计算机控制系统应用中几个问题的讨论

2014-04-02郭建文

化工自动化及仪表 2014年7期

郭建文

(甘肃银光化学工业集团有限公司仪表计量检测中心，甘肃白银 730900)

随着计算机技术与自控理论的完美结合，自控技术有了质的飞跃，DCS和PLC作为典型的代表，已经广泛地应用于工业生产装置的自控系统中，提高了工业生产的自动化水平[1～7]，使工业生产的控制手段发生了质的变化。现就计算机控制技术应用中的若干问题进行分析讨论。

1 计算机控制系统发展史①

目前在生产过程控制上用的比较多的计算机控制系统主要有DCS和PLC，如霍尼韦尔公司、横河公司、FOXBORO公司、爱默生公司、西门子公司及ABB公司等的产品。1975年霍尼韦尔公司首先推出DCS系统，发展到今天，经历了四代产品，第一代典型产品是TDC-2000，SPECTRUM及CENTUM等；第二代典型产品有TDC-3000，优点是数据通信系统的发展，缺点是通信系统各自为政，不同厂家的系统间通信存在困难；第三代典型产品有开放工业控制系统(I/A S系统)，优点是各制造厂的产品间可以实现通信进行数据交换；第四代典型产品有全厂一体化系统(TPS)、CENTUM-CS及Delta V系统等，特点是以管控一体化的形式出现，在硬件上利用了开放的工作站，在网络结构上增加了工厂信息网，主要为解决了DCS集中管理而研制。

横河公司DCS的典型产品是CS-3000，是一种开放的DCS系统，经历了uXL系列、CENTUM系列、CS-1000、CS-3000系统的发展历史。CS-1000是中小型系统，其所带检测点远小于CS-3000，只有部分功能可实现冗余。FOXBORO公司早期的DCS产品是SPECTRUM，1987年推出I/A Series系统，是世界上第一个体现开放概念的DCS系统——I/A SERIES智能自动化系列，它采用UNIX或Windows NT操作系统，能够满足不同用户的应用需求。1988年底，第一套I/A Series系统正式在中国工业现场安装并投入使用。爱默生公司的DCS早期产品有R3系统和PROVOX系统，目前其典型代表为Delta V。

PLC系统最具有代表性的是西门子公司的产品，其次是AB等公司。Siemens PLC主要有S5和S7系列，其产品在全球应用十分广泛，针对不同使用场合和控制点数规模，S7系列产品有S7-200、S7-300和S7-400。该公司推出的PCS7融合了DCS的有关功能。

国内的DCS系统诞生于20世纪80年代，但取得实质性进展则是在20世纪90年代中期，典型产品是JX-300、JX-300X、ECS-100、ECS-700及MACS等系列产品。

国内PLC的发展与国内DCS相比有较大的差距，目前在PLC方面与国外产品相比还存在一定的差距。

2 DCS和PLC

DCS和PLC是两种不同类型的控制系统，有着各自的应用领域，PLC在冶金、制造、楼宇控制及电气控制等方面应用较多，主要实现开关量的联锁及程序控制等。而DCS主要用于实现模拟量的指示、记录和PID回路调节功能，目前DCS已发展成为综合型控制系统，不但能处理模拟量，而且完全可以处理开关量，具有设备管理及系统管理等功能，同时可以和企业信息化建设融合，实现过程生产线数据的集成提取，在化工、炼油及冶金等行业方面应用较多。

随着计算机、通信和网络技术的发展，PLC虽然向DCS的功能方面有所渗透，但在硬件的结构和系统软件和实际工程控制功能的实现上，与DCS仍有较大区别，PLC主要用在联锁控制和顺序控制，在开关量的处理方面更为灵活。DCS则是一种综合性的控制系统，能满足化工控制更多、更安全的要求。

3 ESD系统

紧急停车系统ESD是一种比DCS和PLC在硬件和软件安全级别上更高的控制系统，其硬件部分一般要通过TUV六级认证。ESD按照独立设计原则要求，独立于DCS以外运行，其安全级别高于DCS。正常情况下，ESD处于静态，不需要人为干预。作为安全保护系统，凌驾于生产过程控制之上，实时在线监测装置的安全性。只有当生产装置出现紧急情况时，不需要经过DCS而直接由ESD发出保护联锁信号，对现场设备进行安全保护，避免危险扩散造成巨大损失。

ESD一般用于处理要求高的安全联锁和顺序控制，也可以处理模拟量，但成本比DCS处理要高，除非安全要求更高的模拟量才用ESD去处理。综上，ESD的主要作用是当生产线出现故障时，使生产线各部分处于安全停车位置。

在设计规范中对安全要求更高的化工装置，强制要求对有些信号的处理要采用ESD。

4 故障自诊断

目前，工业计算机控制系统都具有故障自诊断功能，都能在一定程度上实现故障的自动检测，而且随着计算机控制技术发展的日趋成熟，软件系统内设置有自诊断程序，通过内部CPU间的相互通信，实时监视着每个硬件的运行状态，当出现故障时通过相应的硬件发出声光报警信号。一般每块硬件上都有相应的运行状态指示灯，当出现故障时指示灯状态发生改变。同时系统内部在工作站上会产生相应的报警信号，提醒操作工注意，并通知系统维护人员处理故障。如果出现故障的硬件是冗余的，在系统出现硬件报警信息的同时，出现故障的硬件会自动无扰切换到另一块冗余硬件，以保证生产正常进行。

在安全要求更高的场合，复杂工艺安全联锁控制采用安全联锁系统，控制单元三重化或四重化。现以H51q系列ESD为例说明其实现过程。H51q ESD系统的控制单元采用四重化CPU，具有冗余容错、自诊断功能，且更加完善。每个中央单元有两个处理器，两个处理器用比较器以纳秒级的速度互相检测，如果两个处理器的检测结果经比较器比较后一致则数据上传，如果不一致则发出报警信号，提醒系统维护人员。当出现数据不一致的情况时，CPU在发出报警的同时会将控制权自动无扰地交给冗余中央单元，同时自动退出控制，发生故障的中央单元可在线热插拔进行更换[8]，保障生产的连续进行。软件系统设计有冗余管理和故障处理程序，当出现硬件故障时，系统显示故障点，帮助迅速更换故障硬件使系统始终处于安全状态。四重化的处理器工作方式为4-2-0，即系统完全正常时有4个CPU在工作，出现故障时两个CPU工作，系统完全瘫痪时为零。

5 系统的安全可靠性

应用于工业生产的计算机控制系统除了对工作站、控制站及输入/输出模块等硬件在制作工艺上有特殊要求之外，还需要通过相应的可靠性检测认证，以保证其运行的高可靠性。除此之外，在系统的硬件和软件配置上，要根据不同的使用场合和工艺条件，选择相应的配置。

在DCS的设计配置上，一般要求电源、控制器、通信网络冗余；针对不同的工艺，还要考虑关键的模拟量输入/出冗余；再针对某些安全要求高的场合，还要考虑关键的数字量输入/出冗余。

目前，DCS作为综合性控制系统，功能比较强大，而且目前发展也比较成熟，主要应用于综合性的高自动化场合，完成模拟量的采集，实现对工艺参数的控制调节功能，同时也处理数字量的输入/输出。PLC主要用于对开关量的处理中，实现对参数和过程的联锁控制，在顺序控制中使用较多。但在关键的生产装置上，如果对安全可靠性要求很高，对工艺参数实现联锁控制时，设计规范要求采用ESD系统。

6 采用原则与维护管理

在化工生产装置中，对于计算机控制系统的选择应本着满足工艺控制要求的前提下，选择可靠性高、具有典型代表的控制系统，不能过分追求过于先进的但尚未发展成熟的控制系统，以提高生产线控制的可靠性并降低生产成本。在实际化工生产线上是选用DCS还是PLC，应根据生产线的控制点数规模、工艺性质、安全控制要求及安全设计规范等综合考虑，决不能简单地只考虑成本。

在危险化工生产过程中，必须追求系统的高可靠性和技术的成熟性，不能过分追求先进性[9]。

随着计算机控制技术和信息化建设的发展要求，在新建生产线的方案设计时，应根据生产线控制点数的规模和性质尽量选用DCS，以便在信息化建设时实现信息数据的采集，否则后期在进行信息化建设时，现场数据和信息无法被实时提取或提取困难，形成信息孤岛，导致重复投资。因此在控制方案和控制系统的选择上应该有全局意识和发展意识。

对于关键的生产装置，按照规范要求应设定独立的ESD，与本装置的DCS实现通信，且ESD又独立于DCS运行，DCS故障时就不会影响ESD系统的正常运行。

计算机控制系统的维护管理需要注意：在控制系统选型时，作为新建项目，特别是有多个装置时，在满足工艺要求的前提下，尽量做到系统的统一，以减少备件的储备量，节约资金而且对操作人员和系统维护人员而言也便于掌握和维护管理。总结银光集团对控制系统多年的使用经验并借鉴国内企业对控制系统的使用，对控制系统每年进行点检大修是必要的，这也是保证设备预检预修和满足质量管理体系所必须的，保证控制系统始终处于安全可靠的运行状态。目前，国家对控制系统的点检大修还没有统一的标准规范，但控制系统制造厂家都有各自的点检标准。对控制系统维护管理应建立专门的维护管理队伍，以保证维护管理的规范性和连续性，同时还需建立日常的巡检维护管理制度。