试验仪表系统在DCS实现的可行性分析

李春光

（重庆川仪控制系统有限公司，重庆 400707）

随着数字化控制技术的发展，数据快速转换、高精度采集、数据记录与分析、日志上报、趋势等功能更加完善。DCS 平台可以提供多种控制、保障和监测信息，以确保工厂安全、可靠、经济地运行。在DCS 中实施KME 系统功能有助于工厂运营、维护和管理等各个部门有效地使用过程数据并简化工厂控制系统配置。

1 DCS基本配置

根据仪表控制安全分级标准，工厂DCS 分为安全级DCS 和非安全级DCS。安全级DCS 主要执行反应堆保护系统的功能，以处理设计事故。当保护参数达到或超过设定值时，触发紧急停机，启动特种安全设备等事故后缓解措施，启动三道核安全屏障（燃料涂层、一回路压力边界和安全壳），让实验反应堆安全停运。安全级别的DCS 提供全厂的自动化控制，提供正常运行条件下的监控和自动化控制能力，为操作人员提供控制方法、信息和操作指导，属于KME仪表和控制系统的关键组件。如果KME 系统的安全级别为非安全级，未明确提出抗震可用性要求，将考虑在非安全级的DCS 平台上实现KME 控制系统。一个非安全级别的DCS 根据功能分类，包含采集与控制系统、数据处理与服务系统、操作员系统、维护与诊断系统多个部分组成。不同的DCS 产品供应商有不同的平台架构。以广力核SH-N 产品为例，非安全DCS 的主要组成部分如下。

（1）采集与控制系统属于LEVEL1层，可分为控制站、通信站、LEVEL1网关、网络、配电设备；

（2）数据处理与服务系统属于DCSLEVEL2层，主要包括实时服务器、历史服务器、LEVEL2网关及相关网络系统；

（3）操作员系统属于DCSLEVEL2层，主要包括操作员站、大屏显示系统及相关网络系统；

（4）维护系统主要用于系统配置变更、系统配置管理、系统故障排除等。

2 基于DCS控制的试验仪表（KME）系统结构

试验仪表（KME）系统的试验原理主要是进行热平衡计算测试，根据一回路和二回路的热平衡得到反应堆一回路的热功率。同时，系统功能还包括计算换热器性能参数，并利用换热器进出口温度和流量确定其换热性能。系统结构包含三个功能层：现场控制层、系统服务层和监控控制层。现场控制层包括采集柜、编组柜和相关的配电设备；系统服务层包括数据处理计算机和相关的网络设备；监控层主要是控制台和网关计算机。

如图1所示，通过模拟数字输入输出模块采集试验仪表器（KME）系统的分析仪器的测量值、流量、压力、温度、阀门、电加热等参数。通过DCS 进行通信以监控现场。生成的参数显示在DCS 人机界面上，同时通过DCS 编程软件向样品预处理系统中的相关阀门发送命令以采取行动，也可以与高层交流。计算机DCS 控制的试验仪表系统可以与其他设备和主机的试验仪表（KME）系统组成一个网络系统。在该系统中，上位机功能强大，可以实时控制各个仪表设备子系统。

图1 DCS试验仪表（KME）控制系统结构图

由图1可知，DCS 作为现场设备级通信工具时，其具备通信距离远、速率高、可靠性良好和性价比高等多方面优势，通常在工业工厂控制领域获得广泛的应用。

3 试验仪表（KME）系统在DCS实现的可行性

试验仪表（KME）在DCS 实现的可行性因素有很多，像系统架构、系统冗余方案、软件配置、通信总线设计等方面的差异能够提供灵活性的选择，所以重点体现在性能方面。性能指标是否满足KME 专用仪表与控制数据采集、处理、计算的精度要求。具体可行性因素主要体现在以下几个方面。

3.1 系统内容结构

系统的输入测量点包括主给水压力、温度、流量、汽压和温度、关键工厂水/冷水热交换器流量信号，总数不得少于50个。而且，一个DCS 的测点数通常可达到数万个，测点的数量远小于DCS 测点的规模。

3.2 数据信号采集与处理

系统用于热平衡和热交换器计算的所有测量信号如下。

（1）流量、压力测量变送器，4～20 mA 直流信号，2线制；

（2）温度传感器和变送器信号，4线制Pt100铂电阻温度传感器，变送器输出4～20 mA 直流信号，2线制；

（3）RPN 核测量信号，0～10 V。系统的准确度至少应为1%，采集过程的准确度应至少为0.02%，最小采集周期应为25 ms；

（4）目前DCS 对系统精度没有要求，4～20 mA信号采集精度为0.1%，最小采集周期为20 ms。DCS性能不能满足试验仪表的高精度采集要求。考虑到精密模拟采集板的发展，可以满足相应的要求。此外，在电气车间的运行环境中，采集和输出通道间的精度漂移保证了系统精度在24个月内无需手动校准。

3.3 数据算法的实现

DCS 内置的过程系统的控制过程多为标准化控制逻辑，控制站主控制器由模块化程序完成。数据处理和计算要求很复杂，不宜部署到主控制器，以保证计算的关键指标。DCS 计算服务器采用四核处理器，其功能包括可以启用工厂状态、性能计算和安全参数计算的全局计算，还可以满足KME 计算过程的特殊定制要求。

3.4 内部时钟校准同步

DCS 对数据采集同步有特定要求，这样关键指标才能为机组的经济运行提供依据。要能够接收工厂时钟脉冲并同步内部时钟。DCS 已经有成熟的时序规则。通过在管理网络上连接工厂的外部计时源，计时服务器协调系统中剩余的服务器、操作员站、网关、控制站和其他设备。时间戳附在尽可能靠近信号源的信号上，以避免影响时间分辨率的数据传输延迟。如果是AI 信号，则可将时间戳标记在获取信号数据的CPU 上。

4 基于DCS控制的试验仪表（KME）系统运行管理建议

4.1 工厂应用DCS试验仪表（KME）控制系统的作用

（1）DCS 试验仪表（KME）控制系统可以应用于工厂生产，不断解决具体的生产问题。不仅可以减轻关联方的劳动强度，还可以减少因操作失误导致风险的发生，保障关联方的健康。自动化控制系统的应用解决了工厂生产的实际问题，可以减轻员工的劳动强度，降低实际操作的风险，切实保障人身健康、安全。

（2）工厂生产的DCS 试验仪表（KME）控制系统保证了生产设备和装置的正常运行，并且可以自动控制不受人为因素的影响，从而使生产效率得到提高。DCS 试验仪表（KME）控制系统实时监控整个工厂生产过程，及时解决生产问题，实施预警和报警，防止事故二次发生，工厂内设备的制造可以提高安全性。重点是，其集成了指挥和控制，显著优化了工厂生产控制。

4.2 DCS试验仪表（KME）控制系统的日常管理和维护

DCS 试验仪表（KME）控制系统在工厂生产中进行不间断测量，实施例行管控，对工厂生产中的设备进行控制，确保生产安全运行。尽快采取措施使设备恢复正常运行，使生产设备能够继续运行，减少对工厂生产的影响。图2显示了DCS 试验仪表KME 控制系统的主要维护与管理的内容。

图2 DCS试验仪表（KME）控制系统的主要维护管理内容

（1）DCS 试验仪表（KME）控制系统是一个动态化的运行系统，可以连续测量生产过程的常数和变量，对生产进行动态控制，保证设计产品的生产质量，是一个多种形式的系统。因此，在维护DCS 试验仪表（KME）控制系统时，有必要明确DCS 试验仪表（KME）控制系统的设计理念以及内部控制模块和外部接线的信息。

（2）DCS 试验仪表（KME）控制系统信息需要及时备份，以免丢失，也无法找到历史信息。至于硬件，则需要备份易碎部件并购买备份部件。如果在DCS试验仪表（KME）控制系统维护过程中需要更换新部件，必须及时解决，以使系统正常运行。

（3）在常规维护DCS 试验仪表（KME）控制系统时，应使用特定系统防止无关人员自由进出DCS试验仪表（KME）控制系统控制中心，避免其受到电磁场的干扰。此外，还应为DCS 实施防尘措施，避免对DCS 的造成不必要的干扰，实施精确控制，并妥善备份子目录文件。

（4）为了让DCS 试验仪表（KME）控制系统正常运行，保证其安全，及时处理故障问题，采取合理措施是DCS 的作用。①DCS 试验仪表（KME）控制系统的维护需要改进。根据DCS 试验仪表（KME）控制系统发生的故障，必须及时处理。否则，DCS将无法实现自动化控制效率。定期访问需要重点分析异常现象、解决软件错误问题以及自动化控制制造过程。②如果工厂生产的某个环节出现故障报警，则需要根据报警情况查找并解决相应的故障，以此来确保工厂系统正常运行。

4.3 强化试验仪表（KME）控制系统的运行管控

4.3.1 需要合理处理DCS控制室的要求

为了延长DCS 的使用寿命并确保其可靠性，必须在合理的工作环境中使用DCS。例如，可以将控制室的湿度合理调整到合适的状态，同时合理调整灰尘、噪声等因素，使DCS 的运行更加合理可靠。通风应该是改善室温和湿度的主要考虑因素。所有机柜必须配备冷却系统，如果机柜内部温度过高，可以发出温度报警信号。安装的控制系统必须保证操作方便，离施工现场不远，不易接近危险场所。此外，需注意应当使DCS 远离强磁场、高仪器电流、频繁振动和其他嘈杂类的位置。最后，应关闭所有线路上的所有电缆开口，以确保室内卫生和清洁。

4.3.2 合理选择DCS测试设备（KME）控制系统设备型号

必须选择最佳的DCS 测试设备（KME）控制系统才能使系统运行平稳。选择过程应考虑以下几点。

（1）要根据机器的具体工况选择适合机器的控制方式。一般来说，使用一段时间的DCS 测试仪（KME）控制系统具有一定的可靠性，也可以作为后盾使用。

（2）DCS 测试设备（KME）控制系统的所有硬件设备必须符合标准要求，满足系统运行需要，应该尽量选择可以插电播放的类型。为保证整个控制系统的正常运行，要确保控制系统的用户可以完全调用存储和操作功能。

（3）技术安装人员需要合理调整控制系统的整体结构，使网络通信能够采用冗余技术相互同步。系统控制器将进行适当的切换。此外，您可以通过防止故障问题扩大来提高系统的稳定性并使其平稳运行。

5 结束语

试验仪表（KME）系统DCS 实现具备显著的可行性，具体可从系统内容结构、数据信号采集与处理、数据算法的实现、内部时钟校准同步、软件功能的有效呈现几个方面来体现。由此可见，基于DCS 控制的试验仪表（KME）系统成为一种行之有效的工厂系统控制效果优化方法及手段。而全新控制系统，在实际运行当中，需要不断加强其运行管理工作，这样才能最大限度地避免新控制系统产生一系列的难以预测的问题。具体是从明确DCS 试验仪表（KME）控制系统的作用、做好对DCS 试验仪表（KME）控制系统的常规管理与维护、强化试验仪表（KME）控制系统的运行管控几个方面来实现。