过程工业控制系统类别及应用.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 26 日 作者简介：李建利（1986）女，汉族，河北高碑店人，中级职称，本科，研究方向为工程设计自控设计、哲学。-46-过程工业控制系统类别及应用 李建利 北京中航泰达环保科技股份有限公司，北京 100000 摘要：摘要：目前国内外最流行的三大控制系统是 DCS、PLC、FCS。还有参与过程控制并带有安全质量任务的控制系统SIS、ESD；还有基本不参与生产过程而更专注于安全问题的 GDS、FGS、视频监控系统、边界系统。与此同时，新型控制系统也开始应用于实践生产当中，发挥越来越中大的作用。下面从生产流程角度分析各个系统的特点、适用项目情况。如此众多的控制系统，在过程工业设计中选择哪种或者哪几种控制系统来组成立体控制网络是关键性的问题。关键词：关键词：过程工业；控制系统；DCS；PLC；SIS 中图分类号：中图分类号：TH-39 0 引言 过程工业是指利用自动化技术和流程控制系统来管理和控制生产过程的工业领域。过程工业主要包括石油、化工、钢铁、有色金属、建材等基础原料行业，是国民经济的支柱和基础产业，也是世界制造大国经济持续增长的重要支撑力量。1 在过程工业实际的生产应用过程中，控制系统发挥着不可替代的作用。提高生产效率：过程工业采用自动化技术和先进的控制系统，可以实现生产过程的精确控制和优化，从而大大提高生产效率。它可以降低人为误差、减少生产线停机时间，并且可以快速响应市场需求的变化；提高产品质量：过程工业通过精确的监测和控制生产过程中的各种参数，可以确保产品的一致性和质量稳定性。控制系统能够及时发现和纠正生产过程中的问题，减少不合格品的产生，提高产品的合格率；增强安全性：过程工业中的自动化系统能够有效地监测和控制潜在的危险和风险，降低工人的接触风险，提供更安全的工作环境。例如，在化工行业中，自动化控制系统可以及时检测到气体泄漏或其他安全问题，并采取相应的措施来保护工人的安全；节约资源：过程工业的自动化控制系统可以优化生产过程中的能源和原材料的使用，实现节约并提高资源利用率。通过精确的控制和优化参数，可以减少能源浪费和废物产生，降低生产成本等等。这只是简单的列举，事实上现代化的过程工业根本离不开控制系统的应用，而且越来越依赖控制系统。在工业设计院中，我们经常讲工艺专业类似人体的肌肉和骨骼，也就是躯体；控制系统就像神经系统，控制着躯体的行为举止。通常我们更关注于主控制系统，但是控制系统是由多个系统协调完成的，不同的控制系统就是不同功能性的神经系统。这些神经系统分工不同，但是都是及其重要的。越是大规模和复杂的项目，控制系统的应用越是复杂和庞杂，不是任何一个独立的系统可以完成的，每个工业产品的产出和转化都需要一组立体交叉的控制系统协同完成。正因为过程工业如此重要，而控制系统对于过程工业又是如此的重要，所以我们有必要对控制系统进行了解、对比、明确他们的优缺点、使用场合以及联合使用的情况。在以往的书籍、研究和论文中，基本都是介绍单一的控制系统，比如化学工业出版社出版的化工 DCS 技术与操作；清华大学出版社DCS及现场总线技术，化学工业出版社西门子 PLC 从入门到精通等等，都是很具体的对一种，甚至一个产品型号的产品进行解读。本论文并不对各个系统进行深入学习探究，而是对当前流行的控制系统进行梳理。本论文基本上涵盖了国内外主要正在使用的控制系统，同时对新型控制系统进行了说明。1 控制系统的基本构成 工业流程系统中应用的一系列与制造过程相关控制系统（包含设备等），在这里统称为控制系统，它用通常根据 TCP/IP 体系结构进行设计。TCP/IP 体系结构分为 6 层，如图 1-1 所示，其体系结构模型自下而中国科技期刊数据库 工业 A-47-上分别是物理层、数据链路层、络接口层、网络层、传输层、应用层。图 1 DCS 基本结构 TCP/IP 各个层次功能与特点主要如下。1）网络接口层。TCP/IP 体系结构严格地说并未实现数据链路层和物理层的功能，它只定义了一个接口，称为网络接口层，因此网络接口层严格地说并不是一个独立层次，仅仅是一个接口，用于提供对下面的数据链路层和物理层的接口。2）网络层。它是 TCP/IP 模型中最主要的层次，是整个体系结构的关键部分。3）传输层。传输层的功能主要包括对应用层数据进行分段，对接收数据进行检查以保证所接收数据的完整性，为多个应用进程同时传输数据，多路复用数据流，对乱序接收的数据重新排序，提供端到端的可靠传输等。4）应用层。TCP/IP 的应用层是最高层。TCP/IP的应用层主要是为用户提供一些常用的应用程序，并规定各种应用程序之间通过什么样的应用协议来使用网络所提供的服务。1 根据具体的架构方式不同，形成不同的产品如：分散型控制系统（DCS）、可编程逻辑控制器（PLC）、安全仪表系统（SIS）、紧急停车系统 ESD 等。我根据自己在实践中的理解对它们进行分类：（一）基本过程控制系统、（二）安全仪表系统、（三）安全监管系统。还有在当下科技应运而生的新型控制系统。当然按照不同的依据可以划分的方式有很多，不再赘述。2 控制系统的应用情况 目前国内外最流行的三大控制系统是 DCS、PLC、FCS。还有参与过程控制并带有安全质量任务的控制系统 SIS、ESD；还有基本不参与生产过程而更专注于安全问题的 GDS、FGS、视频监控系统、边界系统。与此同时，新型控制系统也开始应用于实践生产当中，发挥越来越中大的作用。下面从生产流程角度分析各个系统的特点、适用项目情况。如此众多的控制系统，在过程工业设计中选择哪种或者哪几种控制系统来组成立体控制网络是关键性的问题。2.1 基本过程控制系统 目前生产过程类控制系统主要有：分散型控制系统（DCS）、可编程逻辑控制器（PLC）、现场总线控制系统（FCS）等。这些系统都是服务物料投入产出，以产品为控制为主要目的系统。（1）分散型控制系统（DCS）DCS 系统经过百年的考研和发展，在控制系统领域站稳老大的位置。DCS 采用控制分散操作和管理集中的基本设计思想，采用多层分级、合作自治的结构形式。其主要特征是它的集中管理和分散控制。在目前的实际应用中,基于 PID 控制技术的系统占 80%以上,PID 回路运用优劣在实现装置平稳、高效、优质运行中起到举足轻重的作用。DCS 系统是全厂性控制系统首选系统，主要用于连续过程工业，它能够管理集成和管理多个子系统，对于大型生产过程和复杂的控制有着独特的优势。在石油、化工、能源、电力等各领域都占据重要的位置。DCS 根据品牌不同。控制器能带的点数相差比较大，但是通过主从控制器的设置点数可以达到十几万点。对大型复杂控制有着完美的解决方式。就目前的趋势而言，DCS 还有着向下兼容的趋势，不在局限于大中型项目。在小型项目上也开始抢占市场。生态环境部联合多部委发布的关于推进实施钢铁行业超低排放的意见-环大气201935 号 中明确指示：“烧结机机头、烧结机机尾、球团焙烧、焦炉烟囱、装煤地面站、推焦地面站、干法熄焦地面站、高炉矿槽、高炉出铁场、铁水预处理、转炉二次烟气、电炉烟气、石灰窑、白云石窑、燃用发生炉煤气的轧钢热处理炉、自备电站排气筒等均应安装自动监控设施。上述污染源污染治理设施应安装分布式控制系统（DCS），记录企业环保设施运行及相关生产过程主要参数”。而 DCS 厂家也根据市场开发出更为灵活的产品。比如浙大中控就有 300 和 700 两个系列主流产品。前者面向中小系统，后者面向大中系统。中国科技期刊数据库 工业 A-48-DCS 系统之所以流行，是因为它良好的拓展性。它与 SIS、GDS 系统完美的融合，并接收高数量的 PLC 系统作为远程控制或者设备控制站。并且，DCS 本身也可以组成多个控制站后再集中控制。正如其名字可以实现分散控制集中管理。DCS 在体系结构上已经相当标准化，各个厂家基本一致，采用直接控制、监督控制和协调优化、上层管理三层功能结构。如图 2-1。2 由于目前各厂家在物理层和数据链路层采用以太网，而在高层（应用层）是各厂家自己的标准，所以DCS 在应用层是不能直接通信的，必须开发专门的转换软件，但可以在网络低层进行通信。图 2 DCS 基本结构（2）现场总线控制系统（FCS）DCS 在现场层的常规模拟仪表仍然是一对一模拟信号（DC 420mA）传输。生产现场层的模拟仪表与 DCS 各层形成极大的反差和不协调，并制约了 DCS 的发展。随着现场总线技术的成熟与应用，新一代 DCS 应用而生，在 DCS 基础上发展为 FCS,其技术特点包括全数字化、信息化和集成化。其结构如图 3 人们要变革现场模拟仪表，改为现场数字仪表，并用现场总线（Field Bus）互联。由此带来 DCS 控制站的变革，即将控制站内的软功能模块分散地分布在各台现场数字仪表中，并统一组态构成控制回路，实现彻底的分散控制。也就是说，由多台现场数字仪表在生产现场构成虚拟控制站（Virtual Control Station，VCS）。这两项变革的核心是现场总线。2 FCS 是开放性的系统，因为各大厂商的设备可以互相兼容，且可以互相操作。图 3 FCS 基本结构（3）可编程逻辑控制器（PLC）PLC 根据它的名字“可编程逻辑控制器”就可以明确它的特点，就是可编辑性强，实时操作，特别的灵活并适合现场操作。PLC 产品种类比较多，高中低档都有，各个厂商产品都有自己的特色。以西门子 PLC 举例。它有适用小型项目的 s7-200 系列；有适用中型项目的 s7-300 系列；有适用大型项目的 s7-400 和s7-1500 系列3。PLC 控制系统是离散制造行业的控制系统，主要应对于小型装置，尤其应用于对成套设备的控制，主要用于设备、生产线等。它的优点是具有灵活的编程能力和可定制性。例如压缩机控制系统基本都是 PLC 系统。PLC 控制系统一般用于处理比较简单的逻辑，一般采用单层控制。PLC 系统还有个特点就是对数字量处理能力强，但是对模拟量处理能力比较差，所以一般 PLC 系统更适用于数字量比较多的场合。除此之外 PLC 由于其高速的顺序扫描机制,它更适合于顺序控制。PLC 系统所搭接的系统基本没有冗余的概念,特别是当其某个PLC单元发生故障时,需要停掉系统并更换维护。虽然在硬件上可靠性差不多，但是不能冗余的特点使其整体的可靠性不如 DCS。2.2 安全仪表系统 这里需要指明的是，安全仪表系统是指包含SIS(安全联锁系统)、ESD(紧急停车系统)、BMS(燃烧中国科技期刊数据库 工业 A-49-器管理系统)。而通常工程人员将安全仪表系统和安全联锁系统认为是同一个系统的不同叫法这是不对的。按照 IEC61508/IEC61511 的发布信息，安全仪表系统是包含安全联锁系统(SIS)的，他们并不是一个对等的概念。安全仪表系统已经从传统的过程控制概念脱颖而出，并与基本过程控制系统并驾齐驱，成为自控领域的一个重要分支4。但它的现场端还是基于过程工业中的参数，比如储罐的温度、压力、液位。他和基本过程控制系统中的 DCS 系统一样，参与到实际的生产过程控制中。区别是基本过程控制系统的第一任务就是生产，而过程安全系统的第一任务是安全与减灾。安全仪表系统有一套完整的体系，包括设计理念、设计方法、仪表设备选型准入原则、系统硬件配置、软件组态编程规则、系统集成、安装、调试、运行维护，以及功能安全评估与审计等。它提出了以 SIL 为指针，基于绩效（Performance Based）的可靠性评估标准。4（1）安全联锁系统（SIS）SIS 系统虽然也属于生产过程控制系统，但是 SIS基本不会单独存在于一个项目中，通常与 DCS 系统（小部分有 PLC 系统）共同存在。因为 SIS 系统仅仅包含对整个控制系统中会产生全厂性停产、安全等重要的回路。比如重要设备的停机会造成整条生产线的停工，影响到全厂的工艺装置。再比如氢气罐超压会造成爆炸等问题，这时候就要将这些重要的回路纳入到 SIS系统中。SIS 系统，一般几十个点甚至几千个点组成，但是他的重要性甚至在 DCS 系统之上，他是确保装置安全性、可靠性有力的保证。其主要为工厂控制系统中报警和联锁部分，是工厂企业自动控制中的重要组成部分。对于什么样的装置或者工艺需要上 SIS 系统，什么样的不需要呢？一般只要属于“两重点、一重大”的化工装置和危险化学品储存设施都需要设计安全联锁系统（SIS），不属于“两重点、一重大”的化工装置和危险化学品储存设施应执行功能安全要求，根据工艺过程危险和风险分析结果，确定是否需要装备安全仪表系统。SIS 的作用在于通过分析现场端信号的情况（可是是模拟量），来判断是否会触发危险信号，通过提前预警，联锁等能够检测并预防潜在的危险。并且它具有自诊断功能。（2）紧急停车系统（ESD）ESD 系统紧的功能是通过高速运算 PLC 来实现实时在线监测控制装置的安全性。优点是响应速度越快越好。有利于保护设备，避免事故扩大。ESD 系统最大的特点是全部都是开关量控制。一般用于中小型项目中，优点是快速、高效，防止已经出现的异常信号造成更大的危险。2.3 安全监管系统 区别于安全仪表系统，能写到这里的系统是因为它基本跟生产过程没有关系，而是直接只是监控危险因素，现场设备的信号触发直接来自危险信号，也就是一旦触发报警或者联锁，就说明已经处于危险环境之中。安全仪表系统的触发信号来自于生产过程的温度、压力、过程设备的异常点，而安全监管系统的触发信号来自于环境，如环境温度、烟气、泄漏到空气中的燃气，这些信号已经完全脱离生产过程。（1）可燃有毒系统（GDS）GDS 系统用于对可燃气体，有毒气体泄露的检测系统。GDS 系统独立于控制系统之外的安全监控系统，他只有当危险报警达到一定级别才会启动联锁关系，联锁必要的动作，甚至启动全厂性紧急停车系统。另外 GDS 系统，有时候和消防系统联动。具体情况要根据当地消防部门的规定。如果要联动消防系统，那么作为消防系统的一部分，GDS 控制器和检测器要有消防部门的认证，在实际应用中要注意这块，对整个GDS 系统的选型比较重要。（2）火气系统（FGS）FGS 系统就是我们常说的火气系统。通过对化工装置现场的消防按钮、烟、火、可燃气体、有毒气体的检测信号的采集，经过软件逻辑输出来控制报警灯、报警铃、雨淋阀、泡沫阀以及空调系统的新风入口阀等。主要应用如火灾等危险场合的预警和控制，是各级消防部门重点检查的系统，也是保证企业各项安全的重要手段。FGS 系统一般由有消防设计资质和施工资质的专业公司进行设计和施工，并且由于地方规范不同，各地方消防部门对消防系统理解及把控不一致，可以将中国科技期刊数据库 工业 A-50-火气系统同消防系统会委托给当地有资质的公司进行工作。（3）视频监控系统 过程工业工程中视频监控系统，用途非常的广泛，并且往往担负着多重工作任务。视频监控系统不仅承担着安全监控、事故调查记录还负责对工艺重点部位进行生产运行情况的监控。监控系统是由摄像、传输、控制、显示、记录登记 5 大部分组成。摄像机通过同轴视频电缆、网线、光纤将视频图像传输到控制主机5。它通常由摄像机、视频传输设备、视频存储设备、视频管理软件等组成。（4）边界控制系统 边界控制系统顾名思义，就是划定界限，外物外人不得入内。一旦有期待外的人、物经过边界就会触发报警，请有关人员处理。该系统很适合大面积长距离警戒，通常配合视频监控系统使用。3 新型控制系统 3.1 几种新型控制系统 过程工业控制系统，随着技术的不断发展，还会有更多的创新解决方案出现。每种系统都有其自身的优点和适用范围，具体使用哪种系统取决于工业流程的特点和需求。（1）云计算 基于云计算的工业控制系统：基于云计算的工业控制系统将控制和数据存储功能移到云端，可以实现远程监控和跨地域共享。同时，利用云平台的大数据分析和机器学习技术，可以实现更高效的工业流程优化和故障诊断。（2）物联网（IoT）物联网（IoT）在工业控制中的应用：物联网技术将传感器和设备连接到互联网，实现了设备之间的通信和协作。在工业控制领域，物联网可以用于实时监测设备状态、自动化调度和维护管理，以提升生产效率和减少故障停机时间。现在已经有物联网技术应用的实例，主要用于设备的远程监控、通过庞大的数量统计，探寻最优的物料配比，节约能源；通过分析足够的样本，提前预示设备故障情况等等。（3）人工智能 人工智能和机器学习技术在过程工业控制中的应用日益增多。通过使用大量的实时数据和算法，可以实现系统的智能决策、预测和优化，并帮助提高生产效率和质量。（4）软件定义控制（SDC）软件定义控制是一种用软件定义和配置控制逻辑的方式，可以替代传统的硬件控制器。它具有更高的灵活性和可扩展性，可以快速适应不同的过程工业需求。3.2 新型控制系统的特点 新型控制系统是指采用先进技术和方法，具备更高效、更智能、更灵活的控制功能的系统。新型控制系统可以包括以下特点和功能：高度自动化：新型控制系统利用先进的传感器、执行器和算法，实现更高程度的自动化操作，减少人工干预。实时监控：通过实时数据采集和处理，新型控制系统能够对各种参数进行监测和分析，实现对系统状态的及时把握。智能决策：新型控制系统利用人工智能和机器学习等技术，能够根据当前环境条件和目标要求做出智能决策，提升系统运行效率。网络化连接：新型控制系统支持网络化连接，可以实现设备之间的通信和协作，方便系统集成和远程监控。灵活可扩展：新型控制系统具备良好的模块化设计和可扩展性，可以根据需要进行功能扩展和系统升级。新型控制系统以其高度自动化、实时监控、智能决策、网络化连接和灵活可扩展的特点，为各个领域提供了更先进、更高效的控制解决方案。在未来很长一段时间与传统控制系统联合运作，产生更大的生产价值。4 结论 在现代过程工业生产中，控制系统会发挥越来越重大的作用，大中小项目都需要由控制系统进行操控。大中项目更趋向于交叉应用各种控制系统而达到立体化多维度的控制，而小型项目也会逐渐代替人工生产，采用小型的控制系统。中国科技期刊数据库 工业 A-51-以上介绍的系统，各有各的特点和适用场合。但是通常情况下，一个厂区不会是由一种系统完成的，在综合性大厂区你基本可以看到所有类型的控制系统，甚至同样的控制系统来自不同的供应商。一般对于大型的厂区主控制系统可以选择 DCS 系统或者 FCS 系统，根据功能区不同，可以建立不同的分控制站。在主控制系统之下，PLC 系统、SIS 系统、GDS 系统、ESD 系统等穿插应用，以保证每个设备、每个厂区以至于全厂处于安全可控的状态。这些系统可以通过各种方式搭建起通信链路，形成一个统一的立体的交叉的控制系统网络。各司其职又互相联系共同维持整个厂区/项目的顺利运行。正是因为这些控制系统的存在，过程工业才能生产出合格的产品。在传统控制系统和新型控制系统交替的时代，传统控制系统还将占据主导市场，但是随着工业 3.0 诞生的新型控制系统已经开始应用于实际当中，在未来传统与新型互相融合，最终形成更为完善的控制系统组织。总之，未来的过程工业控制系统将越来越智能化、自动化和数字化，以满足工业界对更高生产效率、质量和可持续发展的追求。同时，随着新技术的不断涌现和应用，过程工业控制系统的发展潜力将会持续扩大。参考文献 1陈虹,肖成龙.计算机网络J.工程技术,2018(10):26.2李占英.分散控制系统(DCS)和现场总线控制系统(FCS)的应用及设计第 2 版J.工程技术,2019(11):01.3韩雪涛.PLC 自学宝典J.工程技术,2021(6):85.4张建国.安全仪表系统在过程工业中的应用J.工程技术,2010(6):36.5 期刊视频监控平台互联互通方案的研究J.工程技术,2022(7):54.6 期刊污水汽提装置控制系统及安全联锁设计J.工程技术,2021(9):85.7钱锋,钟伟民,杜文莉.过程工业智能优化制造额基础理论与关键技术J.Engineering,2017,3(2):161-175.8王玉敏,丁露.期刊工业控制系统(ICS)概述和与 IT 系统的比较J.中国仪器仪表,2012(2):25.