【摘 要】本文简要介绍了DCS控制系统的特点，利用该项技术将煤矿工业场地产热，用热、回收等分散单元有机结合起来，解决供热系统平衡及节能问题，满足了锅炉及辅机，矿井生产区热交换站、矿井生活区热交换站、矿井生活热水换热站、主斜井、副斜井空气加热室等地点设备科学运行。
【关键词】DCS；控制；供热
1 问题的提出
生产矿井凡经常有人工作和休息的建筑物，以及有防冻要求的工业厂房及生产系统建筑物均设置采暖，生产系统的进风井均需要防寒保温措施，为此常在矿井工业场地内设锅炉房一座，进行集中供热。目前大多数煤矿在供暖系统方面，仅对锅炉及辅机进行PLC控制，没有把产热，用热、回收等分散单元很好结合起来，造成用热系统不平衡，能源损失较大，不能实现节能型矿井，因此很有必要用DCS控制系统对工广区供热系统进行平衡化管理。
锅炉微机控制，是近年来开发的一项新技术，它是微型计算机软件、硬件、自动控制、锅炉节能等几项技术紧密结合的产物，我国现有中、小型锅炉30多万台，每年耗煤量占我国原煤产量的1/3，目前大多数工业锅炉仍处于能耗高、浪费大、环境污染严重的生产状态。提高热效率，降低耗煤量，降低耗电量，用微机进行控制是一件具有深远意义的工作。随着计算机控制系统的不断发展，大型电站锅炉逐步采用DCS系统进行控制，在这方面，也已经积累了部分成功的经验。本课题把DCS系统控制全面应用于煤矿整个矿区的供热系统，是一个新的尝试。它具有可行性，具有挑战性。特别是在严寒地区热用户点分散、距离控制中心较远，需要控制的参数较多等，采用DCS尤为必要。
2 矿井概况
金鸡滩煤矿是陕西未来能源化工有限公司配套的煤矿，年产8.0Mt，井田位于陕西省榆林市榆阳区境内，行政区划隶属金鸡滩镇和孟家湾乡管辖。工业建筑总建筑面积为23082m3，总建筑体积为252437.8m3；行政与公共建筑物总面积：47705m2；本区地处西北内陆，受极地大陆冷气团影响时间较长，受海洋暖气团影响时间较短，为典型的温带半干旱大陆性气候。气候特点是：冬季寒冷，夏季炎热，春季多风，秋季凉爽，冷热多变，昼夜温差悬殊，干旱少雨，蒸发量大，全年无霜期短，10月初即上冻，次年4月初解冻。极端最低气温-29.7℃（1951～2001年）；在工业广场内布置锅炉房一座。锅炉房内设3台20t/h，1台6t/h的燃煤蒸汽锅炉。采暖季运行2台20t/h和1台6t/h锅炉，蒸发量共46t/h，非采暖季运行1台6t/h锅炉，一台20T备用。每年采暖季2台20t/h和1台6t/h锅炉同时运行，运行148天，每天24小时运行。非采暖季1台6t/h锅炉运行，每天16小时运行。设计了三个热交换站，矿井生产区热交换站、矿井生活区热交换站、矿井生活热水换热站。主斜井、副斜井空气加热室采用蒸汽直接加热方式。副斜井热负荷7200kW，主斜井热负荷4000kW，生产区热交换站热负荷6.9×2MW，生活区热交换站热负荷3.5×2MW，矿井生活热水换热站热负荷1.6MW。
3 工业广场供热系统DCS控制的目的
3.1 锅炉系统DCS控制的目的
由于热负荷受到外界环境温度的变化会随之发生变化，不同的供热区域也会在不同的时间段内发生热负荷的变化，所以对锅炉系统实行DCS控制，可以根据热负荷及时调整锅炉的运行参数，节约燃煤的无谓消耗，通过变频控制达到对鼓引风机的控制，实现节电节煤的目的；由于实现了DCS控制，为锅炉的安全运行提供了可靠保证；同时，锅炉DCS系统作为整个煤矿自动控制系统的子系统，并入全矿自动化调度网络。
3.2 需热用户系统DCS控制的目的
由于热负荷受到外界环境温度的变化会随之发生变化，不同的供热区域也会在不同的时间段内发生热负荷的变化，所以对热用户系统实行DCS控制，可以根据热负荷及时调整系统的运行参数，调节热媒的供应量，达到节约能源的效果，通过变频控制风机和水泵，实现节电的目的；热用户控制系统作为锅炉DCS系统的子系统，并入整个煤矿自动控制系统中。
4 DCS控制系统设计方案
随着3C技术的迅猛发展，当今测控系统正朝着数字化、智能化、网络化的方向发展。采用最先进的技术方案满足各种锅炉的不同控制要求。选用“分散型控制系统”（distributed control system，简称DCS），也叫集散控制系统。其基本思路：将集中型控制系统中计算机承担的“控制”和“操作”功能分开，按上、下层结构分别承担，一方面，把分分秒秒不能停顿的“控制”功能，分散到许多台计算机及可编程序控制器（PLC）分担。另一方面，DCS系统采用通信技术，将上层计算机与下层PLC控制器联结成计算机局域网，使系统中所有测量数据及控制信号都能在上层计算机的屏幕上集中显示，记录。操作工人可以根据这些信息，通过键盘或鼠标，改变运行方式，以及温度、压力等控制量的设定值。这种集散系统方案，既能发挥数字技术的优势，又能解决功能集中引起的崩盘风险，是最能充分地发挥计算机功能优势的测控方案。
4.1 锅炉控制设备
本系统采用JX-300XP控制系统。是浙江中控技术股份有限公司SUPCON WebField系列控制系统之一，是中控科技集团为适应网络技术的发展，特别是Internet、Web技术的发展而推出的基于网络技术的控制系统。该系统融合了最新的现场总线技术、嵌入式软件技术、先进控制技术与网络技术，实现了多种总线兼容和异构系统综合集成。各种国内外DCS、PLC及现场智能设备都可以接入到JX-300XP系统中，实现企业内过程控制设备信息的共享。
该系统能够监控锅炉运行过程中的重要参数，对一些电气设备的远程控制。系统采用了基于现场总线技术的分布式远程I/O站模式，控制系统可灵活配置，分布式I/O站既可放置于现场集中安装的仪表设备旁，以节省安装线缆及人工的投资；也可集中放置于中控室控制柜中进行集中管理。
1）监控系统上位机采用性能比较高的工控机。该监控系统能实现多画面实时监控，对设备的运行状态、故障报警实时显示并做记录，以便对事故原因分析；可以在Windows的环境下进行编程，全汉化显示，以便在打印机和显示器上能输出报表。
2）电控系统采用现场总线与工业以太网相结合的技术，尽量降低安装和维护工作量，最大限度地减少整个系统的外部接线。
3）系统具有远程诊断功能，厂家能通过计算机网络技术很好、快捷、及时地远程参与用户的维护和故障的处理，提供相应的解决办法，缩短维修时间，确保锅炉安全运行。
DCS系统可用率达到99.9%，平均无故障时间高于250000小时以上。组态画面上实时变量的数据更新时间为小于1秒；操作员发出指令的响应时间为500毫秒，画面的完整建立和操作显示时间小于2秒。
控制器与分站之间连接应确保各现场I/O与控制器连接相对独立，不会因控制器与任一台分站出现网络通讯故障时影响到其他站点的正常工作。
DCS系统预留一定的数据交换接口，接口采用国际标准的通讯协议，并能满足矿井实现综合自动化要求，系统可由TCP/IP网上连接internet网与全矿的计算机网络相连，也可由远程站查看数据。
4.1.1 系统的主要特点
JX-300XP覆盖了大型集散系统的安全性、冗余功能、网络扩展功能、集成的用户界面及信息存取功能，除了具有模拟量信号输入输出、数字量信号输入输出、回路控制等常规DCS的功能，还具有高速数字量处理、高速顺序事件记录（SOE）、可编程逻辑控制等特殊功能；它不仅提供了功能块图（SCFBD）、梯形图（SCLD）等直观的图形组态工具，又为用户提供开发复杂高级控制算法（如模糊控制）的类C语言编程环境SCX。系统规模变换灵活，可以实现从一个单元的过程控制，到全厂范围的自动化集成。
4.1.2 系统主要设备和软件
1）系统硬件
JX-300XP系统由控制站、操作节点（工程师站、操作员站、服务器站、数据管理站、时间同步服务器等的统称）及系统网络（过程控制网、过程信息网）等构成。
2）系统软件
用于给CS、OS进行组态的专用软件，包括：SCKey （系统定义）、SCNetDiag（系统诊断）、SCFBD（功能块图）等工具软件包，称之为组态软件包。用于过程实时监视、操作、记录、打印、事故报警等功能的人机接口软件称为实时监控软件AdvanTrol-Pro。
3）通讯网络
JX-300XP系统通信网络共有四层，分别是：管理信息网、过程信。
4.2 热交换站控制设备
采用PLC控制：能实现换热机组自启停、水泵的自启动，水位控制，出水温度、补水压力等自动控制技术要求，机组运行中各项参数的量程、正常值、报警值、联锁和保护动作等。该套机组所有的供回水温度、流量、压力、水箱液位及电机参数均上传至锅炉房中央控制室。
4.2.1 温度控制要求
能实现二次网供水温度或供水温度加上室外温度的补偿，自动调节一次网调节阀的开度。即通过控制一次网电动调节阀开度，控制二次网供回水温差恒定，从而保证用户室内的热量。
能实现一次网回水温度限制，使供热网的热量最大限度地传输到二次网中去，保证二次网的水力平衡和热力平衡。即当一次网的回水温度超过一定范围之后，一次网电动调节阀关小。
4.2.2 循环泵控制
采用软启动器降压启动。具有定时切换功能：当一台循环泵运行一段时间或设定固定时间，自动切换到另一台泵运行，实现负载均衡，避免长期使用一台泵造成损坏。
4.2.3 补水泵控制
系统可以根据二次网回水压力设定值自动调整补水泵变频器输出频率，从而保证二次网回水压力保持在设定值。
4.2.4 报警保护
一次供汽压力过低、二次供水温度过高、二次供水压力过高、二次网供水压力过低、二次回水压力过低、循环水泵、补水泵故障、调节阀故障、补水箱液位过低和过高等情况换热站声光报警。
4.2.5 保护功能
来电自启满足无人值守功能：换热机组在送电后，控制器工作，机组自检后自动按顺序启动。
开机自检功能：二次侧回水压力设定一个低限保护值（在控制器操作面板上可以调整此值），当二次侧压力没有达到此值时，不能启动循环泵只能开启补水系统补水，待达到设定值后方可启动循环泵。
补水泵变频器出现故障时，自动切换到工频运行，根据二次网回水压力高低限启停补水泵，并报警。
泵阀联锁：当循环水泵启动3～5分钟（设定值可调）后电动调节阀才自动开启；当正在运行的循环水泵发生故障时，输出报警信号，循环泵停机，电动调节阀关闭。
停电后自动关闭电动调节阀，切断热源，控制器及变频器自动复位并使各种设定参数和运行状态参数保持原断电前设置。
二次供水温度超过设定值时，一次侧电动调节阀关闭。一次回水温度超过设定值时关闭一次侧电动调节阀。
二次供水压力超过设定高限值（操作面板可调设定值）循环泵停止运行并关闭一次侧电动调节阀。
二次侧回水压力低于低限设定值时，自动停止循环泵运行，并关闭电动调节阀，自动补水系统投入运行，开始补水。自动补水系统投入运行后二次侧回水压力仍继续降低即发声光信号报警。
采用15寸显示屏，显示一次侧供回水温度、压力、二次侧供回水温度、压力、水箱液位等。
4.3 空气加热室控制设备
每台机组单独配置控制系统，实现独立控制，任何一台出现故障时应不影响其他机组的安全运行。机组控制要求为：
4.3.1 送风温度控制，送风温度控制在30℃。为考虑系统的安全运行，以0.3MPa饱和蒸汽为供热介质，每台机组蒸汽管道上应配置蒸汽流量调节阀，当送风温度超过35℃时，能够调节蒸汽流量。
4.3.2 风量控制要求，机组采用变风量系统，根据室外气候条件及主副井筒设定参数不低于2℃要求实现变风量调节。
系统可全自动运行，实现无人值守；每台机组的变频器运行状态及参数设定、井口混风温度显示、进风温度显示、出风温度显示、室内温度显示、及设定、各种故障报警均通过触摸屏实现，触摸屏为12寸真彩宽屏；整个系统带有多重联锁及保护，确保设备安全稳定运行。系统有远程通讯接口提供相关通讯协议，能与主控室自动化控制连接上传各运行数据，满足自动化管理的需求。
5 推广应用前景及经济、社会、环境分析效益
5.1 经济效益
5.1.1 每年可节约燃煤约20-30%，按20%计算
节煤：46×148×24×140×0.20+6×217×16×140×0.20=5100000kg/a
节约资金：5100T×0.05万元/T=255（万元/年）
5.1.2 每年可节电约20-40%，按20%计算
供热系统总功率：（110+45+30）×3+37+11+11+（22×3+3×2+4×2）+（22×3+5.5×2+4×2）+（11×4+5.5×2+11×4+5.5×2+4×2）=900kW
节电：900×148×24×0.25=800000（度/年）
节约资金：800000×0.8=640000（元）=64（万元/年）
共计每年节约资金319万元。
5.2 社会效益
5.2.1 实现DCS集中控制，各部分运行参数实时上传，根据外界负荷变化的需要，实现锅炉的自动负荷分配。自动调节燃烧状况，保证燃烧过程的安全性、经济性。
对矿井安全生产和信息化管理有十分重要的意义。
5.2.2 电机采用变频控制技术，减少了电机发热，机械寿命得到延长，维护费用降低。
5.2.3 自动控制及自动监测的实施，减少了劳动力，节省了人力成本。对供热用户如矿井生产区热交换站、矿井生活区热交换站、矿井生活热水换热站、主斜井、副斜井空气加热室等设备实现远程监控，监视，减少辅助车间工作人员人数。
5.2.4 实行自动监视、自动检测、自动监控后，可以极大减少操作不当、检查不彻底等造成的停工停产，带来更大的生产安全问题。减少能源损失，实现节能型矿井。
[责任编辑：王迎迎]