程序，又要在HMI软件中编写修改程序。并且不论域面有任何改动，每台电脑单独的程序更新都是必须进行的，且更新时一定要停止当前的监控状态（即需要退出并暂时停止系统的运行），等到工程人员拷贝完成并且运行正常后，才可以继续进行操作［5］。

4　西门子DCS系统在该焦炉中的问题及改进

4.1焦炉改造遇到的问题

在改造时发生了问题，即DCS系统的操作层级发生严重死机故障。

经过观察，发现问题主要有三点：一是DCS系统报警窗故障的发生；二是画面显示不清晰，都是坏点且切换缓慢；三是以致操作员站的总监控失去操控权，不能对设备的画面进行监视和操控。虽然当时采用了一些措施使系统恢复正常，即对AC软件重启，但是死机故障仍然不可避免，还是在几天以后再次发生，以致所有工程师站和操作员站都无法正常工作而失去功能。

问题分析：对DCS系统出现问题时的情况进行观察、检查与分析，发现某些进程所配备的动态内存空间是一定的，而当发现故障时，DCS系统服务器有些进程占用的内存太大了，从而导致超出预定空间，然而这些进程的超出又会导致一系列严重的后果，例如造成CPU负荷大，系统进程慢甚者瘫痪。即使在重新启动后恢复了正常，但这种处理方式只局限于表面还是不能从根本上解决问题。

4.2问题解决方法

鉴于以上两次事故，以及对问题深刻分析与探讨，作出了对机组的运行暂时停止的决定，并制定了如下解决方案：

（1）为了解决信号的稳定性问题，需要增加隔离器，增加对外供电模拟量的信号输入，从而因模拟量信号强烈波动导致对DCS系统内存资源的占用率将大幅降低；

（2）为减少系统运行负荷，不仅要对部分信号进行更改，还有逻辑系统采样时间以及分辨率；另外，还要对工程师站和操作员站在同一时刻打开画面的次数进行控制。

（3）可以对无效无用的报警点舍弃，为了增强报警系统恢复到初始功能时的状态要控制系统报警点，以此降低系统压力。

4.3改进结果

在以上各项措施实施以后，占用容量的情况有所改善，不仅对系统内的进程容量进行扩充，AC进程更是从312Mbytes降低到120Mbytes。在此之后，对机组点火启动，DCS也不会严重死机，通信状况也有所改善，阻塞中断现象没有再发生，吹管也随后顺利完成。寄存器的参数经过调整转变为：AC、CC为384Mbytes（原始默认值：128Mbytes），ARC196Mbytes（原始默认值：64Mbytes），RC128Mbytes（原始默认值：64Mbytes），PDS256Mbytes（原始默认值：128Mbytes）。

5　结束语

通过分析研究得出如下结论：

（1）西门子DCS系统在焦炉自动控制系统中的应用符合实际工程需求，具有广阔前景；

（2）西门子DCS系统在焦炉自动控制系统应用中具有较好的技术先进性、操作友好性和维护方便性；

（3）西门子DCS系统在焦炉自动控制系统应用时，需要对系统的容量进行充分的冗余考虑，这样可以避免系统死机等事故的发生。

最终，通过对该煤化工公司焦炉自动控制系统中采用的西门子DCS系统PCS7设计、应用、分析及实施技术改造，说明西门子DCS系统具有较好的稳定性和实用性，对国内其他同类型项目的应用具有一定的借鉴意义。

［1］罗颖坚.西门子TELEPERM XP分散控制系统在台山电厂的设计应用［J］.广东电力，2006，（4）.

［2］西门子发布分散控制系统SPPA T-300q［Z］.中国电力，2006，（10）. ［3］张华平.西门子DCS在沙钢7.63m焦炉中的应用［Z］.冶金动力，2012-08-15.

［4］郑宇. 西门子DCS系统在大型焦炉中的应用［J］.科技情报开发与经济，2009（7）.

［5］张澎涛等.西门子SPPA T-3000 DCS系统的应用与优化［J］，内蒙古电力技术，2008（4）.

李庆民（1966-），男，本科，河北工程大学，自动化高级专家。研究方向：自动化设计与制造。

E-mail: lqm@vip.163.com

Analysis Improvement on Application Technology of SIEMENS DCS System in Certain Coke Oven

Qingmin Li
（KeDa （Guangdong） Clean Energy Company Limited， Guangdong， Foshan， 528313， China）

According to the requirements of automatic control of the coal chemical company with the coke oven， the SIEMENS DCS system is designed and applied. The PCS 7 as control platform of the DCS is designed in detail， and alsothe superiority of the application of SIEMENS DCS system is analyzed. Finally analyzing fault occurrences of the DCS system during debugging and running ， putting forward the corresponding solutions，and effect is good， for have a certain reference significance to others.

SIEMEN； DCS System； Coke Oven； Automatic Control

TQ525

A

2095-8412 （2016） 03-532-04