DCS自动控制系统在冶金制氧中的应用

陈志敏

1.工业仪表最早出现在20世纪30年代，最初只用于热能动力和冶金等连续性的热力生产过程，因此当时称为热工仪表。50年代我国出现DDZ-Ⅱ型仪表，就是当时四线制仪表；70年代我国出现DDZ-Ⅲ型仪表，这是仪表一个里程碑的发展，二线制仪表，就是既有电源又可以传输信号的工业仪表。80年代初期我国在冶金制氧出现了“集散控制系统”DCS系统。

2 集散控制系统

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，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系统一般由五部份组成：控制器、I/O板、操作站、通讯网络和图形及编程软件。

控制器：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。

流量的闭环控制系统

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。

3 冶金制氧用DCS控制系统

冶金制氧通常采用一个控制器的DCS控制系統 ，I/O： I/O板根据仪表在控制系统中所起的不同作用，将电动仪表的八大单元，即变送、调节、执行、运算、显示、转换、给定、辅助单元，直接进行检测，集成。所有信号经控制器处理，发出控制信号驱动现场的执行机构，实现生产过程的闭环控制

（1）空分温度、热电阻、热电偶等接触式温度检测仪表的测温元件，应安装在能准确反映介质温度的地方；安装在工艺管道上的测温元件应与管道中心线垂直或倾斜45°，插入深度应大于250mm或处在管道中心，插入方向宜与被测介质逆向或垂直。管道公称直径小于80mm时可安装在弯头处或加扩大管；双金属温度计安装时，刻度盘面应便于观察；测温元件用连接头的螺纹应与测温元件螺纹相匹配；当水平安装时其插入深度大于1m或被测温度大于700℃时，应采取防弯曲措施。

（2）制氧安装在高压设备和管道上的压力仪表，如在操作岗位附近，安装高度宜距地面1.8m以上，否则应在仪表正面加保护罩；测量低压的压力表或变送器的安装高度，宜与取压点的高度一致；压力仪表不宜安装在有强劲振动的设备或管线上；被测介质压力波动大时，压力仪表应采取缓冲措施；

（3） 制氧变送器安装及试验

由于是制氧使用仪器，变送器在安装前应调试好并擦拭干净不含油。

变送器的安装：选择变送器的安装位置时，应尽量满足仪表安装的要求，靠近所连接的仪表，并尽可能依托建筑物或工业管架安装。差压计或差压变送器正负压室与测量管道的连接必须正确，引压管倾斜方向和坡度及辅助容器的安装均应符合设计要求。

（4） 工艺管道直接安装的仪表

调节阀、电磁流量计、孔板法兰等由工艺专业安装的仪表设备，应先行检查调试好，交给安装队，以免影响工艺配管

（5） 冷箱内电缆安装：连接铂电阻的YHD型6*1mm2低温电缆，经专用的引出装置（由设备带）穿出冷箱壁；从铂电阻到冷箱之间敷设的电缆，必须离开低温设备或管道一定的距离，并采用穿管或角钢支架保护方式，使之不受外力影响。电缆与铂热电阻的连接处必须紧密、牢固、以保证接触良好，并留出约300mm长的电缆绕成环形，再予以固定，确保连接处不会受到拉力，且便于拆卸；

（6） 冷箱内引压管路安装，冷箱内仪表管仪表组件都必须禁油，引压管路在安装前都要进行去油处理。一般的铝管可用10﹪的钠氧化钠水溶液清洗，然后用浓度为15﹪的稀硝酸中和，最后用热水洗净并吹干；对紫铜管可用三氯乙烯去油，然后用蒸汽吹净。为防止引压管路内气相介质冷凝，引压管路必须离开低温设备或管道500mm，若实施有困难时，可以在引压管道外部包扎绝热材料。为补偿引压管路在低温下的冷缩变形，与设备或管道、阀门刚性连接的引压管路应有足够的伸缩能力。一般要在引压管路与装在冷箱壁上的取压阀接头前弯一个弧形，但该段弯管必须是水平配置或弯头向上，距冷箱壁至少80mm，弯曲半径必须大于管径的10倍。低温液位测量，液相导压管应以1：10的斜度向上倾斜，尽可能贴近冷箱壁2米以上。当引压管由于管径需要变更或需要拼接加长时，对同一种材料，只允许采用套接的方法。套管的材料及壁厚应与引压管相同，长度至少大于引压管的二倍，被连接的两段引压管插入套管部分的长度大致相等。铝管、不锈钢管应采用氩气保护焊，紫铜管银焊渗透焊。

制氧站二线制变送器接入I/O板的接线图

制氧站I/O板输出4—20mA到调节阀的接线图

操作站：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。操作站实现了生产过程的集中监视、操作和管理。

操作站监示器画面总体分三个区，监视器上部的区间是屏幕标题，监视器中部区间是基本显示区，监视器下部的区间是屏幕注脚。

上部的屏幕标题一般包括：时间，制氧流程，报警顺序，棒图/曲线，系统按钮。

中部区间是基本显示区：显示区为制氧站流程显示，分为空气压缩系统，空冷系统，水冷系统，分子筛纯化系统，增压膨胀机系统，精馏塔系统，氧压机系统，氮压机系统，调压站系统、动态显示和静态显示。

下部的区间是屏幕注脚区包括：先前显示，左向基本显示，右向基本显示，上一级基本显示。

通讯网络：通讯网络是DCS的重要支柱，执行分散控制各单元以及人机接口要靠通讯系统连成一体，这种在局部区域内使用各种数据通讯的设备互联的通讯网络称为局域网。 它是高通讯率，低误码率，快速响应的局部网络，响应时间0.01-0.5s，具有组织灵活，易于扩展，资源共享的特点. 制氧用的是以太网的局域网，制氧的DCS系统有四级，分别是I∕O总线、现场总线、控制总线、和DCS网络。如图

图形及编程软件：DCS的软件分为控制层软件、监控软件和组态软件。

控制层软件是直接针对现场I/O设备，完成DCS的控制功能。包括PID回路控制、逻辑控制、顺序控制、混合控制等。

监控软件的主要功能是人机界面。包括图形画面、操作命令、曲线显示、报警信息、历史数据、运行状态的诊断和监视。

组态软件：组态软件针对具体应用进行定义。硬件配置、数据库定义、控制算法程序的组态、监控、报警的组态。

DCS系统做到了数据集中运算，参数集中管理，仪表设备和执行机构分散控制。因此DCS控制系统已成为现代制氧机工程中自动化控制系统的首选方案。