DCS控制系统在化工产线自动化中的应用与改进

本文从化工生产需求出发，分析 DCS 的自动化架构特性与功能定位，重点探讨其在单元过程控制、安全联锁执行及质量能源优化中的工程化应用，并针对控制算法滞后、数据孤岛等问题提出改进路径，为化工产线自动化升级提供技术参考。

1DCS 核心功能与化工生产需求分析

DCS（分布式控制系统）的核心在于其分层分布式架构通过计算机网络 modbus 等网络将这个工厂串联起来。物理层由控制站、操作站等组成，其中控制站包含 CPU 以及对应卡件，卡件直接连接温度变送器、调节阀等设备，实现毫秒级实时控制。操作层通过工程师站和操作员站提供人机界面（HMI），集中监控全厂数据。关键的是控制网络层，采用工业以太网或专用总线（如 Profibus），总要设备被通过双冗余设计确保信号传输零中断（如控制器、IO 总线、重要设备卡件等）。这种架构既分散了单点故障风险（某台控制器故障不影响其他区域），又通过集中数据库实现全流程协调。

2DCS 控制系统在化工产线自动化中的应用

2.1 单元过程自动化控制实现

化工单元设备的自动化控制是 DCS 的核心应用场景。针对反应釜温度控制，系统采用串级控制结构。具体是主回路以物料温度为基准，副回路实时调节蒸汽调节阀开度。当进料流量突变时，前馈补偿模块会提前调整阀门位置，抵消扰动影响，将温度波动控制在工艺允许范围内。精馏塔控制则需解决多变量耦合问题，例如塔压波动会导致沸点变化，进而影响组分分离效果。DCS 通过解耦算法协调再沸器加热量、回流比和塔顶压力三个关键参数，在维持塔压稳定的前提下自动微调其他变量。对于批量生产过程，系统依据预设配方执行时序逻辑，过程为启动阶段自动开启进料阀并按流量比例控制，反应阶段动态调整搅拌速率与温度，出料阶段联动泵阀完成物料转移。全过程无需人工干预，仅需操作员在 HMI 确认阶段切换指令。

2.2 安全联锁自动化执行机制

化工生产的安全保障高度依赖 DCS 与安全仪表系统（SIS）的协同。当反应器压力传感器检测到超压风险时，信号通过硬接线直连 SIS 控制器，触发毫秒级响应，首先关闭进料切断阀中断反应物料输入，同时开启紧急泄放阀降低压力。上述动作执行后，DCS 自动弹出报警画面并记录事件序列，操作员需现场确认设备状态方可手动复位系统。对于关键设备保护，DCS 配合智能诊断逻辑，具体为当循环水泵运行时振动值超标，系统自动启动备用泵，待运行稳定后停运故障泵并生成维修工单。此外，可燃气体探测器的信号会同时送入 DCS 和 SIS，低浓度报警时 DCS 启动排风机。高浓度联锁则触发 SIS 紧急停车，确保多重防护机制有效运行。

2.3 质量闭环与能源优化控制

产品质量的稳定控制需构建闭环自动化体系。在反应工序中，DCS 集成在线成分分析仪数据（如近红外光谱），通过模型预测控制（MPC）动态调整反应时间或温度设定值。若催化剂活性衰减导致反应速率下降，自适应 PID 模块会自动增大蒸汽阀门开度补偿热量损失。对于无法实时测量的关键质量指标，系统采用软测量技术，即为利用温度、压力等过程变量建立推断模型，替代离线化验的滞后分析。能源优化方面，DCS 实时采集全厂用能数据，蒸汽系统通过管网压力反馈自动调节锅炉负荷；冷却水回路根据换热器出口温差控制变频泵转速。压缩机站则采用负载分配算法，依据用气需求变化自动启停机组或调整导叶开度，减少空载能耗。所有优化指令均由控制层直接下发至执行机构，无需中间人工干预。

3 改进措施分析

3.1 控制算法升级路径

针对化工产线中传统 PID 控制难以应对非线性工况的问题，需推进算法升级。自适应模糊 PID 是可行方案，即为系统实时辨识被控对象特性（如反应釜传热系数变化），动态调整比例带和积分时间。例如精馏塔进料组分波动时，算法自动减弱耦合变量间的相互干扰，减少人工重调参数频次。对于多变量强耦合场景，应嵌入先进过程控制（APC）模块，采用模型预测控制（MPC）协调关键参数。以乙烯裂解炉为例，MPC 根据原料气流量、炉管温度预测出口组分，提前调整风煤比设定值。长期看，需建立控制性能评估系统，自动诊断振荡或响应滞后问题并推荐优化方案。

3.2 系统集成架构优化

现有 DCS 与第三方系统（如 MES、PLC）的数据孤岛制约了协同自动化能力，随着技术发展，也有了相应的解决方法。PLC：DCS 和 PLC 数据交互常见的协议为 MODBUSRTU 协议（一些场合采用 TCP 协议）DCS 做主站 PLC 做从站，数据可以很好解决。MES：DCS 同 MES 数据交互或者实现 APC 先进控制，也是现在工业发展的大方向，就 MES 而言是连接企业计划层和生产现场，APC 控制是通过大数据基座进行控制优化，实现自动优化控制，也为工业 AI 提供了数据接口。首先部署 OPCUA 或者 OPCDA（根据实际情况定协议类型，跨平台一般 UA）再进行相应的 MES 或者 APC控制搭建。DCS：DCS 和不同厂家 DCS 通讯，因 DCS 的特殊性（DCS 相对而言更偏向于主体）DCS 一般只能做主站，两个 DCS 厂家则无法实现直接通讯，现在的解决办法是 DCS 之间增加网关模块，网关模块在两方都做从站，在网关内部进行数据交互，DCS 侧都做主站。需要注意的是网关选择，某些网关技术不是很成熟通讯会偶发性中断。

3.3 智能维护与安全增强

提升系统可靠性的关键在于预测性维护与安全防护强化，基于数字孪生的故障诊断是有效手段。在 DCS 中建立关键设备（如压缩机）的虚拟模型，通过对比实时振动、温度数据与模型预测值，自动识别轴承磨损或转子失衡早期征兆，提前两周生成检修计划。安全层面需深化 SIS 与 DCS 的联动逻辑，除硬接线紧急联锁外，增加安全参数动态校准功能。同时强化网络安全，比如，控制网部署工业防火墙过滤异常访问请求，并对 USB 端口实施物理密封。

4 结束语

DCS 控制系统通过分层分布式架构与协同控制逻辑，为化工产线提供了坚实的自动化基础。面对复杂工况与安全要求，需持续优化控制算法（如APC 与自适应 PID 融合）、打通异构系统数据链路（基于 OPCUA 的厂级集成）、并引入智能维护手段（数字孪生预测性诊断）。未来可结合边缘计算与 AI 技术，在保障实时性与可靠性的前提下，实现工艺参数自动寻优与能效动态平衡，全面提升生产效能与安全水平。

参考文献：

[1]陈建鑫.基于 PLC 技术的石油化工装置电气控制系统优化方案[J].石化技术,2025,32(05):68-69.

[2] 王杰.DCS 控 制系 统在精 细化 工中 的应用 研究 [J]. 石化技术,2025,32(02):16-18.

[3]张进堂,王永爱.电气自动化在化工机械设备控制系统中的应用[J].造纸装备及材料,2025,54(02):46-48.