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行业动态

诺华自动化:化工厂DCS控制系统详解

日期: 2020-08-15 12:02 点击:

      提起DCS系统,化工人都不陌生,因为它是化工厂的大脑,会根据采集现场仪表(温度、压力、流量、液位等)信号作出判断,让输出的信号对管道的阀门进行控制。
由于DCS涉及的知识面很广,所以今天只介绍基本结构和原理部分,希望能为工厂中相关操作人员以及初学者提供参考。
01基本结构


 
      DCS是Distributed Control System的缩写,直译为“分布式控制系统”。由于产品生产厂家众多,系统设计不尽相同,功能和特点也各不相同。
      国内在翻译时,也有不同的称呼:
      分散控制系统(简称DCS)
      集散控制系统(简称TDCS或TDC)
      分布式计算机控制系统(简称DCCS)


02系统组成
 

      三站一线:工程师站、操作员站、现场控制站、系统网络


1、工程师站
      对DCS进行离线的配置、组态工作和在线的系统监督、控制、维护的网络接点。
主要功能:提供对DCS进行组态,配置工作的工具软件,并在DCS在线运行时实时监视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随时处在最佳工作状态之下。


2、操作员站
      处理一切与运行操作有关的人机界面(HIS,Human Interface Station,或OI,Operator Interface,或MMI,Man Machine Interface)功能的网络节点。
主要功能:为系统的运行操作人员提供人机界面,使操作员可以通过操作员站及时了解现场运行状态、各种运行参数的当前值、是否有异常情况发生等,并可通过输入设备对工艺过程进行控制和调节,以保证生产过程的安全、可靠、高效。


3、场控制站
      现场控制站是DCS的核心,是对现场I/O处理并实现直接数字控制(DDC)功能的网络节点。
系统主要的控制功能由它来完成,系统的性能、可靠性等重要指标也都要依靠现场控制站保证。
其设计、生产及安装都有很高的要求,是分散控制系统中的主要任务执行者。


4、系统网络
      系统网络是连接系统各个站的桥梁。由于DCS是由各种不同功能的站组成的,这些站之间必须实现有效的数据传输,以实现系统总体的功能。
系统网络的实时性、可靠性和数据通信能力关系到整个系统的性能,特别是网络的通信规约,关系到网络通信的效率和系统功能的实现。
分散控制系统结构


基本构成

基本构成由现场级、控制级、监控级、管理层四级构成。
现场级主要包括各种过程通道卡件或模块;
控制级包括所有的过程站;
监控级包括工程师站、操作员站、历史站和打印机等附属设备;
管理级包括管理计算机;
四层中间相应的通信网络由控制网络(Cnet)、监控网络(Snet)、管理网络(Mnet)三层网络结构。


1、现场级
包括传感器、变送器、执行器等
现场级设备一般位于被控生产过程的附近。典型的现场级设备是各类传感器、变送器和执行器,它们将生产过程中的各种物理量转换为电信号。
例如:将4-20mA的电信号(一般变送器)或符合现场总线协议的数字信号(现场总线变送器),送往控制站或数据采集站进行,将控制站输出的控制量(4-20mA的电信号或现场总线数字信号)转换成机械位移,带动调节机构,实现对生产过程的控制。
信号传输方式
目前现场级的信息传递有三种方式:
一种是传统的4-20mA(或者其他类型的模拟量信号)模拟量传输方式;
一种是现场总线的全数字量传输方式;
一种是在4-20mA模拟量信号上,叠加上调制后的数字量信号的混合传输方式。
现场信息以现场总线为基础的数字传输是今后的发展方向。


2、控制级
现场控制站

      控制级主要由现场控制站和数据采集站构成。一般在电厂中,把现场控制站和数据采集站集中安装在位于主控室后的电子设备室中。
现场控制站接收由现场设备,如传感器、变送器来的信号,按照一定的控制策略计算出所需的控制量,并送回到现场的执行器中。现场控制站可以同时完成连续控制、顺序控制或逻辑控制功能,也可能仅完成其中的一种控制功能。
数据采集站

      数据采集站与现场控制站类似,也接收由现场设备送来的信号,并对其进行一些必要的转换和处理之后送到分散型控制系统中的其它部分,主要是监控级设备中去。
数据采集站接收大量的过程信息,并通过监控级设备传递给运行人员。
数据采集站不直接完成控制功能,这是它与现场控制站的主要区别。
电子间一般不再独立设置,更多为远程I/O站。


3、监控级
监控级的主要设备有操作员站、工程师站、历史站和计算站等。
操作员站安装在中央控制室。
工程师站、历史站和计算站一般安装在电子设备室。
操作员站

      操作员站是运行员与分散控制系统相互交换信息的人机接口设备。
运行人员通过操作员站来监视和控制整个生产过程。

      运行人员可以在操作员站上观察生产过程的运行情况,读出每一个过程变量的数值和状态,判断每个控制回路是否工作正常,并且可以随时进行手动/自动控制方式的切换,修改给定值,调整控制量,操作现场设备,以实现对生产过程的干预;
      另外操作员站还可以打印各种报表,拷贝屏幕上的画面和曲线等。


为了实现以上功能,操作员站是由一台具有较强图形处理功能的微型机,以及相应的外部设备组成,一般配有大屏幕显示器、大屏幕显示装置、打印机、键盘、鼠标或球标。
工程师站
工程师站是为了控制工程师对分散控制系统进行配置、组态、调试、维护所设置的工作站。
工程师站的另一个作用是对各种设计文件进行归类和管理,形成各种设计文件,例如,各种图纸、表格等。
工程师站一般由PC机配置一定数量的外部设备所组成,例如打印机、绘图机等。
历史站
历史站的主要任务是存储过程控制的实时数据,实时报警,实时趋势等与生产密切相关的数据,用来进行事故分析,性能优化计算,故障诊断等;
也可以通过历史站实现与外部网络的接口,使外部网络不直接访问DCS监控网络就可以获得所需要的数据,即保证了开放性,又保证了安全性。


4、管理级
管理系统

      管理级包含的内容比较广泛,一般来说,它可能是一个发电厂的厂级管理计算机,也可能是若干个机组的管理计算机。
它所面向的使用者是厂长、经理、总工程师、值长等行政管理或运行管理人员。
厂级管理系统的主要任务是监测企业各部分的运行情况,利用历史数据和实时数据预测可能发生的各种情况,从企业全局利益出发辅助企业管理人员进行决策,帮助企业实现其规划目标。
管理计算机
对管理计算机的要求是:
能够对控制系统做出高速反应的实时操作系统及数据库。
大量数据的高速处理与存储,能够连续运行可冗余的高可靠性系统,能够长期保存生产数据,并且具有优良的、高性能的、方便的人机接口,丰富的数据库管理软件,过程数据收集软件,人机接口软件以及生产管理系统生成等工具软件,实现整个工厂的网络化和计算机的集成化。
实时监控和日常管理
管理级也可分成实时监控和日常管理两部分。

      实时监控是全厂各机组和公用辅助工艺系统的运行管理层,承担全厂性能监视、运行优化、全厂负荷分配和日常运行管理等任务,即监控信息系统(SIS)。
日常管理承担全厂的管理决策、计划管理、行政管理等任务,即管理信息系统(MIS)。