DCS控制系统在智慧能源管控系统中的应用

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2024.1
柴新元 赵毅 李晓斌 郭建伟
（山西省安装集团股份有限公司 太原 030032）
摘 要：本文以潇河国际会展中心能源岛项目为例，详细介绍了DCS控制系统的结构、主要配置以及在智慧能源管控系统中的功能实现等。

DCS系统对传统能源利用和管理进行系统升级，具有操作的先进性和管理的智能化，其应用为建设更安全、更高效、更经济、更环保的现代化智慧能源管控系统提供有力的保证。

关键词：集散控制 光纤环网 通讯网络 数据处理模型
中图分类号：TU71 文献标识码：B 文章编号：1002-3607（2024）01-0085-03
DCS控制系统在智慧能源管控系统中的应用
为实现2030碳达峰、2060碳中和的“双碳”重大战略目标，山西安装集团打造“现代工程服务商”为引领、形成“智慧能源供应商”“低碳项目运营商”赋能的“一核两翼”战略布局。

利用互联网+、物联网、大数据分析、云计算等新概念和新技术，凭借领先的技术优势和丰富的建设经验，应用DCS控制技术对传统能源利用和管理进行技术融合升级，建设更安全、更高效、更经济、更环保的现代化智慧能源管控系统。

基于DCS的智慧能源系统架构主要为：对能源岛前端智能感知设备的监控、LCU控制、中控系统、云平台控制系统。

实现能源系统分散操作、集中控制，提高能源系统整体运行效率。

1 工程概况
潇河国际会展中心能源岛项目为潇河国际会议会展中心配套工程（见图1），建设地点位于潇河北岸、潇河北路东侧、潇河国际会议会展中心西侧，建筑占地面积2573.2m 2，总建筑面积5125.05m 2。

本工程地上一层、地下一层，建筑高度6.9m，结构形式为钢筋混凝土框架结构。

项目总供热负荷41MW，供冷负荷41.39MW，过度季热负荷1.45MW，利用中深层地源热泵机组、浅层地源热泵机组、热水锅炉、高效制冷机组实现多种能源的优势互补（其中以地热资源为主，燃气资源用作调峰），同时辅助以热水蓄热蓄冷技术，降低能源消耗及运营成本，供冷供热面积48.5万m 2。

项目作为区域综合能源系统的典型能源形式，随着设备的革新、传输方式的变化以及能源多样化发展，促使能源源端与受端进一步耦合。

项目整个控制系统主要包含土壤源源侧系统（见图2）、中深层源侧系统、空调供冷系统、空调供热系统、过渡季供冷热系统、生活热水供热系统、冷却水系统等7个系统，控制系统采用和利时HOLLiAS MACS-K系列DCS集散控制系统对以上各系统实现自动化控制和智慧化管理，实现全自动无人值守的管理模式。

其实时数据通过通讯网络上传至山西综改区“山西·
潇河新城”综合能源调度中心，在调度中心实现对会议会展中心能源岛的监视和管理。

2 DCS控制系统应用
2.1 系统结构
项目设立中央控制室，中央控制室集中采集每个现
图1 潇河国际会展中心能源岛项目全景图
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2024年第1期
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场控制设备和传感器的数据，在DCS控制系统进行初步数据处理，处理完成的现场设备数据和现场仪表、传感器数据通过高速计算机网络上传到上级数据处理平台（MES或ERP系统）。

DCS集散控制系统站通过工业以太网与工作站（ES站和OS站等）和上级数据管理系统相连，设备运转状态也通过以太网送入上位计算机，实现对全岛设备状态进行显示监控。

自控系统配置1台工程师站（E S）、3台操作员站（OS）、1台图表打印机、1套大屏幕显示系统（见图3）。

满足EMC 3A指标，均符合ANSI/ISAS71.04标准G3等级要求；I/O组件均支持在线热插拔；SOE分辨率达到1ms；系统I/O配置：DI：887，DO：517，AI：324，AO：80。

通讯组件是控制系统与第三方系统及智能仪表的接口环节，所有通讯组件均满足EMC 3A指标，符合ANSI/ISAS71.04标准G3等级要求，主要特点是：采用基于通道冗余与卡件冗余的四重化冗余技术，4路完全隔离的可编程串行口通讯，每路支持不同的通讯方式、协议、波特率等。

图2 土壤源源侧系统图
图3 系统网络结构示意图
2.2 DCS系统主要配置
DCS系统主要由主控制器、I/O组件、通讯组件、操作站构成。

主控制器采用三个32位RSIC军工级ARM系列嵌入处理器协同处理控制站的任务，同时支持在线下载，支持1:1热备份冗余，互为冗余的两块主控制器在一个控制周期内完成工作/备用状态的无扰切换[1]。

I/O组件是执行系统输
入输出任务的关键部件，其主要功能特点为：I/O组件均
操作站分为工程师站、操作员站、数据站等。

工程师站主要用于工艺流程画面、系统控制、运行诊断、数据库的编辑及修改；操作员站具有冗余功能，且有两个单独的冗余通讯数据处理模件分别与冗余的两条数据公路相连；可在组态中建立专
门的数据站网络策略，将数据站作为外部数据的服务器，向过程信息网上的其他操作节点提供外部数
据，实现数据共享。

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3 系统基本功能
（1）实现能源岛内设备自动化运行及运行数据自动记录。

具有实时监测全岛能源设备运行参数（如温度、流量、压力等）、水质指标、电量参数，并对其进行采集、处理、储存、显示和打印。

实时监测岛内主要设备的运行状态（如冷水机组、热泵/锅炉、水泵、冷却塔、风机、阀门等），并对其信号进行采集显示。

对能源岛内重要能源设备（如冷水机、热泵/锅炉、水泵、冷却塔、阀门等）的启动次数和时间进行统计并生成报表，使用户能够科学合理安排生产设备检修时间[2]。

（2）实现能源岛内设备的智能运行调节。

中央控制系统通过上位机交互界面实现能源设备的参数预设，实现管理人员对能源设备运行模式和运行方式的智能化运行和调节的预先安排。

通过一系列传感器、执行器、通讯卡及PLC等现场控制设备，实现各个能源设备的自动化、智能化运行。

（3）友好易用的人机交互界面，实现与其他平台的数据对接，并具备可扩展性集中监控的上位机采用全中文操作界面。

能够自动生成各种管理需要的生产和统计报表，实现代替人工操作的自动巡查和自动抄表功能，并可以通过网络通讯汇总数据到上级数据管理平台。

（4）实现能源岛内设备的自动报警、状态预警及维保提示。

能够自动进行设备超限报警和故障报警，并可根据报警数据进行相应的分析。

具有故障历史查询和追溯功能，能够自动记录系统或某台设备故障前和故障过程中的状态信息。

（5）本控制系统有三种控制模式。

三种方式的控制级别由高到低为：手动控制、远程控制、自动控制。

手动控制模式：通过现场操作箱或控制中心的控制柜上按钮实现对现场设备的启停操作和状态监测，运行在其他模式时，手动控制模式失效。

这种操作模式在单机调试、单机检修或非正常情况下常用。

远程控制模式：主要是指操作人员通过系统界面上各个主机（冷水机组/锅炉/热泵）系统（包括主机及相应附属设备）对应的一键启停按键，当发出一键启停命令时，冷机及相应附属设备可按逻辑自动顺序启停。

系统具有冷冻水/冷却水/热水流量过小保护控制功能；冷冻水泵、冷却水泵运行时发生故障，其备用泵自动投入使用；在冬季、夏季、过渡季等季节变化时，自动切换系统
上的阀门，完成运行模式切换；具备系统自动加减主机系统运行个数的功能；可根据管理人员对主机系统运行个数以及供水温度需求编制成全年时刻表，根据时刻表对纳入群控的主机系统实现自动的加减机控制和供水温度控制。

自动控制模式：也称为智能控制模式[3]，主要是指操作人员通过时间表设定功能，可由管理员设定全年365天的运行参数（温差、频率、压差、供水温度等）；根据负荷预测结果，自动计算需投入的主机类型及数量；可智能调节冷冻水泵/冷却水泵/热水泵频率；智能调配供水温度设定；在无网络状况下继续自动控制，不会因网络原因影响设备运行。

例如夏季建筑供冷和冬季建筑供热模式下，通过预设能源设备运行参数，全自动一键启停控制冷却水机组、热泵机组、冷冻水机组和现场阀门水泵等设备。

根据操作人员是否在受控系统或过程的现场来看，全自动控制通过中央控制室DCS工程师站（ES）或操作员站（OS）上实现。

4 结语
本能源岛智慧能源管控系统采用平台+DCS集散控制系统的方式，通过DCS控制系统的应用，实现“集中管理、分散控制、数据共享”的分层、分布式的拓扑结构，符合当前工业自动化控制系统发展潮流，能够实现能源岛内工艺参数及设备集中监测和生产过程的自动控制。

该DCS集散控制系统具有操作的先进性和管理的智能化，同时集中应用了通信、大数据等先进技术，在保证能源设备正常运转的前提下，获得良好的技术、经济及社会效益，并能保证系统长期稳定高效地运行。

参考文献：
[1] 赵旨瑞.天然气蒸汽锅炉DCS控制系统设计及应用研究[D].太原：中北大学，2022.
[2] 赵鹏举.工业自动化智能控制的探究[J].低碳世界，2016（11）：254-255.[3] 熊虎.基于PLC的污水处理自动控制系统设计[D].长沙：湖南大学，2014.。