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DCS系統選型的主要注意事項

2021-09-08 來源:elecfans

DCS是以計算機技術、CRT技術、控制技術和通信技術為基礎發展起來的先進控制系統。其大小各異,種類繁多,廣泛應用于化工、冶金、電力、煤炭等各個行業。我廠采用的DCS主要用于冶練、制氧和硫酸生產,4年多時間的使用證明這套系統完全滿足生產的需要。但是,使用過程中的經驗和教訓也值得探討。


理論上,DCS由上述四大技術組成,但在實際應用中可根據硬件組成和網絡的拓撲結構分成控制部分、通信部分、人機接口三部分。


選型過程中應注意的問題

DCS的選型原則應該是可靠、足夠、適用、先進。

實際選型時切不可片面追求先進性而忽略可靠性。例如我廠DCS的人機接口有兩種類型,其中一類通過長期使用,在可靠性方面無可挑剔;另一類是剛剛推出的產品,盡管它在硬件的性能上,在流程圖畫面編程平臺上比前者先進很多,但新產品未經過長期使用的檢驗,在可靠性方面卻略遜于前者。另外,人機接口中的打印機、CRT最好選擇國內普遍采用的成熟的有可靠服務保障的產品。筆者甚至認為,用戶應建議DCS制造廠商提供國內流行的商用機或工控機作為人機接口,這樣不但方便維修,更換起來價格便宜、交貨期又短。


DCS系統選型的主要注意事項

系統總體設計選型

目前DCS系統的設計理念為高可靠性、高可用性相結合的設計理念;所有的核心組件全部支持冗余設計。


總體設計在硬件結構上分為兩個流派:集中板卡式和分散模塊式。

集中板卡式:機柜先安裝機籠,I/O模塊以板卡形式插在機籠中。這種安裝方式的優先是抗震性能好,電路板上方便布置多器件,因而通道數量較多。缺點是受機籠限制,安裝不靈活。因另外需要控制布置接線端子,占用空間大,只能證明布置卡件,反面布置接線端子板,需要采用專門機柜。


分散模塊式:機柜無需機籠,I/O模塊以獨立模塊形式安裝在機柜中。這個安裝方式的優點是靈活方便可以在任意空間安裝、占用空間小、散熱良好。缺點抗震性能低于板卡式。因模塊體積小,通道數量會受限制。


隨著電子元器件的發展,小型化、智能化是發展趨勢,模塊式越來越顯示出靈活多變的優勢,板卡式初步淘汰。因此YOKOGAWA和Honeywell都完成了由大板卡式向小模塊式的轉變, ABB全系列。Emerson的DeltaV、Invensys的I/A、Ovation等都采用分散模塊結構。國內的和利時的最新K系列和浙江中控的ECS700都采用分散模塊式結構。


總體設計在軟件結構上分為兩個流派:對等網結構(P/P)和客戶/服務器C/S結構。


對等網結構(P/P):控制站同操作員站的地位對等,通訊方式點對點。優點是通訊不依賴于通訊節點,危險相對分散。缺點是一個域的系統規模受限制。數據處理量也受限制。難以適合核電等超大規模系統結構。


客戶/服務器C/S結構:控制器和操作站的通訊通過服務器節點通訊。優點是利于做大型和超大型系統,缺點是通訊依賴于冗余的服務器節點,對服務器的可靠性要求高。


鑒于對等網結構(P/P)和客戶/服務器C/S結構各有優勢,最先進的系統是可以混合結構,兩種通訊結構都支持,而且可以同時存在于一套系統中。如Honeywell的PKS-C300系列和和利時的MACS-K系列。既可以危險分散又可適應大規模。


硬件選型

1)控制器

控制器選擇的考慮因素主要有響應周期、帶模塊能力和擴展能力。運算周期決定用于裝置需要的反應速度;帶模塊能力決定了系統規模;擴展能力決定了接第三方儀表的能力。


2)響應周期

控制器的響應周期包括采樣周期和運算周期兩部分,采樣周期取決于I/O模塊采樣速度和I/O模塊總線速度。運算周期取決于CPU運算速度。先進的控制器通常具備可設置不同的運算周期以滿足控制的需要。通常為100ms、200ms、500ms、1000ms、2000ms可選,不同的控制對象可以用不同的運算周期,是衡量控制器技術是否先進的重要標志。


選擇控制器的運算速度不能只看CPU的主頻,因為不同的系統構架,系統運算的效率差別較大。目前主要有基于PowerPC、ARM和X86構架,其中X86構架的CPU雖然主頻很高,但運算效率不一定很高,同樣構架下采用RISC(Reduced InstrucTIon-Set Computer)指令相比CISC(complex instrucTIon set computer)指令效率更高。


對于常規控制回路要求從IO經過PID運算,至AO輸出的累積響應周期最快可達到250ms、500ms和1000ms三檔,同時控制器應具備快速控制能力,從IO經過PID運算,至AO輸出的累積響應周期最快可達到120ms。


3)帶模塊能力

帶模塊能力決定了單控制站系統規模,大多數DCS系統都在60~120個范圍,市面上單模塊點數在模擬量8/16點,開關量16/32點。單控制站容量在600-1200點左右。帶模塊能力與控制響應速度是一對矛盾,當響應時間短的控制場合,需要相應減少帶模塊數量。特別要限制快速控制回路模塊數量。一般以控制器負荷不大于50%為最終要求。


4)擴展能力

需要現場總線儀表接入的場合,要求控制器具備第三方總線儀表接入的能力,目前是DP總線、PA總線、Modbus總線和FF總線較為普遍。這就要求控制器具備下掛網關總線模塊的能力。


控制器冗余是DCS選型的必須要求,冗余切換的時間一般要求不大于2ms,這對于現代電子技術來說很容易,診斷電路的快速和準確性,決定了切換的時間。但軟件的無擾切換直接影響現場設備,因此軟件輸出數據的無擾切換是才是衡量控制器冗余技術的關鍵技術。一般要求不大于最小控制周期。因此兩個控制器的數據同步技術是保證無擾切換的關鍵。DCS控制器冗余原理見圖4-1-2。

DCS系統選型的主要注意事項

圖4-1-2 DCS控制器冗余原理圖


5)通訊網絡

控制器與人機界面操作站之間的通訊網絡一般由以太網構成的冗余網絡。通訊速率為100/1000Mbps.控制站與內部I/O模塊之間的網絡一般有自定義的冗余總線構成,通訊速率為500Kbps到10Mbps不等。控制器與I/O模塊的總線分為并行總線和串行總線兩種,因串行總線在抗干擾,可擴展性要更好,已經形成發展大趨勢。


網絡具有物理層和協議層雙重隔離,通訊負荷要求不超過40%。


6)電源設計

DCS電源交流為AC220V為主,電源輸入穩定度要求不大于10%,頻率輸入穩定度不大于2%。DC24V電壓輸出波動不大于5%,DC48V電壓輸出波動不大于10%。


DCS實際分為模擬部分電源和數字部分電源兩大部分供電,要求系統自帶電源將模擬部分和數字部分隔離供電。電源也要求冗余供電,且要求只剩單個電源時,負載不超過額定功率的70%。現場儀表設備的供電要求與DCS系統隔離供電。電源要求有自保護功能,局部誤接入高壓或外部設備短路,不會造成控制站電源系統故障,系統電源模塊故障次數不大于2次/年。


7)IO模塊選型

IO設計從開始推出時的單點卡,到后期的多點卡,高密度卡;系統的模塊采用背板插裝方式,到目前逐步采用獨立模塊設計;系統的整體設計可靠性提升,且最大便利提供用戶的易維護性。任意模塊故障不影響其他模塊,任意通道故障不影響其他通道,系統中I/O模塊故障次數不大于4次/年。


模塊類型應該滿足目前國際上通用的信號采樣標準:

AI、AO、DI、DO、PI(脈沖輸入)、SOE、

RTD、TC等。

I/O卡配置原則:

控制用AI/AO卡應1:1冗余配置。

聯鎖用DI/DO卡應1:1冗余配置。

監測用AI/TC/RTD通道數不超過32點。

監測用脈沖通道數不超過16點。

DI點通道數不超過16點,來自電氣的DI必須采用繼電器隔離。

DO點聯鎖時卡件通道數不超過16點,必須采用繼電器隔離。

危險氣體監測卡需要單獨設置卡件。

系統一般預留20%的備用卡件,同時預留15%的擴展空間。

全部I/O卡基于惡劣的工業環境設計,符合EMC的設計規范,應帶電磁隔離或光電隔離,抗干擾性符合工業環境下的國際標準IEC61000。有防腐需要時系統防腐蝕能力滿足ISA S71.04標準G3等級要求。I/O模塊需要有斷線、短路、超量程、通訊等報警功能。


需要防爆的場合,需要選配安全柵或帶本安防爆的卡件。

控制I/O模塊要求冗余配置,常用的是AI冗余有兩種原理,以Honeywell C300硬件為代表采用并聯冗余機制,原理是將電流信號通過同一個250歐姆電阻,轉換為電壓信號,再并聯兩個測電壓模塊同時測量,同時送控制器,由控制器挑選品質好的模塊運算。并聯式冗余示意圖如圖4-1-3。

DCS系統選型的主要注意事項

圖4-1-3 I/O模塊并聯式冗余示意圖

以Yokogawa CS3000、Emerson DeltaV為代表的采用切換式冗余機制,原理是冗余的模塊內藏切換開關,只有主模塊開關才接通,備用模塊開關不接通。切換式冗余示意圖如下:

DCS系統選型的主要注意事項

圖4-1-4 I/O模塊切換式冗余示意圖

并聯式冗余和切換式冗余各有利弊:并聯式冗余優點是不存在切換后重新建立穩態的時間,響應速度快,缺點是共用一個取樣電阻,危險集中,一旦該電阻損壞,兩個模塊都不起作用了。另外取樣電阻同模塊分離,精度和穩定性控制難度大。切換式冗余優點是危險分散,沒有共用器件。取樣在模塊內部一體化,精度和穩定性高。缺點是切換后需要重新建立穩態工作環境,時間比并聯式長。


現場總線通訊模塊主要包括:

1)Serial Card串行通訊模塊,主要用于Modbus等協議通訊。

2)FoundaTIon FieldBus Card FF總線通訊模塊。

3)ProfiBus DP/PA Card ,用于DP/PA總線通訊。

4)Wireless CommunicaTIon Card,用于無線儀表通訊。

5)DeviceNet和AS-Interface,工廠自動化主流現場總線。

現場總線模塊需要同第三方總線設備進行兼容性測試通過后,才能選型具體總線儀表,否則將有通訊不兼容風險。同傳統儀表不同,總線儀表在使用過程中,與通訊模塊的配合升級將難以避免。因此維護工作需要較高的水平。


軟件選型

1)組態管理軟件

組態軟件用來配置、部署和管理整個DCS系統,承擔組態流程中主要的組態過程。離線組態軟件包括工程總控、圖形編輯、控制邏輯組態軟件、報表組態軟件等,以及完成工程的編譯、下裝、項目管理、工程管理等功能。組態管理軟件應該符合IEC61131-3的控制算法編程軟件,支持CFC、SFC、LD、ST組態語言,支持用戶自定義各類功能塊和腳本語言。任何組態修改均可在線完成,包括對控制算法、硬件配置的增加、刪除、修改,系統數據庫、圖形組態、系統配置等各項組態內容,都可以做到現場不停車無擾下裝與修改,大大提高系統的可維護性以及可用性。組態軟件需關注控制功能的完善程度,如報警診斷、自定義、自整定、優化算法、復雜算法、行業應用包等。


2)在線運行軟件

監控系統面向操作者,以模擬流程圖、棒狀圖、數值表、趨勢曲線、報表、按鈕、對話框等方式為用戶提供數據,執行操作指令并發送至現場控制站。監控系統面向操作者,以模擬流程圖、棒狀圖、數值表、趨勢曲線、報表、按鈕、對話框等方式為用戶提供數據,執行操作指令并發送至現場控制站。在線允許軟件需關注支持的系統規模、人機界面優化性、報警診斷完善、操作質量下發指令實時性、畫面響應時間、歷史存儲數量和時間等參數。


通過監控系統,操作者和工程師可以完成:監控自動控制過程,實時人工干預,自動打印或者按需求打印工作報表等任何所需資料,還可以通過廠級監控的MIS等網絡將畫面和數據提供給管理者。可以完成實時數據采集、動態數據顯示、過程自動控制、順序控制、高級控制、報警和日志檢測、監視、操作,可以對數據進行記錄、統計、顯示、打印等處理。


3)控制器軟件

用來完成現場信號采集、工程單位變換、控制和聯鎖控制算法、控制輸出、通過系統網絡將數據和診斷結果傳送到操作員站等功能。


4)輔助軟件

用于完成DCS系統的一些輔助組態和系統查詢、管理功能,包括:OPC通訊軟件、歷史離線查詢工具、系統升級工具、軟件版本管理工具、系統仿真軟件、授權管理工具等。

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