計算機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用中幾個問題的討論

郭建文

(甘肅銀光化學(xué)工業(yè)集團(tuán)有限公司儀表計量檢測中心，甘肅 白銀 730900)

隨著計算機(jī)技術(shù)與自控理論的完美結(jié)合，自控技術(shù)有了質(zhì)的飛躍，DCS和PLC作為典型的代表，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)裝置的自控系統(tǒng)中，提高了工業(yè)生產(chǎn)的自動化水平[1～7]，使工業(yè)生產(chǎn)的控制手段發(fā)生了質(zhì)的變化。現(xiàn)就計算機(jī)控制技術(shù)應(yīng)用中的若干問題進(jìn)行分析討論。

1 計算機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)展史①

目前在生產(chǎn)過程控制上用的比較多的計算機(jī)控制系統(tǒng)主要有DCS和PLC，如霍尼韋爾公司、橫河公司、FOXBORO公司、愛默生公司、西門子公司及ABB公司等的產(chǎn)品。1975年霍尼韋爾公司首先推出DCS系統(tǒng)，發(fā)展到今天，經(jīng)歷了四代產(chǎn)品，第一代典型產(chǎn)品是TDC-2000，SPECTRUM及CENTUM等；第二代典型產(chǎn)品有TDC-3000，優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的發(fā)展，缺點(diǎn)是通信系統(tǒng)各自為政，不同廠家的系統(tǒng)間通信存在困難；第三代典型產(chǎn)品有開放工業(yè)控制系統(tǒng)(I/A S系統(tǒng))，優(yōu)點(diǎn)是各制造廠的產(chǎn)品間可以實(shí)現(xiàn)通信進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；第四代典型產(chǎn)品有全廠一體化系統(tǒng)(TPS)、CENTUM-CS及Delta V系統(tǒng)等，特點(diǎn)是以管控一體化的形式出現(xiàn)，在硬件上利用了開放的工作站，在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上增加了工廠信息網(wǎng)，主要為解決了DCS集中管理而研制。

橫河公司DCS的典型產(chǎn)品是CS-3000，是一種開放的DCS系統(tǒng)，經(jīng)歷了uXL系列、CENTUM系列、CS-1000、CS-3000系統(tǒng)的發(fā)展歷史。CS-1000是中小型系統(tǒng)，其所帶檢測點(diǎn)遠(yuǎn)小于CS-3000，只有部分功能可實(shí)現(xiàn)冗余。FOXBORO公司早期的DCS產(chǎn)品是SPECTRUM，1987年推出I/A Series系統(tǒng)，是世界上第一個體現(xiàn)開放概念的DCS系統(tǒng)——I/A SERIES智能自動化系列，它采用UNIX或Windows NT操作系統(tǒng)，能夠滿足不同用戶的應(yīng)用需求。1988年底，第一套I/A Series系統(tǒng)正式在中國工業(yè)現(xiàn)場安裝并投入使用。愛默生公司的DCS早期產(chǎn)品有R3系統(tǒng)和PROVOX系統(tǒng)，目前其典型代表為Delta V。

PLC系統(tǒng)最具有代表性的是西門子公司的產(chǎn)品，其次是AB等公司。Siemens PLC主要有S5和S7系列，其產(chǎn)品在全球應(yīng)用十分廣泛，針對不同使用場合和控制點(diǎn)數(shù)規(guī)模，S7系列產(chǎn)品有S7-200、S7-300和S7-400。該公司推出的PCS7融合了DCS的有關(guān)功能。

國內(nèi)的DCS系統(tǒng)誕生于20世紀(jì)80年代，但取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展則是在20世紀(jì)90年代中期，典型產(chǎn)品是JX-300、JX-300X、ECS-100、ECS-700及MACS等系列產(chǎn)品。

國內(nèi)PLC的發(fā)展與國內(nèi)DCS相比有較大的差距，目前在PLC方面與國外產(chǎn)品相比還存在一定的差距。

2 DCS和PLC

DCS和PLC是兩種不同類型的控制系統(tǒng)，有著各自的應(yīng)用領(lǐng)域，PLC在冶金、制造、樓宇控制及電氣控制等方面應(yīng)用較多，主要實(shí)現(xiàn)開關(guān)量的聯(lián)鎖及程序控制等。而DCS主要用于實(shí)現(xiàn)模擬量的指示、記錄和PID回路調(diào)節(jié)功能，目前DCS已發(fā)展成為綜合型控制系統(tǒng)，不但能處理模擬量，而且完全可以處理開關(guān)量，具有設(shè)備管理及系統(tǒng)管理等功能，同時可以和企業(yè)信息化建設(shè)融合，實(shí)現(xiàn)過程生產(chǎn)線數(shù)據(jù)的集成提取，在化工、煉油及冶金等行業(yè)方面應(yīng)用較多。

隨著計算機(jī)、通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，PLC雖然向DCS的功能方面有所滲透，但在硬件的結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)軟件和實(shí)際工程控制功能的實(shí)現(xiàn)上，與DCS仍有較大區(qū)別，PLC主要用在聯(lián)鎖控制和順序控制，在開關(guān)量的處理方面更為靈活。DCS則是一種綜合性的控制系統(tǒng)，能滿足化工控制更多、更安全的要求。

3 ESD系統(tǒng)

緊急停車系統(tǒng)ESD是一種比DCS和PLC在硬件和軟件安全級別上更高的控制系統(tǒng)，其硬件部分一般要通過TUV六級認(rèn)證。ESD按照獨(dú)立設(shè)計原則要求，獨(dú)立于DCS以外運(yùn)行，其安全級別高于DCS。正常情況下，ESD處于靜態(tài)，不需要人為干預(yù)。作為安全保護(hù)系統(tǒng)，凌駕于生產(chǎn)過程控制之上，實(shí)時在線監(jiān)測裝置的安全性。只有當(dāng)生產(chǎn)裝置出現(xiàn)緊急情況時，不需要經(jīng)過DCS而直接由ESD發(fā)出保護(hù)聯(lián)鎖信號，對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行安全保護(hù)，避免危險擴(kuò)散造成巨大損失。

ESD一般用于處理要求高的安全聯(lián)鎖和順序控制，也可以處理模擬量，但成本比DCS處理要高，除非安全要求更高的模擬量才用ESD去處理。綜上，ESD的主要作用是當(dāng)生產(chǎn)線出現(xiàn)故障時，使生產(chǎn)線各部分處于安全停車位置。

在設(shè)計規(guī)范中對安全要求更高的化工裝置，強(qiáng)制要求對有些信號的處理要采用ESD。

4 故障自診斷

目前，工業(yè)計算機(jī)控制系統(tǒng)都具有故障自診斷功能，都能在一定程度上實(shí)現(xiàn)故障的自動檢測，而且隨著計算機(jī)控制技術(shù)發(fā)展的日趨成熟，軟件系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置有自診斷程序，通過內(nèi)部CPU間的相互通信，實(shí)時監(jiān)視著每個硬件的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)故障時通過相應(yīng)的硬件發(fā)出聲光報警信號。一般每塊硬件上都有相應(yīng)的運(yùn)行狀態(tài)指示燈，當(dāng)出現(xiàn)故障時指示燈狀態(tài)發(fā)生改變。同時系統(tǒng)內(nèi)部在工作站上會產(chǎn)生相應(yīng)的報警信號，提醒操作工注意，并通知系統(tǒng)維護(hù)人員處理故障。如果出現(xiàn)故障的硬件是冗余的，在系統(tǒng)出現(xiàn)硬件報警信息的同時，出現(xiàn)故障的硬件會自動無擾切換到另一塊冗余硬件，以保證生產(chǎn)正常進(jìn)行。

在安全要求更高的場合，復(fù)雜工藝安全聯(lián)鎖控制采用安全聯(lián)鎖系統(tǒng)，控制單元三重化或四重化?，F(xiàn)以H51q系列ESD為例說明其實(shí)現(xiàn)過程。H51q ESD系統(tǒng)的控制單元采用四重化CPU，具有冗余容錯、自診斷功能，且更加完善。每個中央單元有兩個處理器，兩個處理器用比較器以納秒級的速度互相檢測，如果兩個處理器的檢測結(jié)果經(jīng)比較器比較后一致則數(shù)據(jù)上傳，如果不一致則發(fā)出報警信號，提醒系統(tǒng)維護(hù)人員。當(dāng)出現(xiàn)數(shù)據(jù)不一致的情況時，CPU在發(fā)出報警的同時會將控制權(quán)自動無擾地交給冗余中央單元，同時自動退出控制，發(fā)生故障的中央單元可在線熱插拔進(jìn)行更換[8]，保障生產(chǎn)的連續(xù)進(jìn)行。軟件系統(tǒng)設(shè)計有冗余管理和故障處理程序，當(dāng)出現(xiàn)硬件故障時，系統(tǒng)顯示故障點(diǎn)，幫助迅速更換故障硬件使系統(tǒng)始終處于安全狀態(tài)。四重化的處理器工作方式為4-2-0，即系統(tǒng)完全正常時有4個CPU在工作，出現(xiàn)故障時兩個CPU工作，系統(tǒng)完全癱瘓時為零。

5 系統(tǒng)的安全可靠性

應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的計算機(jī)控制系統(tǒng)除了對工作站、控制站及輸入/輸出模塊等硬件在制作工藝上有特殊要求之外，還需要通過相應(yīng)的可靠性檢測認(rèn)證，以保證其運(yùn)行的高可靠性。除此之外，在系統(tǒng)的硬件和軟件配置上，要根據(jù)不同的使用場合和工藝條件，選擇相應(yīng)的配置。

在DCS的設(shè)計配置上，一般要求電源、控制器、通信網(wǎng)絡(luò)冗余；針對不同的工藝，還要考慮關(guān)鍵的模擬量輸入/出冗余；再針對某些安全要求高的場合，還要考慮關(guān)鍵的數(shù)字量輸入/出冗余。

目前，DCS作為綜合性控制系統(tǒng)，功能比較強(qiáng)大，而且目前發(fā)展也比較成熟，主要應(yīng)用于綜合性的高自動化場合，完成模擬量的采集，實(shí)現(xiàn)對工藝參數(shù)的控制調(diào)節(jié)功能，同時也處理數(shù)字量的輸入/輸出。PLC主要用于對開關(guān)量的處理中，實(shí)現(xiàn)對參數(shù)和過程的聯(lián)鎖控制，在順序控制中使用較多。但在關(guān)鍵的生產(chǎn)裝置上，如果對安全可靠性要求很高，對工藝參數(shù)實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖控制時，設(shè)計規(guī)范要求采用ESD系統(tǒng)。

6 采用原則與維護(hù)管理

在化工生產(chǎn)裝置中，對于計算機(jī)控制系統(tǒng)的選擇應(yīng)本著滿足工藝控制要求的前提下，選擇可靠性高、具有典型代表的控制系統(tǒng)，不能過分追求過于先進(jìn)的但尚未發(fā)展成熟的控制系統(tǒng)，以提高生產(chǎn)線控制的可靠性并降低生產(chǎn)成本。在實(shí)際化工生產(chǎn)線上是選用DCS還是PLC，應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)線的控制點(diǎn)數(shù)規(guī)模、工藝性質(zhì)、安全控制要求及安全設(shè)計規(guī)范等綜合考慮，決不能簡單地只考慮成本。

在危險化工生產(chǎn)過程中，必須追求系統(tǒng)的高可靠性和技術(shù)的成熟性，不能過分追求先進(jìn)性[9]。

隨著計算機(jī)控制技術(shù)和信息化建設(shè)的發(fā)展要求，在新建生產(chǎn)線的方案設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)線控制點(diǎn)數(shù)的規(guī)模和性質(zhì)盡量選用DCS，以便在信息化建設(shè)時實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的采集，否則后期在進(jìn)行信息化建設(shè)時，現(xiàn)場數(shù)據(jù)和信息無法被實(shí)時提取或提取困難，形成信息孤島，導(dǎo)致重復(fù)投資。因此在控制方案和控制系統(tǒng)的選擇上應(yīng)該有全局意識和發(fā)展意識。

對于關(guān)鍵的生產(chǎn)裝置，按照規(guī)范要求應(yīng)設(shè)定獨(dú)立的ESD，與本裝置的DCS實(shí)現(xiàn)通信，且ESD又獨(dú)立于DCS運(yùn)行，DCS故障時就不會影響ESD系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

計算機(jī)控制系統(tǒng)的維護(hù)管理需要注意：在控制系統(tǒng)選型時，作為新建項(xiàng)目，特別是有多個裝置時，在滿足工藝要求的前提下，盡量做到系統(tǒng)的統(tǒng)一，以減少備件的儲備量，節(jié)約資金而且對操作人員和系統(tǒng)維護(hù)人員而言也便于掌握和維護(hù)管理?？偨Y(jié)銀光集團(tuán)對控制系統(tǒng)多年的使用經(jīng)驗(yàn)并借鑒國內(nèi)企業(yè)對控制系統(tǒng)的使用，對控制系統(tǒng)每年進(jìn)行點(diǎn)檢大修是必要的，這也是保證設(shè)備預(yù)檢預(yù)修和滿足質(zhì)量管理體系所必須的，保證控制系統(tǒng)始終處于安全可靠的運(yùn)行狀態(tài)。目前，國家對控制系統(tǒng)的點(diǎn)檢大修還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，但控制系統(tǒng)制造廠家都有各自的點(diǎn)檢標(biāo)準(zhǔn)。對控制系統(tǒng)維護(hù)管理應(yīng)建立專門的維護(hù)管理隊(duì)伍，以保證維護(hù)管理的規(guī)范性和連續(xù)性，同時還需建立日常的巡檢維護(hù)管理制度。

7 結(jié)束語

總結(jié)了DCS、PLC、ESD和故障自診斷系統(tǒng)的優(yōu)勢與不足，以及重點(diǎn)應(yīng)用領(lǐng)域，以期在進(jìn)行裝置自控系統(tǒng)的設(shè)計過程中，擇優(yōu)選型，實(shí)現(xiàn)裝置的安穩(wěn)長優(yōu)運(yùn)行，并在此前提下，為企業(yè)節(jié)約資金。