【文章內(nèi)容簡介】 第 12 頁 共 31 頁 此資料來自 一個(gè)控制系統(tǒng)由 I/O 設(shè)備（傳感器和執(zhí)行器）、控制硬件、控制軟件、人機(jī)接口及與信息系統(tǒng)的連接等組成。設(shè)備級現(xiàn)場總線使 I/O 模件和控制箱得以分開，以太網(wǎng)使得現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)集成到企業(yè)應(yīng)用中。 早期的集中式控制系統(tǒng) 80 年代初期，控制系統(tǒng)多使用以單板機(jī)組成的微機(jī)控制裝置，與上位機(jī)系統(tǒng)連接多采用串行通信方式，所有模件集中布置在一個(gè)或幾個(gè)機(jī)柜中。由這些裝置構(gòu)成的系統(tǒng)多為集中式控制系統(tǒng)或分層控制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)為我國自動化控制系統(tǒng)發(fā)揮了重要作用 ，其開拓性的實(shí)踐是今天控制系統(tǒng)豐富多彩的基礎(chǔ)。但是，這類系統(tǒng)技術(shù)上已經(jīng)落后，不符合控制系統(tǒng)分布、開放的發(fā)展趨勢。 DCS 控制系統(tǒng) DCS 在我國控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的 DCS 主要有 4 層結(jié)構(gòu)：第 1 層是 I/O 層；第 2 層是控制器層；第 3 層是人機(jī)接口層；第 4層是企業(yè)信息系統(tǒng)層。這種結(jié)構(gòu)除在第 3 層、第 4 層之間采用以太網(wǎng)外，其他都是專用網(wǎng)絡(luò)，控制設(shè)備及軟件也是專用的，開放程度不夠，給系統(tǒng)維護(hù)及升級帶來不便。 DCS 在設(shè)備配置上還要求網(wǎng)絡(luò)、控制器、電源甚至模件等都為冗余結(jié)構(gòu)，支持無擾切換和帶電插拔， 由于設(shè)計(jì)上的高要求，導(dǎo)致 DCS 成本太高。 PLC 可編程邏輯控制器 嚴(yán)格說來，單獨(dú)的 PLC 因缺少人機(jī)接口及信息系統(tǒng)等部分，不是一個(gè)控制系統(tǒng)。 PLC 由于其高可靠性及使用的方便性，占領(lǐng)著很大的市場份額。從控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來看，傳統(tǒng)的 PLC 相當(dāng)于通用化的微機(jī)監(jiān)控裝置， 第 13 頁 共 31 頁 此資料來自 由電源模件、 CPU 模件、 I/O 模件、槽板及擴(kuò)展插箱組成，使用廠家提供的梯形圖邏輯語言進(jìn)行編程。但隨著市場的需要及 DCS 的挑戰(zhàn)， PLC 家族在以下幾方面得到了發(fā)展：①分布式 I/O 連接能力方面，由于許多高檔PLC 支持遠(yuǎn)程 I/O 及現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)（如 DeviceNet， Profibus 等），使 PLC向下連接更分布；②廠級控制系統(tǒng)連接方面，許多 PLC 支持高速網(wǎng)絡(luò)，如 Ether ， ControlNet， Profibus 等；③軟件的開放性方面，由于許多 PLC 支持 OPC 標(biāo)準(zhǔn)（ object linking and embedding for process control），使軟、硬件平臺之間的數(shù)據(jù)通信找到了一個(gè)實(shí)現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)。這種部分開放加上部分專用所構(gòu)成的系統(tǒng)可能還會延續(xù)一段時(shí)間。 但是， PLC 需配置額外的設(shè)備和電路，與 DCS 相比，雖有成本上的優(yōu)勢，但可靠性、 電氣性能卻不如 DCS。 FCS 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) FCS（ fieldbus control system）顧名思義基于現(xiàn)場總線，根據(jù) IEC標(biāo)準(zhǔn)及現(xiàn)場總線基金會的定義：現(xiàn)場總線是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)場總線系統(tǒng)應(yīng)具有以下技術(shù)特點(diǎn)：①系統(tǒng)的開放性；②互可操作性與可用性；③現(xiàn)場設(shè)備的智能化與功能自治性；④系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性；⑤對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性。 由于有以上技術(shù)要求，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)將是開放系統(tǒng)的主要支撐力量。由于受集團(tuán)利益的限制，現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)本身目前 還未形成一個(gè)單一的標(biāo)準(zhǔn)。 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)不僅需要控制系統(tǒng)設(shè)備制造商的支持，更主要的是要得到分散在現(xiàn)場的傳感器及執(zhí)行設(shè)備的支持，以取代 DCS 的數(shù)字 /模 第 14 頁 共 31 頁 此資料來自 擬混合技術(shù)，成為全數(shù)字式系統(tǒng)。這樣的系統(tǒng)才會比 DCS 有很大的技術(shù)及成本優(yōu)勢，但現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)近幾年內(nèi)難以實(shí)現(xiàn)。 針對上述所作比較，結(jié)合公司 DCS 第一期工程的經(jīng)驗(yàn)得失，我們決定本期項(xiàng)目實(shí)施仍然以 DCS 技術(shù)為主體，兼顧現(xiàn)場總線技術(shù)。 2. 用 DCS 技術(shù)實(shí)現(xiàn)發(fā)酵過程監(jiān)控方案設(shè)計(jì) 本工程將對我公司抗生素發(fā)酵規(guī)模較大的三個(gè)車間實(shí)現(xiàn)發(fā)酵計(jì)算機(jī)自動化控制。 主要內(nèi)容： 包括六車間 14 個(gè)大罐 780T 發(fā)酵體積、二車間 14 個(gè)大罐 385T 發(fā)酵體積和九車間 10 個(gè)大罐 330T 發(fā)酵體積共計(jì) 1495T 發(fā)酵體積實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自動化控制（ DCS）及與之配套的發(fā)酵工藝綜合分析系統(tǒng)。 需求分析 要求以系統(tǒng)的先進(jìn)性、成熟性、可適性、安全性、可靠性、可擴(kuò)展性、可維護(hù)性和性能價(jià)格比等作為系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)原則。 功能目標(biāo) 對抗生素發(fā)酵生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)不間斷連續(xù)監(jiān)控，保證車間生產(chǎn)連續(xù)、穩(wěn)定、安全、高效運(yùn)行； 滿足生產(chǎn)工藝要求，具有現(xiàn)場操作和參數(shù)修改、報(bào)警顯示、實(shí)時(shí)和歷史 趨勢顯示、生成報(bào)表（日報(bào)表、批報(bào)表等）及打印輸出等功能； 具有網(wǎng)絡(luò)通訊、數(shù)據(jù)庫接口，可實(shí)現(xiàn)信息共享。 性能目標(biāo) 系統(tǒng)的可靠性 第 15 頁 共 31 頁 此資料來自 系統(tǒng)選用美國 HONEYWELL 公司生產(chǎn)的 PLANTSCAPE 集散控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有很強(qiáng)的可靠性、安全性，同時(shí)還具有易擴(kuò)展等特點(diǎn)，在發(fā)酵控制領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛，由于控制器 I/O 口與現(xiàn)場直接相連，因此對可靠性的要求尤為重要，該系統(tǒng)平均無故障時(shí)間不小于 3 104 小時(shí)，系統(tǒng)可用率達(dá) %，模板支持熱插拔，可進(jìn)行無擾動切換?，F(xiàn)場采集信號輸入和輸出用配 電器隔離； 系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性 對現(xiàn)場監(jiān)控信息實(shí)施實(shí)時(shí)監(jiān)測， PLANTSCAPE 集散控制系統(tǒng)采集信號參數(shù)時(shí)間從 秒～ 60 秒不等，根據(jù)發(fā)酵生產(chǎn)工藝要求，采集參數(shù)時(shí)間為 2 秒，滿足實(shí)時(shí)要求； 系統(tǒng)的安全性 系統(tǒng)對系統(tǒng)管理員、工程師、操作員有各自不同的操作權(quán)限，對一些重要的操作命令進(jìn)行口令復(fù)核和操作復(fù)核，防止發(fā)生誤操作和越權(quán)操作。 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理 DCS 系統(tǒng)對發(fā)酵過程控制進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、按生產(chǎn)工藝要求控制參數(shù)、生成歷史曲線、生成日報(bào)表或批報(bào)表及向主干網(wǎng)傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)。 發(fā) 酵過程控制系統(tǒng)的構(gòu)成見圖： 以太21”顯示器 15”顯示器 服務(wù)器 (操作員站) 工作站 (工程師站 ) 打印機(jī) 打印機(jī) 第 16 頁 共 31 頁 此資料來自 網(wǎng) 以太網(wǎng) 上位機(jī)由一臺服務(wù)器（兼做操作站）和一個(gè)工作站（管理員和工程師站）組成。日常的生產(chǎn)操作在操作員站完成，管理關(guān)鍵參數(shù)整定工作在工程師站完成。操作員站和工程師站各配置一臺打印機(jī)，可進(jìn)行報(bào)表打印及數(shù)據(jù)歷史曲線打印。 控制器是 HONEYWELL 公司的 S9000 回路控制器，可并接多個(gè)控制器和連接數(shù)個(gè)擴(kuò)展機(jī)箱。控制器和服務(wù)器及工作站之間、控制器和控制器之間的網(wǎng)絡(luò)通訊是以以太網(wǎng)（ Ether）實(shí)現(xiàn)的，先進(jìn)的以太網(wǎng)（ Ether）通訊，為以后全公司計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)奠定了基礎(chǔ)。 接口儀表如 SFPX 多功能配電器有效地將供電、信號輸入、信號輸出三者實(shí)施分離，抗共模干擾能力 3000V，切斷測控元件和系統(tǒng)回路之間有害地電耦合，將干擾抑制到最小程度，將各通道之間的干擾抑制到最小程度。 傳感器根據(jù)被測對象的內(nèi)容， 分為溫度傳感器、 PH 傳感器、壓力傳感器、 DO 傳感器、尾氣 CO2 傳感器、流量傳感器和稱重傳感器等。傳感器的參數(shù)及性能見表： 控制機(jī)柜 (控制器 1) 控制機(jī)柜 (擴(kuò) 展箱 ) 接口儀表 現(xiàn)場變送器 現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)