培训资料之仪表部分

1培训资料之仪表部分前言自动化技术是当代发展迅速、应用广泛、最引人瞩目的高新技术之一，在某种程度上，可以说自动化是现代化的同义词。工业自动化技术，就是在没有人直接参与的情况下，通过自动控制装置或系统，对生产过程、工艺参数、技术指标、产品要求等进行自动的调节与控制，使之达到预定的技术指标。自动化技术的水平，将直接影响到产品的质量、产量、成本、劳动生产率、预期生产和盈利目标的完成。我厂煤制油工艺是世界上第一套利用原煤作为原料，在高温、高压、催化剂、临氢条件下生产石油产品的工业化大型生产装置，其所采用的自动控制系统具有技术先进、高精度、高可靠性、高灵活性等特点，将会确保全厂装置安全、平稳、长周期、满负荷和高质量运行，将会极大地提高企业的生产能力和经济效益。本章将从以下几个部分着手，结合本厂实际，有代表性的讲解工业自动化的基础理论和实际应用等方面的知识。第一节DCS、ESD及现场总线技术一、DCS系统1.概述DCS(DISTRIBUTEDCONTROLSYSTEM)即集散型控制系统,是利用计算机技术对生产过程进行集中检测、操作、管理和分散控制的一种新型控制技术，是由计算机技术、信号处理技术、测量控制技术、通讯网络技术、CRT技术、图形显示技术及人机接口技术相互渗透发展而产生的。它实现了控制系统的功能分散，负荷分散，危险分散以及集中管理。DCS既不同于分散的仪表控制，又不同于集中式计算机控制系统，而是克服了二者的缺陷集中了二者的优势。DCS采用的是标准化、模块化和系列化的设计，由过程控制级、控制管理级和生产管理级组成一个以通讯网络为纽带的集中显示而操作管理、控制相对分散的实用系统。它具有如下特点：（１）自主性；（２）协调性；（３）在线性与实时性；（４）高可靠性；（５）适应性、灵活性和可扩充性；（6）友好性。各DCS厂商（以Honeywell、Emerson、Foxboro、横河、ABB为代表）纷纷提升DCS系统的技术水平，并不断地丰富其内容。总的发展趋势可体现在如下几个方面：各制造厂商都在“开放性”上下功夫，力求使自己的DCS与其他厂商的产品很容易地联网；大力发展和完善DCS的通信功能，并将生产过程控制系统与工厂管理系统连结在一起，形成管控一体化；高度重视系统的可靠性，在软件的设计中采用容错技术；在控制功能中，不断引进各种先进控制2理论，以提高系统的控制性能，如自整定、自适应、最优、模糊控制等；在系统规模和结构上，形成由小到大的产品，以适应不同规模的需求。当今Honeywell公司最新推出的ExperionPKS（过程知识系统）、Emerson公司的PlantWeb(EmersonProcessManagement)、Foxboro公司的A2、横河公司的R3（PRM-工厂资源管理系统）和ABB公司的IndustrialIT系统代表了目前DCS的最新技术特点。而以和利时、浙大中控、上海新华为代表的国内DCS厂家经过10年的努力，各自推出自己的DCS系统：和利时推出MACS－Smartpro第四代DCS系统、浙大中控推出Webfield(ECS)系统、新华推出XDPF-400系统。三家积极努力，为DCS在国内工业企业的普及应用，特别是在中小型企业中的应用做出了贡献。2.HoneywellPks集散型控制系统（1）简介ExperionPKS系统包含了霍尼韦尔公司三十年来在过程控制、操作管理、行业知识等方面积累的经验，采用最先进的开放平台和网络技术，为工业企业提供一个统一的、全厂的、自过程控制、设备和资产管理、直至生产管理、集成制造等一体化的知识系统体系结构和全系列的解决方案。PKS是具有最先进的DCS能力的、统一的、协作的体系结构。它最大的特点是采用容错以太网技术，具有先进的、鲁棒式的分布式控制系，它提供方便的知识共享和工作流的管理，使企业人员与最先进的自动化技术结合在一起，并使企业人员也相互联系在一起。ExperionPKS系统主要包括:①调节控制和逻辑控制一体化的C200混合控制器②和EPKS系统一体化的高可靠性的故障安全控制器FSC③多种类型的常规的、智能的输入/输出子系统和各种类型现场总线的集成④方便的基于Windows的操作、应用环境⑤先进的HMIWeb技术的人机界面⑥支持OPC等开放式标准，提供多种第三方控制器的通讯接口⑦鲁棒的、高可靠性的容错以太网FTE⑧高效的分布式系统体系结构DSA⑨全系列的先进控制、设备和异常状态管理、经营管理等集成制造解决方案（2）系统组成DCS一般由五部份组成：控制器、I/O板、操作站、通讯网络、图形及编程软件。尽管若干年以前就有人判定DCS即将被FCS（现场总线控制系统）所取代，然而直至今日，DCS仍然具有相当的生命力。（3）煤液化应用煤液化项目联合控制室UCR1-UCR5采用HONEYWELLPKS系统，单元控制室采用SCADAP32P控制器。3二、ESD系统1.概述ESD是英文EmergencyShutdownDevice的缩写，即紧急停车系统。这种专用的安全保护系统是90年代发展起来的，以它的高可靠性和灵活性而受到一致好评。ESD紧急停车系统按照安全独立原则要求，独立于DCS集散控制系统，其安全级别高于DCS。为何要独立设置ESD系统呢？当然一般安全联锁保护功能也可由DCS来实现。但是对于较大规模的紧急停车系统应按照安全独立原则与DCS分开设置，这样做主要有以下几方面原因：（1）降低控制功能和安全功能同时失效的概率，当维护DCS部分故障时也不会危及安全保护系统。（2）对于大型装置或旋转机械设备而言，紧急停车系统响应速度越快越好。这有利于保护设备，避免事故扩大；并有利于分辨事故原因记录。而DCS处理大量过程监测信息，因此其响应速度难以作得很快；（3）DCS系统是过程控制系统，是动态的，需要人工频繁的干预，这有可能引起人为误动作；而ESD是静态的，不需要人为干预，这样设置ESD可以避免人为误的动作。2.TRICONESD系统（1）简介Tricon控制器是一种三重化冗余（TripleModularRedundant—TMR）控制器，它采用“三取二”表决方式工作。由于该控制器是美国Triconex公司开发的，所以也称其为Tricon控制器。另外，Tricon控制器也是特指Triconex公司开发的TMR产品，以别于其它公司开发的TMR产品。（2）系统组成Tricon三重化冗余容错控制器是通过三重模件冗余结构（TMR）实现容错的，不论是结构的硬件故障，还是内部或外部的瞬时故障，Tricon控制器都能做到无差错，不会中断控制。Tricon控制器三重化结构如下图所示。自动热备用自动热备用I/O总线三总线三总线I/O总线输入表决器输出Tricon控制器三重化结构输入分电路A输入分电路C输入分电路B主处理器B输出分电路C输出分电路B输出分电路A主处理器A主处理器C4TRICON系统（TMR）的每一个数字输入/输出模件都包含三个完全相同的相互隔离的支路。每一个支路含有一个I/O微处理器，并从它的相应的主处理器上的I/O通讯处理器接收其输出表。（3）煤液化应用煤液化项目的联锁保护系统采用的是Triconex公司的TMR三重化冗余控制系统，满足TUV6的认证要求，达到SIL3的安全等级。三、PLC系统1.概述PLC英文全称是ProgrammableLogicController,中文全称为可编程逻辑控制器，定义是:一种数字运算操作的电子系统，是专为在工业环境中应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出来控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器是六十年代末在美国首先出现的，目的是用来取代继电器，以执行逻辑判断、计时、计数等顺序控制功能，故也称它为顺序控制器（SequenceController）。2.系统组成可编程序控制器硬件由五部分构成:（1）中央处理器（CentralProcessorUnit简称CPU）；（2）电源（PowerSupply）；（3）输入组件（Inputs）；（4）输出组件（Outputs）；（5）编程器（Programmer）。3.PLC的主要特点（1）可靠性；（2）丰富的I/O接口模块；（3）采用模块化结构；（4）编程简单易学；（5）安装简单，维修方便。4.PLC的功能（1）逻辑控制；（2）定时控制；（3）计数控制；（4）步进(顺序)控制；（5）PID控制；（6）数据控制；（7）通信和联网；（8）其它：PLC还有许多特殊功能模块，适用于各种特殊控制的要求，如：定位控制模块，CRT模块。5.PLC图例（1）基本逻辑门符号基本逻辑运算常用的逻辑门图形符号，如下图所示：&11(a)与门(b)或门(c)非门图基本逻辑门5（2）组合逻辑运算①组合逻辑运算将基本逻辑运算进行各种组合，可以获得与非、或非、与或非、异或、同或等组合逻辑运算。②组合逻辑门符号与基本逻辑运算有对应的逻辑门一样，组合逻辑运算也有相应的逻辑门符号，这些符号基本上是由基本逻辑门的与门、或门和非门符号组合而成，见图。&=1≥1&≥1=1(a)与非门(b)或非门(c)与或非门(d)异或门(e)同或门图各种组合逻辑门6.煤液化装置主要应用PLC在煤液化项目中应用较多，如泵、压缩机、透平等。四、现场总线1.概述现场总线（FCS）是连接现场智能设备和自动化控制设备的双向串行、数字式、多节点通信网络，它也被称为现场底层设备控制网络（INFRANET）。分布式的FCS系统比DCS系统更好地体现了“信息集中，控制分散的思想。2.结构随着现场总线技术的出现和成熟，促使了控制系统由集散控制系统（DCS）向现场总线控制系统（FCS）的过渡。在一般的FCS系统中，遵循一定现场总线协议的现场仪表可以组成控制回路，使控制站的部分控制功能下移分散到各个现场仪表中。从而减轻了控制站负担，使得控制站可以专职于执行复杂的高层次的控制算法。对于简单的控制应用，甚至可以把控制站取消，在控制站的位置代之以起连接现场总线作用的网桥和集线器，操作站直接与现场仪表相连，构成分布式控制系统。3.特点分布式的FCS系统比DCS系统更好地体现了“信息集中，控制分散的思想。与传统的DCS相比，FCS有其自身的特点。FCS系统具有高度的分散性，它可以由现场设备组成自治的控制回路。FCS的结构比DCS简化。有的FCS系统省略了DCS中控制站这一层，操作站直接与现场仪表相连。这些使FCS的可靠性得到提高。现场总线系统具有开放性。系统的开放性决定了它具有互操作性和互用性。作为工厂网络底层的现场总线还对现场环境有较强地适应性。由于结构上的改变，FCS比DCS更节约硬件设备。与此同时，FCS比DCS性能有所提高。4.现场总线的优点6由于现场总线具有以上特点，特别是其系统结构的简化，使其从设计、安装、投运到正常生产运行及检修维护，都体现出优越性。它不仅节省了硬件数量与投资，节省了安装费用，而且系统的维护开销也大大地降低。现场总线控制系统不仅精确度与可靠性高，在方便使用和维护性方面，FCS也比DCS有优势。FCS使用统一的组态方式，安装、运行、维修简便；利用智能化现场仪表，使维修预报（Predictedmaintenance）成为可能；由于系统具有互操作性和互用性，用户可以自由选择不同品牌的设备达到最佳的系统集成，在设备出现故障时，可以自由选择替换的设备，保障用户的高度系统集成主动权。此外，它还具有设计简单，易于重构等特点。5.发展趋向传统的集散控制系统（DCS系统）具有集中监控、分散控制、操作方便的特点。但是，在实际应用中也发现DCS的结构存在一些不足之处，如控制不能做到彻底分散，危险仍然相对集中；由于系统的不开放性，不同厂家的产品不能互换、互联，限制了用户的选择范围。利用现场总线技术，开发FCS系统的目标是针对现存的DCS的某些不足，改进控制系统的结构，提高其性能和通用性。FCS想要在实际中取代DCS，既要具备DCS所具有的功能，又要能克服DCS的缺点。FCS由于采用了现场总线