《化工仪表及自动化》课程论文

化工仪表及自动化课程论文题 目：DCS技术在化工自动控制中的应用学 院：生命科学与化学学院姓 名： 杨 国 涛 专 业： 化学工程与工艺 学 号： 292090137 任课教师： 秦 云 霞 订稿日期： 2011年11月10日原创性声明本人郑重声明：本人所呈交的论文是在指导教师的指导下独立进行研究所取得的成果。论文中凡是引用他人已经发表或未经发表的成果、数据、观点等均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内容外，不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：杨国涛 2011年11月10日 论文指导教师签名：目 录原创性声明1目 录2 摘 要3 关键词31.化工行业基本现状41.1 我国化工企业自动控制水平现状41.2 化工行业特点42.DCS的概念及特点52.1 DCS的概念52.2 DCS的特点53.DCS的体系结构和系统的功能63.1 DCS的体系结构63.2 DCS的体系结构的技术特点63.3 系统的功能74.DCS在化工行业中的应用和市场占有情况84.1 应用水平84.2 市场占有情况85. DCS技术在化工行业中的应用情况85.1 炼油厂DCS 应用情况85.2 DCS 在乙烯装置上的应用情况95.3 聚氯乙烯（PVC）装置中DCS的应用情况96.DCS技术的发展展望96.1 新型DCS的特征106.2 新型DCS的突出优点106.3 DCS技术的发展关键问题10参考文献12致 谢13DCS技术在化工自动控制中的应用杨国涛（甘肃省天水师范学院 741001）摘 要 最近十多年以来，自动控制技术在我国石油化工行业中得到了广泛应用，特别是在采用DCS 技术进行过程控制方面取得了长足进展。据统计，在我国石化企业中已有200 多套DCS 投入使用。这些系统在提高企业生产自动化水平、保证安全稳定生产、提高控制精度及节能降耗等方面发挥了重要作用。关键词 DCS；控制系统；石油；化工；塑料合成Application of DCS in Chemical Autocontrol SystemYang Guotao（Tianshui Normal University of Gansu Province，741001）Abstract In the past ten years, automatic control technology has been widely used in the petrochemical industry of China, especially in the use of DCS for process control technology has made considerable progress. According to statistics, more than 200 sets of DCS have been put into use in Chinas petrochemical enterprises .These systems have played an important role in improving production automation level ,ensuring safe and stable production, and improving control accuracy and energy consumption.Key words DCS；Control system；Oil；Chemical；Plastic synthesis DCS技术在化工自动控制中的应用化学工业是国民经济的支柱产业,具有资金密集、能源密集、技术密集的特点。同时,化学工业工艺复杂、经常处于高温、高压的恶劣工作环境中,原料多为易燃、易爆、有毒物品， 可靠有效的控制与保护措施就是保证安全生产和优质高产的重要手段1 。1.化工行业基本现状1.1 我国化工企业自动控制水平现状当前我国化工行业的自动控制现状总体较为落后,改革开放后经过20余年的发展,部分大型企业达到了20 世纪90 年代初国际水平,具体应用状况表现如下:（1）现场仪表应用常规仪表是化工自动控制的重要检测工具,通用性很强,广泛用于化工企业的流量、压力、液位、温度等工艺参数检测和控制。分析仪表是检测化工生产中化学成份不可缺少的工具,特别是随着环境保护、提高产品质量和节约能源的要求,分析仪表的作用越来越明显。80年代以来,在线工业流程分析仪表较多地得到应用,把成份信号引入调节系统和计算机系统。石油化工生产中, 采用色谱仪分析裂解炉出口裂解气、乙烯、丙烯等组份含量；其它化工厂中的聚氯乙烯、氯碱、农药生产中,分析器都被作为有效成份检测工具；工业锅炉、煤加热器等设备的燃烧控制,精馏过程中的产品组份分析都用了不少分析器。目前化工系统所用的各种型号的分析器较多,据不完全统计,化工企业所用的工业流程分析器达30 多种2。（2）中央控制器配备目前我国大部分化工企业装备了基于PLC(可编程控制器) 系统或DCS(集散控制系统) 的自动控制系统。其中，PLC用于程序控制、顺序控制和连续生产过程控制,具有使用方便、可靠性较高、维护费用相对较低的优点。其主要特点是利用计算机的逻辑运算代替传统继电器的逻辑运算,但其缺点是模拟量功能相对较弱,在化工企业的生产过程大量的模拟量信号处理中必须依靠复杂的编程来实现。而DCS是在运算放大器的基础上用计算机的模拟运算代替原来的模拟运算,在控制多个模拟量回路时很有优势,并且DCS开发的冗余功能被广泛采用, 成为许多控制方式的借鉴点。但其缺点是安装和维护费用较高, 逻辑运算速度较慢, 传输距离有较大限制,最大的问题是由于系统的不开放性,不同厂家的产品不能互换,限制了用户的选择范围。据2000年的不完全统计,目前我国应用PLC控制造气生产的小化肥厂已达78.43%；应用DCS控制生产的中型化肥厂已占65.38%,应用PLC 的占28.1%。氯碱系统使用PLC 占17.97%,使用DCS 比例为23.03%3。1.2 化工行业特点（1）资源依赖性强：化工行业所依赖的资源主要是矿产、水和石油。这三种资源在我国都非常缺乏,开采和利用方式粗放、综合利用水平低、浪费严重,所以节约资源已成为首要解决的问题。（2）技术依赖性较强：准确选择化工发展领域和把握技术未来的发展趋势对化工企业而言至关重要,但目前我国化工企业的新产品、新技术严重不足,技术问题是影响其发展的最大瓶颈。（3）连续型大规模生产：化工企业采用的是典型的连续型大规模生产模式, 原料在产品成本中占有很大的比重, 车间自动化程度相对较高, 对反应装置、仪表、设备状况要求很高, 在不进行项目技术改造的前提下, 生产过程中节约能耗难有大的突破。由于生产的周期相对较长,产品的价格受原料价格波动的影响较大。（4）生产流程特殊化：化工行业通过能源、设备和其他资源来混合或分离、萃取、化合各种成分, 并引起化学反应,所以每个工序上都可能要求输入某些新的成分或资源(原材料、催化、人工、机器设备、能源等),并生产多项产出物。（5）设备专业化：化工行业存储设备多为罐、箱、柜、桶等,且多数存储的数量可以传感器进行计量。生产设备是一条固定的生产线, 维护特别重要,不能发生故障,一发生故障,就全线停产,损失严重。当供需变化时,只能靠调整工艺流程参数维持生产,不能中断。2.DCS的概念及特点2.1 DCS的概念DCS是分布式控制系统（DistributedControlSystem）的英文缩写，在国内自控行业又称之为集散控制系统。DCS可以解释为在模拟量回路控制较多的行业中广泛使用的，尽量将控制所造成的危险性分散,而将管理和显示功能集中的一种自动化高技术产品。DCS一般由五部份组成：控制器、I/O板、操作站、通讯网络和图形及遍程软件。2.2 DCS的特点DCS是计算机技术、控制技术和网络技术高度结合的产物。DCS通常采用若干个控制器（过程站）对一个生产过程中的众多控制点进行控制，各控制器间通过网络连接并可进行数据交换。操作采用计算机操作站，通过网络与控制器连接，收集生产数据，传达操作指令。因此，DCS的主要特点归结为一句话就是：分散控制集中管理。与其他控制系统相比，DCS主要有以下优点：（1）高可靠性。由于DCS将系统控制功能分散在各台计算机上实现，系统结构采用容错设计，因此某一台计算机出现的故障不会导致系统其他功能的丧失。此外，由于系统中各台计算机所承担的任务比较单一，可以针对需要实现的功能采用具有特定结构和软件的专用计算机，从而使系统中每台计算机的可靠性也得到提高。 （2）开放性。DCS采用开放式，标准化、模块化和系列化设计，系统中各台计算机采用局域网方式通信，实现信息传输，当需要改变或扩充系统功能时，可将新增计算机方便地连入系统通信网络或从网络中卸下，几乎不影响系统其他计算机的工作。3.DCS的体系结构和系统的功能3.1 DCS的体系结构基本的DCS系统结构由运行员操作站、过程控制站、工程师工作站和数据采集站四部分组成4，其体系结构图如图所示。DCS的体系结构示意图3.2 DCS的体系结构的技术特点（1）信息集成化主要包括：DCS系统各站通过网络实现信息交换；系统网络注重实时性、可靠性和数据通信能力；网络通信协议对系统性能有重要影响；DCS的网络通信不仅要注意数据传输的能力，还要注重考虑信息的表达方式。（2）控制功能的分散化具体地说，从仪表的角度看，DCS具备了传统仪表不具备的通信功能；从计算机的角度看，DCS将系统功能分散到不同设备中完成，并通过网络进行数据交换与协调；DCS的检测、计算与控制在现场控制站完成，人机界面由操作站实现；DCS系统有多台现场控制站、操作站，分别对各自控制对象实施控制与监视。3.3 系统的功能（1）运行员操作站：运行员操作站主要完成人机界面的功能。现在普遍用PC 机加专用网卡和专用监控软件组成。运行员操作站是操作人员进行生产过程的监视、操作的主要设备,运行员操作站提供良好的人机交互界面,用以实现集中显示、集中操作和集中管理等功能。（2）过程控制站：过程控制站是DCS的核心，直接与生产过程相连接,对过程变量进行检测和处理,并产生控制信号驱动现场的执行机构,实现生产过程的闭环控制。过程控制站的性能和可靠性是系统整体性能的重要保证，因此对它的设计、生产及安装要求都很高。过程控制站内部分为逻辑部分和现场部分。逻辑部分主要由起数据处理、计算和存储的计算机和存储器等组成，现场部分主要由连接现场仪表的I/O接口电路构成。逻辑部分和现场部分的连接一般使用内部并行总线和串行总线。由于串行总线具有结构简单、成本低、易隔离、易扩展、便于远距离传输等并行总线不具备的优点，因此连接方式在向串行总线方向发展。（3）工程师工作站：工程师工作站的主要作用是对DCS进行应用组态。通过应用组态，能够对DCS上的各种资源进行合理配置，使DCS成为一个符合实际要求的可运行系统。工程师工作站主要用于对DCS进行离线的组态工作和在线的系统监督、控制与维护,工程师能够借助于组态软件对系统进行系统生成、离线组态、并可在DCS运行时实时监控DCS网络上各站的运行情况。DCS在线运行中，工程师工作站也可以对系统重新组态，根据需要改变系统的配置和定义。（4）数据采集站：数据采集站是集散控制系统的中枢,作用是保证系统各部分之间有效的数据传输和信息共享，实现系统的总体功能。正是通过数据采集站实现了各部分的集成，分散控制才有意义。可认为DCS的结构实质是一个网络结构。目前广泛采用的网络技术是以太网技术。有效的数据传输包含数据的实时性、完整性和一致性。实时性要求对现场信号的采集、控制决策和控制信息的输出应该在确定的时间周期内完成，这是控制系统的一个显著标志。完整性要求采集的信息和控制器输出的控制信息是完整的，否则会降低控制效果。一致性是系统整体有序运行的可靠保证。（5）管理计算机：管理计算机主要功能是完成监督控制层工作，负责对各现场控制站运行状态进行监视和控制，向更高层提供实时数据，实现高层对生产管理。综上所述，DCS在过程控制中起直接控制、监督控制和生产管理的作用5。4.DCS在化工行业中的应用和市场占有情况DCS自1975年问世以来，已历经几代发展。我国炼油化工系统于1981年首先应用。由于DCS具有运行安全可靠、使用方便、灵活、直观等特点，应用领域不断扩大，应用水平也在提高。4.1 应用水平20世纪80年代中期，炼油化工系统所应用的DCS基本上是替代常规模拟仪表的动作，DCS的功能没有充分发挥。20世纪80年代末，注重DCS功能的开发应用，利用现代控制理论，探讨先进控制策略，实现多变量控制、优化控制和工艺装置联锁保护。例如高桥公司炼油厂1#常减压装置采用SPECTRUM系统与FOX-300上位机，除对全装置实现常规控制外，还充分发挥了DCS信息采集功能、通信功能和运算功能强的优势，并以此为依托，与浙江大学合作开发常压塔集成优化系统，利用人工智能方法构造上级协调系统，开发了常压塔整体智能决策与优化专家系统，技术处于国内领先地位，并达到了国际水平。随着分散型控制系统向智能化、开放化发展,我国一些炼厂大面积地选用美国FOXBRO公司的开放型I/A SDCS。如独山子炼油厂己在延迟焦化、重整加氧、芳烃抽提、酮苯脱蜡、糖醛精制等装置选用,并在DCS上完成了一些复杂软件控制，如采样控制、Smith预估计补偿、气压机防喘振等。4.2 市场占有情况我国炼油化工系统所用的DCS引进的较多，有美国、日本、德国、英国、意大利、澳大利亚等国家14个公司的不同型号的产品，约占总套数的73.77%，其中日本横河公司和美国霍尼韦尔公司为最多，分别占23.42%和17.81%。据不完全统计，大型化肥厂、大型乙烯厂100%采用DCS控制生产，中型化肥厂有65.38%厂已用DCS 控制生产。我国除了在大型进口设备成套引进中引入国外的DCS和石化等行业改造设计中采用国外DCS以外，经过20多年的努力，国内已有多家生产DCS的厂家，其中和利时、浙江中控、上海新华三家已具有相当规模。目前，三家公司积极努力，通过竞争成功地将自主系统应用于各种工业现场，正在逐步取得用户的认可。可以说，三家公司最大的贡献是把国外的DCS价格降到了原来40以下，为DCS 在国内工业企业的普及应用，特别是在中小型企业中的应用做出了贡献。5.DCS技术在化工行业中的应用情况5.1 炼油厂DCS 应用情况自从1983 年高桥石化公司炼油厂引进SPECTRUM系统用于常减压装置过程控制以来， 我国炼油行业相继有20多家企业用DCS进行自控改造。高桥石化公司炼油厂与浙江大学合作，以DCS、单回路调节器和FOX-300、IBM-S/I上位机，在不同的装置上建立数学模型，开发专家系统，实施局域优化控制，取得了314万元的经济效益。大型加热炉燃烧控制是节能显著的控制系统，各DCS应用企业都开发了应用软件。有的根据烟道氯氧含量进行燃烧热效率计算和显示，再根据氧含量和算出的热效率去控制入炉空气量，保持低残氧燃烧，以达到节能的目的。我国应用DCS 的炼油厂，除在常减压装置采用DCS 控制外，在催化裂化、催化重整、加氢精制、油品调合等方面均开发了节能显著的复杂控制系统。5.2 DCS 在乙烯装置上的应用情况典型的石化工艺是以石油为原料，通过初馏、裂解、分离、聚合等工艺过程生产各类石油化工产品，如聚乙烯、聚丙烯、苯乙烯、合成橡校、乙二醇、丙烯腈、聚脂等。我国建成投产的20多个乙烯厂均为典型的石油化工工艺。自从1983年燕山石化公司前进化工厂乙烯裂解装置采用CENTUM-A 系统进行自控改造至今，已有14 家企业76套DCS用于生产过程控制，可见DCS 在石化企业中推广应用之快、应用数量之多为各行业之首。从石化企业十年DCS 应用情况来看，一般分为两步实施:第一步使用DCS 改善常规调节控制品质，满足生产的安全、稳定、长周期运行，为高层次应用开发打下基础。第二步通过现代控制理论的应用，机理模型的研究，开发优化操作应用软件、专家系统等，采用先进控制策略，实施计算机二级优化控制。目前石化企业DCS 应用多数仍处于前者。5.3 聚氯乙烯（PVC）装置中DCS的应用情况我国PVC 生产中既有国产装置，也有引进装置，全国有60多个生产厂。有乙炔与氯化氢反应生产法和乙烯氧氯化法两种流程。PVC聚合属间歇生产过程，主要是原料配比、加料、升温、聚合、出料逻辑顺序控制、聚合釜温度压力控制和后处理分离、精制控制。在PVC生产过程中，顺序控制占有很大比重，有近百个切断阀，几十个泵、马达、开关按照不同的生产要求和时间顺序启动关闭。DCS控制单元同时具有反馈模拟控制的顺序控制。PVC 生产可以根据市场需求，调整配方生产多品种多型号的产品。因配方改变控制方案随之改变。装置的生产灵活性也是间歇过程特有的要求。DCS丰富的计算功能、逻辑功能和通讯能力，为PVC多品种生产提供了便利。PVC聚合温度按照严格的温度曲线实行控制，DCS逻辑功能和反馈控制的巧妙结合，将聚合温度偏差控制在0.020.06范围内，同时方便了操作，保证了产品质量。随着DCS在PVC生产中的应用不断扩大，一些优化控制软件也应运而生。6.DCS技术的发展展望从20世纪80年代开始，随着微电子学的发展，导致含有微处理器的智能变送器、控制器和DCS的普遍应用。这些智能化的现场设备可以直接完成许多控制功能， 这也正是智能化仪表的显著特点之一。因此，现场设备与基于微处理器的控制室自动化设备间待传输的信息量急剧增加。为此，在现场设备和控制系统之间，迫切需要一种全数字化的、双向、多变量的通信规程，来代替正在流行着的单变量、单向模拟传输方式。各个厂家为此都进行了大量的工作，它们各自采用了不同的手段、不同的信号标准，结果导致了智能化工业控制仪表的不兼容。鉴于这种情况，国际电工技术委员会从1985年即开始着手制订国际性的智能化现场设备和控制室自动化设备之间的通信标准，并命名为现场总线6。从DCS现在的发展状况来看，DCS今后将朝着开发新型DCS（第4代DCS）的方向进行。6.1新型DCS的特征集散控制系统经历了从初创期、成熟期、扩展期到信息化、集成化期发展。在发展历程中厂家注重对DCS的两个重要部分现场控制站和系统网络的设计开发，现场控制站的功能逐渐完善应用逐渐成熟实现了标准化；系统网络从最初封闭的高速数据总线发展到采用了先进的以太网技术和现场总线技术。DCS系统实现了由控制功能为主到综合信息管理平台的转变，DCS提供了从现场到设备、从设备到车间，从车间到工厂，从工厂到企业集团整个信息通道。系统的规模不断扩大，功能集成和产品集成能力显著提高，实现了控制网络和企业网络的集成，当今DCS厂商更注重系统集成性和方案能力7。可见，信息化和集成化是新型DCS最显著的两个特征。6.2 新型DCS的突出优点新型DCS的突出优点是系统功能的分散化和开放性。DCS采用了FCS（即现场总线控制系统）技术，实现了控制功能的模块化和单元化、控制单元现场化，减低了成本，提高了性能。DCS的开放性体现在三个层次上均实现了与第三方产品的互操作性。6.3 DCS技术的发展关键问题随着工业控制领域中各种新技术不断涌现，新的控制方案和思想给DCS的发展提供了更多的机遇，所以DCS技术要紧跟时代潮流，不断采用最新的技术和思想来充实、完善自己，不断扩大自己的应用范围，就能够实现可持续发展。DCS发展的关键是要实现和现场总线、以太网的融合8。其中，现场总线是目前流行的底层控制网络，其显著的特点是数字化、开放性、分散性、互操作性与互换性。其不足是现场总线的多样性及难以统一，给现场总线产品的标准化和用户的选择带来了极大的困难，制约着现场总线技术在复杂过程控制中的应用。以太网技术应用的广泛性和技术的先进性，已逐渐垄断了商用计算机的通讯领域和过程控制领域中上层的信息管理与通信，并且有进一步直接应用到工业现场的趋势9。与目前的现场总线相比，以太网技术具有应用广泛、成本低廉、通信速率高及可持续发展潜力大等优点，但以太网通信相应的“不确定性”是它在工业现场设备中应用的致命弱点和主要障碍之一。专业化的应用知识和经验是融合的重要保证。需要针对现实问题提炼出关键点，找到切合点，得到解决问题的方法和途径，最终实现突破，推动DCS技术的发展和应用。随着自动化技术、计算机技术、数据通信技术及DCS集成技术的发展，实现企业整个生产过程的信息综合、优化调度、生产管理和经营管理的计算机集成制造系统（Computer Integrated Manufacture System, CIMS）是DCS发展的目标10。参考文献1 王维德.化工自动化的发展趋势先进控制技术的应用J.化工装备技术,2003,24(4):51-54.2 郑名登.我国化工自动化发展现状和水平J.化工自动化及仪表,1998,25(3):1-7.3 姜超.FCS 控制系统在化工自动控制中的应用. 贵州化工，2005.2,30(1):37-38.4 王建华.计算机控制技术M.北京:高等教育出版社,2009.5 白云飞.DCS技术及其发展展望.机械管理开发，2006.6(3)：202.6 R.G.杰奎沃特.现代数字控制系统M.冶金出版社,1983.7 冯冬芹,金建祥,褚健.工业以太网关键技术初探J.信息与控制,2003,32(3): 219-224.8 冯冬芹,金建祥,褚健.工业以太网关键技术初探J.信息与控制,2003,32(3): 219-224.9 王建华.计算机控制技术M.北京:高等教育出版社,2009.10 白云飞.DCS技术及其发展展望.机械管理开发，2006.6(3)：203.致 谢经过一个礼拜的忙碌，化工仪表与自动化课程论文已经接近尾声，作为一个还未毕业的本科生，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有老师的督促指导，以及一起学习和探索的同学们的支持，想要完成这份课程论文是难以想象的。 在这里首先要感谢我的学校，是她给我提供了这个学习和锻炼的舞台；其次要感谢我的老师，因为他不仅给我传授了许多以前我所不了解的知识，而且还教会了我如何对待科学研究成果的态度。同时，也感谢和我一起学习的各位同学，是他们殷切的支持和帮助为我顺利完成这份课程论文提供了保障。最后，我还要感谢我的父母，他们不但给了我生命，而且还为我进一步塑造灵魂给予了默默的支持和关心！14