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浅谈汽轮机DCS集散控制系统产品开发

作者:时间:2008-12-15来源:东盟网收藏
   摘要:随着电力资源的不足,推动电站汽轮机、燃汽轮机市场的快速发展,新发电机组招标和老机改造正在紧锣密鼓的蓄势待发。而基于我们轻车熟路的DEH控制系统却逐步将被DCS系统所取代。我们的生存面临着严峻的挑战。我们费尽心血设计、调试的多种DEH控制系统成功投入运行,却没有一个系统的知识产权是完全属于自己的。业绩被别人一个个地写入产品样本中,而配套产品成本完全受制于成套供应商,并且大有逐步蚕食我们打下的天下之势。我们究竟是否需要开发自己DCS系统以完善配套DEH控制系统、逐步扩展我们的市场空间,还是维持现状坐观工控产业的日新月异的发展?下面我就针对以上情况谈一点自己的看法,供领导和有识之士参考。 

  关键词: (现场总线控制系统)、(集散控制系统)、(过程控制系统)、 (可编程逻辑控制器)

  1.集散控制系统DCS与现场总线控制系统的比较

  1.1 概述

  FCS是在DCS的基础上发展起来的,FCS顺应了自动控制系统的发展潮流,它必将替代DCS。这已是业内人士的基本共识。然而,任何新事物的发生,发展都是在对旧事物的扬弃中进行的,FCS与DCS的关系必然也不例外。FCS代表潮流与发展方向,而DCS则代表传统与成熟,也是独具优势的事物。特别是现阶段,FCS尚没有统一的国际标准而呈群雄逐鹿之势,DCS则以其成熟的发展,完备的功能及广泛的应用而占居着一个尚不可完全替代的地位。本人认为:现场总线控制系统FCS应该与集散式控制系统DCS相互兼容。

  无论是FCS或者是DCS,它们最终是为了满足整个生产过程而进行的系统控制()。

  首先以工程成本与效益看,现场总线的根本优势是良好的互操作性;结构简单,从而布线费用低;控制功能分散,灵活可靠,以及现场信息丰富。然而这些优势是建立在 FCS系统初装的前提下,倘诺企业建立有完善的DCS,现在要向FCS过渡,则必须仔细考虑现有投资对已有投资的回报率。充分利用已有的DCS设施,现有DCS的布线以及成熟的DCS控制管理方式来实现FCS是我们应选之途。

  虽然现场总线对已有的数字现场协议有优势可言,但向其过渡的代价与风险是必须分析清楚的。再者,从技术的继承及控制手段上,也要求FCS与DCS应相兼容。FCS实现控制功能下移至现场层,使DCS的 多层网络被扁平化,各个现场设备节点的独立功能得以加强,因此,在FCS中有必要增加和完善现场子层设备间的数据通讯功能。

  由于历史的原因,DCS通常拥有大型控制柜用以协调各个设备,同时更强调层与层的数据传输。可见,两种控制在策略上各具优势。DCS适用于较慢的数据传输速率;FCS则更适用于较快的数据传输速率,以及更灵活的处理数据。然而,当数据量超过一定值过于偏大时,如果同层的设备过于独立,则很容易导致数据网络的堵塞。要解决这个问题,拟设立一个适当的监控层用以协调相互通讯的设备,必然是有益的,DCS就能轻松地胜任这一工作。可见,为使FCS的控制方式和手段完善化,是有必要借鉴DCS的一些控制思想的。

  要把握新世纪工业过程控制的发展趋势,无论在学术研究或是工程应用方面都有必要使FCS综合与继承DCS的成熟控制策略;与此同时,DCS的发展也应追寻FCS控制策略的新思想,使其具有新的生命力。DCS应能动地将底层控制权交付给FCS系统,将较高层的系统协调管理功能发扬光大,完成对新时代,新形势的工业控制系统的智能设备集成。

  1.2现场总线传输特点

  现场总线控制系统(FCS)是顺应智能现场仪表而发展起来的。它的初衷是用数字通讯代替4-20mA模拟传输技术,但随着现场总线技术与智能仪表管控一体化(仪表调校、控制组态、诊断、报警、记录)的发展,在控制领域内引起了一场前所未有的革命。控制专家们纷纷预言:FCS将成为21世纪控制系统的主流。

  然而就在人们沸沸扬扬的对FCS进行概念炒作的时候,却没有注意到它的发展在某些方面的不协调,其主要表现在迄今为止现场总线的通讯标准尚未统一,这使得各厂商的仪表设备难以在不同的FCS中兼容。此外,FCS的传输速率也不尽人意,以基金会现场总线(FF)正在制定的国际标准为例,它采用了ISO的参考模型中的3层(物理层、数据链路层和应用层)和极具特色的用户层,其低速总线H1的传输速度为31.25kbps,高速总线H2的传输速度为1Mbps或2.5Mbps,就针对西门子推出的PROFIBUS总线而言:其市场站有率相对较大,但由于受通讯线路长度的影响,在100M线路长度下最高通讯速率为12Mbps,这在有些场合下仍无法满足实时控制的要求。由于上述原因,使FCS在工业控制中的推广应用受到了一定的限制。当人们冷静下来对这些问题进行思考时,不禁想起了在商业网络中广泛应用的以太网。

  以太网具有传输速度高、低耗、易于安装和兼容性好等方面的优势,由于它支持几乎所有流行的网络协议,所以在商业系统中被广泛采用。但是传统以太网采用总线式拓朴结构和多路存取载波侦听碰撞检测(CSMA/CD)通讯方式,在实时性要求较高的场合下,重要数据的传输过程会产生传输延滞,这被称为以太网的“不确定性”。研究表明:商业以太网在工业应用中的传输延滞在2~30ms之间,这是影响以太网长期无法进入过程控制领域的重要原因之一。因此对以太网的研究具有工程实用价值,从而产生了一种新型以太网。

  1.3工业以太网的研究现状

  近年来控制与通讯工程师们致力于新型工业以太网的研究工作,其中有代表性的是FF制定的快速以太网标准,其传输速度为100Mbps。综观工业以太网的研究现状,出现了两个值得注意的发展方向:以太网集线器和具有实时功能的以太网的协议。

  a、以太网集线器

  FF将以太网技术加入到H2协议中,并以它作为H2的底层协议,其网络采用星型拓朴结构。

  集线器(HUB)置于网络中心并通过以太网I/O接口挂接现场设备,其中实时现场仪表和普通现场仪表(通过通道组)分别挂接在不同的以太网I/O接口上。以太网I/O接口高速(约100 kHz)扫描所有实时现场仪表和通道组,然后传送数据包到上层控制器。

  通常普通控制算法在现场控制器中进行(可由上层控制器下载),而高级控制算法则在上层控制器中进行,其控制输出经以太网集线器和以太网I/O接口传输到现场执行仪表。由于实时现场仪表挂接在专用的以太网入口地址,并用完全分离的线路传输数据,所以保证了实时数据不会产生传输延滞和线路阻塞。

  集线器作为网络的仲裁器,除了控制通信双方的传输时间外,还对传输的数据包进行优先级设置,使每条信息都包含传输优先级等实时参数。此外智能化的集线器还可以动态检测需要通讯的现场设备所在以太网I/O口,并为之提供数据缓冲区,这样可大大缩短现场设备的响应时间和减少数据的重发次数。集线器与其它集线器相连可实现不同网络之间的数据共享。 

  经验证这种采用以太网集线器技术的FCS可使实时数据的延迟时间控制在200纳秒的范围之内,这已足以满足多数场合的实时控制要求。


关键词: FCS DCS PCS PLC

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