DCS(Distributed ControlSystem)系統(tǒng)在火電廠發(fā)電機(jī)組過程控制中的應(yīng)用已有十多年的歷史了,而且正在越來越多地得到應(yīng)用。當(dāng)今流行的DCS系統(tǒng)有C&E的MOD-300,HONEYWELL的TDC-3000,F(xiàn)OXBORO的I/A" />
1 引言
DCS(Distributed ControlSystem)系統(tǒng)在火電廠發(fā)電機(jī)組過程控制中的應(yīng)用已有十多年的歷史了,而且正在越來越多地得到應(yīng)用。當(dāng)今流行的DCS系統(tǒng)有C&E的MOD-300,HONEYWELL的TDC-3000,FOXBORO的I/AS,日本橫河的CENTUMXL,WESTINGHOUSE的WDPF,BAILEY的INFI-90,SIEMANS的TELEPERM ME/XP。就目前這幾家主要DCS廠商所提供的系統(tǒng)來看,在應(yīng)用上均不同程度地存在一些問題,例如系統(tǒng)可靠性,實(shí)時(shí)性,系統(tǒng)組態(tài)的靈活便捷性等都有待進(jìn)一步突破。本文對(duì)DCS系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中存在的一些問題加以分析探討。
2 DCS系統(tǒng)推出的初衷
DCS系統(tǒng)的推出并逐步發(fā)展成為過程控制領(lǐng)域的主角是由于以下一些原因:
(1)現(xiàn)代化的生產(chǎn)工藝系統(tǒng)日趨大型化,復(fù)雜化,需要檢測和控制的參數(shù)大量增加,使得傳統(tǒng)的儀表控制系統(tǒng)顯得難以勝任,勢必得另辟蹊徑。
(2)傳統(tǒng)的儀表控制系統(tǒng)通常使用多個(gè)生產(chǎn)廠家提供的產(chǎn)品,使得工藝生產(chǎn)所需的備品備件品種繁多,為此而化費(fèi)大量人力物力,并且工藝生產(chǎn)在相當(dāng)程度上依賴這些儀表生產(chǎn)廠商。這一狀況也希望有所改變。
(3)數(shù)字電路技術(shù)的迅猛發(fā)展,尤其是大規(guī)模集成電路技術(shù)的應(yīng)用,集成度以及成品率大幅度提高,使得在過程控制中大量使用微處理器在成本上成為可能。
(4)自動(dòng)化控制理論的發(fā)展,特別是連續(xù)系統(tǒng)離散化理論,采樣理論,這些理論大大地推進(jìn)了過程控制從傳統(tǒng)的儀表控制系統(tǒng)向DCS系統(tǒng)變革的進(jìn)程。
(5)通訊理論和技術(shù)的發(fā)展,在對(duì)局域網(wǎng)(LAN)的大量研究過程中,通訊理論和技術(shù)得到了極大的發(fā)展和完善,這方面對(duì)DCS系統(tǒng)發(fā)展的影響是舉足輕重的。
(6)計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展,尤其是微軟公司的WINDOWS-95這樣的操作系統(tǒng)軟件的推出,為計(jì)算機(jī)在過程控制系統(tǒng)中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ),計(jì)算機(jī)和操作人員之間有了良好的界面,使不具備計(jì)算機(jī)專門知識(shí)的操作人員樂于接受。
(7)計(jì)算機(jī)集中控制系統(tǒng)存在固有的一些缺陷如故障集中,因此為了提高可靠性而需要巨大的費(fèi)用,集中控制系統(tǒng)需要較大規(guī)模的計(jì)算機(jī),價(jià)錢昂貴。相對(duì)來說DCS系統(tǒng)所用的微處理器和微機(jī)要便宜得多,故障相對(duì)分散,并且DCS系統(tǒng)中的微機(jī)或微處理器是并行運(yùn)行的,相對(duì)于集中控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)的串行運(yùn)行來說處理速度也大大提高,因此具有更高的實(shí)時(shí)性指標(biāo),這些是DCS系統(tǒng)優(yōu)于集中控制系統(tǒng)而得到迅速發(fā)展的關(guān)鍵所在。
以上列舉了足以說明為什么DCS系統(tǒng)會(huì)在過程控制領(lǐng)域一顯身手的主要原因?,F(xiàn)在來看看最初推出DCS系統(tǒng)的一些初衷。
DCS系統(tǒng)是相對(duì)于計(jì)算機(jī)集中控制系統(tǒng)而言的計(jì)算機(jī)(或微機(jī))控制系統(tǒng),它是在對(duì)計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)的研究基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,是過程控制專家們借用計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)的研究成果,把局域網(wǎng)變成一個(gè)實(shí)時(shí)性、可靠性要求很高的網(wǎng)絡(luò)型控制系統(tǒng),運(yùn)用于過程控制領(lǐng)域。專家們把這樣的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)型控制系統(tǒng)稱之為DCS。專家們的初衷應(yīng)該是,這樣的控制系統(tǒng)至少帶來以下一些好處:
(1)故障分散。這是推出DCS系統(tǒng)的最大理由,DCS系統(tǒng)就是要解決集中控制系統(tǒng)致命的弱點(diǎn),“故障集中”。故障分散的理由是DCS系統(tǒng)采用了大量的微處理器,各個(gè)微處理器承擔(dān)一個(gè)范圍較小的(地域上)控制任務(wù),某個(gè)微處理器故障不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的正常工作。
(2)縮小控制室尺寸或控制表盤的長度。
(3)大量縮減控制系統(tǒng)所需的電纜。
(4)大量減少控制系統(tǒng)所需的備品備件種類及數(shù)量。
(5)減少工藝生產(chǎn)的運(yùn)行對(duì)儀表控制設(shè)備廠商的依賴,減少儀控人員培訓(xùn)所需的費(fèi)用。
(6)提供了控制系統(tǒng)構(gòu)成的靈活性,具有組態(tài)便利和可擴(kuò)展性。
(7)實(shí)現(xiàn)過程實(shí)時(shí)參數(shù)和歷史數(shù)據(jù)的管理,提供性能計(jì)算,設(shè)備壽命計(jì)算功能。這一點(diǎn)是傳統(tǒng)的儀表控制系統(tǒng)所望塵莫及的。
3 目前階段市場能提供的DCS系統(tǒng)的實(shí)際能力
從在浙江省電力系統(tǒng)發(fā)電廠中應(yīng)用的BAILEY的INFI-90,C&E的MOD-300以及SIEMENSR的TELEPERM-ME/XP等DCS系統(tǒng)來考察,筆者的見解如下:
(1)關(guān)于故障分散。相信大多數(shù)DCS系統(tǒng)生產(chǎn)廠商現(xiàn)階段所提供的系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中并非想象的那么“故障分散”。事實(shí)上,由于DCS系統(tǒng)在應(yīng)用技術(shù)方面尚存在一些問題,1臺(tái)由DCS系統(tǒng)控制的火電廠單元發(fā)電機(jī)組,因DCS系統(tǒng)的某些故障而被迫停運(yùn)的情況時(shí)有發(fā)生。這一點(diǎn)與傳統(tǒng)的儀表控制系統(tǒng)相比后者似乎要優(yōu)于前者。正因?yàn)檫@樣,DCS系統(tǒng)的構(gòu)成越接近傳統(tǒng)的儀表控制系統(tǒng),即微處理器或多功能控制器所承擔(dān)的控制任務(wù)從地域上越分散,越能做到故障分散。從這一點(diǎn)上看,SIEMAMS的系統(tǒng)做得較好,它的一塊控制卡件(帶有微處理器,可與其他卡件或通過通訊總線與其他子系統(tǒng)如操作員站工程師工作站等通訊)只承擔(dān)2~4個(gè)電動(dòng)機(jī)或電動(dòng)門的開環(huán)控制回路,或1~2個(gè)閉環(huán)控制回路,并且這塊卡件既承擔(dān)邏輯控制功能,又承擔(dān)與這些邏輯控制有關(guān)的I/O功能。這樣做對(duì)故障分散是十分有利的。然而,其它的系統(tǒng)通常把許多過程控制任務(wù)集中在少數(shù)多功能控制卡件或微處理器身上,把過程控制的輸入輸出即I/O功能集中在I/O卡件上。這些系統(tǒng)客觀上是把過程控制的故障集中起來而不是把它們分散,似乎有悖于“DCS”這個(gè)名稱。不過SIE-MANS的系統(tǒng)也有問題,它的ETHERNET與ME系統(tǒng)的通訊還有些問題需要解決。SIEMANS的TELEPERM-ME系統(tǒng)是一個(gè)非常成熟的系統(tǒng),ME系統(tǒng)加上ETHERNET網(wǎng)絡(luò)就是最新推出的TELEPERM-EM/XP系統(tǒng)(浙江臺(tái)州發(fā)電廠四期兩臺(tái)330 MW機(jī)組中應(yīng)用),因?yàn)槭切碌南到y(tǒng),相信許多應(yīng)用軟件(尤其是那些有關(guān)通訊的軟件)還得經(jīng)歷時(shí)間的考驗(yàn)。如果這些問題得到了解決,則無論從故障分散這個(gè)角度還是其它方面例如制造工藝來看,它都占有一定程度的優(yōu)勢。DCS,故障分散,似乎SIEMANS的路子是走對(duì)了,因?yàn)樗麄兊南到y(tǒng)最接近傳統(tǒng)的儀表控制系統(tǒng),控制功能比較分散,要做到故障分散,一定得把控制功能分散。
(2)關(guān)于控制室的尺寸和表盤長度。這一點(diǎn)所有的DCS系統(tǒng)都做得到。不過與傳統(tǒng)的儀表控制系統(tǒng)相比,電子室的尺寸和設(shè)備相對(duì)增加,這一點(diǎn)DCS系統(tǒng)給我們帶來的實(shí)際利益并不顯著。
(3)關(guān)于節(jié)約電纜。由于DCS系統(tǒng)所采用的設(shè)備器件在現(xiàn)階段來說仍然是比較嬌貴,對(duì)現(xiàn)場環(huán)境的要求比較高,例如需要防塵和空調(diào),REMOTEI/O還不能大量使用,因此,DCS系統(tǒng)的主要設(shè)備都需要安置在條件比較好的電子室,大量的現(xiàn)場信號(hào)仍然需用電纜接到電子室。所以說,與傳統(tǒng)的儀表控制系統(tǒng)相比,電纜有所縮減,但效益有限。
(4)關(guān)于減少備品備件的種類和數(shù)量。備品備件的種類和數(shù)量有所減少,并且需要與之打交道的儀表控制設(shè)備制造廠商也有所減少。
(5)關(guān)于減少機(jī)組運(yùn)行對(duì)儀表控制設(shè)備制造廠商的依賴,減少儀控人員技術(shù)培訓(xùn)所需的費(fèi)用。由于DCS系統(tǒng)在應(yīng)用技術(shù)方面還不能盡如人意,因此,機(jī)組運(yùn)行對(duì)DCS系統(tǒng)生產(chǎn)廠商的依賴不但沒減少反而有所增加,尤其在機(jī)組新建成投產(chǎn)期間,DCS生產(chǎn)廠家派往工地的專家服務(wù)似乎成了機(jī)組投產(chǎn)調(diào)試期間必不可少的了。為了用好DCS系統(tǒng)需要培訓(xùn)的工程技術(shù)人員也有所增加,因此培訓(xùn)所需費(fèi)用也有所增加。
(6)關(guān)于控制系統(tǒng)構(gòu)成的靈活性,組態(tài)的便捷性和系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。系統(tǒng)構(gòu)成的靈活性以及系統(tǒng)的可擴(kuò)展性,這一點(diǎn)確實(shí)是傳統(tǒng)的儀表控制系統(tǒng)無法與之相比的。大多數(shù)DCS系統(tǒng)的組態(tài)也是比較方便的。不過多數(shù)系統(tǒng)在在線組態(tài)功能方面尚有許多工作可做,好多系統(tǒng)為離線組態(tài),在工程師站編程,然后編譯,再下載。并且有些系統(tǒng)這一過程比較費(fèi)時(shí),在調(diào)試期間這一問題尤其突出。關(guān)于這個(gè)問題,SIEMANS的系統(tǒng)較有特色,它不但在線組態(tài),而且設(shè)計(jì)有仿真功能,這給調(diào)試工作帶來極大的方便。
(7)關(guān)于DCS系統(tǒng)提供了一些獨(dú)特的控制功能,如歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的管理,性能計(jì)算等等。這一點(diǎn)是傳統(tǒng)的儀表控制系統(tǒng)所無可比擬的,正是由于DCS的這些優(yōu)勢,把過程控制推向一個(gè)新的更高層次的領(lǐng)域。
綜上所述,現(xiàn)階段市場所能提供的DCS系統(tǒng)在應(yīng)用中帶來的益處遠(yuǎn)沒有象我們想象的那么多。當(dāng)然,DCS系統(tǒng)解決了現(xiàn)代化大生產(chǎn)中過程控制傳統(tǒng)的儀表控制系統(tǒng)難以勝任這一問題,而相對(duì)于計(jì)算機(jī)集中控制來說故障還是分散的,在許多方面有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn),是傳統(tǒng)的儀表控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)集中控制系統(tǒng)所無法比擬的。
4 應(yīng)用中存在的一些問題
現(xiàn)在的DCS系統(tǒng)在應(yīng)用技術(shù)方面尚有以下一些問題:
(1)故障分散。目前的DCS系統(tǒng)還沒有做到真正意義上的故障分散,這一方面是由于目前的器件仍然比較嬌貴,因此控制系統(tǒng)在地域上做到分散還不能實(shí)現(xiàn)(盡量接近傳統(tǒng)的儀表控制系統(tǒng))。工業(yè)控制的現(xiàn)場條件一般是比較惡劣的,粉塵,溫度,濕度對(duì)現(xiàn)階段廠商所能提供的遠(yuǎn)程I/O卡來說仍然難以適應(yīng)。如北侖電廠1號(hào)機(jī)有些I/O卡只能相對(duì)集中放置在現(xiàn)場,在調(diào)試期間也曾經(jīng)發(fā)生過因?yàn)檫@些I/O柜進(jìn)水而影響整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。再如北侖電廠3號(hào)機(jī)在循泵房設(shè)置了遠(yuǎn)方I/O柜,電纜當(dāng)然是節(jié)約一些,但I/O柜上設(shè)置了小空調(diào),費(fèi)用仍然省不了多少。另一方面,設(shè)計(jì)上控制功能還不夠分散,包括DCS系統(tǒng)本身的設(shè)計(jì)和工程設(shè)計(jì)兩方面。如MOD-300系統(tǒng),它的I/O太集中,I/O卡的故障會(huì)影響系統(tǒng)的正常工作。另外,機(jī)組的輔機(jī)控制是由可編程邏輯控制器即PLC系統(tǒng)完成的,它與MOD-300系統(tǒng)之間通訊用了一個(gè)GATEWAY,這個(gè)GATEWAY成了整個(gè)控制系統(tǒng)的一個(gè)瓶頸,一旦它發(fā)生故障,就會(huì)影響機(jī)組的正常運(yùn)行。再如北侖電廠3號(hào)機(jī)的系統(tǒng),機(jī)組的輔機(jī)控制由它的SCS子系統(tǒng)完成,SCS子系統(tǒng)的一個(gè)MFP設(shè)計(jì)了300點(diǎn)左右的I/O卡,并且一塊I/O卡16點(diǎn)又設(shè)計(jì)成用于不同的控制對(duì)象,即一個(gè)被控對(duì)象要用到好幾塊I/O卡。因此,一塊I/O卡故障,要影響好幾個(gè)控制對(duì)象的正常工作,一個(gè)控制對(duì)象要檢修,要牽涉到好幾塊I/O卡。另外,一個(gè)MFP所包含的被控對(duì)象也太多,一塊MFP卡的故障會(huì)影響好些控制回路的正常工作。象這樣設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng),勢必對(duì)卡件或者系統(tǒng)的可靠性要求很高。
文獻(xiàn)〔1〕和文獻(xiàn)〔3〕都談到了目前已有一些廠商在研究或已推出一種稱為FCS的系統(tǒng),即現(xiàn)場智能儀表結(jié)合現(xiàn)場總線技術(shù)構(gòu)成的過程控制系統(tǒng)。顯然,這樣的系統(tǒng)十分接近傳統(tǒng)的儀表控制系統(tǒng)。從理論上講,智能化的控制儀表就放置在被控設(shè)備附近,控制功能在地域上可以徹底分散,因此,故障也可以徹底分散。但是,實(shí)際上就目前的元器件生產(chǎn)技術(shù)水平以及計(jì)算機(jī)技術(shù)通訊技術(shù)現(xiàn)狀來說,FCS也許同樣得面臨DCS所面臨的困難。首先,FCS得解決工業(yè)控制現(xiàn)場環(huán)境十分惡劣的問題。其次,現(xiàn)場控制設(shè)備空間分布,地域上十分分散,現(xiàn)場總線的連接不是一件易事,通訊上也將面臨節(jié)點(diǎn)太多的困難。
(2)實(shí)時(shí)性。過程控制要求控制系統(tǒng)有很高的 實(shí)時(shí)性。目前的系統(tǒng)由于通訊技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的限制,在實(shí)時(shí)性方面仍然有待提高,如早期的MOD-300系統(tǒng),操作一個(gè)閥門,從操作員按鍵發(fā)出命令到在屏幕上看到反饋信號(hào)要十幾秒時(shí)間。后來經(jīng)過硬件升級(jí),更換成新一代芯片,問題才得以解決。有些系統(tǒng)因?yàn)楫嬅娲蜷_速度慢,操作一個(gè)設(shè)備要切換好幾幅畫面,使得在緊急情況下,操作人員感到很不方便;另外,通訊所需的時(shí)間(或者DCS系統(tǒng)響應(yīng)的時(shí)間)惡化了控制對(duì)象的特性,使閉環(huán)控制系統(tǒng)的過渡過程品質(zhì)指標(biāo)下降。
(3)組態(tài)的便捷性以及必要的權(quán)限保護(hù)。關(guān)于系統(tǒng)組態(tài),現(xiàn)在的DCS系統(tǒng)大都采用計(jì)算機(jī)窗口技術(shù),一般來說是方便的,但在在線組態(tài)方面仍然有需要研究的地方。多數(shù)系統(tǒng)在工程師站進(jìn)行組態(tài),然后下載到控制子系統(tǒng)或者說控制卡件中去,而一般這個(gè)過程是十分費(fèi)時(shí)的,尤其在調(diào)試過程中,組態(tài)的修改是經(jīng)常性的事,需要尋求一種既方便又安全的在線組態(tài)方法。
(4)制造工藝和安裝工藝。影響DCS系統(tǒng)正常使用的很重要的一個(gè)因素是制造工藝和安裝工藝。有時(shí)就是因?yàn)橐粋€(gè)小小的插件質(zhì)量不好,接觸不良而釀成了重大的故障或事故。有些系統(tǒng)提供的硬件制造工藝不能令人滿意,提供的卡件、接插件做得不夠可靠,一些卡件故障,有時(shí)去拔一下,插一下,或者搖幾下故障就消失了。這方面是DCS生產(chǎn)廠商必須引起高度重視的一個(gè)問題。如果所提供的系統(tǒng)在工藝上都不能滿足可靠性的要求,那么原理上再吸引人也難以令人接受。另一方面是安裝工藝,這也是DCS系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)要加以研究的一個(gè)方面。
(5)應(yīng)用軟件的可靠性、成熟性。DCS系統(tǒng)由于應(yīng)用的實(shí)踐還處在不斷的積累過程中,許多應(yīng)用軟件還不是很成熟,它的可靠性還有待時(shí)間的考驗(yàn)。這方面DCS系統(tǒng)生產(chǎn)廠商應(yīng)加強(qiáng)研究,使已付諸使用或即將付諸使用的DCS系統(tǒng)軟件具有足夠的可靠性。
5 結(jié)論
以上從推出DCS的理由以及DCS為什么會(huì)成為過程控制領(lǐng)域的主流的原因出發(fā),進(jìn)而提出了現(xiàn)階段市場能夠提供的DCS系統(tǒng)在應(yīng)用技術(shù)方面尚存在的一些問題,這些問題有:(1)有關(guān)故障分散方面的;(2)有關(guān)實(shí)時(shí)性方面;(3)有關(guān)組態(tài)的便捷性以及必要的權(quán)限保護(hù);(4)有關(guān)制造工藝和安裝工藝方面的;(5)有關(guān)應(yīng)用軟件的可靠性方面的??蓺w納為設(shè)計(jì)的問題,元器件生產(chǎn)技術(shù)的問題,工藝的問題。DCS系統(tǒng)應(yīng)從過程控制的實(shí)際需要出發(fā),針對(duì)自身的不足,無論在結(jié)構(gòu)上、所采用的器件上,還是所采用的技術(shù)上,不斷地提高和發(fā)展。使DCS系統(tǒng)在應(yīng)用技術(shù)方面有新的突破。