DCS控制系统知识讲座.ppt
氯碱仪表：赵安亮,DCS控制系统,前 言,公司领导对仪表专业的关心与重视大家互相交流与知识共享的平台公司各厂DCS控制系统品牌各异我们仪表专业技术力量的现状以DeltaV系统为例讲解DCS控制系统,氯碱厂所用DCS控制系统情况 PVC装置：Emerson DeltaV系统（6对控制器，型号MD+）烧碱装置：横河CENTUM VP系统（3对控制器，型号AFV10D）VCM装置：横河CENTUM VP系统（3对控制器，AFV10D）乙炔装置：浙大中控 JX-300XP系统（6对控制器，XP243X）真空制盐：横河CENTUM VP系统（1对控制器，AFV10D）矿部：西门子PCS7系统（1对控制器，S7400）由上可见仅一个氯碱厂DCS控制系统就有4个品牌，6套系统，此外PVC装置还有一套HIMAESD系统，虽然控制系统软硬件都具有一定的相通性，但毕竟各个品牌也有自己独有的风格，给我们的后期维护带来了新的挑战，一个DCS工程师具备熟息几套系统软件是很具有挑战性的，当然对于我们仪表工而言，只要熟息每套系统柜内的点的查找方法即可，这样以便于维护过程中信号问题的查找，当然要对每一套系统都熟息也是需要花费很多精力的。,目录,1-1 概念 1-2 DeltaV系统的架构及硬件组成1-3 DeltaV系统软件组态的注意事项,1-1 概念,DCS控制系统的定义：什么是DCS？DCS其字面意思是Distributed Control System 的缩写，即分布式控制系统，行业内也称之为集散控制系统，基于集中管理分散控制的理念发展而来的，是计算机技术、控制技术、通讯技术发展到一定阶段的产物。,1-2 DeltaV系统的架构及硬件组成,6,DeltaV系统的基本结构概括起来可分为集中管理部分、分散控制监控部分和通讯部分三大部分。集中管理部分：工程师站、操作站、各类应用站 分散监控部分：控制器、供电模块、各类I/O卡件、安全栅、隔离器、继电器、端子排等。通讯部分：交换机、以太网线及光缆。,集中管理部分：工程师站：工程师站可用于DCS 的组态逻辑，内部联锁，顺序控制和通用控制功能，流程图，历史记录和报表等，同时还可以完成操作员站的功能，如访问动态图形显示，操作员面板，报警，历史数据，趋势图，工厂报表等。由工程师站功能转换到操作员站功能是通过用户名和密码完成的。操作员站：每个操作站至少可以完成以下功能：选择画面，选择控制方式(MAN/AUTO/CAS)，设定值/输出值的升/降(用光标或数字键)，顺序起动/停止，选择报警组，报警确认/复位，打印屏幕，选择趋势记录和报表。可对常规控制的参数进行显示和修改，并能进行BATCH 操作、报警记录访问、历史趋势访问。操作站配置为站点对等形式，任何一台操作站故障不影响其它操作站操作和记录显示等，每台操作站均可独立监控所有回路，每个操作站均有历史记录或另设历史站，操作站之间具有相互备用功能。,应用站：OPC历史服务器：配置 OPC 实时数据接口，企业所需的过程实时数据通过OPC 服务器上传到工厂管理网；可作为全装置的历史服务器，用于集中存储全装置的历史数据。AMS站：安装相应的资产管理软件，用于对现场智能设备的远程诊断及维护，AMS 站做为DeltaV 系统的一个节点直接从控制网上读取HART 智能仪表信息。采集HART设备的前提是现场仪表、安全栅、I/O卡件均要求是支持HART的智能设备。批量服务器：配置批量控制软件，负责批量应用的管理和调度。,思考：1、新增加一台操作员站，买一台同样型号的电脑安装上就可以吗？2、我们应用的双屏操作员站除需要双显卡配置外还需要什么东西吗？3、AMS站的具体作用？,分散监控部分：控制器：DeltaV系统配置的是MD Plus 控制器（冗余配置），该控制器的带点能力是760个硬点，最佳带点能力是500点左右，因为PVC装置应用批量控制，有很多的软点，最佳带硬点的能力在400点左右。控制器用以实现全部的监测、调节和顺序控制功能。包括：温度、压力、流量、液位的检测、PID 调节和各种复杂调节，顺序控制，批量控制，各种设备运行状态的监视及联锁保护等功能。,I/O卡件 I/O卡件主要包括AI、AO、DI、DO、RTD、TC、ModeBus485通讯卡、Profibus DP通讯卡等。其中AI、AO、DI、DO卡件的对外供电不是通过卡件本身来完成的，而是通过底板来完成的，且通道与通道间都是经过光电隔离的（目的是一个通道烧坏或故障，不至于影响其他通道的正常工作），各种品牌的DCS其各类卡件的通道数是不同的（举横河CENTUMVP、EMERSON DeltaV、中控JX-300XP为例），在购买DCS卡件时，一定要要求其通道间是相互隔离的，否则供应方会因为价格战，而不选择单通道隔离。,AI卡件即模拟量输入卡件，用于接收来自现场仪表420mA的标准信号，在AI卡件中完成A/D转换。根据工艺的具体要求，重要的AI信号或参与控制的AI信号，要选用冗余配置的卡件。根据现场仪表需不需要供电来选择AI-2W或AI-4W卡件，冗余卡件需要在底板上进行跳线，其缺陷是必须是四个信号一起跳线。对于现场仪表而言，我们习惯性的认为现场四线制仪表不需要回路供电，两线制仪表需要回路供电，根据此来选择AI-2W或AI-4W卡件或冗余卡件跳不跳线。同样，即使是两线制仪表，如果是本安仪表，其就不需要卡件底板对其进行供电，而是由安全栅对其进行供电，这样卡件就要用AI-4W卡件。,至于现场仪表输出的420mA模拟量信号进AI件前是加隔离器、安全栅还是带保险的端子是根据现场仪表而定的。如果现场仪表在防爆区域且选择的是本安仪表，我们就要选择增加安全栅，因为安全栅是本安防爆系统中不可或缺的一部分。如果现场仪表在防爆区域且是两线制的隔爆仪表，或现场仪表不在防爆区域选择的非防爆仪表，此时就可以加带保险的端子进系统，目的是防止现场动焊等强电流串入烧坏卡件。如果现场仪表在防爆区域，且是220VAC供电的四线制隔爆仪表或是电机的电流信号，均要加隔离器进行隔离，目的防止强电流串入烧坏卡件。,知识点分享：（1）科隆的超声波流量计（一体防爆型），220VAC供电，可其信号回路需要24VDC驱动才能对外输出420mA标准信号，若将其接到AI-4W卡件，DCS上显示的就是断落状态。（2）涡街流量计直接由卡件底板供电不能正常工作（原因至今未能查清），更换安全栅供电即能正常工作，涉及仪表的门槛电压问题，如果仪表的驱动电压不能达到其门槛电压，其不能正常工作。这也是设计院一般不选择24VDC供电的四线制仪表的原因之一。,（3）安全栅和隔离器作用的区别是什么？安全栅是防止安全区域的能量串入危险区域而爆炸同时也能防止现场的强电流串入烧坏卡件，隔离器的作用是防止现场的强电流串入而烧坏卡件。（4）现场四线制智能仪表（HART）所用的隔离器是专用的。（如用MTL4641的隔离器AMS就不能采集到HART信号，如用MTL4641A的隔离器就能够采集到HART信号）。,思考：（1）我们在现场维护的过程中，本安仪表和隔爆仪表是否可以互换？（2）大家可以考虑一下第一条中的超声波流量计用MTL4641是否能采集到HART信号？,AO卡件即模拟量输出卡件，在AO卡件中完成D/A转换，主要是用于输出420mA的标准信号至阀门定位器或变频器等，用于调节阀门的开度或变频器的频率等。因为AO信号都是参与控制的，一般我们都是选用冗余配置的卡件。在防爆区，如果现场的阀门定位器用的是隔爆型，AO信号输出直接经带保险的端子进定位器即可。如果现场的阀门定位器用的是本安型，AO信号输出要经安全栅进阀门定位器。如果输出的AO信号进变频器，就必须增加隔离器，以防强电流串入。ESD系统中有没有AO卡件？,知识共享：1、电动调节阀有阀位反馈属于其标准配置。2、气动调节阀国内一般不选择具有阀位反馈功能的阀门定位器，若有特殊需要，可以考虑选择具有阀位反馈功能的定位器。阀位反馈信号是一个AI信号，在定位器上选择该功能需要增加成本，若果该信号进系统，需要增加线路和系统通道成本。,DI卡件即数字量输入卡件，用于接收来自现场的离散量信号（包括干接点信号或NAMUR信号）（1）来自现场的两线制或四线制（24VDC）温度开关、料位开关、流量开关、压力开关、干接点式行程开关等的开关量信号直接经带保险的端子进卡件即可。（2）来自现场四线制仪表（220VAC供电），如音叉开关、射频导纳开关等的开关量信号要经隔离器或继电器后进卡件，目的防止大电流的串入。（3）来自电气设备的运行信号、故障信号等开关量信号经继电器隔离后进卡件，继电器的作用是抗干扰和防止电气设备强电流的串入烧坏卡件。（PVC一线调试过程中就出现过220V强电串入系统的情况）,（4）现场的NAMUR开关（接近式感应开关），必须要用安全栅，用安全栅的目的有两个，一个是供电（89VDC），一个是防爆用。若NAMUR开关在现场所处防爆区域，行业内一般都是做成本安型，和安全栅及本安线缆一起构成本安防爆系统。因为即使做成隔爆型的还是要加安全栅进行供电。知识分享：在DeltaV系统中开阀阀开不到位回讯是未定义；关阀阀关不到位回讯是未定义；开关回讯都回来，此时阀门仍然是未定义。工艺人员开关阀门的时候，自开回讯状态到未定义状态，或自关回讯到未定义状态，此时一般都是回讯开关出现了故障，也不排除阀门被卡死的情况。如果给过开或关的指令，阀门的回讯状态仍然不变，一般是电磁阀或气路的故障。,大家可以考虑一个问题，如果一个NAMUR开关故障，可否用一个干接点开关替代？如果一个干接点开关故障，可否用一个NAMUR开关直接替代？,DO卡件即数字量输出卡件，输出离散量信号，用于驱动电磁阀的开关或电机的启停等。DO卡件的通道全部需要接继电器，继电器的作用是抗干扰、隔离、提高驱动能力。至于有的电机启停信号，启动信号有一个继电器，停止信号有一个继电器，有的是启动和停止共用一个继电器，这个是根据电气MCC柜提供的触点来决定的，在DCS采购之前，电气已经把条件提出，不是我们仪表随便决定的。脉冲信号启停电机一般用双继电器，持续高、低电平信号启停电机一般用单继电器；脉冲信号启停电机，电机的MCC是带自锁回路的；持续高、低电平信号启停电机，电机的MCC是不带自锁回路的。,RTD卡件，该卡件主要接收的是Pt100热电阻信号，即Pt100热电阻信号不经过温变直接经该卡件进控制器。直接经RTD卡件进系统的温度信号一般只用于工艺温度监测，不用于温度控制回路，原因是其存在一定的滞后性。温变式安全栅可以把Pt100热电阻信号转换成420mA的标准信号，其就是一个温度变送器，我们在购买温变式安全栅的时候一定要标注清楚所需的量程范围。因为温变式安全栅量程范围组态需要专用的信号线缆和组态软件。经现场一体化温变和温变式安全栅转换成420mA标准信号以后要经过AI卡件进控制器。,ModeBus485通讯卡、Profibus DP通讯卡：ModeBus485通讯卡、Profibus DP通讯卡都是DCS与第三方子系统通讯的接口。一般情况下在DCS控制系统和第三方子系统技术附件签订的时候，我们就要给其约束好是采用ModeBus485通讯卡还是采用Profibus DP通讯卡，否则会给后续的工作造成很多的麻烦。ModeBus485通讯的通用性要比Profibus DP好，但Profibus DP通讯要比ModeBus485快的多。一般Profibus DP通讯多用于西门子主系统和子系统间的通讯。,DCS控制系统与第三方子系统间的通讯需要设置的项目：在两个系统通讯之前第三方子系统必须将其需要通讯的地址码交给DCS工程师以便其进行相应的地址码设置。通讯地址，DCS控制系统与子系统的通讯地址设置要一致（031）。设置双工（一般四根线）/半双工（一般两根线），这个一般是根据子系统的相应的要求。设置主/从站，当然是DCS系统是主站，子系统是从站。要注意接线不要接反，如果接线接反会出现通讯断路状态，当然不同的系统可能会出现不同的现象。,提醒：1、系统间通讯的点一般都是只做监视，不作为控制用。2、系统与系统间涉及联锁或控制的点最好用硬接线去实现。3、原则上联锁是不跨控制器进行组态的。,知识共享 经过本项目的验证，下列品牌的产品还是值得信赖的：安全栅、隔离器、温变：MTL or P+F 220VAC中间继电器：欧姆龙、和泉 220VDC 10A继电器：图尔克 端子：魏德米勒、凤凰 电源：凤凰、西门子、魏德米勒 空开：西门子、施耐德、ABB,通讯部分：DeltaV系统的控制网络可以是冗余的或单网，下图是典型的冗余控制网络。在 DeltaV 系统中，控制网络采用的设备包括交换机、以太网线及光缆。DeltaV 系统的节点包括工作站和控制器，各节点到交换机的距离小于100m 时，用以太网线连接各节点到交换机上，不需要增加任何额外的中间设备；各节点到交换机的距离大于100m时，需要用光缆进行扩展。DeltaV 系统的控制网络考虑到网络的安全性，往往采用冗余的方式，并建立两条完全独立的控制网络，即主、副控制网络。主、副控制网络中的交换机、以太网线及工作站和控制器的网络接口也完全是独立的。,每个DeltaV 控制器都有主副2个网络接口，在采用冗余控制器的配置时，每对控制器会有2个网络接口连接到主交换机上，另2个网络接口连接到副交换机上。DeltaV系统的各工作站都配有3块以上的网卡，其中2块用于建立控制网络，另1块用于备用或连接其它系统如工厂网络等。DeltaV系统的控制网络采用TCP/IP的通讯协议，系统自动分配各节点的IP地址。,1-3 DeltaV系统软件组态的注意事项,DeltaV系统的软件组态主要分为两个大部分，即流程图画面组态和底层数据库组态两大部分。从整体的组态思路上可以自下往上分为三大块：建通道、建模块、画流程图画面上的点，而后再进行逐层链接。流程图画面的组态，要充分征求工艺人员的意见，要根据工艺的要求进行流程图画面的组态，包括画面底色的选择、设备形状的确认、工艺管道颜色的确认、报警颜色的确认等等。,流程图画面可以在任意一台操作员站上进行组态和修改，但一定要将修改后的画面及时上传至工程师站，否则，在工程师站进行流程图画面修改后，下装的过程会中将在操作员站修改的流程图画面覆盖。流程图可以通过工程师站对每一个子站进行下装，也可以将存放流程图的文件夹拷贝到各子站的指定路径下。,底层数据库的组态主要包括，建通道、建模块（单点监控块、PID控制模块、复杂控制模块等）、实现联锁逻辑组态、顺控程序组态等等。注在DeltaV系统中通道的位号与其对应模块的位号不能完全相同，否则系统不允许你进行组态，会出现报错。为便于生产过程中的维护，开关量的报警组态过程中最好统一设置成断开报警，即0报警。这样设置对于参与联锁的信号是有弊端的，就是如果是信号线开路所致的误报可能直接导致联锁。,在进行模拟量监控模块的组态过程中要严格的按照数据监控表所提供的参数进行组态，例如量程范围、单位等。在进行PID控制模块的组态过程中特别需要提醒的两点是，控制器的正反作用的设置，和AO输出信号对应的调节阀是FC阀还是FO阀。这两点在数据监控表中也是有的。如果是FO的阀需要在AO通道组态时取反，否则阀门的开度和你发出的指令是相反的，当然这个取反也可以在现场阀门定位器上完成。根据下图对该问题进行详细的举例讲解。,系统下装注意事项：在DeltaV系统中，流程图画面、BE站、单点组态均可以在生产过程中进行下装，但绝对禁止在生产过程中对整个控制器进行下装，因为这样引起跳车的几率是非常高的。知识分享：在生产过程中，对于挂联锁的模拟量输入信号尽量在摘除联锁之前不要用手操器去挂，这样跳车的几率也是非常之高的。,AO通道组态注意事项：在对AO通道进行组态的过程中，一定要确认现场设备是不是智能设备（HART），若不是智能设备，在组态AO通道的时候一定不能选择HART功能，否则其通道一直是初始手动状态，即AO回路处于断路状态。在对AO通道进行组态的过程中，如果现场设备是智能设备（HART），在组态AO通道的时候不选择HART功能，AMS系统是无法搜索到该设备的。,还有一种现象可能是DeltaV系统本身的缺陷问题：现场仪表是智能仪表（HART），通道组态的过程中所选择的也是HART功能，AMS也能搜索到该表，但其就会经常性出现初始手动的状态，使其恢复正常的方法有两种，一种是断电重启后恢复正常，但该方法不是长久之计，过一段时间之后还会出现类似的情况。另一种方法就是在AO块的xd-Scale中将“%”改为“空格”确认下装即可。当然也有信号线开路和阀门定位器故障导致的初始手动状态。,Pt100热电阻温度信号的组态：Pt100热电阻经RTD卡件直接进系统的情况，只要能把工艺要求的量程下限和上限包含进去，在DCS设置量程范围时可以在-200850之间任意设置。Pt100热电阻经现场温变或温变式安全栅进系统的情况，现场温变或温变式安全栅设置的量程范围一定要和数据监控表中的量程范围一致。现场温变的量程范围也可以在-200850任意设置，在买温变的备件时，一定要注明需要HART功能，可以不提供量程范围。,DeltaV系统还有一个大的缺点是，通道组态仪表位号做过修改以后，控制块（controlmodule）关联的通道对应的仪表位号不会自动更新，必须要进行再次关联、确认并下装后才可以生效。DeltaV系统还有一个优点就是底层数据库组态修改对控制器下装后，不需要再对每一台操作员站或服务器进行更新下装，直接就可以读取更新过的参数。一定要做好DCS系统数据库的备份工作，Deltav系统就有定时自动备份的功能，过一段时间对其过期的备份进行清理即可。为了安全起见，数据库的备份最好备在几个不同的机器上。如果系统没有自动备份功能，每次对底层的数据库进行过修改之后，就应该进行备份，并标明备份的日期，以便维护的工程师知道哪个是最新的数据库备份。,关于DCS控制系统三级管理权限的设置：为便于DCS控制系统的管理和从工艺安全角度出发，最好将DCS控制系统的登录权限分成三级，即仪表工程师权限、值班长权限、操作员权限。仪表工程师权限：是三级权限中最高权限，在该权限下可以完成DCS控制系统所有底层组态的修改和所有操作功能的实现。操作员权限：可以完成常规的操作，如：与联锁无关的阀门的开关、与联锁无关的泵的启停（开泵前需由现场操作人员确认是否能够启泵）、自控阀及泵的手自动切换、确认报警、流程图的切换、修改设定值、查看历史趋势、查看历史事件等，但不允许操作员修改报警联锁值、修改PID参数、打仿真、摘除联锁。值班长权限：除具有操作员所有的权限之外，具有修改报警值、调节PID参数、打仿真、摘除联锁(在办好相关手续的前提下)的权限，但不能具有到底层数据库修改组态的权限。,操作分区的设置：从工艺操作安全角度考虑最好是根据操作员所负责的工序进行操作分区的设置，即在操作员负责操作的机器上只能操作其所负责的工序，其它不负责的工序只能看不能操作。,氯碱厂几个非仪表本身故障原因造成工艺不能正常生产运行的典型案例分享：,一、电解槽进口碱液流量控制调节阀开度90%多还不能达到50.8m3/h的正常流量。分析：1、由于当时开车四台旭化成的电解槽进口碱液流量控制调节阀都出现同样的问题，开始我们怀疑是供应商的问题，可能是阀门选型的时候出了问题，可厂家确认是严格按照数据表数据进行的选型，没有错误。2、阀前压力、阀后压力、阀前后压差是计算阀门流量系数的关键数据，数据表中阀前压力是150KPa，正常阀前后压差是100KPa，根据工艺条件，阀前压力是由碱液高位槽形成的静压，基本是一定值，所以阀后压力应该是50KPa，可现场压力表检测的阀后压力均是100KPa。,由于阀后压力比实际的设计压力高出50KPa，所以阀门在同样开度的时候介质的流通量减少，因为我们这个阀门是一个流量调节阀，在自动控制模式下，流量计检测到的值越低，其就越要开大阀门开度。3、因为我们烧碱介质所选择的调节阀都是波纹管密封调节阀，波纹管的材质是PTFE，为了保证波纹管的使用寿命，该类调节阀是不允许长时间在开度85%以上工作的，金属波纹管密封调节阀的要求更高。4、最终的处理方法是烧碱车间抬高碱液高位槽的高度，以提高阀前的静压，从而保证正常100KPa的阀前后压差。,二、乙炔发生器用于检测进水流量的电磁流量计输出信号偏弱，导致的发生器水过量的情况，即DCS显示值小，实际的进水量多的情况。分析：（1）出现问题的几台发生器都是同样的现象，开始我们就怀疑不是仪表本身的问题，因为同时出现几块仪表一样故障的几率是很小的。（2）我们逐个进行仪表的现场简单零点校验，结果都没有问题。（3）核查仪表的量程范围和DCS控制面板的量程范围一致。（4）核查流量调节阀的开度变化和仪表检测流量值的变化是一致的。,（5）分析水样电导率很高，观察工艺取出的水样，当天氢氧化钙的浓度很大。但根据电磁流量计的特点，可以测污水、浆料等的特点，也没有考虑其会影响检测。（6）经与横河、科隆的专家咨询，由于氢氧化钙本身就具有很强的粘附性，且介质的浓度又大，其会使电极所产生的磁通量减弱，故介质流过仪表时切割磁力线形成的电势（E=BLV）减弱，进而转换为420mA的标准信号减弱。（7）工艺把进发生器的水更换为上清液后，电磁流量计工作恢复正常。知识延伸：如果工艺人员反映有DCS上显示仪表示值偏低的情况：（1）检查仪表的量程设置是否和DCS一致，通讯点还要检查子系统量程设置范围。（2）用信号发生器给信号，看DCS显示是否偏低，目的用于排除信号线破损接地的可能。（3）检查工艺状况及仪表本身状况。,三、PVC装置二线振动筛电机和一线P149电机自启的情况。分析：A、对二线振动筛电机自启的分析：（1）核查操作记录和电机启动趋势，均没有发现有电机启动的记录。（2）DCS流程图画面上也是只能看到电机运行的回讯信号，没有启动的指令信号。（3）该电机为持续高、低电平启停信号，在一次电机自启后的，我们的继电器没有亮。经过以上三点判断，该电机完全可以排除是DCS系统导致的其自启的可能。B、一线P149电机自启的分析：（1）核查操作记录和电机启动趋势，均没有发现有电机启动的记录。（2）DCS流程图画面上也是只能看到电机运行的回讯信号，没有启动的指令信号。,（3）电气反映说该电机自启后，DCS不能够将该电机停止。这则更说明了不是DCS启动的该电机，因为DCS没有发过启动该电机的指令，相当于没有把该电机自启前最后一次停电机信号复位，要想DCS停止该电机运行，必须先给一次启动信号后，再给停止信号。经过以上三点判断，该电机完全可以排除是DCS系统导致的其自启的可能。,谢 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