浅析现场总线Word文档下载推荐.docx
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Inthispaper,accessingtoconsulttheFieldbusControlSystem(FCS)andDCSandcollecttheproblemswhichareshowedinpracticalapplication.ItdescribesthetechnicalfeaturesofDCSandFCS,bycomparingthewaytostudytheimpactoftheFCSwhichhadeffectontheDCSandtheimpactoftheindustrialcontrol.ItcomestotheconclusionthatDCSmustbereplacedbytheFCS.
Keywords:
FieldbusControlSystem;
DistributedControlSystem;
Industrialcontrolsystems;
Communicationstechnology
0引言:
工业控制的发展
在我们现在的工业生产中现在已经走向了自动化,但是在我们各项技术尚未成熟的过去。
我们的工业控制经历了怎样一个过程呢?
在20世纪50年代以前,此时的工业控制称为人工控制阶段。
在这个阶段操作人员主要通过安装在生产设备的气动仪表来控制设备,使得被控对象的参数调整在预定值上。
当然这是在生产规模小得前提实现的。
这个时期仪表上的信息不能向外传递,无法与外界沟通。
因为用的气动仪表又被称为气动信号控制系统。
在20世纪50年代为模拟控制阶段。
由于生产规模的不断扩大,生产工艺的不断复杂,需要在生产中测试点必然增多,自动控制的出现是必然的。
这个时候是将所获得气压信号与电信号传输到控制室,操作人员只需在控制室中就可以监测整个流程各处的情况。
但是由于模拟信号的种种缺点,满足不了生产过程对速度和精度的需求。
于是在20世纪60年代~70年代中期,工业控制正式进入了集中数字控制阶段。
其主要特点是用数字信号代替了模拟信号。
由一台数字计算机采集数字信号之后,执行控制算法后,再通过数模转换送回给执行机构,形成了一个闭环控制系统。
但是由于但是计算机技术还尚不成熟,出现了很多问题,如脆弱性问题、计算机负荷问题、开发问题。
集中型计算机控制系统的缺陷促进了控制系统向着功能分散化方向发展。
于是便出现了过程现场控制与集中显示操作分离开来的分成计算机控制系统。
之后再经过一系列的演变便成为了集散型控制系统及DCS系统。
1对于DCS系统的定义
一、简介DCS系统
对于工业控制网络出现的DCS系统我们需要做出定性的认识,它出现于20世纪70年代中期。
集散型控制系统是一个集中与分散相结合的系统,它吸收了分散仪表控制系统和集中式计算计算机控制系统的优点,当时的微处理器、计算机数字通信等技术应用到工业领域。
从总体逻辑结构上讲,集散型控制系统是一个分支型结构,它分为过程控制级、控制管理级和生产管理级,充分体现了管理的集中性和控制的分散性,它把控制功能分散到若干台控制站,在监控操作站进行集中监视操作。
集散型控制系统由集中管理部分、分散控制监测部分和通信部分组成。
集中管理部分又可分为工程师站、操作站和管理计算机。
工程师站主要用于组态和维护,操作站则用于监视和操作,管理计算机用于全系统的信息管理和优化控制。
分散控制监测部分功能可分为控制站、监测站和现场控制站,它们用于控制和监测。
通信部分连接系统的各个部分,完成数据、指令及其他信息的传递。
系统软件是由实时多任务操作系统,数据库管理系统、数据通信软件、组态软件和各种应用软件组合而成。
集散型控制系统具有通用性强,系统组态灵活,控制功能完善,数据处理方便,显示操作集中,人机界面友好,安装简单。
规范,调试方便和运行安全可靠等特点。
它的控制范围更宽,控制功能得到加强,能够适应工业生产过程的各种需求,设备与信息的共享程度进一步提高,促进了生产自动水平和管理水平提高。
DCS与前三个阶段相比,发生了质的变化,可以说是一场革命。
二、DCS系统的优点
DCS系统是基于计算机集中控制系统而论的计算机控制系统,它是在研究计算机局域网的基础上发展起来的,是专家们借用过程控制计算机局域网的研究成果,让成为了局域网一个实时性、可靠性要求都很高的网络型控制系统,运用到了过程控制领域。
专家们这样的网络控制系统被专家们称为DCS。
专家们的初衷是这样的控制系统可以带来以下一些好处:
(1)故障分散。
这是DCS系统存在的最大理由,DCS系统需要解决集中控制系统致命的弱点“故障集中”。
DCS系统采用大量的微处理器来使得故障分散,每个微处理器承担自己小范围内的控制任务,这样个别微处理器出现故障不会影响整个系统的正常工作。
(2)缩小控制室尺寸或控制表盘的长度。
(3)使得所需要的电缆大大减少。
(4)从一定程度上减少看控制系统需要的备品备件的种类和数量。
(5)减少工艺生产的运行对仪表控制设备厂商的依赖,减少仪控人员培训所需的费用。
(6)控制系统构成的灵活性得到提高,具有组态便利和可扩展性。
(7)可以对过程实时参数和历史数据进行管理,可以计算其性嫩,计算设备的寿命。
传统的仪表控制系统是做不到这一切的。
2对于现场总线控制系统
一、现场总线控制系统简介
现场总线控制系统是出现在20世纪80年代中后期。
随着控制、计算机、通信以及模块化集成等技术的发展给予了现场总线技术支持。
它代表了工业自动化控制发展的最新阶段。
现场总线的概念是欧洲在1982年首先提出的。
之后,美洲也都投入了巨大人力、物力开展研究工作。
发展至今,有大约40几种较为流行的现场总线。
现场总线控制系统的全分布、全数字、全开放特性解决了集散型控制系统中存在的不足。
现场总线控制系统把集散控制系统中的集中与分散相结合的概念变成了新型的分布式测控系统。
作为工厂数字通信网络的基础,现场总线控制系统沟通了生产过程现场控制设备之间及其与更高的控制管理层之间的联系:
它向下深入到现场的每一台仪表、执行机构,把控制彻底下放到现场,依靠现场智能设备本身便可实现基本控制功能;
向上连接到生产管理、企业经营的方方面面,为企业提供全面的解决方案。
目前,现场总线将原来的主要用于过程控制的工业控制自动化推广到制造自动化、楼宇自动化等领域,成为新的现场智能设备互连通信网络。
在现场总线控制系统中,4~20ma模拟信号仪表将被符合现场总线标准的双向通信全数字智能仪表所代替,实现传输信号数字化,使模拟和数字混合控制系统最终转变为全数字控制系统。
二、现场总线的技术特点
1、系统的开放性。
开放系统是通信协议公开,不同厂家的设备之间能够进行连接并且能够实现信息交换,它的开发者就是希望建立统一个开放系统的工厂底层网络。
开发者希望的开放是指对所执行的标准是一致的、有公开性,能够对标准达成共识并且遵从。
开放系统就是能够和任何遵从同一标准的其它设备或系统相连。
现场总线网络系统必须是开放的,开放的系统使得用户有系统集成的权利。
用户可按自己的需求和对象把来自不同厂商的产品组成任意大小的系统。
2、互可操作性与互用性,互可操作性是指实现连接的设备间、系统间可以信息传送与沟通,实现点对点,一点对多点的数据通信。
互用性则是指不同生产厂家的性能相似的设备间可以互换且实现互用。
3、现场设备的智能化与功能自治性。
它使得传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成,仅仅依靠现场设备便可完成自动控制的基本功能,并且可随时确认设备的运行状态。
4、系统结构的高度分散性。
因为现场设备本身能够完成自动控制的基本功能,这样现场总线已构成一种全新的全分布式控制系统体系结构。
从本质上改变现有DCS集中与分散相结合的集散控制系统体系,简化了系统结构,提高了可靠性。
5、对现场环境的适应性。
工厂网络底层的现场总线是作为工作在现场设备前端,专门为现场环境工作而设计的,它可以支持双多种通信介质且具有较强的抗干扰能力,采用两线制实现了送电与通信,并且可以满足安全防爆要求等。
3对比两个系统优缺点
一、DCS系统中存在的问题
现在的DCS系统在应用中方面依旧存在以下一些问题:
(1)故障分散。
DCS系统目前还没有完全做到真正意义上的故障分散,原因之一是由于目前的器件仍然较为昂贵,因此在地域上控制系统还不做到分散(尽量接近传统的仪表控制系统)。
而且工业控制的现场条件一般是较为恶劣的,粉尘、温度、湿度对于现阶段供应商所能够提供的远程I/O卡来说仍然很难适应。
比如北仑电厂1号机少量I/O卡只能相对集中按置在现场,在调试期间就曾经因为这些I/O柜进水而影响到整个系统的正常运行。
再比如北仑电厂3号机在循泵房设置了远方I/O柜,当然是节约了一些电缆,但是需要在I/O柜上设置小空调,费用依然省不了多少。
另一个原因,控制功能设计上还不够分散,其中包括DCS系统本身设计和工程设计两方面。
如MOD-300系统,它的I/O就太集中,一旦I/O卡的故障就会影响整个系统的正常工作。
另外,机组的辅机控制是应用的可编程逻辑控制器即PLC系统来完成的,它与MOD-300系统之间应用了一个GATEWAY,而GATEWAY成为了整个控制系统的一个关键,一旦它发生故障,会影响机组的正常运行。
又如北仑电厂3号机的系统,机组的辅机控制是利用它的SCS子系统来完成的,SCS子系统中有一个MFP使用了300点左右的I/O卡,而且一块I/O卡16点又设计成对不同的控制对象,即一个被控对象需要用到好几块I/O卡。
因此,一块I/O卡故障,会影响多个控制对象的正常工作,若要检修一个控制对象,就会牵涉到好几块I/O卡。
另外,一个MFP包含了太多的被控对象,如果一块MFP卡的故障会影响很多控制回路的正常工作。
像这样设计的控制系统,必然要求卡件或者系统的可靠性很高。
(2)实时性。
很高的
实时性是过程控制对控制系统的要求。
目前的系统因为通信技术和计算机技术的限制,在实时性方面仍然需要提高,比如早期的MOD-300系统,执行一个阀门操作,从操作员按键发出指令到在显示上看到反馈信号需要十几秒的时间。
后来进行了硬件升级,使用了新一代芯片,问题才得到了解决。
有些系统因画面打开速度较慢,操作一个设备需要切换好几幅画面,这样使得在紧急情况下,操作人员会感到很不方便;
另外,通讯所消耗的时间(或者DCS系统响应所需要的时间)恶化了控制对象的特性,使得闭环控制系统在过程控制中的指标下降。
(3)组态的便捷性以及必须的权限保护。
关于系统组态,目前的DCS系统大都了采用计算机窗口技术,总体上看是方便的,但在线组态方面仍然需要研究的地方。
大部分的系统在工程师站进行组态,然后通过下载到控制子系统又或者说控制卡件中去,但是这个过程是十分耗时的,尤其在调试过程中,修改组态是经常性的事,这样就需要寻求一种方便又安全的在线组态方式。
(4)制造工艺和安装工艺。
影响DCS系统正常使用的两个重要因素是制造工艺以及安装工艺。
有些时侯也许就是因一个小小的插件质量不合格,接触不良造成重大的故障或者事故。
有些系统提供的硬件不能令人满意,提供的卡件、接插件生产得不够可靠,一些卡件的故障,有时去按一下,插一下,又或者晃几下故障就消失了。
这方面是DCS
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