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    分布式控制系統
    發布日期:2013-10-10  瀏覽次數:268

    分布式控制系統

    (distributed control systems,簡稱DCS),又稱為分散控制系統,分散型控制系統,集散控制系統.行業內業稱4C技術既Control控制技術;Computer 計算機技術;Communication 通信技術;Cathode Ray Tube CRT顯示技術。

    1系統介紹

    分布式控制系統是由多臺計算機分別控制生產過程中多個控制回路,同時又可集中獲取數據、集中管理和集中控制的自動控制系統 。分布式控制系統采用微處理機分別控制各個回路,而用中小型工業控制計算機或高性能的微處理機實施上一級的控制 。各回路之間和上下級之間通過高速數據通道交換信息。分布式控制系統具有數據獲取、直接數字控制、人機交互以及監控和管理等功能。分布式控制系統是在計算機監督控制系統、直接數字控制系統和計算機多級控制系統的基礎上發展起來的,是生產過程的一種比較完善的控制與管理系統。在分布式控制系統中,按地區把微處理機安裝在測量裝置與控制執行機構附近,將控制功能盡可能分散,管理功能相對集中 。這種分散化的控制方式能改善控制的可靠性,不會由于計算機的故障而使整個系統失去控制。當管理級發生故障時,過程控制級(控制回路)仍具有獨立控制能力,個別控制回路發生故障時也不致影響全局。與計算機多級控制系統相比 ,分布式控制系統在結構上更加靈活、布局更為合理和成本更低。
    分散型控制系統(DCS)是以微處理機為基礎,以微機分散控制,操作和管理集中為特性,集先進的計算機技術、通訊技術、CRT技術和控制技術即4C技術于一體的新型控制系統。隨著現代計算機和通訊網絡技術的高速發展,DCS正向著多元化、網絡化、開放化、集成管理方向發展,使得不同型號的DCS可以互連,進行數據交換,并可通過以太網將DCS系統和工廠管理網相連,實現實時數據上網,成為過程工業自動控制的主流。
    近幾年來,生產行業進一步提高了工廠綜合自動化水平,注重信息化的建設,特別是各地的火電廠紛紛提出適合自己工廠的廠級監控信息系統(SIS)以提高生產效率,實現工廠管理信息系統與各種分散控制系統之間的數據交換。廠級實時監控信息系統以分散控制系統為基礎,以經濟運行和提高發電企業整體效益為目的,采用先進、適用、有效的專業計算方法,實現整個電廠范圍內信息共享,廠級生產過程的實時信息監控和調度,同時又提高了機組運行的可靠性。它為電廠管理層的決策提供真實、可靠的實時運行數據,為市場運作下的企業提供科學、準確的經濟性指標。
    DCS是分散控制系統(Distributed Control System)的簡稱,國內一般習慣稱為集散控制系統。它是一個由過程控制級和過程監控級組成的以通信網絡為紐帶的多級計算機系統,綜合了計算機(Computer)、通訊(Communication)、顯示(CRT)和控制(Control)等4C技術,其基本思想是分散控制、集中操作、分級管理、配置靈活、組態方便。

    2系統特點

    高可靠性

    由于DCS將系統控制功能分散在各臺計算機上實現,系統結構采用容錯設計,因此某一臺計算機出現的故障不會導致系統其它功能的喪失。此外,由于系統中各臺計算機所承擔的任務比較單一,可以針對需要實現的功能采用具有特定結構和軟件的專用計算機,從而使系統中每臺計算機的可靠性也得到提高。

    開放性

    DCS采用開放式、標準化、模塊化和系列化設計,系統中各臺計算機采用局域網方式通信,實現信息傳輸,當需要改變或擴充系統功能時,可將新增計算機方便地連入系統通信網絡或從網絡中卸下,幾乎不影響系統其他計算機的工作。

    靈活性

    通過組態軟件根據不同的流程應用對象進行軟硬件組態,即確定測量與控制信號及相互間連接關系、從控制算法庫選擇適用的控制規律以及從圖形庫調用基本圖形組成所需的各種監控和報警畫面,從而方便地構成所需的控制系統。

    易于維護

    功能單一的小型或微型專用計算機,具有維護簡單、方便的特點,當某一局部或某個計算機出現故障時,可以在不影響整個系統運行的情況下在線更換,迅速排除故障。

    協調性

    各工作站之間通過通信網絡傳送各種數據,整個系統信息共享,協調工作,以完成控制系統的總體功能和優化處理。

    功能齊全

    控制算法豐富,集連續控制、順序控制和批處理控制于一體,可實現串級、前饋、解耦、自適應和預測控制等先進控制,并可方便地加入所需的特殊控制算法。

    3系統組成

    DCS的構成方式十分靈活,可由專用的管理計算機站、操作員站、工程師站、記錄站、現場控制站和數據采集站等組成,也可由通用的服務器、工業控制計算機和可編程控制器構成。
    處于底層的過程控制級一般由分散的現場控制站、數據采集站等就地實現數據采集和控制,并通過數據通信網絡傳送到生產監控級計算機。生產監控級對來自過程控制級的數據進行集中操作管理,如各種優化計算、統計報表、故障診斷、顯示報警等。隨著計算機技術的發展,DCS可以按照需要與更高性能的計算機設備通過網絡連接來實現更高級的集中管理功能,如計劃調度、倉儲管理、能源管理等。
    1975年美國霍尼韋爾(Honey Well)第一套分布式控制系統TDCS-2000問世以來,分布式控制系統已經在工業控制的各個領域得到了廣泛的應用,以其高度的可靠性、方便的組態軟件、豐富的控制算法、開放的聯網能力,逐漸成為過程工業自動控制的主流系統。
    迄今,全世界數百家廠商已經開發了各種類型的分布式控制系統1500余種,DCS 以其先進、可靠、靈活和操控簡便以及合理的價格而得到廣大工業用戶的青睞,廣泛應用于冶金、電力、化工、石油和造紙等工業領域。

    系統硬件


    現場控制站主要由機箱(柜)、電源、PC總線工業控制機 、通信控制單元、手動、自動顯示操作單元等構成。其功能主要有6種,即數據采集功能、DDC控制功能、順序控制功能、信號報警功能、打印報表功能、數據通信功能。
    智能調節器是一種數字化的過程控制儀表,其外表類似于一般的盤裝儀表。智能調節器不僅可接受4~20mA,DC電流信號輸入的設定值,還具有異步通信接口RS-422/485、RS-232等,可與上位機連成主從式通信網絡,接受上位機下傳的控制參數,并上報各種過程參數。
    集中操作監控級(面向操作員和系統工程師)功能主要是以操作監視為主要任務,兼有部分管理功能。配備計算機及外設,以及相應軟件,對生產過程實行高級控制策略、故障診斷、質量評估。
    其組成如下:
    監控計算機
    工程師顯示操作站
    操作員顯示操作站
    顯示工作站主要由鍵盤、CRT顯示器和打印機構成,是實現和操作員以及工程師有關的系統的功能:操作員在運轉整個系統時必要的操作功能,工程師為了進行系統的生成和維護時必要的工程師功能。
    綜合信息管理級的功能是實現整個企業的綜合信息管理(主要包括生產管理和經營管理),主要由管理計算機、辦公自動化系統、工廠自動化服務系統組成,應用了MIS系統。

    系統軟件

    分布式控制系統的軟件可分為系統軟件、組態軟件、應用軟件。其功能如下所述:
    系統軟件:提供系統運行和管理的基本環境。
    組態軟件:對過程管理系統組態、系統內各設備的定義、確定各設備的工作要求,設備網地址分配、定義各種控制點、點數據在顯示圖上的編排等。
    應用軟件:用于整個生產過程的操作和控制,過程數據收集,信息分析、優化,監控控制,外來設備的網絡化及完善。運行于系統人機界面工作站、服務器等節點中的軟件,提供數據采集和事件分析處理、信息存儲和管理、二次計算、人機界面監視、遠程控制操作及其他的應用功能。

    4系統原理

    電源

    分布式直流電源是一種新型的直流電源設備,主要應用于小型開關站和用戶末端,為二次控制線路(如微機保護等智能終端及指示燈、模擬指示器等)提供可靠不間斷工作電源,避免交流失電時導致微機保護失去保護作用,解決因操作過電壓及諧波等因素使UPS失效從而導致微機保護失效問題。同時還可為符合裝置功率要求的一次開關設備(彈簧機構真空斷路器、永磁機構真空斷路器、電動負荷開關等)提供直流操作電源。  分布式直流電源具有市電輸入和PT輸入兩種方式,輸出方式從DC220V至DC24V各種規格,可以滿足各種使用場合。裝置最大輸出功率可達600W,可以滿足不同負載的需求。  分布式直流電源體積小,安裝接線方便,適合分散安裝于各種型號的開關設備內。使之比一般直流屏系統更可靠,更經濟(對小型用戶終端更明顯),又節省占地空間,降低線路損耗及安裝工程量,且維護方便,為電力系統供電可靠性提供新的選擇方案。  分布式直流電源采用高頻電源技術,蓄電池采用自動充電管理模塊進行維護,大大延長蓄電池的使用壽命,使得裝置運行更加安全可靠。裝置具備通訊、報警功能,可以方便地實現無人值守的遠程自動化管理。  應用范圍  分布式直流電源主要應用于各種型號的開關設備內,為主開關(斷路器、負荷開關等)和二次保護裝置提供可靠的直流操作電源。

    環境條件

    工組環境溫度:-10℃~+45℃;最大月平均相對濕度:≤90%;最大日平均相對濕度:≤95%;海拔高度:不大于2000米;工作環境條件:無導電微粒塵埃,無腐蝕金屬和破壞絕緣的化學物質,使用地點應具有防御雨、雪、風、沙的設施,周圍不允許充滿水蒸氣或有較嚴重的霉菌存在。

    輸入電源

    交流輸入電壓:85~265VAC;頻率:50Hz±10%;波形:正弦波,波形畸變<5%;功率要求:單臺不小于150VA。
    輸出功率及功耗
    (1)連續運行功率:  ? 連續運行:≤100W,可滿足微機保護裝置、指示燈、模擬指示器供電需要;由電池供電時,根據電池容量及負載參數可長達8~24小時。  ? 短時運行功率:≤200W,20S,可滿足VS1、VD4、ZN21等大多數10KV系統彈操機構斷路器,電動負荷開關儲能供電需要。  ? 瞬時運行功率:≤600W,100ms,可滿足VS1、VD4、ZN21等大多數10KV系統彈操機構斷路器及負荷開關分合閘供電需要;由電池后備供電時,可操作20次以上。 ?。?)功率消耗:裝置本身消耗的功率不大于8W。  蓄電池的充放電裝置外接2節12V蓄電池,當裝置交流供電停電后,保證直流供電正常連續,具體備用時間由蓄電池容量和負載大小決定,當蓄電池放電至過欠壓時,裝置發出報警信號,并為保護蓄電池自動停止直流輸出;當交流供電正常時,裝置自動恢復直流供電并在72小時之內可將蓄電池重新充滿。

    5日常維護

    1. 過程通道故障過程通道故障出現最的多的是I/O卡故障:I/O卡故障一般的判斷與處理,通過系統診斷,更換通道或通過更換備用件處理,至于其內部元件老化或是其他原因造成的損壞,一般熱控制人員不好判斷。I/O卡的檢修一般是由廠家處理,熱控檢修人員的手段還不能達到像檢修常規儀表那樣檢修。而且生產廠家的I/O卡件已制造成一體化的趨勢,這樣只能購買備件。好在這類故障只是在調試階段出現較多,正常運行中出現幾率很低。一次元件或控制設備出現故障有時不能直接被操作員發現,只有異?;驁缶蟛磐ㄖ獰峥厝藛T處理。這樣對檢修人員和運行人員的素質要求就要提高,運行人員要詳細介紹故障前后的狀態便于熱控檢修人員能夠快速、準確地處理缺陷,減少故障的擴大化,另外許多DCS廠家在產品宣傳上都支持卡件熱撥,做為控制人員,在運行中更換卡件時一定要做好安全防護措施否則會引起系統變化或負荷變化,尤其數字量卡件。[1]
    2. 對于操作員站死機無論國產與進口設備都有相關的報道,那么究其原因比較多,硬盤或卡件故障,冷卻風扇負荷過重等等,有時會發生人為操作現象,一般在修改控制邏輯下裝軟件重啟設備或強制設備保護信號時,最易發生操作事件,輕則設備異常,重則易造成設備停運后果非常嚴重;對死機后重啟,不同廠家的啟動時問不同,少則幾十秒,多則幾分鐘,人為該操作發生的故障在熱工專業中的不安全事件中占有很大比例,在操作中尤為引起高度重視,減少人為故障。
    3. 球標操作不正常,一般是由于機械裝置長期工作、老化、污染、點通斷不可靠、電纜插件不牢等這樣的就需要換檢查即可。
    4. 控制操作失靈:是由于球標的操作信號沒有正常改變過程通道的狀態,造成操作失效,這是2個方面造成的,一個方面是軟件缺陷,另一方面是硬件本身故障的狀態針對這樣的缺陷通常做法檢查過程通道功能正常后,再檢查操作遠必要時進行重起初始操作。
    5. 對于薄膜鍵盤主要是鍵盤接觸不良信號電纜松動或主機誤動鍵盤或啟動不完整都可以導致其功能不正常應用針對不同情況處理。
    6. 打印機不工作一般是由于配置的原因,這樣的故障應檢查打印機的設置及其硬件是否正常進行處理。報表軟件功能不強主要表現在由于打印機打印報表和SOE等造成死機,或者打印機的SOE記錄時問與實際情況不符;SOE打印瀏覽后不能返回歷史曲線;SOE時間順序不一致有時偏差很大,這會延誤事故分析的進展時,有時還會誤導分析方向,SOE問題既與系統設計不合理,SOE點沒完全集中在一個DPU上的有關,也與系統硬件及軟件設計考慮不周有關。這種故障的出現,通過分析認為這主要是對電廠的總體方面考慮的不太完美,在小的方面還不夠仔細會出現這樣那樣的故障,針對這種情況要認真對待,不放過蛛絲馬跡,與廠家認真研究提出問題進一步完善,讓該系統更好地為生產服務。
    7. 電源故障:電源故障問題較多,保險配置不合理,備用電源不能自投,電源波動引起保護誤動及接插頭接觸不良易造成無電源。針對電源故障處理相對比較容易。首先,認真核對保險的配置及容量,真正起到保險的作用;其次,UPS的配備很重要,它可以在電源波動時也能保證系統正常供電,而且要考慮冗余和備用問題。
    8. 干擾造成的故障:對于干擾主要是接地問題,備用電源的切換和大功率的無線通信設備如手機、對講機等。另外還有DCS系統的干擾信號可能由本身造成的。那么對于DCS系統的接地問題越來越引起人們的重視,尤其在電力行業,大功率電器設備的啟動和停止都會干擾DCS的控制信號,造成不必要的故障。為了防止干擾信號串入系統,嚴格執行屏蔽和接地要求和方式,信號線遠離干擾源,同時采取防電源波動措施。主/從過程處理機之間在機組運行時,除非萬不得以,盡量不要人為切換,已防產生干擾,如必須切換,應采取措施,先將控制切手動,以免對機組運行工況產生影響。對電子設備問、工程師站等重點部位,應絕對禁止使用大功率無線電通信設備。

    6系統目標

    對現場的控制功能,實現遠程控制
     
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