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我终于懂了DCS……

易维通订阅号2019-10-04 07:50:52

摘要

之前在易维通app的【匠说】中,有位工程师提出能否用通俗一点的方法讲明白DCS究竟是什么?所以,就有了《一篇文章讲透DCS的前世今生》,文章除了要让大家了解DCS之外,在后面的推文中还会讲到:我们以DCS系统为例,谈一谈典型的自控项目如何着手和实施。欢迎“肚子里有料”的工程师朋友们在易维通【匠说】中共同探讨交流。(点击文章底部阅读原文进入【匠说】)


制造业的发展史与仪表发展的关系

笼统的说,制造业可以分为两类。一类是以汽车制造业等为代表的离散制造业,这类制造业是有停顿的一台一台的制造产品。


汽车生产线


离散制造业的特点是其生产设备有多种状态,而整个生产系统一直在多个状态之间进行变换以模仿人工生产的“工序”,从而制造产品。


钣金流程简图


另一类则是以化工、电力、饮料等行业为代表的过程制造业,这类制造业是连续的输入原料,并且连续的产出产品。


工艺流程样图


过程制造业的特点是在其正常生产过程中,整个生产系统保持一种稳态,系统中的各项工艺参数(如温度、压力、液位等)越稳定且接近设计值越好。


为了使工艺参数又稳定又可控,历代工程师和科学家们做出了巨大的努力,最有名的的要数瓦特了。



DCS的雏形

我们都有印象蒸汽机似乎是瓦特发明的,但其实蒸汽机的出现比瓦特出生还要早许多,最先申请蒸汽机专利的是军事工程师萨弗里(Thomas Savery),他1698年取得的主专利是“一种靠火的推动力提水和为各种制造厂提供动力的新发明”,涵盖面相当大,自然也包含了后来燃煤的蒸汽机。


但是蒸汽机一直改良到到钮考门时期,蒸汽机的转速控制问题还是没有解决,还是靠人工控制进出蒸汽的阀门,弄不好就转速飞升、机器损坏甚至人身伤亡。


瓦特在蒸汽机的转轴上安了一个小棍,棍的一端和放汽阀连着,放气阀松开来就关闭,转速增加;按下去阀就打开,转速降低;棍的另一端是一个小重锤,棍中间某个地方通过支点和转轴连接。转轴转起来的时候,小棍由于离心力的缘故挥起来。转速太高了,小棍挥会挥得很高,放汽阀就被按下去打开,转速下降;转速太低了,小棍挥不起来,放汽阀就被松开来关闭,转速回升。这样,蒸汽机可以自动保持稳定的转速,即保证安全,又方便使用。


瓦工发明的离心式转速调节器


也就是因为这个小小的转速调节器,瓦特的名字和工业革命连在一起,而之前的发明家们就要到《技术史》里去找了。


像离心调速器这样构思精巧的机械系统虽然很有效,但是工艺系统何其多啊,如果每次都要针对具体的工艺设计一套机械系统,那多麻烦,最好有一个系统的方法可以解决“所有”的控制问题。


这个方法是什么呢?把“控制”这个大的过程分解为“反馈”和“执行”。大家都会走路,可是如果闭着眼睛走,那结果肯定七扭八歪,而眼睛一睁开,路走歪了就赶紧调整脚步,回到正道上来。


反馈说的学术,落实到生产现场就是仪表--这个水很烫,多烫呢?拿个温度计一插,95℃,确实是很烫。


可以说过程制造业的发展史与仪表的发展史密不可分。


有了可以看准工艺参数的仪表,我们就可以在现场把仪表的数值放进控制器,然后由控制器输出给阀门这样的执行器,让它们自动控制,人只要定期去现场巡视一下看看它们是不是相处愉快就好了。


DCS的逐步完善

随着工艺的越来越复杂,需要观察的工艺参数也越来越多,那么人们就想办法将放在就地仪表读出的信号通过电缆放在一个房间里,把所有的控制器也放在这个房间里让专门的操作员集中起来实时管理,方便、安全、反应快。


仪表集中控制台


随着美国阿波罗计划之后的电子科技大发展,这些仪表控制台顺理成章的就升级成了CRT和微机,这一下整个系统的显示和操作都归集到了一处,操作员的操作可简化多了,控制工程师调整控制参数也方便了许多。


但是一个工厂只有一台控制器,一旦控制器瘫痪,整个工厂立即失去控制了。正烧着锅炉呢,结果燃料不停地往里进,很快就要爆炸。


为了分散风险,必须要增加控制器数量,减少控制器的管理范围。这样就涉及到系统的拆分和增强其独立性。比如大型火电厂,就会把燃料系统拆分为燃料运输、磨煤系统、风烟系统等等,每个系统使用独立的控制器,即使某一系统控制失灵也可以将事故控制在一定范围内,防止愈演愈烈。


至此,就在70年代规范了这种“控制分散,管理集中”的“分散控制系统(Distributed Control System)”简称DCS系统。


控制分散-独立的控制机柜


管理集中-集中控制室

到此就已经介绍完DCS系统的由来了,下篇文章我们以DCS系统为例,谈一谈典型的自控项目如何着手和实施。


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