单位文秘网 2022-03-01 08:16:37 点击: 次
关键词:DCS(分散型控制系统) PKS 石油化工
20世纪70年代中期,大规模集成电路取得实破性的发展,8位微处理器普及,使自动化仪表工业发生巨大的变化,其中原来正处在十字路口的集中式计算机控制系统,很快吸收了微处理器技术,诞生了微机集散系统,全称为微处理器的总体分散型控制系统(To-tal Distributed Control System with up),在1975年首先由美国Honeywell公司发表了TDC2000总体分散型控制系统,其特征是完成8个回路控制的基本控制器(BC)可以分散的设置,通过数据高速公路(DHW)的数据总线把多台BC与CRT(阴极射线管)操作站连接在一起,形成各节点都有计算机的分布式计算机控制系统,与其同时,美国、日本、英国、法国、加拿大等国都开发出相应的产品,相继应用在以模拟量回路控制为主的系统中,应用行业遍及石油、化工、冶金、电力、轻工,建材、公用工程等各行业,这类产品统称DCS(Distributed Control System)。
近30年来,DCS产品虽然在基本原理和产品市场定位上没有根本上的改变,但随着技术的进步、外界环境和市场需求的变化,设计思想也相应发展,从宏观上看,DCS经历了3代,即1975年至1980年代前期、80年代中期至90年代前期和90年代中期到21世纪初。
目前,世界上有数十家DCS厂家,包括Honeywell、ABB、Yokogawa、Foxboro、Fisher-Rosemount、Yamatake Honeywell、Siemens等。我国在大型进口设备成套中引入国外的DCS及石化等行业改造中设计采用国外DCS以外,经过20多年的努力,国内已有多家生产DCS的厂家,其中和利时、浙江中控、上海新华3家已具有相当规模。国内石化行业已使用国内外出产的700多套DCS,应用水平也较高,自动投运率在90%以上,目前正向充分发挥DCS功能和开展先进控制和优化方向发展。今后一段时间内,DCS在石化行业中的重要性是不容置疑的,但改善功能、兼容新技术、降低价格、提高应用水平、改善服务水平的任务也迫在眉睫的。
下面仅以HONEYWELL的PKS系统来看一下DCS的发展方向。
经历了TDC2000,3000以及TPS,PKS系统采用了分布式系统结构,不需要额外的工程组态工作,即可使得在全厂范围内甚至全球范围内的多个系统运行起来如同一个控制系统一样。基于丰富的过程控制和SCADA经验,分布式系统结构可以处理最为严格的远程控制需求,并将处理结果的信息通过高速工厂内部局域网传输,以获得极高的性能。将分散操作的分布式结构的能力与系统内置的远程工程组态和远程监控工具结合在一起,构成了真正的分散控制系统。
DCS系统中,控制站继承了DDC(直接数字控制)技术,它是一个完整的计算机,实际运行中可以暂时在不与操作站及网络相连的脫机情况下,完成过程控制策略,保证生产装置运行。从计算机系统结构来说,控制站属于过程控制专用计算机,其特点是第一代采用8位微处理器,第二代采用16位微处理器,第三代采用32位(直至64位)微处理器,这对于中小型DCS控制器来说比较确切。大型DOS控制站对中央处理器要求较高,必须为专用的处理器,准16位和准32位或64位运算方式。第二代DCS控制站采用精简指令系统(RISC,Reduced Instruction Set Computer)。第三代DCS控制站已采用多CPV分别用于控制、通信、冗余切换等操作。
PKS基于控制执行环境CEE的控制器,CEE是一个集鲁棒性、灵活性和一致性为一体的控制执行环境,该环境可运行在不同的平台上,它的开放式体系使它可以与现有的霍尼韦尔控制器、第三方控制系统及设备集成。CEE支持每个控制策略从50毫秒到2000毫秒的执行周期。用户可以改变现有的控制或添加新的控制策略,同时又不妨碍控制器执行其它控制策略。基于CEE的控制器目前有C200,C300和应用控制器ACE。系统还支持仿真控制器SIM,它是在PC机上提供完整的系统仿真。不需要控制器硬件或与过程的连接。
DCS系统形成初期操作站各工程师站合一,即操作站具有操作员功能、工程师功能、通信功能和高级语言功能等。70年代中期,主要是在原小型计算机基础上开发的,此时CRT阴极射线管技术已成熟,但外部存贮器温氏硬盘技术至80年代才普及,所以第一代操作站采用CRT技术为特征,第二代操作站以采用温氏硬盘为特征,第三代DCS操作站是在个人计算机(PC)及Windows操作系统普及和通用监控图形软件已商品化的基础上诞生的,面对用户要求的DCS系统应具有开放性,便于系统集成各操作,与Windows技术其一致等。目前大多数DCS操作站和工程师站已采用高档PC机或工控机,Windows NT(或Windows98以上)操作系统、客户机/服务器(C/S)结构、DDC(动态数据交换)或OPC(用于过程控制对象链接嵌入)接口技术,可通过以太网接口与管理网络相连。
PKS操作站是一个功能强大的操作界面,可以根据工厂、车间和现场的不同操作要求提供不同的界面形式,系统的人机界面采用霍尼韦尔HMIWEB技术,将所有人机界面、应用数据和商务数据完整的集成在基于WEB的体系结构中。组态工作室是一种全新的系统工作组态环境,改进了系统的组态方式和效率,消除了不同的窗口采用不同的组态工具导致的组态工作的混乱和低效。它包括企业模型组态、控制策略组态、系统资源组态、用户画面组态以及系统分析工具。
控制站、操作站、工程师站,均为通信网络的节点,DCS网络上的节点还可能有上位机(或称高级控制计算站)、与工厂管理网相连的网关等。DCS网络是DCS的生命线,在DCS整个系统的实时性、可靠性和可扩充性方面起着重要的作用。在DCS系统诞生时,主要解决一个生产装置中几个控制站和一个或几个操作站之间的数据通信问题,第二代DCS则解决了多个装置的DCS互联问题第三代DCS则解决一个工厂的多个车间互联及与全厂计算机管理网络互联的问题。
在石化行业,DCS一直多用在一个生产装置范围内的多机通信系统中,而且控制站和操作站、工程师站均集中放置在控制室内。而DCS的数据通信一般从初期的数据高速公路起多可长达1km,所以这方面有点浪费。鉴于石化行业的习惯,全厂各生产车间用DCS的通信总线相连的实例较少,所以在第三代DCS中通信功能的发展是与全厂管理网络(以太网)技术相融合,逐渐实现通信网络由多重结构向扁平化过渡,所以,第三代DCS的通信系统特点是具有开放性。
PKS系统结构具有极强的可伸缩性,系统构成根据不同的应用,小到个人工作组,大到全厂范围的控制域,或是工作组与控制域的结合,包括与现有TPS系统和经营网络信息的集成。它包括过程控制层、监控操作层、先控应用层和企业管理层四层网络构成。PKS系统将其在设计鲁棒网络的专业技术与以太网技术的优点结合起来,开发出了具有自主专利的容错以太网(FTE)解决方案。FTE主要用于系统的第一、第二层网络,为各节点间的连接提供了可靠的100/1000Mbps高速以太网络。以太网被用于第三、第四层网络。同时,系统支持众多第三方控制器及连接方式。
通过LCN连接PKS服务器和操作站LCN选项可以实现PKS对TPS的完整无缝的集成。所有的TPS数据、报警/事件和操作员信息都被集成入PKS系统,TPS就像是其系统的扩展。这种集成方案支持霍尼韦尔独家拥有的容错以太网(FTE)和冗余TPN服务器技术,实现了安全和容错的连接。PKS操作站直接与TotalPlant Network(TPN)连接,为TPS和PKS提供了一个单一的公共操作员界面。
可以看出,DCS正在向开放、兼容、安全的方向发展。
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