DCS系统选型的主要注意项目.docx

现在DCS系统设计理念为高可靠性、高可用性相结合设计理念；全部关键组件全部支持冗余设计。总体设计在硬件结构上分为两个流派：集中板卡式和分散模块式。集中板卡式：机柜先安装机笼，I/O模块以板卡形式插在机笼中。这种安装方法优先是抗震性能好，电路板上方便部署多器件，所以通道数量较多。缺点是受机笼限制，安装不灵活。因另外需要控制部署接线端子，占用空间大，只能证实部署卡件，反面部署接线端子板，需要采取专门机柜。分散模块式：机柜无需机笼，I/O模块以独立模块形式安装在机柜中。这个安装方法优点是灵活方便能够在任意空间安装、占用空间小、散热良好。缺点抗震性能低于板卡式。因模块体积小，通道数量会受限制。伴随电子元器件发展，小型化、智能化是发展趋势，模块式越来越显示出灵活多变优势，板卡式初步淘汰。所以YOKOGAWA和Honeywell全部完成了由大板卡式向小模块式转变， ABB全系列。EmersonDeltaV、InvensysI/A、Ovation等全部采取分散模块结构。中国和利时最新K系列和浙江中控ECS700全部采取分散模块式结构。总体设计在软件结构上分为两个流派：对等网结构（P/P）和用户/服务器C/S结构。对等网结构（P/P）：控制站同操作员站地位对等，通讯方法点对点。优点是通讯不依靠于通讯节点，危险相对分散。缺点是一个域系统规模受限制。数据处理量也受限制。难以适合核电等超大规模系统结构。用户/服务器C/S结构：控制器和操作站通讯经过服务器节点通讯。优点是利于做大型和超大型系统，缺点是通讯依靠于冗余服务器节点，对服务器可靠性要求高。鉴于对等网结构（P/P）和用户/服务器C/S结构各有优势，最优异系统是能够混合结构，两种通讯结构全部支持，而且能够同时存在于一套系统中。如HoneywellPKS-C300系列和和利时MACS-K系列。既能够危险分散又可适应大规模。硬件选型1）控制器控制器选择考虑原因关键有响应周期、带模块能力和扩展能力。运算周期决定用于装置需要反应速度；带模块能力决定了系统规模；扩展能力决定了接第三方仪表能力。2）响应周期控制器响应周期包含采样周期和运算周期两部分，采样周期取决于I/O模块采样速度和I/O模块总线速度。运算周期取决于CPU运算速度。优异控制器通常含有可设置不一样运算周期以满足控制需要。通常为100ms、200ms、500ms、1000ms、ms可选，不一样控制对象能够用不一样运算周期，是衡量控制器技术是否优异关键标志。选择控制器运算速度不能只看CPU主频，因为不一样系统构架，系统运算效率差异较大。现在关键有基于PowerPC、ARM和X86构架，其中X86构架CPU即使主频很高，但运算效率不一定很高，一样构架下采取RISC（Reduced Instruction-Set Computer）指令相比CISC（complex instruction set computer）指令效率更高。对于常规控制回路要求从IO经过PID运算，至AO输出累积响应周期最快可达成250ms、500ms和1000ms三档，同时控制器应含有快速控制能力，从IO经过PID运算，至AO输出累积响应周期最快可达成120ms。3）带模块能力带模块能力决定了单控制站系统规模，大多数DCS系统全部在60120个范围，市面上单模块点数在模拟量8/16点，开关量16/32点。单控制站容量在600-1200点左右。带模块能力和控制响应速度是一对矛盾，当响应时间短控制场所，需要对应降低带模块数量。尤其要限制快速控制回路模块数量。通常以控制器负荷小于50%为最终要求。4）扩展能力需要现场总线仪表接入场所，要求控制器含有第三方总线仪表接入能力，现在是DP总线、PA总线、Modbus总线和FF总线较为普遍。这就要求控制器含有下挂网关总线模块能力。控制器冗余是DCS选型必需要求，冗余切换时间通常要求小于2ms，这对于现代电子技术来说很轻易，诊疗电路快速和正确性，决定了切换时间。但软件无扰切换直接影响现场设备，所以软件输出数据无扰切换是才是衡量控制器冗余技术关键技术。通常要求小于最小控制周期。所以两个控制器数据同时技术是确保无扰切换关键。DCS控制器冗余原理见图4-1-2。图4-1-2 DCS控制器冗余原理图5）通讯网络控制器和人机界面操作站之间通讯网络通常由以太网组成冗余网络。通讯速率为100/1000Mbps.控制站和内部I/O模块之间网络通常有自定义冗余总线组成，通讯速率为500Kbps到10Mbps不等。控制器和I/O模块总线分为并行总线和串行总线两种，因串行总线在抗干扰，可扩展性要愈加好，已经形成发展大趋势。网络含有物理层和协议层双重隔离，通讯负荷要求不超出40%。6）电源设计DCS电源交流为AC220V为主，电源输入稳定度要求小于10%，频率输入稳定度小于2%。DC24V电压输出波动小于5%，DC48V电压输出波动小于10%。DCS实际分为模拟部分电源和数字部分电源两大部分供电，要求系统自带电源将模拟部分和数字部分隔离供电。电源也要求冗余供电，且要求只剩单个电源时，负载不超出额定功率70%。现场仪表设备供电要求和DCS系统隔离供电。电源要求有自保护功效，局部误接入高压或外部设备短路，不会造成控制站电源系统故障，系统电源模块故障次数小于2次/年。7）IO模块选型IO设计从开始推出时单点卡，到后期多点卡，高密度卡；系统模块采取背板插装方法，到现在逐步采取独立模块设计；系统整体设计可靠性提升，且最大便利提供用户易维护性。任意模块故障不影响其它模块，任意通道故障不影响其它通道，系统中I/O模块故障次数小于4次/年。模块类型应该满足现在国际上通用信号采样标准：AI、AO、DI、DO、PI（脉冲输入）、SOE、RTD、TC等。I/O卡配置标准:控制用AI/AO卡应1：1冗余配置。联锁用DI/DO卡应1：1冗余配置。监测用AI/TC/RTD通道数不超出32点。监测用脉冲通道数不超出16点。DI点通道数不超出16点，来自电气DI必需采取继电器隔离。DO点联锁时卡件通道数不超出16点，必需采取继电器隔离。危险气体监测卡需要单独设置卡件。系统通常预留20%备用卡件，同时预留15%扩展空间。全部I/O卡基于恶劣工业环境设计，符合EMC设计规范，应带电磁隔离或光电隔离，抗干扰性符合工业环境下国际标准IEC61000。有防腐需要时系统防腐蚀能力满足ISA S71.04标准G3等级要求。I/O模块需要有断线、短路、超量程、通讯等报警功效。需要防爆场所，需要选配安全栅或带本安防爆卡件。控制I/O模块要求冗余配置，常见是AI冗余有两种原理，以Honeywell C300硬件为代表采取并联冗余机制，原理是将电流信号经过同一个250欧姆电阻，转换为电压信号，再并联两个测电压模块同时测量，同时送控制器，由控制器挑选品质好模块运算。并联式冗余示意图图4-1-3。图4-1-3 I/O模块并联式冗余示意图以Yokogawa CS3000、Emerson DeltaV为代表采取切换式冗余机制，原理是冗余模块内藏切换开关，只有主模块开关才接通，备用模块开关不接通。切换式冗余示意图以下：图4-1-4 I/O模块切换式冗余示意图并联式冗余和切换式冗余各有利弊：并联式冗余优点是不存在切换后重新建立稳态时间，响应速度快，缺点是共用一个取样电阻，危险集中，一旦该电阻损坏，两个模块全部不起作用了。另外取样电阻同模块分离，精度和稳定性控制难度大。切换式冗余优点是危险分散，没有共用器件。取样在模块内部一体化，精度和稳定性高。缺点是切换后需要重新建立稳态工作环境，时间比并联式长。现场总线通讯模块关键包含：1）Serial Card串行通讯模块，关键用于Modbus等协议通讯。2）Foundation FieldBus Card FF总线通讯模块。3）ProfiBusDP/PA Card ，用于DP/PA总线通讯。4）Wireless Communication Card，用于无线仪表通讯。5）DeviceNet和AS-Interface，工厂自动化主流现场总线。现场总线模块需要同第三方总线设备进行兼容性测试经过后，才能选型具体总线仪表，不然将有通讯不兼容风险。同传统仪表不一样，总线仪表在使用过程中，和通讯模块配合升级将难以避免。所以维护工作需要较高水平。软件选型1）组态管理软件组态软件用来配置、布署和管理整个DCS系统，负担组态步骤中关键组态过程。离线组态软件包含工程总控、图形编辑、控制逻辑组态软件、报表组态软件等，和完成工程编译、下装、项目管理、工程管理等功效。组态管理软件应该符合IEC61131-3控制算法编程软件，支持CFC、SFC、LD、ST组态语言，支持用户自定义各类功效块和脚本语言。任何组态修改均可在线完成，包含对控制算法、硬件配置增加、删除、修改，系统数据库、图形组态、系统配置等各项组态内容，全部能够做到现场不停车无扰下装和修改，大大提升系统可维护性和可用性。组态软件需关注控制功效完善程度，如报警诊疗、自定义、自整定、优化算法、复杂算法、行业应用包等。2）在线运行软件监控系统面向操作者，以模拟步骤图、棒状图、数值表、趋势曲线、报表、按钮、对话框等方法为用户提供数据，实施操作指令并发送至现场控制站。监控系统面向操作者，以模拟步骤图、棒状图、数值表、趋势曲线、报表、按钮、对话框等方法为用户提供数据，实施操作指令并发送至现场控制站。在线许可软件需关注支持系统规模、人机界面优化性、报警诊疗完善、操作质量下发指令实时性、画面响应时间、历史存放数量和时间等参数。经过监控系统，操作者和工程师能够完成：监控自动控制过程，实时人工干预，自动打印或按需求打印工作报表等任何所需资料，还能够经过厂级监控MIS等网络将画面和数据提供给管理者。能够完成实时数据采集、动态数据显示、过程自动控制、次序控制、高级控制、报警和日志检测、监视、操作，能够对数据进行统计、统计、显示、打印等处理。3）控制器软件用来完成现场信号采集、工程单位变换、控制和联锁控制算法、控制输出、经过系统网络将数据和诊疗结果传送到操作员站等功效。4）辅助软件用于完成DCS系统部分辅助组态和系统查询、管理功效，包含：OPC通讯软件、历史离线查询工具、系统升级工具、软件版本管理工具、系统仿真软件、授权管理工具等。