化工生产中DCS控制系统的应用

作者: admin 分类: 科技 发布时间: 2019-10-19 15:13

  DCS通常采用分级递阶结构,每一级由若干子系统组成,每一个子系统实现若干特定的有限目标,形成金字塔结构。

  可靠性是DCS发展的生命,要保证DCS的高可靠性主要有三种措施:一是广泛应用高可靠性的硬件设备和生产工艺;二是广泛采用冗余技术;三是在软件设计上广泛实现系统的容错技术、故障自诊断和自动处理技术等。当今大多数集散控制系统的MTBF可达几万甚至几十万小时。

  DCS的硬件体系结构

  考察DCS的层次结构,DCS级和控制管理级是组成DCS的两个最基本的环节。

  过程控制级具体实现了信号的输入、变换、运算和输出等分散控制功能。在不同的DCS中,过程控制级的控制装置各不相同,如过程控制单元、现场控制站、过程接口单元等等,但它们的结构形式大致相同,可以统称为现场控制单元FCU。过程管理级由工程师站、操作员站、管理计算机等组成,完成对过程控制级的集中监视和管理,通常称为操作站。DCS的硬件和软件,都是按模块化结构设计的,所以DCS的开发实际上就是将系统提供的各种基本模块按实际的需要组合成为一个系统,这个过程称为系统的组态。

  (1)现场控制单元

  现场控制单元一般远离控制中心,安装在靠近现场的地方,其高度模块化结构可以根据过程监测和控制的需要配置成由几个监控点到数百个监控点的规模不等的过程控制单元。

  现场控制单元的结构是由许多功能分散的插板(或称卡件)按照一定的逻辑或物理顺序安装在插板箱中,各现场控制单元及其与控制管理级之间采用总线连接,以实现信息交互。

  现场控制单元的硬件配置需要完成以下内容:

  插件的配置 根据系统的要求和控制规模配置主机插件(CPU插件)、电源插件、I/O插件、通信插件等硬件设备;

  硬件冗余配置 对关键设备进行冗余配置是提高DCS可靠性的一个重要手段,DCS通常可以对主机插件、电源插件、通信插件和网络、关键I/O插件都可以实现冗余配置。

  硬件安装 不同的DCS,对于各种插件在插件箱中的安装,会在逻辑顺序或物理顺序上有相应的规定。另外,现场控制单元通常分为基本型和扩展型两种,所谓基本型就是各种插件安装在一个插件箱中,但更多的时候时需要可扩展的结构形式,即一个现场控制单元还包括若干数字输入/输出扩展单元,相互间采用总线连成一体。

  就本质而言,现场控制单元的结构形式和配置要求与模块化PLC的硬件配置是一致的。

  (2)操作站

  操作站用来显示并记录来自各控制单元的过程数据,是人与生产过程信息交互的操作接口。典型的操作站包括主机系统、显示设备、键盘输入设备、信息存储设备和打印输出设备等,主要实现强大的显示功能(如模拟参数显示、系统状态显示、多种画面显示等等)、报警功能、操作功能、报表打印功能、组态和编程功能等等。

  另外,DCS操作站还分为操作员站和工程师站。从系统功能上看,前者主要实现一般的生产操作和监控任务,具有数据采集和处理、监控画面显示、故障诊断和报警等功能。后者除了具有操作员站的一般功能以外,还应具备系统的组态、控制目标的修改等功能。从硬件设备上看,多数系统的工程师站和操作员站合在一起,仅用一个工程师键盘加以区分。

  DCS属于第四代的工业控制系统,是英文Distributed Control System的缩写,意为分布式控制系统,也称为集散式控制系统。DCS是一种多级控制的计算机系统,其技术构成包括了计算机技术、通信技术、显示与控制技术;系统构成分为过程控制级与过程监控级。

  DCS是在上世纪70年代产生并发展起来的,一经问世便引起了工业控制领域的重大关注,受到了高度的评价,迄今为止已经在全世界的工业控制领域得到了广泛的应用。本文所要阐述的便是DCS控制系统在化工领域中的应用

  一、DCS控制系统的结构与特点

  DCS控制系统的结构的组成:

  DCS从系统结构上来说,分为过程级、操作级与管理级。

  过程级是DCS控制系统控制功能的主要实施部分,包括了过程控制站、I/O单元以及各种现场仪表;操作级负责完成系统的操作与组态,包括了操作员站与工程师站;管理级是综合管理系统,是DCS的一种高层次的应用,是从企业生产控制到信息管理的综合系统。目前来说,在一般的工业应用中,主要是由过程级与操作级组成,具备管理级的DCS控制系统在实际应用中还是比较少的,尤其是在一些规模处于中小等级的企业中,涉及管理级的更为少见。

  过程级:负责DCS控制系统的功能实施,过程控制站完成DCS的控制决策,是系统的执行单元,由一个完整的计算机系统构成,包括了电源、中央处理器、网络接口以及输入输出模块等。

  操作级:包括了操作员站与工程师站。操作员站的功能是处理一切与系统运行操作有关的人机界面;工程师站负责对DCS系统进行离线配置、组态以及在线监督、控制、维护工作,对于系统的配置以及参数的设定,系统工程师都是通过工程师站来进行。

  化工生产中DCS控制系统的应用

  DCS控制系统的特点:

  DCS是一种分布式控制系统,系统的设计体现的是分散控制、集中操作及分组管理的基基本思想。DCS控制系统配置灵活、组态方便,具体特点如下:

  1具有可靠性高的特点

  DCS控制系统将控制功能分散在了各个计算机上来实现,每台计算机承担单一的系统任务,这样,当系统的任一计算机出现故障后,不会对系统其它计算机构成重大影响,而且这种结构模式可以针对系统需求采用专用计算机来实现功能要求,使系统中计算机的性能得到了较大的提升,提高了系统可靠性。

  2开放的系统特性

  DCS控制系统采用了标准化、模块化的设计,系统中的独立计算机通过工业以太网进行网络通讯。标准化、模块化的设计使得系统具备了开放特性,各个子系统可以方便的接入控制系统,也可以随时从系统网络中卸载退出,不会对其它子系统或是计算机造成影响,使系统在进行功能扩充与调整时十分方便。

  3系统维护简单方便

  DCS控制系统由功能单一的小型或是微型计算机组成,各个计算机间相互独立,局部故障不影响其它计算机的功能,可以在不影响系统运行的条件下进行故障点故障的检测与排除,具有维护简单、方便的特点。

  4DCS控制系统组成灵活、功能齐全

  化工生产中DCS控制系统的应用

  DCS控制系统可以实现连续、顺序控制,可实现串级、前馈、解耦、自适应以及预测控制,其系统组成方式十分灵活,可以由管理站、操作员站、工程师站、现场控制站等组成,也可以服务器、可编程控制器等组成。过程级通常是由现场控制站、数据采集站来执行现场数据的采集,并通过通信网络传输到操作级计算机。操作级实现对过程数据的集中操作,包括数据的优化、统计,故障的诊断、显示、报警等。在具备管理级的系统中,DCS还可以根据企业整体管理需求实现与更高级别管理系统的连接,实现企业其它管理功能的集中管理与操作。

  二、化工企业DCS控制系统的选型

  化工企业选型DCS控制系统首先应考虑的问题

  1项目规模与性质

  DCS控制系统的选型首先应该考虑的就是项目的规模与性质,系统的设计根据项目的规模可分为大型项目与中小型项目,根据项目性质可分为新建项目与改扩建项目。

  对于大型项目,无论是新建或是改扩建,均应考虑建立独立的DCS网络,改扩建项目应考虑到与原有DCS网络的接口以及后续的系统扩充问题;对于中小型项目,应根据项目实际情况,以原有的DCS控制系统网络为主,将数据集成于其中。

  2项目总体规划要求

  企业DCS控制系统在建立之初,均要对系统的设计进行总体的规划,主要的规划内容是要对企业的生产运行进行系统控制还是要集成自动控制与信息管理系统。对企业的生产运行进行系统控制,通常不会涉及到管理级,建立一套具备过程级及操作级的控制系统,基本可以满足企业的需求;而要实现企业数据信息集成与企业资源管理系统的优化,则要建立的是集成自动控制与企业信息管理的系统,使企业生产与管理实现网络化,这样的系统通常要具备三层的结构,包括了企业资源计划、生产运行管理与过程控制。

  3技术的先进性与适用性

  技术的先进性与适用性是DCS控制系统选型的重要条件之一。先进性要求系统的技术选择要紧跟DCS技术发展的趋势,具备在一定时间范围内技术的先进,避免系统在使用周期上造成损失;技术用适用性要求系统的设计要具有针对性,要针对企业的实际情况与特点来进行设计,以达到符合企业需求的目的,即要求系统的设计在达到技术先进的同时要确保合理性与适用性。

  三、DCS控制系统选型建议

  基于上述化工企业在DCS控制系统选型上需考虑的问题,建议选用基于工业以太网的开放式DCS控制系统,以满足企业信息管理系统对于企业整体管理的需求,并为后续DCS控制系统的进一步拓展提供基础与空间;考虑到现场总线技术仍处于发展与完善阶段,在DCS系统中尚不能全部使用FF总线仪表,因此,系统可采用现场总线结合常规智能仪表混合。

  化工生产中DCS控制系统的应用

  DCS控制系统的常见故障与日常维护:

  DCS是一种结合了多种技术的复杂控制系统,在实际的应用中,系统出现故障是在所难免的。在过往经验来说,DCS控制系统的常见故障有如下几种:

  1电源故障

  电源故障是DCS控制系统中较易出现的问题,故障原因也比较多,保险配置不合理、保护误动作或是备用电源没有自投等都有可能造成电源故障。电源故障虽然比较多,但处理起来也比较简单,故障原因也比较容易查找。对于电源故障的预防措施,主要是对保险配置的容量要仿真核对,选择匹配的保险容量,让保险起到应起的作用;UPS的配备对于系统的正常供电是十分重要的,在配备时应充分考虑到冗余与备用的问题。

  2干扰故障

  DCS控制系统的干扰故障通常就是系统的接地问题,干扰源一般有大功率的通信设备,以及大功率设备的启停等。对于干扰问题,要严格执行屏蔽与接地要求,系统的信号线要远离干扰源,以防止干扰信号串入系统,在电子设备间、工程师站等重点部位应避免使用大功率的无线通讯设备。

  3I/O卡故障

  I/O卡故障通常是在系统调试阶段较多发生,在系统投入运行后较少发生。目前很多I/O卡件的生产企业都在进行卡件的一体化制造,因此,对于此类故障的处理,通过系统诊断后,一般是更换备件来处理。I/O卡件的故障原因不易判断,检修一般是由厂家来进行。

  化工生产中DCS控制系统的应用

  DCS控制具备的高可靠性、开放性以及组态、维护方便等特点,使其在各种工业领域得到很多的应用。在化工企业,DCS控制系统的应用已经较为成熟完善,只要合理的进行DCS控制系统的方案设计,就可以充分发挥DCS控制系统的先进性与优越性,提高企业的自动化生产水平。

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