Mon

27

Feb

2012

DCS系统控制集成 自动化控制系统集成 专机自动化系统集成

DCS控制系统
DCS控制系统

本公司是一家专业为工业过程提供完整的解决方案和成套自动化控制设备的专业化公司,主要承接工业控制自动化系统、DCS分散控制系统系统、全自动变频恒压供水,中央空调变频节电系统改造.注塑机节电控制系统, 可编程控制器(PLC),工厂生产流程动态画面监控系统的工程改造,专业机械设备自控系统集成,生产流水线自控系统集成等控制系统,为用户提供极尽完善的系统控制解决方案,并且提供从产品选型、供货到工程设计、施工及安装调试等一条龙服务。

  我们力求我们力求用有效的沟通来了解客户的需求,通过提供能满足客户需求且安全、可靠、高效和环保解决方案和服务,协助客户实现增加收入、降低成本和提高生产力效率而取得成功。
广泛应用于石油、石化、国防、铁路、冶金、煤矿、配电、发电、制药、热网、电信、能源管理、水利、公路交通等各行业。
秉承服务于客户的信条,本公司将随时提供具有专业优势技术及售后服务。
联系电话:13588538556 罗 
0 Comments

Fri

24

Feb

2012

DCS自动控制系统与变频器的电磁兼容

1引言

  变频器的应用日益普及,为各行业的工业自动化控制提供了良好的生产及工艺效益。但随着自动化程度的不断提高,自动化设备对电源污染的程度也越来越深,相应的对自动控制系统的干扰也越来越强,对电源滤波、净化,取得相对稳定的绿色电源的要求也越来越高。

  国际上对电磁兼容(EMCEMI)的设计及应用已有比较明确的法律及法规,对电子设备的干扰及被干扰、电源的谐波含量都有明确的规定。由于我国电子设备的自动化发展相对较慢,对其谐波含量对电网的污染还没有一定的认识,因此这一方面的认知还没有发展到法律化的程度。但是,在一些工业生产自动化程度相对较高的场合,电磁兼容的意义已相对明显,有些电子设备对电磁干扰非常的敏感,已至于无法正常工作。

  在河南新乡华星制药厂我们安装变频器设备时就遇到了该类问题,我们利用滤波措施,经过多次调试,已顺利解决。这里我们把问题解决的方法谈一下,供业界人士共同探讨。

2发酵车间自动控制系统简介

  河南新乡华星制药厂青霉素发酵107车间,采用北京康拓生化工程有限公司设计制造的全自动DCS控制系统,对每台发酵罐的温度、压力、酸碱度(PH值)进行全方位监控,并对发酵过程中的补料、出料,包括加糖、苯乙酸、加氨等进行全自动操作,有三个传感器进行检测,发出电信号至微机控制系统。由微机控制系统根据检测的电压(或电流)值适时发出脉冲信号(+5V),去控制电磁阀的开闭(电磁阀工作电压为+24V),来实现进出料的补给。这样每台发酵罐就有三项进出料控制的六个电磁阀,三个传感器,两块检测仪表,在微机上全部实行远距离监控,并将全部数据全面显示于一面大屏幕墙上。全车间共有18个发酵罐。由此可想而知该类系统结构庞大,控制繁杂,布线稠密,安装时考虑必须十分周到、细致。

3电磁干扰问题分析及解决方法

  由于用户已试用了一台变频器,根据更换皮带轮,调整电机转速,对用变频器节能已有一定的认识,因此决定安装我公司的变频器,以实现节能增效的目的。

  我们在第一次安装变频器时,由于未考虑到电磁兼容的严重性,变频器开机后干扰原控制系统,在微机上多台发酵罐发出报警信号,后来加了输入、输出电抗器,也没能解决问题。后来我们观察用户原应用的变频器,他采用了济南菲奥特电子设备有限公司生产的变频器输入端及输出端专用电源滤波器,已正常运行一年,于是制药厂建议我公司购买该类同型号的电源滤波器。

  变频器输入端电源滤波器是采用高导磁率的铁氧体磁心及铁粉芯,配接一定的电容,构成LC滤波器,将变频器产生的高次谐波(在某一频带内的)滤掉,而使临近或同一电网工作的电器设备不受干扰,能够正常工作。其原理图如图1所示。

  

                                                            图1 输入滤波器电路原理图

  变频器输出端电源滤波器采用电感(L)滤波,抑制变频器输出的传导干扰和减少输出线上低频辐射干扰,使直接驱动的电机电磁噪声减小,使电机的铜损、铁损大幅减少。其原理图如图2所示。

  

                                                             图2 输出滤波器电路原理图

 

 购买了该类滤波器后,我们去现场进行了调试。由于对该类现场接触较少,技术人员准备不太充分,虽然增加了滤波器,但滤波效果仍不理想,在重载时仍存在干扰,DCS系统不能正常工作,变频器仍无法运行。于是我们对问题做了具体的分析。

  变频器产生干扰的原因

  

                                                                    图3 变频器主电路图

  变频器主电路一般是交流—直流—交流模式见图3,外部输入380V/50Hz的工频电源经三相桥路不可控整流成直流电压信号,经滤波电容滤波及大功率晶体管开关元件逆变为频率可变的交流信号。在整流回路中,输入电流的波形为不规则的矩形波,波形按傅立叶级数分解为基波和各次谐波,其中的高次谐波将干扰输入供电系统。在逆变输出回路中,输出电流信号是受PWM载波信号调制的脉冲波形,对于GTR大功率逆变元件,其PWM的载波频率为2~3kHz,而IGBT大功率逆变元件的PWM最高载频可达15kHz。同样,输出回路电流信号也可分解为只含正弦波的基波和其他各次谐波,而高次谐波电流对负载直接干扰。另外高次谐波电流还通过电缆向空间辐射,干扰邻近电气设备。

  变频器干扰的主要传播途径

  变频器工作时,作为一个强大的干扰源,其干扰途径一般分为辐射、传导、电磁耦合、二次辐射和边传导边辐射等。主要途径如图4所示:

  

                                                        图4变频器干扰的主要传播途径

  从上图可以看出,变频器产生的辐射干扰对周围的无线电接收设备产生强烈的影响,传导干扰使直接驱动的电机产生电磁噪声,使得铜损、铁损大幅增加,同时传导干扰和辐射干扰对电源输入端所连接或邻近的电子敏感设备有很大的影响。

  针对这两次调试情况和变频器产生干扰及干扰的途径,我们联合电源滤波器生产厂商的工程师进行了分析总结,并与北京康拓生物工程有限公司的工程师多次进行了电话沟通,了解了其工作原理、布线情况,分析认为主要还是变频器输入端产生的高频谐波造成的干扰。因装变频器后,变频器的输入线在原动力线槽内,而输出线不在线槽内,离电机也比较近。再者,原布线系统不太合理,动力线槽与控制线槽距离较近,只有20cm,按规定应不少于50cm,且两线槽平行走线,这些都是比较忌讳的。变频器的地线接的也不太合理,接在了电源线的走线槽上,线槽的作用一是支撑电源线、二是起屏蔽的作用,变频器的干扰又通过地线到了线槽上。变频器产生的高次谐波通过变频器的输入线和地线辐射到其它设备的电源线和信号线上(尤其是比较敏感的传感器的信号线。这里强调一点:我们的变频器与DCS控制系统不是同一台变压器给电,可以排除直接传导干扰),干扰了控制系统的正常工作。

  分析这些问题,由于原布线系统已成定型,再动几乎是不可能,因此改变电源线和信号线布线的想法应予以排除,变频器地线可以另走,拉一根地线直接接至配电室电控柜的地线上,对变频器的输入端再加强滤波措施,按理论问题应于解决。

在现场原发酵罐停车后,我们在原滤波器基础上又增加了一套共模及差模磁环,在输入、输出每相线上各套二个差模环,在输入的三根相线上套两个共模磁环,并将地线接至配电室的地上。这样处理后开机运行,在电机空载的情况下运行正常,没有出现干扰报警现象。

  带载运行时,305、307罐出现干扰报警。将地线改至控制307罐(该罐已使用变频器,线槽内走的是该变频器的输出线)变压器的地线上,305罐不再干扰报警,但307罐仍间隔几分钟出现干扰报警现象,分析可能是两台变频器产生的共模干叠加所至,也可能是地线放在动力线槽内,走线较长引起的,于是在地线上加装地线滤波器,但效果也不太好。后来将地线拆除(经测量变频器整机漏电流很小,对人体不会造成危害,所以可以将地线拆除),效果好一些,但报警现象也是间断出现,这样分析应该不是地线引起的,还是输入端的滤波措施不够,没有将高频干扰滤除干净。因此停机,在输入的每相线上再加两只差模环,在三条输入相线上再套三个共模环,这样开机运行,工作正常,整个系统不再出现干扰现象。系统处理后的框图如图5所示。

  

                                                                             图5 系统框图

4结束语

  这次试验,为发酵行业在自动控制与变频器兼容(即电磁兼容)问题的解决进行了一次尝试。据北京康拓生化工程有限公司的工程师讲,该类自控系统在制药行业应用很广泛。我们付出了努力,同时也得到了锻炼,使我们在电磁兼容问题的处理上又向前迈出了一步,变频器必将在医药制造行业的应用上获得较大突破。随着我国变频器市场的日益扩大,电磁兼容的意义将更广泛,其应用的前景将是十分乐观的。

  新风光公司发酵罐部可为制药厂提供完善的变频节能方案,菲奥特公司电磁兼容工程部可为广大变频器制造厂商提供免费的技术指导与工程整改服务。

0 Comments

Fri

24

Feb

2012

DCS故障分析及技术措施

一、概述

  镇海电厂#3-#6215MW机组从1998年开始进行自动化改造,选用国产的DCS系统,2007年起各台机组陆续进行升级改造,目前已完成三台机组的升级工作。镇海电厂DCS的网络结构由上到下分为监控网络、系统网络和控制网络三个层次,如图1所示。其中监控网络中的工程师站、操作员站。

  高级计算站等和系统网络中的现场控制站。

  

  通过系统服务器实现互连;控制网络由ProfiBus-DP构成,实现现场控制站与过程I/O单元的通讯。该系统可由多组服务器组成,由此可将系统划分为多个域。镇海电厂215MW机组的DCS均划分为两个域,即主机域和辅机域。每个域由独立的服务器、系统网络和多个现场控制站组成,域内的数据单独组态和管理,完成相对独立的采集和控制功能;两个域共享监控网络和工程师站,操作员站等则通过域名登录到不同的域进行操作。

  镇海电厂DCS系统在升级改造前故障率相对较高,经过对历年来故障统计的分析,主要故障有主控制器故障、I/O模件故障、服务器故障、控制网络故障和其它因素等引起,以2006年度为例,#3-#6机组共发生DCS相关故障39起,其中主控制器故障13起,模件故障8起,占故障总数的53.8%,因此控制系统故障是热工系统故障的主要因素,其分类统计情况,如图2所示。

  

二、DCS故障现象及其分析

  根据上述DCS系统所发生的主要故障发生类型,下面对镇海电厂近年来应用DCS过程中比较典型的软、硬件故障进行分析。

  2.1主控制器故障

  主控制器故障在镇海电厂DCS故障中占有较大比例,而且引起主控制器故障的原因也各不相同,部分故障在单纯复位或重新启动后能够恢复正常,部分故障则对机组运行产生了严重影响。

  (l)异常控制器不能自动切换

  2009年8月31日,现场检查时发现#5机#11 I/O站和#26 I/O站主控器故障,均为A主控故障灯闪亮,双机冗余通讯灯不亮,B主控备用。从工程师站上查看,主控制器显示A主控为主,B主控备用,状态显示正常;查阅DCS历史记录,无相关故障记录;相关I/O站内各参数采集、控制设备动作均正常。经分析,认为主控制器当前仍正常运行,但双机冗余的同步性存在问题,如果这时发生主控切换将会出现较大扰动。而在这之前异常控制器不能冗余切换故障已发生过多次,如#3炉DCS系统曾发生一次风压自动调节偏差大于36OPa时,运行人员手动干预操作送风机勺管调节执行机构无效,急忙至就地进行手操。热工通过工程师站,检查对应的#12 I/O站,发现A主控离线,B主控备用,在I/O站上查看A主控系统灯1和系统灯2均不亮,故障灯未亮,表明该主控已失去与系统网的数据交流,但主控未实现冗余切换。另#3炉#23 I/O站也曾发生过A主控故障离线,故障灯与双机冗余数据交换灯均不亮,主控制器未自动切换。这些故障案例表明,MACS系统主控制器冗余切换功能不完善,某种故障状态下该功能失效。

  (2)散热风扇故障导致主控制器故障

  主控制器内的散热风扇如果故障,将使主控制器故障率大大增加。自2005年以来,镇海电厂统计的因主控制器内散热风扇异产常导致的主控制器故障共计13次(这类故障的主控制器内散热风扇均有一个或几个运转不正常或完全不运转,一般在更换散热风扇后仍能恢复正常运行)。

  (3)电子室环境对主控制器的影响

  电子室内的温、湿度对主控制器有一定影响,强制散热的主控制器影响更大。温、湿度过高不一定使主控制器立即发生故障,但长期处于这种环境下必定会使主控制器故障率增高,而且从我们的统计来看,湿度的影响比温度的影响更大。根据2005年以来的统计,每年3-6月份的主控制器故障次数约占到全年总数的1/3到一半多,这段时期正值南方湿热的雨季,中央空调往往会补充大量的新风,电子室内湿度会有所增大。这种情况下发生的主控制器异常,一般均通过复位或重新启动后可以恢复,只有个别需要更换新的主控制器。

 2.2模件故障

  与主控制器故障相比,模件故障相对容易解决,一般通过模件复位和更换模件就能恢复正常。但有些故障由于受其它因素影响,比较特别。

  (l)外部千扰引起I/O模件离线

  2007年1月,#5机组按计划转入小修。停机过程中,运行人员投微油点火装置助燃,不久发生用于微油燃烧器壁温测量的热电偶测量模件故障,微油燃烧器壁温显示无效。热工人员对模件复位后恢复正常。之后在小修和开机过程中多次发生该模件故障,均能够通过复位得以解决,期间也更换过模件,但故障依旧。机组复役后该模件运行稳定,直至3月4日再次发生该模件故障。经现场检查,接入该模件的二支热电偶元件安装位置与微油点火枪距离过近,当微油点火枪点火时高能电磁干扰通过电缆串入模件中,造成模件离线,并在试验后得到确认。在调整热电偶与点火枪的安装位置后,此故障排除。

  (2)单一通道的故障

  模件故障有硬性和软性二种,需通过更换模件来解决的我们称之为硬性故障,而通过对模件进行复位可以解决的故障,我们称之为软故障,这种故障也有可能只反映在其中的某一个通道上,可以通过实际测量来判定。如2007年l月15日,#5机化补水调节阀不能开启,无论DCS中给出的指令是多少,现场测量电流值始终为4mA。之后对该模件进行复位后控制复正常。另有一次#4炉定排疏水电动门开启且无法关闭。现场检查对应的开关量输出模件,第一通道输出为“1”(对应该电动门的开指令),而DCS中查看该通道的状态为“0”,更换模件无效,对主控制器进行下装后控制恢复正常。

  2.3服务器故障

  镇海电厂DCS的监控网络和系统网络通过服务器实现互连,因此服务器故障将使处在上层监控网络操作员站失去对下层系统网络中的运行参数和控制设备的监视和控制,给机组的安全稳定运行造成严重的影响。2007年6月11日,#6机主机域主服务器故障,服务器未能自动切换,所有操作站上参数失效,控制失灵,运行人员依靠DEH和后备仪表维持机组运行。热工人员在手动切换到B服务器后DCS恢复运行,但从系统状态图中查看A服务器连接系统网的下层网络仍然处于故障状态,本地网络没有连接,重新启动服务器后网络连接恢复。之后#6机又多次发生同类故障,检查服务器主机及网卡均未发现异常,也更换过服务器,但至今原因不明。目前采取定期切换、重启服务器的方法,有一定效果。

  2.4控制网络故障

  一般来说,DCS网络故障多发生在网络设备如交换机、光端机的故障,往往在更换硬件后故障现象能得到解决。2007年1月29日,#3机一台交换机故障导致监控网B网离线;之前#3机一台交换机死机,导致系统网A网离线;#5机一台光端机故障,导致#30站远程I/O站离线;这些故障均在复位或更换网络设备后恢复正常。

  由于DCS的控制网络连接主控制器和过程I/O模件,控制网络故障对系统的影响范围较大,往往是一段链路中的多个模件同时离线,其原因具有多样性:

  (l)网线连接配件故障

  2007年2月5日,#3机组正常运行,#20 I/O站内多个参数显示无效,控制设备操作失灵。现场检查,#20 I/O站A主控运行,B主控备用,A列模件运行正常,B列、C列模件均离线。在做好必要的安全措施后切换主控制器,则B列、C列模件大部分恢复运行,个别仍有间歇性离线,而A列模件则都出现间歇性离线,间隔时间在几秒到几分钟不等。查明的原因是B主控控制网的DP线插头故障(DP插头内部配有终端电阻,是否使用可选择),导致链路中断或阻抗不匹配,更换DP插头后恢复正常。之后类似故障#3机还发生过两次,均在更换DP头后得以恢复,于是在机组检修期间,我们对所有同类型的DP插头进行了更换。

  (2)DP总线“虚接”

  镇海电厂DCS远程I/O站的控制网络采用底座串接的方式扩展I/O模块,这种连接方式灵活度高,便于分散连接,但同时存在DP通信的故障点多,通信总线的特性阻抗不稳定等缺点。2006年4月,#4机组发电机温度测量远程柜自第二个模块以下全部离线,在按压或触碰这几个模件后则能够恢复,之后多次发生类似故障,基本以同样方式解决。经分析,这类故障原因是因为垂直安装的模块底座受机械振动引起触点松动和现场环境不佳如湿热等将引起触点氧化,会造成DP总线的“虚接”,特性阻抗不匹配。这类故障在安装于现场的远程I/O柜发生较多,而安装于电子室内的I/O站则基本未发生。#4机发电机温度柜在机组检修时更换了所有底座并重新安装后,这类情况有了较大好转。

  (3)故障模件对DP总线的影响

  一段DP总线上几个模件的通讯接口故障时,可能会引起一段DP链路上的所有模块离线。如#4机给泵温度远程I/O柜内曾发生多个模件频繁离线,离线间隔时间短则几秒钟,长则几分钟甚至更长,DP总线无虚接现象。采取下装主控、更换模件等手段均无效。在插拔模件的过程中,当拔到某一个模件则DP链路恢复正常,再插回则又有模件开始离线,因此判断是模件故障引起整个一段DP链路上模件离线。通过逐一排除的方法共查到有一块模件故障,事后拆开模件肉眼能看到有电容元件不同程度爆裂的迹象。

  模件故障影响一段DP总线上模件离线的故障点较难判断,离线的不一定是故障模件,故障模件也不一定会离线,但没有好的测试手段,只能用逐一排除法来进行故障点的判断,在机组运行时有一定的难度和风险。但这种总线故障在只有一个模件故障时不会出现,而且模件内的故障点能用肉眼观察到,因此机组检修时可以对模件拆开检查,能起到很好的预防效果。

  2.5其它因素引起的故障

  (1)GPS时钟对DCS的影响

  镇海电厂DCS的系统时钟是由服务器通过与GPS电子钟通讯进行校时的。2006年9月17日,#4机组正常运行时发生DCS操作员站均离线退出运行,主机域和辅机域两个冗余服务器中的主服务器均离线退出运行,工程师站离线退出运行,主机域和辅机域的冗余服务器自动切换成功。正在现场的热工人员立即启动工程师站,运行人员通过工程师站维持机组运行。经现场分析,由于GPS电子钟故障,DCS系统时钟被错误地校成了2178年,而因此造成操作员站离线则应是系统程序的bug。在恢复系统时钟后,逐一启动操作员站和服务器,DCS恢复正常运行。

  (2)控制系统逻辑不完善

  控制逻辑组态的不完善,很难通过正常的试验发现,正常运行中也不会有问题,但在某种特定条件下会影响到机组安全稳定运行,甚至联锁保护误动。如#5机组215MW满负荷运行,甲给水泵运行,乙给水泵备用时,甲泵前置泵流量超限报警(超量程上限800t/h),随后甲泵再循环调节阀自动开启,给泵出口压力低报警,汽包水位低至-120mm。经检查设主给水最大设计流量为680t/h,前置泵流量变送器量程设置为0-800t/h。DCS组态中,前置泵流量的判断使用“幅值报警”模块来实现,该模块低报警、低低报警值均设置为200,高报警、高高报警值则均设置为800,当前置泵流量前置泵流量小于200t/h(给水泵小流量保护)或超过800t/h时,均联锁开启给泵再循环调节阀。这种组态没有考虑极端情况,后改为“比较器”模块,只发出单一判断信。

  (3)维护措施不当

  不适当地使用超级权限,可能会导致控制器逻辑运算错误。如#3机组曾因RB逻辑不完善,热工技术人员使用超级用户权限在线修改定时器类型时,定时器输出变位而触发机组RB保护动作。实际上超级用户权限是DCS厂家限制使用的权限,有其不确定性,在安全措施不完善的情况下极易引发事故,因此其使用要非常慎重。

三、提高Dcs可靠性的技术措施

  随着DCS在火电厂中的广泛应用,其在机组安全稳定运行中所占据的主导地位愈加突出。由于DCS设备软硬件的可靠性、控制逻辑的完善和合理性、热工人员维护和检修水平等诸多因素的影响,使机组误跳闸事件仍时有发生。因此进行有效的技术管理和正确的检修维护,保持火电机组DCS的稳定、可靠运行也就日渐成为热工人员日常管理、维护的重点。为此笔者结合上述案例分析,从提高控制系统可靠性着手,提出一些防范措施供检修维护中参考:

  (l)对DCS设备和检修维护实行全过程管理,尽早发现缺陷并及时处理。完善DCS自诊断和故障报警功能,对DCS运行状况的实时监控不仅要监视主控制器的状态,还要监视主控制器网络的状态。

  (2)制定合理的定期维护制度,详细规定检查维护的内容、方法和周期,并对检查结果进行分析,采取针对性的预防措施。镇海电厂自从试行这项制度以来,有效地控制了DCS故障的发生。

  (3)制订DCS应急预案和典型故障处理方案,防止因维护不当引起的DCS故障。

  (4)选用品质较好的备品配件,如主控制器的散热风扇、DP插头等,对于易损部件实行定期更换。

  (5)对电子室的环境温度进行远程监测,接入DCS显示,实时掌握电子室环境温度的变化。使用中央空调的电子室还应注意湿度的控制,如有必要应增装独立的空调或除湿装置。

  (6)检修时对模件电路板外观进行检查,能起到很好的预防效果。

  (7)深入了解DCS软件性能,采取合理的组态方法防止极端工况下的误动;禁止使用“超级用户”等不规范的手段进行软件修改。

0 Comments

Fri

24

Feb

2012

DCS系统接地应用讨论

前 言

  随着电力工业的迅速发展和热工自动化水平的提高,分散控制系统(DCS)已在国内各电厂中得到广泛应用,这对保证电厂安全、经济和文明运行起到了十分重要的作用,并取得了良好的效果。

  DCS合理、可靠的系统接地,是DCS 系统非常重要的内容。为了保证DCS 系统的监测控制精度和安全、可靠运行,必须对系统接地方式、接地要求、信号屏蔽、接地线截面选择、接地极设计、接地箱布置等方面,进行认真设计和统筹考虑。本文根据DCS系统的设计规范要求,对DCS系统接地进行讨论和简要的介绍,以供大家在DCS系统设计、安装、维护中参考。

1、DCS系统接地的基本要求

  DCS系统接地是为了保证当进入DCS系统的信号、供电电源或DCS系统设备本身出现问题时,有效的接地系统能承受过载电流并可以迅速将过载电流导入大地。接地系统能够为DCS提供屏蔽层,消除电子噪声干扰,并为整个控制系统提供公共信号参考点(即参考零电位)。当接地系统发生问题时(接地电阻过大,多点接地,接地线断线或接地线与高电压、大电流设备相接触等),会造成人员的触电伤害及设备的损坏,据了解,有些电厂DCS系统经常“死机” (或不明原因的“死机”),大多是因为接地系统不良或存在问题所引起的。 因此,完善、可靠、正确的接地,是DCS 系统能够安全、可靠和良好运行的关键。

  1.1DCS接地分类

  在一般情况下,DCS控制系统需要两种接地:保护地和工作地(逻辑地、屏蔽地等)。对于装有安全栅防爆措施的系统如化工行业所用的系统,还要求有本安地。

  1.1.1保护地(CG,Cabinet Grounding) 是为了防止设备外壳的静电荷积累、避免造成人身伤害而采取的保护措施。DCS系统所有的操作员机柜、现场控制站机柜、打印机、端子柜等均应接保护地。保护地应接至厂区电气专业接地网,接地电阻小于4Ω。

  1.1.2逻辑地:也叫机器逻辑地、主机电源地,是计算机内部的逻辑电平负端公共地,也是+5V等的电源输出地。如CPU的正负5伏、正负12伏的负端。需要接入公共接地极。

  1.1.3屏蔽地(AG,Analog Grounding) 也叫模拟地,它可以把现场信号传输时所受到的干扰屏蔽掉,以提高信号精度。DCS系统中信号电缆的屏蔽层应做屏蔽接地。线缆屏蔽层必须一端接地,防止形成闭合回路干扰。铠装电缆的金属铠不应作为屏蔽保护接地,必须是铜丝网或镀铝屏蔽层接地。接入公共接地极。

  1.1.4本安地 应独立设置接地系统,接地电阻≤4Ω。本安地的接地系统应保持独立,与厂区电气地网或其它仪表系统接地网的距离应在5m以上。

  1.2DCS系统接地方式 DCS系统一般接地方式

  1.2.1利用电气接地网作为DCS接地网,即与电气接地网共地;

  1.2.2设DCS系统专用独立的接地网;

  1.2.3设DCS专用接地网,经接地线、再接至电气接地网;

  由于第三种接地方式与第二种接地方式有较多相同处,过去,计算机或DCS系统曾经较多的采用过专用的接地网。但这种接地方式存在的缺点是:占地面积太大,投资高,电缆及接地网钢材耗量大,距厂房有相当的距离(因不易在厂房内找到合适的位置),管理、维护、测量及查找接地极和接地线不方便,且效果不甚良好。根据实际运行表明,设置专用的DCS接地网是既困难又不安全的。如某电厂曾因接地问题,造成机组跳闸数十次。根据调查,不少电厂DCS后来改用电气接地网接地,取得了良好的效果。

  1.3对公共接地极(网)的要求

  1.3.1当厂区电气接地网对地分布电阻≤4Ω时,可将厂区电气接地网当着DCS系统的公共接地极(网)。

  1.3.2当厂区电气接地网接地电阻较大或杂乱时,应独立设置接地系统,即为DCS系统的公共接地极(网)。

  1.3.3没有本安地接入的公共接地极(网)的对地分布电阻小于4欧姆;有本安地的小于1欧姆。接地总干线的线路阻抗小于0.1欧姆。

  1.3.4接地极周围15米内无避雷地的接入点,8米内无 30KW 以上的高低压用电设备外壳的接入点。当现场无法满足该条件时,防雷保护地通过避雷器/冲击波抑制器与公共接地极的主干线相连。电焊地切勿与公共接地极及其接地网搭接在一起,二者应距离10米以上。

2、DCS系统的接地原则

  2.1DCS系统设置的接地装置

  2.2.1操作台、打印台、服务器柜:设有保护地螺钉。

  2.2.2继电器柜、UPS柜、配电柜:设有保护地螺钉。

  2.2.3DCS的I/O机柜:设有屏蔽接地汇流排,保护地螺钉。系统地(+24V地)悬浮。

  2.2.4仪表柜、手操盘台:设有屏蔽地接地汇流排,保护地螺钉。

  2.2.5安全栅柜:设有屏蔽地接地汇流排,本安地接地汇流排,保护地螺钉。

  2.2信号屏蔽及其接地

  2.2.1根据有关技术规定要求,计算机或 DCS系统信号电缆的屏蔽层不得浮空,必须接地,其接地方式应符合下列规定:

  2.2.1.1当信号源浮空时,屏蔽层应在计算机侧接地;

  2.2.1.2当信号源接地时,屏蔽层应在信号源侧接地;

  2.2.1.3当放大器浮空时,屏蔽层的一端与屏蔽罩相连,另一端宜接共模地(当信号源接地时,接信号地。当信号源浮空时接现场地)。

  2.2.1.4当屏蔽电缆途经接线盒分断或合并时,应在接线盒内将其两端电缆的屏蔽层连接。

  2.2.2 DCS系统信号电缆的选择与敷设,应严格按照有关规定执行。屏蔽电缆的屏蔽层应按以上要求进行接地。为了提高DCS 系统的抗干扰能力,DCS系统开关量输入/输出信号,选用阻燃型对绞铜网屏蔽计算机电缆还是比较恰当的。

3、DCS系统的接地方法

  3.1集中布置的DCS设备接地方法

  

  3.2分散布置的DCS设备接地方法

  分散布置DCS系统设备之间的连接一般是网络(通讯)线,例如:现场控制站分散到现场,而操作员站位于不同的控制室,分散直径在500米的范围内,各站点间使用多模光纤或5类双绞线或DP屏蔽双绞线等连接。

  3.2.1使用光纤连接的站点:各站点内的接地方法同集中布置的DCS设备。

  3.2.2使用5类双绞线或DP屏蔽双绞线连接的站点:

  3.2.2.1控制室的各类地线先连接到公共连接板,公共连接板通过接地总干线与公共接地极相连。从公共接地极看过去,整个接地网络是一个星型结构。

  3.2.2.2 使用5类双绞线或DP屏蔽双绞线两头通过网络浪涌保护设备(信号避雷器、通流量不小于5KA)与DCS的SWITCH、HUB、REPEAT、或其他网络设备相连。两边的站点有各自的公共接地极,二者不必有金属连接,各站点的接地方法同集中布置的DCS设备。5类双绞线或DP屏蔽双绞线必须穿镀锌钢管或金属桥架敷设,钢管或桥架必须可靠接地。当雷击,或者电气事故造成两边地电位差过大时,信号避雷器可以保护两边的设备。

  3.3 DCS设备接地安装

  3.3.1接地体:为钉入地下的良导体,由接地总干线传来的电流通过接地体导入大地。接地体与接地总干线之间采用铜焊,焊接后应做防腐处理。可用接地网干线把多个接地体连接成网,接地网应满足DCS系统接地电阻的要求。当接地网干线与接地体采用搭接焊时,其搭接长度必须为扁钢宽度的2倍或圆钢直径的6倍。图3-2为典型的多接地体安装图。

  

  

 3.4 DCS系统接地降低土壤电阻率的方法

  3.4.1改变接地体周围的土壤结构。在接地体周围的土壤2~3m范围内,掺入不容于水的、有良好吸水性的物质,如木炭、焦碳煤渣或矿渣等,该法可使土壤电阻率降低到原来的1/5~1/10。

  3.4.2用食盐、木炭降低土壤电阻率用食盐、木炭分层夯实。木炭和细掺匀为一层,约10~15cm厚,再铺2~3cm的食盐,共5~8层。铺好后打入接地体。此法可使电阻率降至原来的1/3~1/5。但食盐日久会随流水流失,一般超过两年就要补充一次。

  3.4.3用长效化学降阻剂。用长效化学降阻剂方法可使土壤电阻率降至原来的40%。

  3.5 DCS系统接地材料及要求

  3.5.1接地体与接地网干线的材料要求

  接地体和接地网干线所用钢材规格可按下表选用,若接地电阻满足不了要求时,也可选用铜材。如果接地体和接地网干线安装在腐蚀性较强的场所,应根据腐蚀的性质采取热镀锌、热镀锡等防腐措施或适当加大截面。

  

  3.5.2接地连线要求

  DCS系统的保护地和屏蔽地连线应使用铜芯绝缘电线或电缆连接到厂区电气专用接地网或接地体上。小表列出各类接地电缆可选用的规格。当接地连线距离较长、DCS系统对接地电阻要求较高或接地干线分接的支线数量较多时,宜选用表中截面较大的电线电缆。

  

4、现场接地常用注意事项

  4.1现场控制站:接地螺丝因机柜本体与底座间有胶皮形成绝缘,屏蔽地汇流排与底座间绝缘,现场控制站必须按规定做好接地处理。即分别接至现场控制站接地汇流排上。I/O柜的电源地与UPS的电源地必须接至同一个地,保证等电位。

  4.2现场控制站:操作员站、工程师站、网络交换机、服务器主机、系统显示器等采用外壳接地或直接将电源地线连接至电气接地网。

  4.3 I/O模件:模拟量模件的40端即直流24伏的负端接至逻辑地汇流排上,逻辑地汇流排接至屏蔽地,再接入总接地汇流排。

  4.4.现场控制站的保护地应从机柜下方的接地螺钉接至接地分干线, 现场控制站的屏蔽地应从接地汇流排接至公共连接板。

  4.5接地系统的电阻必须进行测试,以保证接地能满足控制系统制造商的要求。

0 Comments

Fri

24

Feb

2012

DCS在污水处理过程中的应用

为了实现可持续发展战略,华药集团投巨资对其污水处理系统进行改造,以便能够符合工业污水的国家排放标准以及满足自身生产发展的要求。

  原有的污水处理控制系统由SBR反应池PLC和现场显示仪表组成,其中PLC由于使用的时间较长,故障率明显增高,以至于控制主要由工艺人员手动完成,并且因为现场环境的恶劣,现场仪表多被腐蚀,运行不稳定,已经影响了污水处理系统的稳定运行。最终选用了浙大中控JX300X DCS来对控制系统进行更新改造,并更换了现场变送器。

一、工艺流程

  整个污水处理的流程由以下五道工序组成:

  (一)预处理工序

  来自各生产车间的工业污水排入调节池内,由于水温较高,不利于后面工序分解有机物的菌类生长,需自然冷却后方可排出。池内设一温度节点,待水温降至设定值时,打开阀门使污水流入絮凝沉淀池内。在废水管道中安装电磁流量计以完成对污水计量结算的功能。

  沉淀池定时打开石灰泵及阀门,加入按照比值控制配比好的熟石灰溶液,以加强污泥的脱水能力及改善污水的PH值,在若干时段内离线采集池内废水,测量其酸碱度。沉淀池底部的刮泥机定时工作,将沉淀下来的污泥刮入絮渣沉淀池,再定时控制每日排出定量的浓缩污泥进入污泥脱水工序。沉淀池中的上清液体经加水稀释后排入均质池,定时排入下一道工序。

  (二)水解酸化工序

  水解酸化的主要设备是四座厌氧脱硫塔,分别接受四个均质池中的污水原液,各加一电磁流量计做成本结算之用。脱硫塔中培养的厌氧菌可以去处一部分污水原液的BOD、COD,达到污水脱硫的处理目的。根据工艺要求,塔中温度对厌氧菌的生长最为关键,塔顶及塔釜温度作为参考量。由于靠蒸汽阀门的开度来控制温度恒定,而蒸汽流量干扰对温度影响最大,所以设计以塔中温度为主控制点,蒸汽流量控制为副回路的温度—流量串级控制系统,保证了塔内温度的稳定。经过脱硫的污水排入SBR池中。

  (三)SBR工序

  SBR是序列间歇式活性污泥法(Sequncing Batch Reactor Activated Sludge Process)的简称,是一种按间歇曝气方式来运行的活性污泥污水处理技术。SBR反应池是整个污水处理车间的核心,污水中的大分子有机物在此被分解为小分子有机物,进而被分解为二氧化碳和水。所以,SBR反应池的自控对整个污水处理系统来说是至关重要的。

  SBR池底部有大量活性污泥,其主要组成部分为好氧菌。好氧菌对于污水中的有机污染物有着极强的降解作用,其种群的多少与SBR池的污水处理能力有着直接的关系。从反应池内一直进行的硝化反应方程式来看:NH4++2O2→NO3-+2H++H2O+能量

  只有有着足够的氧分子,硝化反应才能正常进行,降解有机物的好氧菌才能存活;但氧气过多又会导致大量泡沫产生,污泥沉降性能下降,能耗增加,所以对 SBR池的通气量的控制最为关键。通气量为定时控制,当在线溶氧仪浓度示值偏差过大时,改变设定值调整进气量时长。污水进料阀以及排泥阀也均为定时控制。 SBR池加装投入式液位计控制阀门以防止污水溢出,安装超声波流量计对污水进行计量,设温度节点加热水实现反应池内恒温。

  (四)接触氧化工序

  本工序内的一级、二级接触氧化池可以看作曝气池的继续,经过充分的氧化后,定时排入相应的沉淀池中,通过重力沉淀的原理,去除污泥等悬浮物,定时驱动吸泥机将污泥刮入污泥浓缩池中。二沉池中处理过的水经过滤消毒后已符合国家排放标准,可直接排放或者进入回水系统再次利用。

  (五)污泥脱水工序

  在以上工序中通过刮泥机将污泥排入浓缩池中经脱水机脱水后形成含水量较低的污泥滤饼,送入回转窑燃烧,最终以无害的二氧化碳和水的形式排放,其灰渣则做深埋处理。

  

  图1 污水处理工艺流程图

二、控制系统

  (一)硬件配置

  本系统由1个工程师站、1个操作员站、1个I/O站和过程控制网络组成,并通过以太网和车间主任的管理计算机相联,实现远程查询遥控。工程师站内装有组态软件平台可完成修改参数和系统维护的任务;操作员站是操作人员完成生产过程监控管理的平台;I/O站完成整个工业过程的实施监控,由主控卡、数据转发卡、 I/O卡、供电单元等组成,为了确保系统的可靠性,主控卡件、数据转发卡为冗余配置。

 备有SP243X主控制卡2个;SP313 4路模拟量信号输入卡30个;SP322 4路模拟量输出卡3个;SP363 7路触点型开关量输入卡8个;SP364 7路继电器输出卡10个。总共拥有AI信号108个;AO信号8个;DI信号40个;DO信号50个。

  (二)网络结构

  

  图2 污水处理系统网络结构

  (三)软件组态

  1.人机界面

  显示数据总貌、各检测点历史曲线、各工序工艺流程图以及现场各个阀门状态等画面,并设置了不同的权限以保证系统的安全性。

  2.报表

  于8:30、16:30、0:30时出班报,形式为:显示当前班温度、流量的整点数据,流量累计,阀门开、关时刻记录,设备运行状态;每月出月报,形式为:以每天为记录单位,显示流量的日均值(每日各正点记录之和/24),月累计值,温度的日均值(每日各正点记录之和/24),同时能输入其它数据进行编辑。

  3.SBR反应池阀门控制:如图3所示。

  

  图3 阀门控制算法流程图

  4.SBR反应池阀门状态报警:

  如果曝气池中的阀门出现故障而未及时发现,就会使污水在无充分降解的情况下排入下一道工序,无法达到污水净化的国家排放标准,造成较大损失,所以借助于智能阀门的反馈信号设计出阀门报警程序,以便发生故障后及时处理,减少损失。

  报警定义为:阀门开启/关闭动作后,12秒内无反馈信号便视为阀门故障,用声光报警方式提醒维护人员前去排除故障恢复生产。

三、结束语

  在浙大中控JX300X系统投入使用以来,其稳定性以及人机界面的友好和丰富的控制功能均比原来的控制系统提高很多,得到了工艺人员和自控维护人员的好评,为实现污水处理系统的稳定运行和周边环境的改善提供了保障。但在这期间也发现了某些问题,以期在资金以及后期维护手段跟上的时候进行对此进一步的完善。其一,在线分析仪器使用较少。只有在SBR反应池有溶氧在线监控,絮凝沉淀池中酸碱度是离线分析,时滞性较大,因而只是将其作为参考数据无法实现自控。

  如实现在线分析,则可由控制石灰泵的开启关闭来实现池中酸碱度的控制。此外,在条件允许的情况下,可在SBR反应池中设置污泥浓度计,以便能够使工艺人员更直观的了解池中好氧菌的生长情况,同时也为回流污泥量的确定提供了依据;其二,SBR反应池中的滗水器控制器为单机控制模式,只能按照预先设定的单一工作模式运行,如果在它和DCS的主控单元之间建立基于现场总线的数据联系,实现数据交换,便可实现滗水器按照不同现场环境和工艺要求,更加灵活的运行;其三,由于SBR反应池中的溶氧的需求量和污泥中好氧菌的生命周期有关,在处理初期耗氧较大,随后逐渐减小的这一情况,为溶氧控制寻求一合适的控制算法以及将恒频风机更换为可以变频的不仅仅能够更好的完成污水处理的任务,更可以降低能源消耗,缩短处理周期,实现优化控制。

0 Comments

Fri

24

Feb

2012

浅谈国产DCS系统发展现状

80年代中期,许多单位和个体技术人员都想涉及DCS的开发和生产。由于资金投入太多,软件的工程量太大,需要软件开发人员、硬件人员和工程人员协调工作,另外DCS的开发毕竟太复杂了,它涉及到计算机技术、通讯技术、控制技术和显示技术。几个技术人员不可能掌握那样多的技术,同时也没有那样多的资金投入,并且不可能在短时间内就有产出。几个技术人员是没有力量来支撑的。许多技术人员只能望DCS兴叹。许多单位如几个大钢铁公司的自动化部也由于资金不足退出DCS的开发。如阿城继电器厂从1984年就开始DCS的开发,并取得很好的成绩。由于资金不足和管理混乱,也无奈的基本退出DCS的角逐。STD总线的产品是控制系统的中间产品,90年代初期生产厂家很多,每年在国内达到几亿的销售量(与现在国产的DCS销量相当)。由于最终用户的工作量很大,也正在退出市场。

  90年代中期,DCS的部件除功能块以外,在市场上都能买到。如控制器可以用PC机主板,DCS网络也可以用以太网人机界面可用通用监控软件,如组态王等。市场形势比80年代有很大改变。又一次浪潮涉及开发DCS,各种牌号的DCS纷纷出笼,大约有上百种系统推向市场。仔细分析,都在较低层次上重复,功能单一,形不成规模。

  由于政府有关部门的界入,开始有新的单位进入DCS的开发。政府的有关部门无论从资金还是项目都大力支持,所以得到蓬勃发展。如北京和利时、上海新华和浙大中控。他们都有几百套的销量,基本形成规模生产。他们虽然一时还达不到进口的水平,但控制的基本要求还能满足。从系统的结构和I/O板的生产来看,已经有相当高的水平,和国际上的水平已相差不远。如无锡生产的I/O板就很美观。人机界面的软件国内已有开发,如组态王,每年有2000套的销售量,经使用情况也是良好的。

  开发DCS最难的是控制器的开发问题,一是硬件,用的是PC机卡,操作系统也是通用型的,如微软的NT、加拿大开发的QNX等,价格高,使得利润减低。二是功能块的开发。这是最难的。功能块的数量几乎是无限的。它的工作量很大,不仅要有软件人员,还要有工程人员的配合,才能编出好用的功能块。由于我国以前实行计划经济,对技术人才一是不重视,二是各单位私有。一个单位很难集中有如此多的优秀的技术人员。我国软件开发人员不仅数量少,而且习惯于自己独立编程,不能很好的与现场技术人员交流,所以开发的功能块就会出现不如人意的地方。国产DCS不仅功能块的数量少,而且据用户反映,如顺序控制器功能块,其真值表不象国外的那样好用。又如自调整功能块,现场一般都不用,即使用也不好用。

  总之,由于销售量还是比较小,跟踪用户的反应还不够,所以我国还缺少一套千锤百炼有自主产权的功能码。这套软件是没有卖的。一定要自己开发,在不同的操作系统下,编的程序就不一样。这与要不要控制器这个硬件没有关系。使用现场总线系统也需要算法,用PC作为既控制又显示同样需要算法。

  用于控制策略的组态软件目前还没有发现问题。

  另外一个问题是控制器的电源系统,我国基本都采用整体式电源。由于我国的DCS系统价格很低,利润也很低,DCS制造厂家没有资金投入来开发电源系统。国外DCS系统的电源冗余见下图。在即将把两台电源安装到柜子上时,需分别带负载调整。调整时,两台电源的负载一定是相同的,要调整到相同的输出,然后安装到机柜上。电源系统中有一块电源检测板,能显示两台电源的输出情况。两台能同时给负载供电。最好工作在平衡电压的状态。经20年的运行证明电源系统是良好的。

  国产DCS两台电源冗余运行,一用一备。其中一台的交流输入电源阶跃下降,能切换到备用电源。如果斜坡下降,就不能切换到备用电源。这是电源系统的缺点之一。

  N+1的电源方案没有进入到我国的DCS系统。进口DCS采用N+1电源,问题也很多。N+1电源的意思是只要知道每一个所插模件的功率,把所有模件所需功率求和,而每个模件电源的功率是一定的,所需总功率除以模件电源的功率,就得到电源数。有小数位,都要进一位成为整数,这个整数为N,然后再加一,称为N+1。

  第三个问题是由于销量小。很少有第三方帮助完善系统,比如专家系统,实时数据库,与数字仪表及PLC接口等。

0 Comments

Fri

24

Feb

2012

浅谈DCS系统的安全

 随着科学技术的迅猛发展,企业的自动化水平也在不断的提高,高科技的投入也越来越大。近十年以来,在我国大型企业特别是流程行业,作为现代企业自动化应用水平重要体现的DCS系统已经被广泛的应用。
  
  常规仪表向DCS系统的改进,尽管在诸多优点,但仍然有些需要DCS系统设计、施工及维护单位必须注意的问题:常规的电三型仪表,基本上是真正的分散式结构,一块表只负责一个输入或(和)输出,当故障发生时,只影响到一个输入或(和)输出信号。但DCS系统则不同,尽管DCS系统秉承集中管理、分散控制的原则,其控制或检测的最小单位为一个通道(即一个输入或(和)输出信号),但由于DCS系统的固有特性和较严格的环境条件,势必将决定其故障发生时并不会如此简单,如通讯故障、电源故障、电缆故障的发生可能要影响局部设备、部分装置乃至整个装置的操作安全。因此,对于DCS系统的开发维护人员,有必要加强对DCS系统安全问题的重视,以期尽量避免或减少故障的发生,确保服务装置的安全。
  根据多年的开发维护实践,我认为,DCS系统的安全从不外乎两个方面:软件和硬件。从软件上看,主要包括系统软件、组态及开发的应用软件。由于现在常见的DCS系统如HONEYWELL、YOKOGAWA、FOXBORO、ABB、FISHER_ROSMENT等公司在系统软件开发方面已经相当成熟,其对应的组态软件也提供了完善的检验功能,唯一可能存在问题的是使用系统提供的开发语言或工具(如梯形图、CL语言、TCL语言等)编制的顺序程序、联锁程序或其他应用程序。这部分问题的解决只要在测试时进行严格检查一般不会存在问题。在这里,我想着重对硬件可能存在的安全问题进行以下分析和探讨:

  一般说来,DCS系统的安全可以分三个方面(或阶段)来考虑:
  l设计方面安全
  2集成方面安全
  3维护方面安全
  
  1。设计安全:是指在设计部门和供应商进行系统初始配置时的硬件及环境设计考虑
  这是整个DCS系统安全的关键所在,将直接影响到以下两个安全因素和未来DCS系统的正常运行。这其中包括:
  ⑴环境设计:如DCS的操作室和机柜室的布局、地面样式或地板选择、墙壁类型、照明方式、地磁电磁干扰、隔断选择、隔音效果、空气洁净度保证、恒温、恒湿及通风设计等,这其中应该着重强调的是恒温及通风设计。我们认为,在保证DCS系统硬件环境温度在23±2℃的基础上,可以尽量避免选择集中式空调或恒温恒湿空调,以节约资金并减少空调维护难度。保证通风能力的原因是在满足机房空气洁净度要求的基础上进行新鲜空气的补充,避免操作室内空气浑浊,影响操作维护人员安全,比较典型的设计可以考虑分体式空调加过滤换风机的配置方案。另外,分体式空调的选择也很关键,应选用进口或国产名牌产品并双机运行。当然,在资金允许的情况下,选择质量可靠的集中空调也未尝不可。但必须注意两个问题:一是空调出入风道的设计位置在考虑调节效果的基础上应避面正对机柜,防止夏天冷凝水滴落到顶部开孔的机柜内部而带来设问题;二是由于机柜室有诸多热源,应考虑机柜室与操作室的供冷供热的平衡问题。
  
  ⑵供电及电源设计:
  UPS的选择:应根据DCS系统的要求选择合适功率的UPS,UPS备用电池备用间可以根据系统满负荷工作30分钟来考虑。由于UPS的故障不可避免,因此,UPS类型应考虑能够在线更换,避免更换或维修UPS影响DCS系统的运行。对于重要装置应考虑双机热备,但就现在的此类双机热备UPS,其同步常出现问题而影响后备切换。因此,UPS的选择应慎重。
  电源选择:包括220V交流分电盘和220V→24V(或12V、5V)电源。对于控制系统应保证交直流转换电源冗余,冗余电源输出应通过肖特基二极管并接(除非源说明可以直接输出并接),并避免冗余电源由一个交流分电盘供电。一般说来,此类电源的配置由DCS系统供货商提供,但此时应注意,要避免多个交流电源紧密布置而带来的散热效率不佳的设计布局,同时,向供货商要求提供的同类备用电源应不少于实际配置的20%(每种类型应至少有1个备件)。另外,24VDC电源选择应考虑带故障报警输出功能,并通过DI卡件输入DCS进行实时检测报警;如果确实没有故障输出报警,应考虑使用并接继电器的方式间接接入DCS完成。
  ⑶通风及冷却设备选择:应保证整个系统所有设备的通风能力。特别是交直流电源设备、控制设备和大功率二极管。机柜的前后门应视内部实际设备的散热情况确定是否增加风扇等制冷设备。由于冷凝水问题,应尽量避免使用顶部直接排风方式(特别是DCS系统机柜),而且,机柜内部最好由提供温度检测报警。
  ⑷过滤设备:在保证发热设备通风制冷的基础上,应减少灰尘和腐蚀性气体进入机柜或设备。因此,必须重视过滤网的使用。
  ⑸系统配线:应包括由DCS供货商提供的专用通讯、电源、信号电线电缆及接地线和由设计部门提供的供电(包括220V交流供电线缆和24V直流配电线)、信号和接地系统线缆:
  系统配套通讯、供电、信号及接地电线缆:应检查其连接质量。
  220V交流电线缆:主要是向各个子系统,显示器、打印机等外设的供电。根据实际消耗功率确定供电线芯截面积,一般应选择不小于2.5mm2的三芯硬铜线。在供电距离较近(如在机柜内部或相临机柜),可使用两条或三条单芯硬线。在供电距离较远时,应考虑使用铠甲屏蔽电缆。为避免干扰其它信号,所有交流电线缆应走槽盒或穿管(屏蔽绝缘电缆根据实际情况可灵活铺设),而且,防护金属盒或管应可靠的接地。
  24V直流电线:DCS系统的监控设备的外供电一般为系统内部提供的24V直流。需要在集成安装时的24V供电一般为驱动继电器输入输出、现场变送器等I/O设备或DCS系统的某些终端板的外供电。一般可选用不小于1mm2的普通电线或铜网屏蔽电缆即可,当设备负荷电流较大时,截面积可适当扩大至2.5mm2。
  I/O输入输出信号:普通信号线应以选择屏蔽电缆为佳,比如K系列或J系列专用计算机控制电缆。在资金紧张时,可考虑使BVV或RVV系列非屏蔽电缆,尽量避免使用电线;热偶电线或电缆的选择可根据资金情况确定。
  地线:应根据系统要求配置。
  端头选择:交流配电、接地、多路设备24VD供电宜选用O型连接,以提高连接质量。I/O接线及现场变送器单路供电,宜选用Y型或一型供电,以方便拆接维护。另外,端头的压接质量应保证。在不使用管状(如威德米勒)的时候应格外重视。剥线长度及压线钳选择应与适合使用的端头,压接时应特别注意避免压到绝缘部分,多余的裸线应剪除,以避免搭接其他金属。
  ⑹组态配置:装置回路的I/O组态定义数量不应超过系统提供的同类型卡件最大I/O容量的80%,依此来确定系统I/O卡件配置数量,这将给未来的组态调整带来方便。另外,为方便系统运行过程中I/O组态的增加的不便,可以考虑将部分备用通道分别组态为临时回路,需要时可以随时使用。
  ⑺子系统或节点配置:系统配置应尽量不大于系统允许最大配置的60%,控制系统冗余设计应尽量使用卡件箱箱间冗余配置或机柜内冗余配置,机柜间的线缆尽量减少。备用的卡件或设备数量应不少于20%(包括上面提到的不易采购的电源,风扇等专用设备)。
  ⑻机柜的选择与布置:一般选择标准机柜800X800X2200,但应在考虑不同系统安全要求的前提下,根据相临机柜走线的要求来确定是否选择相应侧板(应考虑减少侧板后的机柜宽度)。机柜布置应便于施工、维护,状态指示或报警指示等应便于监视,机柜应避免阳光直射。
  ⑼操作台及辅助操作台布置:操作台面及台下挡板的踢脚线以下应考虑防护,避免杂物进入操作台内部。布置应以美观大方为基础,尽量考虑方便操作人员操作。特别是辅助操作台位置,应与相应操作岗位相临。操作台应避免阳光直射和CRT反光影响操作等问题,这些应与机房设计相结合。
  
  2。集成安全:DCS系统硬件集成和现场安装时的安全考虑。
  这主要包括DCS系统的机柜、操作台及走线槽盒的安装,通讯系统、供电系统、I/O信号系统及接地系统等的安装,其它辅助设备的安装。
  ⑴机柜安装:按照标准,机柜底板应使用绝缘材料和绝缘螺栓紧固在机柜底座,以保证系统安全地的单独接地。但我们常规施工由于此种方法实现较困难,一般没有绝缘隔离。因此,对于要求有两个接地的DCS系统,其安全地实际上是在室内(机柜底座)和室外(安全地接地桩)两端接地;对于只要求有一个接地的DCS系统,其安全地和系统地实际上是在室内(机柜底座)和室外(安全地接地桩)均两端接地。由于在室内与室外间存在的一个电势差(可大可小),从而造成系统接地的不稳定性。对于只要求有一个接地的DCS系统,DCS系统的信号基准实际上始终处于一个不稳定的状态。当然,由于电势差可以忽略,根据实际实践,一般不会对系统的安全造成威胁。但当系统存在无法解释的异常问题时,应着重考虑接地问题。
  ⑵操作台安装:操作台一般可以不作安装固定,但操作台之间应通过连接件连接。
  ⑶槽盒安装:槽盒的使用主要保证线缆屏蔽隔离以避免造成信号干扰。因此,一般要铺设信号(包括通讯线缆的24V以下直流信号或供电)和供电(220V交流)两种槽盒。对于220V交流供电有时也可以考虑使用镀锌管架空安装,但这时应一定保证电线在通过弯头或三通避免损伤电线绝缘外皮。但对于大规模的装置,由于I/O电缆太多槽盒铺设可能会画蛇添足,影响电缆铺设。所以,具体是否或如何铺设走线槽盒,应根据实际装置规模和机房设计情况灵活掌握,不可一概而论。
  ⑷通讯网络系统:系统的通讯网络电缆都由供货商提供,在安装时应注意网络电缆的走线位置和走线方向,为避免外界触碰应沿机柜拐角走线,避免与供电线(特别是220V交流无屏蔽线)平行走线,尽量在机柜内部布线;冗余网络的A、B缆应分别布置并相隔一定距离;对于网络接头有特殊力矩要求的应按照要求施工;网络屏蔽线必须连接正确。有条件的话,应对网络全程进行屏蔽,最起码也要使用塑料管进行防水防鼠保护。
  ⑸供电系统:包括220V交流供电线缆和24V直流配电线。应使用槽盒或单独穿管走线,避免与信号线平行布线(特别是220V交流供电线)。连接线鼻子应使用O型,压线应保证质量,线芯毛刺应剪除以避免短路。
  ⑹I/O信号:信号线的屏蔽应接地以避免干扰,但必须只有一端接地。
  ⑺地线:线鼻子应选用O型。对于在安全栅上进行4-20mA→1-5V转换的系统,安全栅的信号接地应特别关注。因为,信号参考地的俘空有可能导致整个相关系统信号的失效。
  ⑻其它设备:包括辅助操作台、ESD等。

  3.维护安全:日常维护及检修时的安全考虑:
  这主要包括日常维护检查、备品备件的储备、故障发生后的及时处理:
  ⑴日常维护:为保证DCS正常运行,前提是系统有一个合乎要求的运行环境,这主要体现在机房内的环境温度范围和空气清洁程度。DCS系统的最佳工作温度应保持在23±2℃范围内。空气洁净可以避免产生通风不畅,带来散热设备特别是大容量电源和CPU卡件等设备表面温度超高而造成系统断电或宕机。为此,日常点检应重点检查空调设备、电源设备及风扇(包括电源内部风扇)的运行状况,定时清扫过滤网设备。通过眼看(看状态指示是否正常)、耳听(听电源和风扇运行有无异常声音)、手模(触摸电源表面确认温度是否异常),提前发现设备可能存在的故障隐患并及时采取措施,避免事故的发生。
  ⑵系统组态修改:在系统运行过程中,尽量避免组态修改。由于某些原因必须进行系统组态修改并下装后,应及时进行系统备份,以避免在硬盘故障不能恢复时出现的控制器实时数据库与工程师站备份数据库不匹配问题,从而带来数据库拒绝修改的严重后果,这时就只能通过离线下载解决了。
  ⑶备品备件的储备:根据相同DCS系统的维护经验和常规情况,应该在系统定货时订购合适的备品备件种类和数量。但是,由于实际过程中,系统故障类型发生的不确定性有可能带来备件储备的不平衡问题。因此,在DCS系统维护过程期间根据实际的备品备件消耗情况随时充实备品备件的储备非常必要。但一般说来,各类型的电源设备、专用风扇和后备电池、控制器CPU卡、I/OLINK卡、外设卡、I/O卡特别是控制卡、操作站CPU卡、专用显示器等应必须保证至少不少于一个备件。应特别关注的是专用系统硬盘,应该保证有系统启动硬盘备份,避免由于系统启动硬盘损害不能技术恢复而带来整个系统的瘫痪。
  ⑷故障的及时处理:这牵扯到日常点检的周期和时间问题。由于现在多数执行的是每个正常工作日一次点检的要求,这就存在法定休息日的24小时和48小时内的点检维护死区。因此,死区时间系统的安全监护必须通过操作人员的协助完成。象系统主要设备和卡件可以通过系统报警状态进行监视。对于空调设备的运行状况,可以通过温度计有操作人员间接完成监视;而对于电源、风扇设备将无法完成监视,因此,维护人员可以尝试将某些配备外接触点报警的设备通过数字I/O的形式引如DCS系统,建立单独的监视画面由操作人员进行监视。
  在维护人员发现或接到系统故障信息后,应及时进行处理。对于可能影响整个系统安全的故障处理应有两人以上协商处理,避免发生人为失误。同时,防静电手镯等类似器械的使用是必须的,以防止损坏带集成电路设备。
  可以这样说,只要在以上三个环节重视并处理好DCS系统的安全问题,避免人为造成的设备隐患,再加之DCS系统本身的高可靠性,DCS系统的安全必将有更可靠的保证,DCS系统的应用发展前景将一片光明。

0 Comments

Fri

24

Feb

2012

DCS控制系统:迁移还是升级?

         最近,一个自动化产品供应商和用户团体的发言人述说了一个很有意思的统计结果。他说道:运行在当今工厂中50%的DCS平台(集散控制系统)都至少有20年的历史了。鉴于这点,不难理解为什么很多人都在考虑控制系统的升级,因为公司正面临着设备老化带来的成本持续增加和竞争的压力。
  
  是否仅仅因为你的控制系统已经有20年的历史,走完了它寿命的一半,就开始考虑更换它呢?这不是必须的,就好比你思考购买一辆1987年的二手车。老化的DCS系统可能仍能完美地完成过程控制,但是就和二手车一样,他需要更多的维护,而且肯定比新型设计缺少一些功能,即使你认为那些新功能并不重要,最终你要面临是很多零件越来越难买到,维护系统变得越来越花钱。
服役时间问题对于升级系统无疑是关键问题,功能问题其实也不容忽视。有些功能可以给你带来增值,但新型系统不一定具有所有这些功能。
  
  控制系统的升级有两个主要原因:系统老化和功能需求。
  
  第一个也是最重要的推动系统更新的原因是系统老化。当一个平台已经失效,而且供应商不再对其提供支持,那么继续使用它的风险是很大的。新更换的硬件也很容易出问题,用户只好靠不断更换零件来苟延残喘,一旦系统的某个零件停产,无法更换,整个过程单元就报废了。
  
  然而,一些工厂经理不得不经历一个艰难的过程。Rockwell Automation公司老式DCS系统升级项目的经理Mike Vernak说道:“仅仅因为老化就更新是很困难的。工厂经理时常对他工厂的工程师说:‘如果系统仍在工作,没有停机,我是不会仅仅因为系统老化就花钱换新系统的。’当然,如果系统停机,ROI很容易计算,但是没有停机,根本无从计算ROI。”
  
  系统老化带来最显著的影响是性能的不可靠。然而,还有一些侧面影响,包括知识结构老化。Vernak补充道:“公司发现为那些有20或者25年历史的老系统维持一个技术团队很困难,特别是OEM厂商,有时根本没有技术人员,可能是由于人员流失或者退休。刚毕业的22岁或者24岁的大学生根本不懂得那些技术。我听到如同‘那个系统比我还老,大学里根本没教过。’之类的话,他们确实不知道如何对付这些设备,如果要对他们重新培训,代价也是很昂贵的。我看到有些公司的工厂中有多种DCS系统和PLC系统,很难想象每年工厂经理为了多种控制系统而维持多个技术团队是多么昂贵。”
  
  第二个系统更新的原因是功能需求。不一定要很老的系统才会缺乏一些很有用的功能。例如,如果系统不具有I/O能力,无法完成HART诊断,就可能不支持资产管理程序。还有可能系统的连通性不足,无法与企业级系统集成。
  
  ABB负责控制系统更新的全球业务开发经理John Murray说道:他的团队对公司升级控制平台的原因进行了调查。“调查结果令我们很惊讶,超过50%的受访者说他们考虑升级系统的原因是为了提升操作人员的效率和优化维护程序。今天,我们看到很多这种例子,人们明白他们应该从何入手,进行改进。这种说法是老生常谈了,但的确是卓有成效。一些例如资产管理、信息管理和数据挖掘之类的解决方案,如果应用得当,确实可以带来很大的优点。那些我们称之为传统控制系统的,不得不添加这些功能。”
  
  Vernak同意这种说法,他补充道:“大多数的用户并不是因为系统老化而更新系统,而是因为系统缺乏某些能力。这并不意味着这个系统已经不能控制这个过程了,它意味着从现有系统无法得到需要的数据,进而导致无法做出更好的决策。”
  
  “因为系统的固有特性,它很难获得数据,或者无法从获得的数据中选择所需信息。这些系统无法和现代IT系统、现代数据归档设备很好地接口。很多无法和专用系统接口,无法完成更高级的过程控制,哪怕完成了,代价也很昂贵。这就是功能缺乏。”
  
  老式的系统是基于孤立的功能而设计,所以网络安全通常涉及不多或者根本没有考虑。Siemens公司市场经理Ken Keiser说道:“很多人错误地认为老式系统是安全的,因为它已经工作了那么久。当最初安装的时候,系统可能是完全孤立的,但是随着时间的推移,可能某些人在某些地方增加了现代的布线,或者将其与数据归档设备连接,而此数据归档设备又刚好与网络相连了。在20年的时间历程里,你永远也无法知晓某些东西将被如何连接。”
明确需求
  
  任何升级的第一步都是明确需求,越细化约好。一些需求很明显,但是还有一些同样重要的需求需要一些分析。老式系统的一个缺点就是你不知道技术已发展到什么程度,你没有选择某种功能的原因也许是因为你根本不知道有这种功能。
  
  Murray说道:“人人都希望提高效益,但是你必须让客户明确他们到底要什么。客户对自己亟需解决的问题的了解越透彻,我们就越能给出更好的解决方案。不管是一个新特性、新功能,或者仅仅为了改进性能而增加一个控制器,一旦他们明确需求,就会对这些改进有一个直观的认识。然后就可以量化经济收益或者成本减少,这为成本估计过程铺平了道路。”
  
  “如果你的目标或者计划十分庞大,那么你一定会有‘我该如何评估这么多费用?’的烦恼。关键是将问题分解,每个人明确自己的问题,共同获得最佳解决方案。”
  
  没有经济评估,计划就不完整。诚然,某些情况是很明显和直接的,例如替换一个很可能失效但是无法修复的老式系统对管理层来说很容易接受,特别当老式系统失效会影响生产的时候。
  
  困难的地方是如何证明系统失效会发生,有时还有更困难的地方。一次升级会带来某些新的功能,而你赋予这次升级的价值,将取决于你说服自己的程度。
  
  Honeywell Process Solutions公司DCS平台升级高级工程师Marjorie Ochsner提供了一些有用的问题,在升级之初,你可以自问:
什么都不做会付出什么,如果做了,你又期望获得什么?
计划外的停机会带来多少损失?
你维护老式系统的实际花费是多少?
通过零件供应商或者e Bay购买替换的零件,花了多少钱?
失当响应会带来多少成本增加?
  
  其次是积极的一面:新系统带来的额外收益是什么?更新的操作效率价值何在?是否你可以应用更先进的控制策略?从现场获得的HART信号有什么价值?Ochsner说道:“我们审视这些问题的答案,然后帮助客户完成详细的分析。”
变化大么?
  
  控制平台的更新可以是小范围的变动,也可以是整体更换。通常,系统越老,变化越大。老式系统集成度更高,而且不具有开放的体系结构,这使得仅仅更换系统的一部分变得很困难。更先进的方法趋向于模块化,允许根据技术的更新做相应的改动。
  
  通常系统更新都从HMI开始,这不仅仅增加了图形处理功能,而且作为数据通道上的主要连接点,HMI为更高层系统提供了接口,并为先进的控制策略提供了实现机制。
  
  Siemens公司的Keiser说道:“对于DCS系统来说,HMI是最先增添的器件,这源自一些内部或者外部的需求。当客户向我们寻求帮助时,通常是因为他们的控制系统有一些特定的问题,有可能是控制器的问题,但更多的是控制器数据可见性的问题,这其实就是HMI的问题。”
  
  Keiser说道,更换一个HMI不困难,也不贵,所以作为系统升级的第一步是相对合适的。他说道:“虽然有了新的外观和感觉,但是具体的设备是不变的,过程自然也没有变化,过程控制没有变化,所以,所有的设备、知识和技术都保持不变。”
  
  某些情况下,升级可能包括使用来自于同一个供应商的新型系统。其他时候,变化可能更大,老式系统转移到了完全不同的平台。
  
  ABB控制系统升级全球商务发展经理Mark Bitto说道:“当问题已经迫在眉睫,系统无法满足商务需求,更激进的解决方案往往是唯一的方案。但即使那样,你也应该考虑是否可以节省开支。受否可以保持布线不变?是否可以保持端子不变?是否有什么方法可以减少开支?”
  
  整体更换在很多方面都会带来副作用,必须审慎采用。
  
  Keiser说道:“如果客户不想再采用逐步更新的方式,那必然有原因。他们会说:‘我们不再采购这个供应商的东西了,我们需要其他的方法。’我可以想象,这个客户曾经考虑过采取循序渐进的更新方式,但考虑得越多,他越发现自己不得不迈一大步。小公司更有可能采取这样的方式,大型的化学公司却不是,他们更喜欢低风险的方法。”
  专用I/O卡可以安装到老式系统上,提供新平台的连通性。这种方法可以保留已有布线,又可以加快更新过程。
避免停机
 
  然而,更新的程度可能受制约于对工厂产量的要求。全面更换必然带来停机时间,计划内和计划外的,而逐步的更新可以降低这种风险。
  
  Honeywell公司的Ochsner建议道:“在做升级的时候,关断一个过程通常比维持它正常运行更昂贵。所以大多数时候,客户以单元或者控制器为单位做系统更新,维持系统网络和其他基础结构不变,以确保平滑过渡。”她补充道:“这种方法从上至下,先替换HMI,然后是网络,然后是控制器。”
计划、执行升级
  
  一旦你决定采取某种特定的方法,那就要开始明确细节了。Oschsner建议道:“第一步总归是计划,你必须明确你有什么,将面对什么。”
 
  Honeywell最先关注的是文档状态,Oschsner说道:“很可惜,文档状态通常都不乐观,我们需要精确完整的文档,细致到现场每一个控制器编号和I/O编号。”
  
  Invensys Process Systems公司的系统升级顾问Graham Bennett有很多项目经验,建议与用户分担责任。
  
  Bennett说道:“我们将工作分解成标准流程,包括预升级、升级、后续工作。我们任务条目不会造成遗留问题,每个人负责几个条目,严格执行。其中一件事就是确保任何第三方协议的功能性。”
  
  经过仔细思考和认证执行的升级项目所带来最终收益是巨大的。可以对控制能力、数据挖掘、操作员接口、给料使用、产品质量和其他很多方面带来提升。但是所有这些都依赖于你对过程的了解程度,加上有效的分析和计划。
  
采矿/化工业的历史做法:结合迥异系统
 
  Teck Cominco是加拿大Vancouver的一家大型矿业、金属和化学公司,其英属哥伦比亚中部的Trail工厂是世界最大的锌和铅熔炼和精炼厂,包括Waneta水坝和传输系统。Trail的冶金厂生产精炼锌和铅,还有其他多种金属、化学品和肥料产品。Waneta大坝为工厂、当地用户和美国提供电能。
  
  Rob Zwick从事过程控作工作,他做了诸多努力,旨在将全公司设施移植到统一平台上。正如他描述:“我们拥有5家工厂,5种平台:ABB、Fisher Provox、Honeywell TDC 2000、 Foxboro和PLC/Wonderware。我们一直努力做的一件事情就是努力将Foxboro[Invensys Process System公司的I/A系列控制系统]变成一个统一平台。”
  
  Zwick说道:“我们弃用了Honeywell和Fisher Provox,到今年年底,Foxboro系统将处理我们75%的I/O工作。我们所有的工厂都将使用统一的平台,使用来自Foxboro的硬件和软件。”
  
  维护和培训问题是驱使我们统一平台的主要动力。老式平台的零部件难以获取也是一个原因,可能由此导致的非预期停机,无疑给公司带来风险。当然,生产不能停止,这一压力也让我们的平台升级工作并不轻松。
  
  Zwick指出:“我们现在正在做第四次升级,我们的工厂一天24小时一周7天满负荷运转,所有的工厂都紧密相连,所以我们要十分谨慎地在工厂中选择停机的时机。我们每个月都有几个小时的停机维护时间,我们尽量能在这些时间里完成升级。”
决定
  
  在评价阶段,Zwick和他的同事考虑多种可能性,并得到了有趣的结论。他反映到:“平台间的功能特性已经很难区分,所以,在技术层面上评价DCS的优劣实际上是很困难的。”
  
  所有的公司都在努力改进和现代化其硬件和软件。Zwick说道:“Foxboro公司在加拿大矿业和金属业有着丰富的经验,其他公司就差一点。然而其他公司可能在石油和天然气的领域有更大的份额,我感觉平台之间的区别更多来自于历史遗留问题,而不是功能特性问题。”
老式连接
  
  Foxboro公司的专用I/O卡提供了老式系统和新型系统之间的接口,这帮助完成了系统升级。Invensys Process Systems公司的升级顾问Graham Bennett描述了其方法:
  
  他说:“我们保留了所有的现场布线,包括集线机柜,以及集线机柜和老供应商的I/O相连的电缆。我们将连接断开,使用新的接口卡一块一块更换,当然这些接口卡是按照老供应商产品的规格设计的。”
  
  Bennett补充道:“由于是一个一个的顺序,没有必要改变外型尺寸,每一个现场的I/O端点都与原来的I/O卡排列在一起。”
  
  Zwick已经准备好了进行下一次升级。他说道:“这次是个大工程,我们有12个小时,完成4000个I/O端点的改造,分秒必争,每一个小时停产意味着$100,000的损失。”
 
市政设施公司的历史遗留问题:选择正确的工具
  
  Colorado Springs Utilities是市政设施集团,为居民和商户提供电力、天然气、水和废水处理服务。电站分公司有一小部分火力发电厂、多家风力发电厂、还有燃气涡轮发电厂。它还运营着54 MW 的George Birdsall工厂,有传统的燃气发电锅炉,拥有12小时的紧急状态储备和峰值容量。
  
  Birdsall工厂建于19世纪50年代中期,还保留着原来的锅炉和涡轮。因此,他缺乏新型工厂的高效,由于成本原因不再作为基荷容量。然而,由于当地不断增加的电能需求,它每年的工作时间都在增加。Brent Richardson是工厂经理,近期着手控制系统升级工作。
  
  此工厂自从1991年就使用Rosemount RS3 DCS,当他得知此平台的OEM支持只剩下10年,他决定寻求替代方案。考虑到Birdsall规模不大,I/O端点少于150个,而且使用较简单的控制策略,Richardson和他的同事决定寻找多个选择。
  
  Richardson说道:“因为DCS的效率和速度,我们对DCS很熟悉也很满意,所以,我们起初在寻找DCS平台,包括Delta V。我们Ray Nixon发电厂有一套ABB系统,所以我们将其考虑在内。我们也参考了自来水厂的经验,它所有的过程控制都由Allen-Bradley ControLogix PLC完成。当我们关注新型基于PLC的系统的效率和速度时,我们发现实际上它比我们现在正在使用的控制设备快10倍。”
  
  使用和自来水厂相同的系统的想法很吸引人,它可以作为系统升级的原型论证,之后4年还可以应用于水利发电厂。
  
  Richardson补充道:“有很多系统可以完成这个工作,我们希望这个系统可以控制所有的工厂,包括水电厂。PLC系统能满足需要,可以和我们其他所有的工厂整合。当我将其应用于我的系统内,我对采用自来水厂的ControLogix 平台的这个想法更加确定,因为它们都是标准化设备,我可以使用它们的资源,包括5到6名经验丰富的I&C技师甚至还有备用零件。这些资源会带给我们巨大的价值,因此我不准备再使用独立的平台。” 
0 Comments

Fri

24

Feb

2012

国内外分布式控制系统(DCS)特点区别

     分布式控制系统(DCS)进入21世纪,在通信和信息管理技术、集成电路技术的进步以及工艺设备大型化的影响下,在节能环保和提高生产效率的需求下,形成了新一代的DCS,或称为第四代DCS。
    经过近20年来的发展,国内在原来DDC直接数字控制技术自行研发和工控机应用的基础上,在对国外DCS的工程应用及技术引进的基础上,逐渐形成了独立自主的DCS产业,特别是在大型火力发电厂中的应用国产DCS已取得了可喜的业绩,已经达到或接近国际先进水平。 与国外DCS相比,国内DCS产业具有如下特色和应用优势:
  ■反映水平的技术指标具体是指网络结构、硬件体系、软件体系及系统容量、系统实时性、系统人机界面、系统现场借口、系统控制功能、系统精确度、系统灵活性和可扩展性、系统可靠性、可用性、可维护性、系统稳定性和系统安全性等。如何进一步科学地评比这些指标,是当今制造业的任务。
  ■国产DCS的性价比高 ,适合在300MW以下机组中选用,在600MW以上机组可逐步扩大应用范围。
  ■国内DCS企业对大型电厂的工程能力有待在实际工程锻炼中进一步提高。
  ■国内DCS企业应加强研发力量 ,在DCS中尽快解决与FF、Profibus-PA等现场总线仪表连接的工程实践,EDDL设备描述语言技术,可互操作性技术的应用等专项技术。
  ■加强管控一体化,电控、仪控一体化的应用技术的工程实践,特别是加强“资产管理”专项技术的实践。
   ■加强功能安全技术的研究。
  ■在引进国外特大型机组DCS应用工程中,把国内制造厂作为最终用户的伙伴,参加进去,从中吸取国外先进技术和工程管理经验 ,并为最终用户在该机组的运行、维护保驾护航。
  国内三家典型DCS企业特点
  国电智深——在多年DCS应用实践经验的基础上 ,在技术引进的基础上,形成了具有自主知识产权的EDPF-NT、EDPF-NT 和EDPF-BA的EDPF系列产品。其中EDPF-BA在传统的DCS框架下进一步融合PLC的特点。
  和利时:自90年代以来,历经了HS-DCS-1000、HS-2000、MACS直至现今主推的HOLLIAS系统,在大型火电厂中主要使用HOLLIAS-MACS-S,有符合汽轮机控制要求的HOLLIASDEH(汽轮机数字式电液控制系统)和ETS(汽轮机紧急跳闸系统),和HOLLIAS-MACS构成一体,满足大型电厂控制和安全保护的要求。管控一体化方面 ,HOLLIAS具有MES功能,在开放的实时/关系数据库基础上,有子系统模块,可以满足电站信息化的需求。
  上自仪:上海自动化仪表股份有限公司经历了100年的历史积淀和16年的创新发展,成为国内首家自动化仪表行业的上市公司,而且成为上海电气集团的一部分。与国家核电共同组建了国核自仪系统工程有限公司,逐步做到具备核电工程仪控系统设计、控制系统集成、核电仪控设备成套供应等的能力,并拥有自主知识产权,形成较大规模批量化建设中国品牌核电站的能力。
  国外三家典型DCS企业特点
  ABB——在“IndustrialIT”的架构下,由ABB贝利Infi90Open形成的Symphony系统基础上,进一步开发了800系列的新产品,推出IndustrialITSymphony最新的DCS系统。其中,800XA系统通过了现场总线基金会的互可操作性测试(在扩大范围的程序下的HIST测试)。800XA已有用于大型电厂的业绩。在最新微电子技术基础上,开发了采用MCF5407CPU芯片的新一代在线控制与管理模件BRC300。ABB贝利在中国电力方面用户多达200多个,新系统和老系统兼容,这有利于以后的设备改造更新。
  西门子——在全世界已有超过1500套控制系统装置,是成功的电力和I&C系统供应商。在我国电站中采用西门子的Teleperm系统较多。近年在“全集成自动化”的架构下,西门子推出SPPA-T3000系统,已经在国内电厂项目陆续使用。
  SPPA-T3000通过基于对象的设计及嵌入式组件服务(ECS),实现了全新的集成系统体系结构。使用XML和Java技术,其应用不受任何操作系统或硬件平台兼容性的限制,信息从最底层的现场设备直达控制室、办公室或企业层 ,无需通过不同网关或软件接口,消除映射数据交换和子系统通讯,避免了额外的处理时间、管理负荷及多重软件版本而导致的多重故障点和更多的维护工作。其软件体系结构的主要优势总结为:全集成(任何时间的一致性视图,无子系统界定,集成汽轮机控制系统)、硬件平台无关性、开放性。硬件体系结构方面,有如下四项组件层构成:用户接口(站)、电力服务(器)、网络(包括工业以太网及PROFIBUS-DP)、过程接口。
  艾默生——在并购基础上形成的艾默生过程控制公用事业部发表了“PlantWeb数字化工厂管控网”,它涵盖了DeltaV和Ovation。Ovation是其前身西屋过程控制公司于1997年推出,是WDPF的更新换代产品,在电厂获得了广泛的应用。
0 Comments

Thu

23

Feb

2012

DCS系统概述(转载至百度百科)

DCS

DCS是分布式控制系统的英文缩写(Distributed Control System),在国内自控行业又称之为集散控制系统。即所谓的分布式控制系统,或在有些资料中称之为集散系统,是相对于集中式控制系统而言的一种新型计算机控制系统,它是在集中式控制系统的基础上发展、演变而来的。它是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统,综合了计算机,通信、显示和控制等4C技术,其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活以及组态方便。  

 

 数字蜂窝系统

  DCS(Digital Cellular System )数字蜂窝系统 简称DCS ,常见于手机频率。如DCS1800

编辑本段分布式控制系统

基本介绍

  首先,DCS的骨架—系统网络,它是DCS的基础和核心。由于网络对于DCS整个系统的实时性、可靠性和扩充性,起着决定性的作用,因此各厂家都在这方面进行了精心的设计。对于DCS的系统网络来说,它必须满足实时性的要求,即在确定的时间限度内完成信息的传送。这里所说的“确定”的时间限度,是指在无论何种情况下,信息传送都能在这个时间限度内完成,而这个时间限度则是根据被控制过程的实时性要求确定的。因此,衡量系统网络性能的指标并不是网络的速率
  

DCS

,即通常所说的每秒比特数(bps),而是系统网络的实时性,即能在多长的时间内确保所需信息的传输完成。系统网络还必须非常可靠,无论在任何情况下,网络通信都不能中断,因此多数厂家的DCS均采用双总线、环形或双重星形的网络拓扑结构。为了满足系统扩充性的要求,系统网络上可接入的最大节点数量应比实际使用的节点数量大若干倍。这样,一方面可以随时增加新的节点,另一方面也可以使系统网络运行于较轻的通信负荷状态,以确保系统的实时性和可靠性。在系统实际运行过程中,各个节点的上网和下网是随时可能发生的,特别是操作员站,这样,网络重构会经常进行,而这种操作绝对不能影响系统的正常运行,因此,系统网络应该具有很强在线网络重构功能。   其次,这是一种完全对现场I/O处理并实现直接数字控制(DDC)功能的网络节点。一般一套DCS中要设置现场I/O控制站,用以分担整个系统的I/O和控制功能。这样既可以避免由于一个站点失效造成整个系统的失效,提高系统可靠性,也可以使各站点分担数据采集和控制功能,有利于提高整个系统的性能。DCS的操作员站是处理一切与运行操作有关的人机界面(HMI-Human Machine Interface或operator interface)功能的网络节点。   工程师站是对DCS进行离线的配置、组态工作和在线的系统监督、控制、维护的网络节点,其主要功能是提供对DCS进行组态,配置工作的工具软件(即组态软件),并在DCS在线运行时实时地监视DCS网络上各个节点的运行情况,使系统工程师可以通过工程师站及时调整系统配置及一些系统参数的设定,使DCS随时处在最佳的工作状态之下。与集中式控制系统不同,所有的DCS都要求有系统组态功能,可以说,没有系统组态功能的系统就不能称其为DCS。   DCS自1975年问世以来,已经经历了三十多年的发展历程。在这三十多年中,DCS虽然在系统的体系结构上没有发生重大改变,但是经过不断的发展和完善,其功能和性能都得到了巨大的提高。总的来说,DCS正在向着更加开放,更加标准化,更加产品化的方向发展。   作为生产过程自动化领域的计算机控制系统,传统的DCS仅仅是一个狭义的概念。如果以为DCS只是生产过程的自动化系统,那就会引出错误的结论,因为现在的计算机控制系统的含义已被大大扩展了,它不仅包括过去DCS中所包含的各种内容,还向下深入到了现场的每台测量设备、执行机构,向上发展到了生产管理,企业经营的方方面面。传统意义上的DCS现在仅仅是指生产过程控制这一部分的自动化,而工业自动化系统的概念,则应定位到企业全面解决方案,即total solution 的层次。只有从这个角度上提出问题并解决问题,才能使计算机自动化真正起到其应有的作用。
  

DCS

DCS具有以下特点:   1. 高可靠性。由于DCS将系统控制功能分散在各台计算机上实现,系统结构采用容错设计,因此某一台计算机出现的故障不会导致系统其他功能的丧失。此外,由于系统中各台计算机所承担的任务比较单一,可以针对需要实现的功能采用具有特定结构和软件的专用计算机,从而使系统中每台计算机的可靠性也得到提高。   2. 开放性。DCS采用开放式,标准化、模块化和系列化设计,系统中各台计算机采用局域网方式通信,实现信息传输,当需要改变或扩充系统功能时,可将新增计算机方便地连入系统通信网络或从网络中卸下,几乎不影响系统其他计算机的工作。

编辑本段形态组成

  DCS是分布式控制系统的英文缩写(Distributed Control System),在国内自控行业又称之为集散控制系统。   它是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统,综合了计算机(Computer)、通讯(Communication)、显示(CRT)和控制(Control)等4C技术,其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活、组态方便。)

编辑本段具体含义

  DCS是 Data Communication Subsystem (数据通信子系统)的简称。   以轨道交通行业为例,DCS是一个纯透明的非安全性系统,他是控制中心和列车之间发送报文的载体。   DCS第二层涵义:Dorsal Column Stimulator[医]脊柱刺激器   在特殊控制领域,如核电站控制系统,DCS的含义被误叫做数字化控制系统(Digital control system),其实质仍为分布式操作系统。

编辑本段发展历史

  

DCS

第一阶段

  1975-1980年,在这个时期集散控制系统的技术特点表现为:   1)采用微处理器为基础的控制单元,实现分散控制,有各种各样的算法,通过组态独立完成回路控制,具有自诊断功能   2)采用带CRT显示器的操作站与过程单元分离,实现集中监视,集中操作   3)采用较先进的冗余通信系统

第二阶段

  1980—1985.,在这个时期集散控制系统的技术特点表现为:   1)微处理器的位数提高,CRT显示器的分辨率提高   2)强化的模块化系统   3)强化了系统信息管理,加强通信功能

第三阶段

  1985年以后,集散系统进入第三代,其技术特点表现为:   1)采用开放系统管理   2)操作站采用32位微处理器   3)采用实时多用户多任务的操作系统   进入九十年代以后,计算机技术突飞猛进,更多新的技术被应用到了DCS之中。PLC是一种针对顺序逻辑控制发展起来的电子设备,它主要用于代替不灵活而且笨重的继电器逻辑。现场总线技术在进入九十年代中期以后发展十分迅猛,以至于有些人已做出预测:基于现场总线的FCS将取代DCS成为控制系统的主角。

编辑本段特点介绍

  DCS是分散控制系统(Distributed Control System)的简称,国内一般习惯称为集散控制系统。它是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统,综合了计算机(Computer)、通讯(Communication)、显示(CRT)和控制(Control)等4C技术,其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活、组态方便。   DCS具有以下特点: 

高可靠性

  由于DCS将系统控制功能分散在各台计算机上实现,系统结构采用容错设计,因此某一台计算机出现的故障不会导致系统其它功能的丧失。此外,由于系统中各台计算机所承担的任务比较单一,可以针对需要实现的功能采用具有特定结构和软件的专用计算机,从而使系统中每台计算机的可靠性也得到提高。

开放性

  DCS采用开放式、标准化、模块化和系列化设计,系统中各台计算机采用局域网方式通信,实现信息传输,当需要改变或扩充系统功能时,可将新增计算机方便地连入系统通信网络或从网络中卸下,几乎不影响系统其他计算机的工作。

灵活性

  通过组态软件根据不同的流程应用对象进行软硬件组态,即确定测量与控制信号及相互间连接关系、从控制算法库选择适用的控制规律以及从图形库调用基本图形组成所需的各种监控和报警画面,从而方便地构成所需的控制系统。

易于维护

  功能单一的小型或微型专用计算机,具有维护简单、方便的特点,当某一局部或某个计算机出现故障时,可以在不影响整个系统运行的情况下在线更换,迅速排除故障。

协调性

  各工作站之间通过通信网络传送各种数据,整个系统信息共享,协调工作,以完成控制系统的总体功能和优化处理。

控制功能齐全

  控制算法丰富,集连续控制、顺序控制和批处理控制于一体,可实现串级、前馈、解耦、自适应和预测控制等先进控制,并可方便地加入所需的特殊控制算法。DCS的构成方式十分灵活,可由专用的管理计算机站、操作员站、工程师站、记录站、现场控制站和数据采集站等组成,也可由通用的服务器、工业控制计算机和可编程控制器构成。处于底层的过程控制级一般由分散的现场控制站、数据采集站等就地实现数据采集和控制,并通过数据通信网络传送到生产监控级计算机。生产监控级对来自过程控制级的数据进行集中操作管理,如各种优化计算、统计报表、故障诊断、显示报警等。随着计算机技术的发展,DCS可以按照需要与更高性能的计算机设备通过网络连接来实现更高级的集中管理功能,如计划调度、仓储管理、能源管理等。

编辑本段结构

  从结构上划分,DCS包括过程级、操作级和管理级。过程级主要由过程控制站、I/O单元和现场仪表组成,是系统控制功能的主要实施部分。操作级包括:操作员站和工程师站,完成系统的操作和组态。管理级主要是指工厂管理信息系统(MIS系统),作为DCS更高层次的应用,目前国内纸行业应用到这一层的系统较少。   DCS的控制程序:DCS的控制决策是由过程控制站完成的,所以控制程序是由过程控制站执行的。   过程控制站的组成:   DCS的过程控制站是一个完整的计算机系统,主要由电源、CPU(中央处理器)、网络接口和I/O组成   I/O:控制系统需要建立信号的输入和输出通道,这就是I/O。DCS中的I/O一般是模块化的,一个I/O模块上有一个或多个I/O通道,用来连接传感器和执行器(调节阀)。   I/O单元:通常,一个过程控制站是有几个机架组成,每个机架可以摆放一定数量的模块。CPU所在的机架被称为CPU单元,同一个过程站中只能有一个CPU单元,其他只用来摆放I/O模块的机架就是I/O单元。

编辑本段国内外应用

分散控制系统

  1975 年美国最大的仪表控制公司Honeyw ell 首次向世界推出了它的综合分散控制系统TDC—2000 ( Toal D ist ribu ted Con t ro l -2000),这一系统的发表,立即引起美国工业控制界高度评价,称之为“最鼓舞人心的事件”。世界各国的各大公司也纷纷仿效,推出了一个又一个集散系统,从此过程控制进入了集散系统的新时期。   在此期间有日本横河公司推出的CEN TUM,美国泰勒仪表公司的MO SË,费雪尔公司的DCÉ —400,贝利公司的N —90,福克斯波罗公司的Cpect rum 和德国西门子公司的Telepermm。   随着计算机特别是微型计算机与网络技术的飞速发展,加上各制造商的激烈竞争,使DCS 很快从70 年代的第一代发展到90 年代初的第三代DCS。尽管在这之前的集散系统的技术水平已经很高,但其中存在着一个最主要的弊病是: 各大公司推出的几十种型号的系统,几乎都是该公司的专利产品,每个公司为了保护自身的利益,采用的都是专利网络,这就为全厂、全企业的管理带来问题。   随着计算机的发展与网络开发使各控制厂商更多地采用商业计算机的技术,80年代末许多公司推出新一代的集散系统,其主要特征是新系统的局部网络采用MA P 协议; 引用智能变送器与现场总线结构; 在控制软件上引入PLC 的顺序控制与批量控制,使DCS 也具有PLC 的功能。   至90 年代初各国知名的DCS 有:3000,Bailey 的IN F I—90,Ro semoun t 的RS—3,W est Hoo se 的WDPF,L eeds &Non th rup 的MAX—1000,Foxbo ro 的IöA S,日本横河的CEN TUM。这里所提到的均为大型的DCS,为了适应市场的需要各厂商也开发了不少中小型的DCS 系统如S—9000,MAX—2,LXL,A 2 PACS 等等。

流程工业CIMS

  流程工业CIMS是一个复杂的综合自动化系统,处理的对象是整个企业的全部生产活动,DCS作为一种有效的工具和实现手段,在流程工业CIMS中完成重要的基础控制和实时生产数据采集、动态监控等功能。与管理类计算机相比,DCS能够提供更加可靠的生产过程数据,使CIMS系统所作出的优化决策也更加可靠。   从功能上看,流程工业CIMS中的生产自动化系统、动态监控系统和在线质量控制都可以由DCS实现。从流程工业CIMS的层次结构看,DCS主要担负过程控制和过程优化任务,有些生产调度和生产管理工作也可在DCS上完成。

编辑本段主要厂家

  国内DCS主要厂家有:上海新华,南京科远,杭州优稳,浙大中控,和利时,浙江威盛,自仪股份、鲁能控制,国电智深,上海华文,上海乐华,浙江中自等。   国外的有 西屋(艾默生)、FOXBORO、ABB、西门子、霍尼韦尔、横河、罗克韦尔、山武-霍尼韦尔公司、FISHER-ROSEMOUNT公司等。

编辑本段相关问答

  1. 什么是DCS?   DCS是分布式控制系统的英文缩写(Distributed Control System),在国内自控行业又称之为集散控制系统。   2. DCS有什么特点?   DCS是计算机技术、控制技术和网络技术高度结合的产物。DCS通常采用若干个控制器(过程站)对一个生产过程中的众多控制点进行控制,各控制器间通过网络连接并可进行数据交换。操作采用计算机操作站,通过网络与控制器连接,收集生产数据,传达操作指令。因此,DCS的主要特点归结为一句话就是:分散控制集中管理。   3. DCS的结构是怎样的?   从结构上划分,DCS包括过程级、操作级和管理级。过程级主要由过程控制站、I/O单元和现场仪表组成,是系统控制功能的主要实施部分。操作级包括:操作员站和工程师站,完成系统的操作和组态。管理级主要是指工厂管理信息系统(MIS系统),作为DCS更高层次的应用,目前国内纸行业应用到这一层的系统较少。   4. DCS的控制程序是由谁执行的?   DCS的控制决策是由过程控制站完成的,所以控制程序是由过程控制站执行的。   5. 过程控制站的组成如何   DCS的过程控制站是一个完整的计算机系统,主要由电源、CPU(中央处理器)、网络接口和I/O组成。

编辑本段日常维护

  1 过程通道故障过程通道故障出现最的多的是I/O卡故障:I/O卡故障一般的判断与处理,通过系统诊断,更换通道或通过更换备用件处理,至于其内部元件老化或是其他原因造成的损坏,一般热控制人员不好判断。I/O卡的检修一般是由厂家处理,目前的热控检修人员的手段还不能达到像检修常规仪表那样检修。而且生产厂家的I/O卡件已制造成一体化的趋势,这样只能购买备件。好在这类故障只是在调试阶段出现较多,正常运行中出现几率很低。一次元件或控制设备出现故障有时不能直接被操作员发现,只有异常或报警后才通知热控人员处理。这样对检修人员和运行人员的素质要求就要提高,运行人员要详细介绍故障前后的状态便于热控检修人员能够快速、准确地处理缺陷,减少故障的扩大化,另外许多DCS厂家在产品宣传上都支持卡件热拨,做为控制人员,在运行中更换卡件时一定要做好安全防护措施否则会引起系统变化或负荷变化,尤其数字量卡件。   2 对于操作员站死机无论国产与进口设备都有相关的报道,那么究其原因比较多,硬盘或卡件故障,冷却风扇负荷过重等等,有时会发生人为操作现象,一般在修改控制逻辑下装软件重启设备或强制设备保护信号时,最易发生操作事件,轻则设备异常,重则易造成设备停运后果非常严重;对死机后重启,不同厂家的启动时问不同,少则几十秒,多则几分钟,人为该操作发生的故障在热工专业中的不安全事件中占有很大比例,在操作中尤为引起高度重视,减少人为故障。   3球标操作不正常,一般是由于机械装置长期工作、老化、污染、点通断不可靠、电缆插件不牢等这样的就需要换检查即可。   4控制操作失灵:是由于球标的操作信号没有正常改变过程通道的状态,造成操作失效,这是2个方面造成的,一个方面是软件缺陷,另一方面是硬件本身故障的状态针对这样的缺陷通常做法检查过程通道功能正常后,再检查操作远必要时进行重起初始操作。   5 对于薄膜键盘主要是键盘接触不良信号电缆松动或主机误动键盘或启动不完整都可以导致其功能不正常应用针对不同情况处理。   6打印机不工作一般是由于配置的原因,这样的故障应检查打印机的设置及其硬件是否正常进行处理。报表软件功能不强主要表现在由于打印机打印报表和SOE等造成死机,或者打印机的SOE记录时问与实际情况不符;SOE打印浏览后不能返回历史曲线;SOE时间顺序不一致有时偏差很大,这会延误事故分析的进展时,有时还会误导分析方向,SOE问题既与系统设计不合理,SOE点没完全集中在一个DPU上的有关,也与系统硬件及软件设计考虑不周有关。这种故障的出现,通过分析认为这主要是对电厂的总体方面考虑的不太完美,在小的方面还不够仔细会出现这样那样的故障,针对这种情况要认真对待,不放过蛛丝马迹,与厂家认真研究提出问题进一步完善,让该系统更好地为生产服务。   7 电源故障:电源故障问题较多,保险配置不合理,备用电源不能自投,电源波动引起保护误动及接插头接触不良易造成无电源。针对电源故障处理相对比较容易。首先,认真核对保险的配置及容量,真正起到保险的作用;其次,UPS的配备很重要,它可以在电源波动时也能保证系统正常供电,而且要考虑冗余和备用问题。   8 干扰造成的故障:对于干扰主要是接地问题,备用电源的切换和大功率的无线通信设备如手机、对讲机等。另外还有DCS系统的干扰信号可能由本身造成的。那么对于DCS系统的接地问题越来越引起人们的重视,尤其在电力行业,大功率电器设备的启动和停止都会干扰DCS的控制信号,造成不必要的故障。为了防止干扰信号串入系统,严格执行屏蔽和接地要求和方式,信号线远离干扰源,同时采取防电源波动措施。主/从过程处理机之间在机组运行时,除非万不得以,尽量不要人为切换,已防产生干扰,如必须切换,应采取措施,先将控制切手动,以免对机组运行工况产生影响。对电子设备问、工程师站等重点部位,应绝对禁止使用大功率无线电通信设备。[1]

编辑本段相关控制系统

总述

  计算机和网络技术的飞速发展,引起了自动化控制系统结构的变革,一种世界上最新型的控制系统即现场总线控制系统(Fieldbus Control System,FCS)在上世纪九十年代走向实用化,并正以迅猛的势头快速发展。现场总线控制系统是目前自动化技术中的一个热点,正越来越受到国内外自动化设备制造商与用户的关注。现场总线控制系统的出现,将给自动化领域在过程控制系统上带来又一次革命,其深度和广度将超过历史的任何一次,从而开创自动化的新纪元。   FCS可以说是第五代过程控制系统,是由PLC(Programmable Controller)或DCS(Distributed Control System)发展而来的。FCS与PLC及DCS之间有千丝万缕的联系,又存在着本质的差异。本文针对PLC、DCS、FCS三大控制系统的特点、性能和差异作一分析。   1 PLC、FCS三大控制系统的基本特点   目前,在连续型流程生产工业过程控制中,有三大控制系统,即PLC、DCS和FCS。它们各自的基本特点如下:

PLC

  1.从开关量控制发展到顺序控制、运算处理,是从下往上的。   2.逻辑控制、定时控制、 计数控制、 步进(顺序)控制、连续PID控制、 数据控制――PLC具有数据处理能力、 通信和联网等多功能。   3.可用一台PC机为主站,多台同型PLC为从站。   4.也可一台PLC为主站,多台同型PLC为从站,构成PLC网络。这比用PC机作主站方便之处是:有用户编程时,不必知道通信协议,只要按说明书格式写就行。   5.PLC网络既可作为独立DCS/TDCS,也可作为DCS/TDCS的子系统。   6.主要用于工业过程中的顺序控制,新型PLC也兼有闭环控制功能。

FCS

  1.FCS是第五代过程控制系统,它是21世纪自动化控制系统的方向。是3C技术(Communication,Computer, Control)的融合。基本任务是:本质(本征)安全、危险区域、易变过程、难于对付的非常环境。   (2)全数字化、智能、多功能取代模拟式单功能仪器、仪表、控制装置。   3.用两根线联接分散的现场仪表、控制装置,取代每台仪表的两根线。“现场控制”取代“分散控制”;数据的传输采用“总线”方式。   4.从控制室到现场设备的双向数字通信总线,是互联的、双向的、串行多节点、开放的数字通信系统取代单向的、单点、并行、封闭的模拟系统。   5.用分散的虚拟控制站取代集中的控制站。   6.把微机处理器转入现场自控设备,使设备具有数字计算和数字通信能力,信号传输精度高,远程传输。实现信号传输全数字化、控制功能分散、标准统一全开放。   7.可上局域网,再可与internet相通。既是通信网络,又是控制网络。   8.3类FCS的典型应用:1) 连续的工艺过程自动控制如石油化工,其中“本安防爆”技术是绝对重要的;2)分立的工艺动作自动控制如汽车制造机器人、汽车;3)多点控制如楼宇自动化。   这三大控制系统,尤其是DCS、PLC,都在电站得到了广泛应用,而且效果也非常好。

系统差异

  差异   2.1.1 DCS或PLC   PLC系统与DCS系统的结构差异不大,只是在功能的着重点上的不同,DCS着重于闭环控制及数据处理。PLC着重于逻辑控制及开关量的控制,也可实现模拟量控制。   DCS或PLC系统的关键是通信。也可以说数据公路是分散控制系统DCS及PLC的脊柱。由于它的任务是为系统所有部件之间提供通信网络,因此,数据公路自身的设计就决定了总体的灵活性和安全性。数据公路的媒体可以是:一对绞线、同轴电缆或光纤电缆。   DCS的特点是:(1)控制功能强。可实现复杂的控制规律,如串级、前馈、解耦、自适应、最优和非线性控制等。也可实现顺序控制。(2)系统可靠性高。(3)采用CRT操作站有良好的人机界面。(4)软硬件采用模块化积木式结构。(5)系统容易开发。(6)用组态软件,编程简单,操作方便。(7)有良好的性价比。   通过数据公路的设计参数,基本上可以了解一个特定DCS或PLC系统的相对优点与弱点。   1.系统能处理多少I/O信息。   2.系统能处理多少与控制有关的控制回路的信息。   3.能适应多少用户和装置(CRT、控制站等)。   4.传输数据的完整性是怎样彻底检查的。   5.数据公路的最大允许长度是多少。   6.数据公路能支持多少支路。   7.数据公路是否能支持由其它制造厂生产的硬件(可编程序控制器、计算机、数据记录装置等)。为保证通信的完整,大部分DCS或PLC厂家都能提供冗余数据公路。   为了保证系统的安全性,使用了复杂的通信规约和检错技术。所谓通信规约就是一组规则,用以保证所传输的数据接收与发送。   目前在DCS和PLC系统中一般使用两类通信手段,即同步的和异步的,同步通信依靠一个时钟信号来调节数据的传输和接收,异步网络采用没有时钟的报告系统。   2.1.2 FCS   FCS具有   (1)很好的开放性、互操作性和互换性。   (2)全数字通信。   (3)智能化与功能自治性。   (4)高度分散性。   (5)很强的适用性。   FCS的关键要点有三点:   1.FCS系统的核心是总线协议,即总线标准。   采用双绞线、光缆或无线电方式传输数字信号,减少大量导线,提高了可靠性和抗干扰能力。FCS从传感器、变送器到调节器一直是数字信号,这就使我们很容易地处理更复杂、更精确的信号,同时数字通信的差错功能可检出传输中的误码。   FCS可以将PID控制彻底分散到现场设备(Field Device)中。基于现场总线的FCS又是全分散、全数字化、全开放和可互操作的新一代生产过程自动化系统,它将取代现场一对一的4~20mA模拟信号线,给传统的工业自动化控制系统体系结构带来革命性的变化。   根据IEC61158的定义,现场总线是安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。现场总线使测控设备具备了数字计算和数字通信能力,提高了信号的测量、传输和控制精度,提高了系统与设备的功能、性能。IEC/TC65的SC65C/WG6工作组于1984年开始致力于推出世界上单一的现场总线标准工作,走过了16年的艰难历程,于1993年推出了IEC61158-2,之后的标准制定就陷于混乱。2000年初公布的IEC61158现场总线国际标准子集有八种,分别为:   ①类型1 IEC技术报告(FFH1);②类型2 Control-NET(美国Rockwell公司支持);③类型3 Profibus(德国Siemens公司支持);④类型4 P-NET(丹麦Process Data公司支持);⑤类型5 FFHSE(原FFH2)高速以太网(美国Fisher Rosemount公司支持);⑥类型6 Swift-Net(美国波音公司支持);⑦类型7 WorldFIP(法国Alsto公司支持);⑧类型8 Interbus(美国Phoenix Contact公司支持)。   除了IEC61158的8种现场总线外,IEC TC17B通过了三种总线标准:SDS(Smart Distributed System);ASI(Actuator Sensor Interface);Device NET。另外,ISO公布了ISO 11898 CAN标准。其中Device NET于2002年10月8日被中国批准为国家标准,并于2003年4月1日开始实施。   所以,要实现这些总线类型的相互兼容和互操作,就目前状态而言,几乎是不可能的。开放的现场总线控制系统的互操作性,就一个特定类型的现场总线而言,只要遵循同一类型现场总线的总线协议,对其产品是开放的,并具有互操作性。换句话说,不论什么厂家的产品,也不一家是该现场总线公司的产品,只要遵循同一类型总线的总线协议,产品之间是开放的,并具有互操作性,就可以组成总线网络。   另外,FCS还可以通过网关和企业的上级管理网络相连,以便管理者掌握第一手资料,为决策提供依据。所以现场总线具有开放性、互操作性、系统结构的高度分散性、灵活的网络拓扑结构、现场设备的高度智能化、对环境的高度适应性等诸多突出特点。   2.FCS系统的基础是数字智能现场装置   控制功能下放到现场仪表中,控制室内仪表装置主要完成数据处理、监督控制、优化控制、协调控制和管理自动化等功能。   数字智能现场装置是FCS系统的硬件支撑,是基础;道理很简单,FCS系统执行的是自动控制装置与现场装置之间的双向数字通信现场总线信号制。现场装置必须遵循统一的总线协议,即相关的通讯规约,具备数字通信功能,能实现双向数字通。再一点,现场总线的一大特点就是要增加现场一级控制功能。   3.FCS系统的本质是信息处理现场化   对于一个控制系统,无论是采用DCS还是采用现场总线,系统需要处理的信息量至少是一样多的。实际上,采用现场总线后,可以从现场得到更多的信息。现场总线系统的信息量没有减少,甚至增加了,而传输信息的线缆却大大减少了。这就要求一方面要大大提高线缆传输信息的能力,另一方面要让大量信息在现场就地完成处理,减少现场与控制机房之间的信息往返。可以说现场总线的本质就是信息处理的现场化。   由现场智能仪表完成数据采集、数据处理、控制运算和数据输出等功能。现场仪表的数据(包括采集的数据和诊断数据)通过现场总线传送到控制室的控制设备上,控制室的控制设备用来监视各个现场仪表的运行状态,保存智能仪表上传的数据,同时完成少量现场仪表无法完成的高级控制功能。   2.2 典型系统比较   通过使用现场总线,用户可以大量减少现场接线,用单个现场仪表可实现多变量通信,不同制造厂生产的装置间可以完全互操作,增加现场一级的控制功能,系统集成大大简化,并且维护十分简便。   传统的过程控制仪表系统每个现场装置到控制室都需使用一对专用的电缆或双绞线,以传送4mA~20mA信号。现场总线系统中,每个现场装置到接线盒的双绞线仍然可以使用,但是从现场接线盒到中央控制室仅用一根双绞线完成数字通信。   通过采用现场总线控制系统,到底能节省多少电缆,编者就不作详细的计算。

应用差异

  上述的比较是偏重于纯技术性的比较,下面就DCS与FCS系统在具体应用方面进行比较。前题是DCS系统与典型的、理想的FCS系统进行比较。   具体比较:   1.DCS系统是个大系统,其控制器的功能强而且在系统中的作用十分重要,数据公路更是系统的关键,所以,必须整体投资一步到位,事后的扩容难度较大。而FCS功能下放较彻底,信息处理现场化,数字智能现场装置的广泛采用,使得控制器功能与重要性相对减弱。因此,FCS系统投资起点低,可以边用、边扩、边投运。   2.DCS系统是封闭式系统,各公司产品基本不兼容。而FCS系统是开放式系统,不同厂商、不同品牌的各种产品基本能同时连入同一现场总线,达到最佳的系统集成。   3.DCS系统的信息全都是二进制或模拟信号形成的,必须通过D/A与A/D转换。而FCS系统将D/A与A/D转换在现场一次表完成,实现全数字化通信,使精度得到大的提高,可提高到0.1%。并且FCS系统可以将PID闭环控制功能装入现场设备中,缩短了控制周期,提高运算速度,从而改善调节性能。   4.DCS它可以控制和监视工艺全过程,对自身进行诊断、维护和组态。但是,由于自身的致命弱点,其I/O信号采用传统的模拟量信号,因此,它无法在DCS工程师站上对现场仪表(含变送器、执行器等)进行远方诊断、维护和组态。FCS采用全数字化技术,数字智能现场装置发送多变量信息,而不仅仅是单变量信息,并且还具备检测信息差错的功能。FCS采用的是双向数字通信现场总线信号制。因此,它可以对现场装置(含变送器、执行机构等)进行远方诊断、维护和组态。   5.FCS由于信息处理现场化,与DCS相比可以省去相当数量的隔离器、端子柜、I/O终端、I/O卡件、I/O文件及I/O柜,同时也节省了I/O装置及装置室的空间与占地面积。同时,FCS可以减少大量电缆与敷设电缆用的桥架等,同时也节省了设计、安装和维护费用。   6.FCS相对于DCS组态简单,由于结构、性能标准化,便于安装、运行、维护。

发展前景

  大家都知道FCS是由PLC或DCS发展而来,现在FCS系统被广泛的应用,那么,PLC与DCS前景又将如何。   PLC于20世纪60年代末期在美国首先出现,目的是用来取代继电器,执行逻辑、计时、计数等顺序控制功能,建立柔性程序控制系统。1976年正式命名,并给予定义:PLC(Programmable logic Controller)是一种数字控制专用电子计算机,它使用了可编程序存储器储存指令,执行诸如逻辑、顺序、计时、计数与演算等功能,并通过模拟和数字输入、输出等组件,控制各种机械或工作程序。经过30多年的发展,PLC已十分成熟与完善,并具有强大的运算、处理和数据传输功能。并定义为可编程控制器(Programmable Controller PLC)。PLC在FCS系统中的地位似乎已被确定并无多少争论。PLC作为一个站挂在高速总线上。充分发挥PLC在处理开关量方面的优势。另外,电厂辅助车间,例如水处理车间、循环水车间、除灰除渣车间、输煤车间等,这些车间的工艺过程多以顺序控制为主。PLC对于顺序控制有其独特的优势。辅助车间的控制系统应以遵循现场总线通讯协议的PLC或能与FCS进行通讯交换信息的PLC为优选对象。   现场总线的应用是工业过程控制发展的主流之一。可以说FCS的发展应用是自动化领域一场革命。采用现场总线技术构造低成本现场总线控制系统,促进现场仪表的智能化、控制功能分散化、控制系统开放化,符合工业控制系统技术发展趋势。总之,计算机控制系统的发展在经历了基地式气动仪表控制系统、电动单元组合式模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统以及集散控制系统(DCS)后,将朝着现场总线控制系统(FCS)的方向发展。虽然以现场总线为基础的FCS发展很快,但FCS发展还有很多工作要做,如统一标准、仪表智能化等。另外,传统控制系统的维护和改造还需要DCS,因此FCS完全取代传统的DCS还需要一个漫长的过程,同时DCS本身也在不断的发展与完善。可以肯定的是,结合DCS、工业以太网、先进控制等新技术的FCS将具有强大的生命力。工业以太网以及现场总线技术作为一种灵活、方便、可靠的数据传输方式,在工业现场得到了越来越多的应用,并将在控制领域中占有更加重要的地位。

结论

  在未来,工业过程控制系统中,数字技术向智能化、开放性、网络化、信息化发展,同时,工业控制软件也将向标准化、网络化、智能化、开放性发展。因此现场总线控制系统FCS的出现,数字式分散控制DCS及PLC并不会消亡,DCS及PLC系统会更加向智能化、开放性、网络化、信息化发展。或只是将过去处于控制系统中心地位的DCS移到现场总线的一个站点上去。这样说,DCS或PLC处于控制系统中心地位的局面从此将被打破。今后的控制系统将会是:FCS处于控制系统中心地位,兼有DCS、PLC系统一种新型标准化、智能化、开放性、网络化、信息化控制系统。 
0 Comments