• 技术支持-智能化仪表及现场总线技术在DCS中的发展和创新

    2020-7-2      

    IEMMU21

    NKAS01

    PHCBRC400

    IMDSM04

    智能化仪表及现场总线技术在DCS中的发展和创新

    DCS即所谓分布式控制系统,习惯地称之为集散系统,是相对于集中式控制系统而言的一种新型计算机控制系统,它是在集中式控制系统的基础上发展、演变而来的。自20世纪70年代中期问世以来,经历了20多年的时间。它已由过往只在少数大型企业的控制系统中应用,发展成为电力、石油、化工、冶金、建材、制药等行业的最普通的控制工具。究其原因:一是各DCS制造厂家不断地进步了系统的可靠性、实用性、先进性和综合性,几种控制系统的相互渗透(PLC,DCS,IPC+控制器)和竞争及先进计算机技术和网络通讯技术的采用,使得DCS价格不断下降;二是全球市场竞争,迫使各企业必须不断应用先进的控制技术以进步产品质量和产量,降低本钱和用度,为DCS提供了广泛的市场需求。
    1 用户要求的不断进步
      在自动控制领域中,应用的要求总是在不断进步。可以说,自动控制系统是永远不能满足应用要求的。每当自动控制系统取得了新的技术进展,开发出了新的功能,立即会有更新的功能要求被提出来。例如在控制仪表仅可实现简单的反馈控制时,已经有大量的PID调节的题目在等待解决;而当PID的自动调节可以实现时,人们又在寻求控制参数的自整定功能,以便使繁杂的参数整定工作可以自动、快速、正确地完成。在控制算法已趋完善的今天,仍有很多控制题目没有正确的数学模型,于是,模糊控制理论、神经元方法等一些非解析方法得到了长足的发展。在控制算法的发展方面是如此,在控制系统本身的硬件、软件方面更是如此。
      先看检测控制仪表,以水位计为例,最早的检测元件大概要算浮子了,但很快就发现它的正确性、稳定性有题目,于是研制出了差压丈量方法。新的原理和方法明显地在性能上优于老的方法,但是当容器内压力和温度发生变化时,水的密度也相应发生变化,又会造成丈量的误差。因此将丈量值就地数字化的智能型水位计得到了广泛的应用,它可以利用数字处理技术和算法模型对丈量值进行处理和校正,或加些数字滤波措施,力求丈量值的客观、正确、可靠。
      再看计算机方面,早期的自动控制系统所使用的计算机速度很慢(只有每秒50万次左右),内存、外存都很少(内存约64kB,外存1 MB左右)。尽管如此,这样的计算机还是在不少计算机控制系统中应用,在某个历史时期起到了一定的作用。由这种计算机构成的系统大多为安全监视系统。假如有控制,其算法的综合性、复杂性都很低。
      根据当前自动化控制系统状态及发展趋势,将在以下几方面提出更高的要求。
      1 系统的功能 要求可实现的算法更多,实现控制的目标更高。系统功能更趋综合化,不仅有经典控制,还应有高级控制,并具有质量统计、分析、批量处理、生产调度等功能,逐步发展成计算机集成制造系统。
      2 系统的可靠性 要求无故障运行时间更长,系统可用率更高,达到99。99%以上,而系统的维修要快速简便,使停机时间控制到最短。
      3 系统的易用性 要求有非常友好的人机界面,窗口化的操纵、屏幕上的操纵将成为主流。操纵员基本不需培训就可以根据图形及系统的提示进行操纵,语音、图像等多谋体信息将成为人机界面中不可缺少的部分。
      4 系统的安全性 系统可提供各种安全保护措施,避免误操纵和人为事故,可对各种异常状态进行分析记录,及时报警以使操纵员尽快了解所发生的情况并及时处理。
      5 信息广泛共享 自动化控制系统,得到的各种实时信息可以被其他治理和调度系统共享。不仅生产的领导者和治理者可以在自己的办公桌上得到生产信息,甚至可以在任何地方通过电话线路和无线电通讯得到生产信息。
      6 系统的规模要求更大 不仅可以包括最基本的过程控制功能,还可以包括各方面的生产、控制状态信息。系统控制回路数及检测的点数将大大增加,用以实现复杂生产过程的全面治理与控制。
      7 系统轻易升级 随着生产规模的扩大和生产工艺的改变,甚至生产流程的改变均可以在对系统进行少量更改或扩充后适应新的要求。简单地扩充监测点数、控制回路、调整控制参数等工作都要求可以在线进行。
      8 系统的本钱降低 更高的自动化水平,并不意味着更高的本钱。科学技术本身一方面在创造着更高的功能和性能,另一方面也在创造更低的本钱。只有本钱不断降低,才能使自动化深进到生产的各个环节,实现更高的自动化水平。
    2 应用技术的不断进步
      促进DCS不断向前发展的主要动力,一是应用需求的不断进步,二是应用技术的不断进步。这两个因素就像一列火车的两台机车,一台在前面牵引,另一台在后面推动,相辅相成。应用技术的进步主要表现在以下几个方面。
      2.1 计算机技术的发展与进步
      计算机从问世后的近60年中经历了从电子管、晶体管、集成电路、大规模集成电路到超大规模集成电路等几个发展阶段。固然其基本原理没有发生大的变化,但其元器件和体系结构的改变却是日新月异的,呈现出极快的发展速度。
      计算机从电子管发展到晶体管大约用了近20年的时间,从晶体管到集成电路大约用了10年时间,从集成电路到大规模集成电路则用了5年多时间,以后集成电路的集成度以每3~4年翻一番的速度发展着。CPU也以惊人的速度不断进步。在70年代,每秒运行100万次的计算机就称得上大型机了,而现在一台普通的微机就可达2。0GHz。70年代,计算机的内存以kB为单位,现在一般微机也可达256MB、硬盘一般为40GB。
      计算机性能的进步并不意味着价格的进步。一方面高技术体现在产品的功能和性能上,即能够实现过往无法实现的要求;另一方面体现在本钱上,即用更低的本钱实现同样的要求。性能价格比不断进步,促进了DCS的广泛运用。
      2.2 网络技术的发展与进步
      DCS本身是建立在网络的基础之上的,可以说,网络是DCS的命根子。有了一个高速的、可靠的、标准的、实用的网络,DCS就成功了一半。在DCS发展的初期,各厂家所用的网络大多是专用的,性能也不高。因此形成了一种“孤岛”现象,即为了某个生产装置或某个生产过程而建立的DCS成了一个与外界无法沟通的孤岛。
      随着网络技术的发展,各种独立于某个厂家的网络产品纷纷问世。这些网络产品由于性能好,价格便宜,符合标准,因而开放性、互联性很强。这种上风促使DCS厂家纷纷抛弃了专用网络结构,转向了通用网络结构。现在基本上已看不到建立在专用网络上的DCS了。
      网络采用高的通讯速率,为DCS的发展拓展了更大的空间,在应用范围上也不断扩大,已发展到不仅仅是传统意义上的计算机,包括各种各样的仪器、仪表、设备,都可以联网,在微控制器上就可集成网络控制器。
      现在的网络按照其通讯的间隔和范围可分为局域网(LAN)和广域网(WAN)两种。局域网的通讯间隔一般在2km以内,所用的通讯介质主要是同轴电缆或双绞线。近年来随着光纤通讯技术的发展,基于光纤的传输介质应用得越来越多。由于光纤通讯不受电磁干扰,可靠性高,因此在产业环境中得到了广泛的应用。另外,无线通讯具有很大的灵活性,免往了组网过程中的布线工作,其应用也较广。而广域网的通讯间隔可以说没有什么限制,其通讯介质也很多,从电话电缆到卫星通讯都可以使用。
      除了局域网和广域网这两种网络外,近年来还有一种通讯间隔介于二者之间的“城域网”得到了很大的发展。这种网络的用途相当广泛,特别是几十公里范围之内。很多生产过程都需要有这种范围的通讯能力,如城市的供水、供热、煤气、交通等。城域网的主要通讯介质是电话线和无线电。
      2.3 软件技术的发展与进步
      软件在DCS中有着很重要的作用,几乎所有的DCS功能都要靠软件实现。在PC平台上软件做得最成功确当属微软公司。其Windows软件风靡全球,上千家软件公司在Windows下开发应用软件。软件的标准界面已经形成,各厂家的软件可以方便地互通讯息、互相操纵,使得应用系统具有了强大坚实的软件基础。DCS也不例外,各DCS厂家在自己的软件中纷纷加进能与广大软件资源接口的界面,而在硬件的选择上更多的DCS厂家选用了通用的PC平台。推出这种平台的操纵员站,使得CRT的作用在DCS中越来越重要,CRT成了人机界面的主要设备,很多操纵已从过往对物理设备的实际操纵变成了对CRT的屏幕操纵,很大程度上增加了DCS的功能和灵活性。

    上一篇: DCS控制系统中的三种总线的通讯协议
    从DCS控制系统的级成结构看可以分为三大部分:带I/O部件的控制器、通讯网络和人机接口(HSI)。控制器I/O部件直接与生产过程相连,接收现场设备送来的信号;人机接口是操作人员与DCS相互交换信息的设备;通讯网络将控制器和人机接口联系起来,形成一个有机的整体。早期的DCS系统的通讯网络都是专用的,DCS有几级网络,完成不同模件之间的通讯。从目前的情况来看,DCS的最多网络级有四级,它们分别是I/O总线、现场总线、控制总线和DCS网络。   I/O总线,它把多种I/O信号送到控制器,由控制器读取...

    下一篇: Symphony分散控制系统现场控制单元HCU
    存储转发式通信协议 Symphony的控制网络(Cnet)使用了存储转发式通信协议。 在系统的网络上,没有通信指挥器,所有节点的地位是平等的,不会有主次之分,领导被领导之分。每一节点均是独立的、带有缓冲寄存器的信息转发器。每一转发器都能随时、独立地完成数据接收、数据发送、以及数据删除等功能。 自由竞争广播式通信协议 现场控制单元HCU内部的控制通道 (C.W)使用了自由竞争广播式通信协议。自由竞争广播式通信协议的一个重要标志就是在同一时间内只有一个节点在发送信息,而其他节点都在收听信息。所...

    IMASO11模拟信号输出模件 概述 IMASO11模拟信号输出模件是Symphony系统过程控制单元中的 I/O 模件。 ASO模件是过程现场设备与Symphony系统之间的模拟信号接口,输出14个彼此分立的模拟信号用于控制过程。控制器通过I/O扩展总线与其I/O模件通讯。 与其它Symphony 系统 I/O 模件相同,IMASO11由一个单一印刷电路板构成,在模件安装单元(MMU)中占一个槽位。 模件特性 IMASO11输出14路彼此分离的模拟信号。每一个输出回路都有限流装置以保护模件在短路时不被损坏。发生短路时,输出电流被限制在50mA。此外,每一路输出都被回送以保证精确操作并排除校准输出的需要。 模拟输出信号可以是:1---5VDC或4---20mA。输出信号类型将视过程控制而定,由模件上的跨接器JI-J28的组态实现。每一路都可以被单独组态成输出1---5VDC或4---20mA信号。 模件上的RAM存储器充当控制器与模拟输出通道之间的缓冲器。控制器通过I/O扩展总线为每一个输出通道将确省值写入...

    SPASI23 IMASI23模件通过NKAS01电缆分两路与NTAI06端子连接。其中P2插座可接入 1~10,10路信号,P3接入11~16,6路信号。 NTAI06端子上具有64个跳线器J1~J64,用来设置输入通道的性质。NTAI06跳线器的设置 SPASO11 IMASO11模件占模件安装单元的一个标准槽位,并通过相应的子总线与控制处理器模件IMMFP12通信,以获得输出指令,经转换后将标准模拟信号送往现场。

    NTMP01
    端子板

    PBA20000
    接口单元

    SPIIT13
    模拟量模块

    IMDSI13
    数字输入模件

    INICT12
    计算机模件

    INICT13A
    模件

    SPDSO14
    数字输出子模件