大型高炉上DCS控制系统的应用分析

【摘要】本文主要分析了DCS控制系统在某钢铁厂2000m2高炉控制系统中的应用，包括其工艺流程、控制系统结构、以及网络构成和实现控制功能等。并分析了DCS控制系统如何实现保障高炉顺利生产、维持高炉系统稳定以及对其进行严密监测。

【关键词】大型高炉；DCS控制系统；控制站；历史站

集散控制系统（DCS）是由过程监控级和过程控制级组成的多级计算机系统，其以通信网络为联系枢纽将控制、通信、显示和计算机等合理有序的融合在一起，即以计算机为技术核心，运用通信网络将独立进行控制、采集、监视和操作的过程控制站、计算机站和数据采集站等组织成为一个完整的系统，实现信息资源共享。其理念就是集中操作、分级管理、分散控制。[1]它不仅具有控制功能齐全、开放性、可靠性、灵活性以及协调性等优点，还具有自身特有的技术工艺如冗余、小型、自诊断和开放等使其在工业过程控制方面得以广泛的应用。

1.自动化系统构成

本文中研究的该钢铁厂2000m2高炉采用的DCS控制系统开放性好、兼容性能佳，不仅可以实现不同厂家自动化设备的共同作业还可以与管理计算机进行信息传递。DCS采用的数据库是分布式结构，有效的降低了集中式数据库可能累积的高风险。并且用户可以随意的从该系统的某一点得到其在系统中的全部信息。该DCS控制系统有效的将仪表和电气的分工作业融合起来，简化了网络结构加快了网络速度，使得系统资源能够得以充分的运用，同时也便于系统的维护和控制。

DCS控制系统可以对大部分高炉工艺实施有效的监控，主要有：上料系统；高炉本体系统；焦炭和矿石储备、输送系统；煤气清洗系统；出铁场系统；水渣系统；无料钟炉顶系统；喷吹系统、热风炉系统和煤粉制备系统等，并且对炉顶余压发电系统的控制也实施了预留举措。[2]

DCS控制系统分为两级系统功能，其中一级是基础自动化，其主要功能是对高炉生产过程的数据进行收集和初步处理，可对生产的逻辑顺序进行控制也可对其生产过程的连续调节进行控制。在该钢铁厂选用的DCS控制系统中配置有控制站（DPU）、高速数据通信总线、操作员站（SUN工作站为其操作平台），硬拷贝机和打印机等，其中操作员站中有2台用作软件维护和系统组态，相当于工程师站。 每一个控制站按冗余方式进行硬件的配置，包括冗余的分布式数据存储器、Intel CPU和电源以及非冗余的输出继屯器、输入接线端子和I/O模件等。软件包括分布式数据库程序以及系统固化支持程序等。操作站间均可以交替使用。高速数据通信总线的数据信息途径以时间为界限进行分段广播，其在室外的部分采用光纤传播，室内的部分采用同轴电缆进行数字广播。其以以太网为信息传输媒介，可以与其他系统之间进行信息传递。

另外一级为过程控制级，其主要功能为对高炉生产过程设定数据，进行作业管理、数据处理、数据存储、控制计算和操作指导等。在过程控制级中共配有SUN工作站、打印机、硬拷贝机以及Pc终端机。以上配置与高炉原燃料之间可以通过调制解调的方式进行数据通信，其各单元之间也可以通过以太网和高速数据总线进行信息传递。以不间断电源装置对其进行供电，且其停电保持时间应不低于30min。依据不同的控制对像，控制设备被安置在相对应的控制室或电气室中，被安置在现场的远程I/O。

2.DCS控制系统对高炉的主要控制功能

2.1控制站的控制功能

DCS控制系统可依据高炉不同的工艺将控制站进行不同控制功能的分配，服务器是整个控制站中心，其主要管理系统的整个数据库，包含有系统组态、流程图、输出点和控制回路等。该控制系统可只建立一个工程就可将编辑监控画面、网络硬件组态和编程融合在一起。其可以满足各种画面的编辑，编辑后只需将其下载到相应的操作站即可，这一个控制程序涵盖了高炉的子控制系统。

控制台的主要的控制功能可做如下的安排：（1）采集和处理焦炭和矿石输送和储备系统状态以及称重等数据；控制输送皮带机上矿石原料的跟踪观察等控制振动筛、称量料斗闸门和矿石输送皮带机等设备的运转先后控制焦炭输送皮带机、转换溜槽和焦炭振动筛等设备的运转先后；控制补正焦炭的水分；补正矿石和焦炭的称量误差以及处理设备故障的报警。（2）采集和处理高炉自身的系统温度数据，控制炉顶系统设备的运行状态，控制炉顶各设备如排压阀、均压阀和密封阀等的运转先后以及控制料流调节；控制燃烧和送风温度等。（3）采集和处理高炉煤气和炉顶清洗系统以及热风炉系统的流量、温度及压力数据；控制炉顶压力；控制文氏管洗涤器的煤气差压和水位；监测高炉风口和冷却板等。（4）采集和处理喷吹煤粉系统设备的运转状态的数据，采集和控制喷吹煤粉的流量、温度和称重等的数据；并控制其设备运行的顺序和喷煤速率。（5）采集和记录水渣和出铁场系统的运转状态数据；采集和处理其称重、流量、温度和液位等数据；控制成品槽水清洗阀、事故阀、炉渣输送皮带机等设备；控制出渣方式和转鼓速度以及水渣设备运转程序等。[3]

2.2历史站的控制功能

历史站的主要控制功能是对高炉所有的生产数据进行历史记录，以数据反映部分生产的发展趋向，并将其以报表形式打印出来等。历史站中存储着重要的生产数据，因而保障历史站中的数据安全是极为重要的。为了满足数据存储的空间，系统应当选用双CPU模式，并使用冗余电源和网卡，以及大容量的硬盘，在本次研究的钢铁厂中其硬盘数量为8且存储量为40GB的硬盘，且8块磁盘均采用磁盘冗余阵列方式进行排列。在历史中报表可以以数据的形式存贮一个月时间，实现了无纸化报表，并且在该系统的网络上均可以对其进行抽调查看。[4]

2.3操作员站的控制功能

操作员站的操作系统为Windows XP，其软件安装版本为Ovation Developer Studio，且其需安装两块冗余网卡。操作员站的主要控制功能是实现生产操作和对生产进行监控，但不能随意更改编辑，若要更改则需在服务器上就进行操作，之后从服务器上下载到到相应的操作站。

3.DCS控制系统稳定运行的保障

保证DCS系统的运行的稳定是保障其对大型高炉合理控制的基础，但是DCS系统的故障却是一种无法完全避免的现象，因而我们只能通过对其的维护和调试以期减少这种现象的发生。系统故障发生的原因很多，针对其发生的原因可对其采取有针对性的防范措施。首先要对DCS系统中的服务器、控制器和通讯网络等设备进行冗余结构的配置形式，这样可以极大的增强其在对高炉进行控制时的稳定和安全性。其次要注重对系统的通讯功能进行维护，防止其因过重的负荷而发生故障。要确认通讯电缆之间连接的牢靠性，而且还要增强其抗干扰性。第三还要格外注重对DCS系统的冗余供电，可采用二级管脉冲给进以保障供电电源的供电不间断。[5]最后要增强对系统的软件管理，要采取有效的防干扰举措，在电子区域内严禁各种无线通讯工具的使用，靠近DCS系统的区域内要对大功率通讯工具限制使用。而且还需制定相应的DCS系统预警方案和应急措施，对系统各项设备进行合理的周期性的检修，将影响DCS系统稳定安全运行的隐患及早排除。

【参考文献】

[1]杜二冬.浅谈PLC在高炉控制和管理自动化中的应用[J].中国科技博览，2011（24）.

[2]张国菊.高炉矿渣超细粉库底全流程自动化控制系统[J].机械管理开发，2011（4）.

[3]刘龙.唐钢自动化公司炼铁高炉维检中心.数字技术与应用，2011（10）.

[4]张磊.浅析DCS锅炉自动控制系统的实现[J].科技与企业，2012（1）.

[5]黄巧林.基于DCS的锅炉电气自动控制系统的应用[J].中国电子务，2011（10）.

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