【文章內容簡介】 標準總線結構，配置各種通用的功能模板，并留有一定的冗余，在需要擴充時只需增加相應功能的通道或模板就能實現(xiàn)。在系統(tǒng)監(jiān)控軟件和控制算法等軟件設計中也應采用標準模塊化結構。類似硬件設計，軟件設計中也可按控制需求選擇各種功能模塊靈活地構成控制系統(tǒng)整體軟件。經濟效益高監(jiān)控系統(tǒng)除了滿足生產工藝所必需的技術質量要求以外，也應該帶來良好的經濟效益。這主要體現(xiàn)在兩個方面:一方面是系統(tǒng)的性能價格比要盡可能的高，而投入產出比要盡可能的低，回收周期要盡可能地短。另一方面還要從提高產品質量與產量，降低能耗，減少污染、改善勞動條件等經濟、社會效益各方面進行綜合評估，有可能是一個多目標優(yōu)化問題。隨著計算機技術的飛速發(fā)展，自動控制和自動化設備更新?lián)Q代非常頻繁，在設計監(jiān)控系統(tǒng)時應充分考慮監(jiān)控方案的先進性和設備、通信等的先進性，在盡量縮短設計研制周期的同時，要有一定的預見性。3. 2監(jiān)控系統(tǒng)的功能要求根據鎮(zhèn)海港埠有限公司化工隊生產裝卸實際情況，寧波港液體化工區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)應該具有以下的功能:、溫度、壓力，罐區(qū)可燃氣體，閥門狀態(tài)進行監(jiān)測:對碼頭可燃氣體濃度，連通管道壓力、流量、閥門狀態(tài)進行監(jiān)測。監(jiān)控系統(tǒng)主要采集模擬量、數(shù)子量、開關量等數(shù)據。1)模擬量的采集。需要采集的模擬量主要有:溫度傳感器、壓力傳感器、可燃氣體檢測儀等輸出的4^20mA電流信號。2)開關量的采集。需要采集的開關量主要有:閥門狀態(tài)、繼電器狀態(tài)、手動/自動選擇開關狀態(tài)。3)數(shù)子量的采集。主要是液位變送器、輸油管上流量計數(shù)器計數(shù)脈沖的采集。對泵進行啟?？刂?，對消防水噴淋進行控制。本系統(tǒng)可以全自動管理和控制監(jiān)控工作，流程作業(yè)情況要求能在中控室監(jiān)視器監(jiān)看，但為了在特殊情況下人可以超越計算機進行控制，因此，應設置手動自動控制方式的轉換開關。為了分析現(xiàn)場設備故障的方便，應設置故障報警記錄功能，監(jiān)控單元設置好各工作參數(shù)的報警閥值，如液位、溫度、壓力上限和下限，并在運行過程中對這些工作參數(shù)循環(huán)進行越限監(jiān)視，以便實時記錄報警事件、報警位置、發(fā)生的時間、報警原因，并生成報警表，供查詢分析。SOE (Sequence of Events)包括啟動自檢記錄，進出料記錄，故障報警記錄，系統(tǒng)管理員登錄記錄，監(jiān)控參數(shù)閥值修改記錄等，并記錄下所有事件的發(fā)生時間。利用工業(yè)通用組態(tài)軟件開發(fā)監(jiān)控軟件平臺，實時顯示現(xiàn)場工作狀況和操作結果，比如:監(jiān)控參數(shù)閥值修改、自動生成報表、各操作界面的切換等，界面友好，圖形元素豐富、明了，操作簡便，極易上手。按照鎮(zhèn)海港埠有限公司化工隊生產要求的周期和格式，生成日報、月報、季報和年報，并在局域網內部共享，供管理部門打印、存檔。根據事件記錄信息生成和打印運行日志。 趨勢曲線的生成和顯示作為監(jiān)控系統(tǒng)的一個重要環(huán)節(jié)，可以直觀反映一些重要工作參數(shù)的變化情況，比如液位實時和歷史曲線可以看出每個儲罐每天工作量(進料和出料)，進而來平衡各物料泵的工作時間以達到延長物料泵使用壽命的目的。趨勢曲淺分為實時趨勢曲線和歷史趨勢曲線，分別對應實時數(shù)據庫和歷史數(shù)據庫。監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據庫管理也是很重要的環(huán)節(jié)，歷史數(shù)據的形成和存儲是數(shù)據庫管理的主要內容，此外，為滿足寧波港液體化工區(qū)管理的需要，必須進行一些數(shù)據處理工作。接入內部局域信息網，生成報表和數(shù)據庫文件，供管理部門讀取瀏覽。本系統(tǒng)通過添加模塊可以逐步擴展，罐區(qū)自動灌裝、照明等部分均可以納入該系統(tǒng)，形成寧波港液體化工區(qū)現(xiàn)場綜合管理控制系統(tǒng)。系統(tǒng)功能示意圖如圖31所示。圖31系統(tǒng)功能示意圖3. 3監(jiān)控方案研究隨著計算機技術的不斷發(fā)展，可靠性的不斷提高，以及價格的大幅度降低，計算機在工業(yè)中的應用越來越普及。目前，計算機控制系統(tǒng)大致可分以下幾種類型:(1)數(shù)據采集系統(tǒng)。(2)操作指導控制系統(tǒng):(3)監(jiān)督控制系統(tǒng)((SCC)。 (4)直接數(shù)字控制系統(tǒng)(DDC)。(S)多級分布式計算機控制系統(tǒng)(DCS)。(6)基于現(xiàn)場總線技術的計算機控制系統(tǒng)((FCS )。 (7)遠程I/O控制系統(tǒng)。根據寧波港集團鎮(zhèn)海港埠有限公司對監(jiān)控系統(tǒng)的要求，報告分別對分散控制系統(tǒng)(DCS )，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)，以及遠程I/O控制系統(tǒng)加以論述、比較，提出最適合在寧波港液體化工區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)中應用的系統(tǒng)總體方案。3. 3. 1分散控制系統(tǒng)(DCS)此系統(tǒng)的結構示意如圖32所示。圖32分散控制系統(tǒng)(DCS)系統(tǒng)結構示意圖 被稱為“第四代”控制系統(tǒng)的分散控制系統(tǒng)(DCS )，是目前計算機監(jiān)控系統(tǒng)中采用最多的系統(tǒng)結構形式。系統(tǒng)可分為四個大的部分。第一部分為位于現(xiàn)場的現(xiàn)場設備，現(xiàn)場級設備是各類傳感器、變送器和執(zhí)行器，它們都要是滿足本質安全要求的設備，其中傳感器、變送器將現(xiàn)場各種物理量統(tǒng)一轉換為420mA電信號(或者其他類型的模擬量信號)，而執(zhí)行器則接受模擬量信號，作用于現(xiàn)場設備。第二部分是將現(xiàn)場信號連接在一起的大量的電線電纜、接線端子以及現(xiàn)場接線箱、接線柜和鋪設電纜所需的電纜橋架等等輔助設備。第三部分為安全柵，主要起到限制從安全區(qū)到危險區(qū)的能量，使該能量足夠小到不足以點燃危險區(qū)中危險爆炸混合物的程度，同時現(xiàn)場設備的短路或其它故障也被安全柵隔離，安全柵還起到對一些標準信號進行必要轉換的作用。安全柵有齊納式和隔離式兩種類型，只能放置在安全區(qū)。第四部分為控制站，采用DCS或PLC。一般由DCS或PLC的CPU單元、各種開關量(DI/DO)和模擬量(AI/AO)以及其它特殊信號的輸入/輸出卡件、供電電源模塊等組成。系統(tǒng)的工作原理為:設備將檢測到的各種物理量轉換成各種標準信號通過電線電纜傳送到安全柵，安全柵將信號隔離后傳送到DCS/PLC的輸入卡件，輸入卡件將這些標準信號轉換成DCS/PLC內部的信號并傳送到CPU中進行處理，處理的結果再經過相反的路徑傳送到現(xiàn)場的執(zhí)行器。該系統(tǒng)的優(yōu)點在于:，容易被一般的維護及操作人員所理解?！皞鹘y(tǒng)型”，與“總線型”設備比較起來歷史悠久更重要的是可選擇的范圍寬。但是，該系統(tǒng)的缺點也是十分明顯的:1，現(xiàn)場設備與控制室之間的距離遠，因此在構成系統(tǒng)時就需要大量的電線電纜、接線端子及橋架等等輔助設備，系統(tǒng)的硬件成本高。，因此系統(tǒng)的人工費用成本也高。，使得信號的衰減和干擾問題十分的突出。，因此不同系統(tǒng)之間的信息無法共享，造成了一個又一個的“信息孤島”。3. 3. 2現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)此系統(tǒng)的結構示意如圖33所示?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)被稱為“第五代”控制系統(tǒng)。這是一種新的控制系統(tǒng)，它是在現(xiàn)場總線技術發(fā)展的驅動之下形成的新型網絡集成式分布控制系統(tǒng)。整個系統(tǒng)以現(xiàn)場總線為基礎將系統(tǒng)的各個部分連接起來。從上面的示意圖可以看出該控制系統(tǒng)也分為四個部分。第一部分為現(xiàn)場設備。目前人們將現(xiàn)場設備按照是否具有總線接口分成“傳統(tǒng)型”和“總線型”兩大部分。所謂“傳統(tǒng)型”現(xiàn)場設備是指在現(xiàn)場總線技術出現(xiàn)之前就己經開始使用的不具備總線接口的產品，它們不能夠直接掛接到現(xiàn)場總線上。而“總線型”現(xiàn)場設備是伴隨著現(xiàn)場總線技術的發(fā)展而產生的具有總線接口可直接掛接到現(xiàn)場總線上的產品。在該方案中，現(xiàn)場設備都要采用“總線型”的產品。第二部分為起到總線分支和防爆作用的總線H1卡和總線安全柵?？偩€主干通過H1卡被分成許多網段，每個網段上的電流經過總線安全柵后被限制到本質安全防爆所允許的范圍之內，但是每塊總線安全柵只能接8塊以下的現(xiàn)場設備，因此該系統(tǒng)中要配置N塊H1網卡和N個總線安全柵，并且H1卡和總線安全柵只能放置在安全區(qū)(一般與控制器放置在同一個控制柜內)。第三部分為控制器，常采用具有現(xiàn)場總線接口的DCSIPLC的CPU單元。由于現(xiàn)場設備都具有總線接口(即可以直接掛接到總線上與控制器進行通信)，因此就無需DCS/PLC的各種輸入輸出卡件了。第四部分為將前三部分連接在一起的現(xiàn)場總線電纜，專用接插件及其它的輔助連接設備。圖33現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)系統(tǒng)結構示意圖系統(tǒng)的工作原理為:現(xiàn)場設備將檢測到的各種參數(shù)轉換成符合所采用的總線協(xié)議的信號，在主控制器讀取其數(shù)據的總線周期內將這些信號經過現(xiàn)場總線傳送到H1網卡，H1網卡將這些信號匯總后傳送到主控制器的總線接口模塊中，該模塊再將這些總線信號轉換成DCSIPLC內部可以識別的信號。系統(tǒng)的控制輸出信號經過相反的傳送到現(xiàn)場的執(zhí)行器處?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)的優(yōu)點則在于:，節(jié)省控制柜空間從而節(jié)省了控制室所需的空間?！凹床寮从谩钡慕硬寮?，接線方便、快速、準確、牢固。，工作量小，可節(jié)省大量的人工費用。，使故障點的定位十分迅速，從而縮短系統(tǒng)的故障停車時間。，信號傳輸精度大大提高。而現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)的缺點是:，一般的維護操作人員理解起來較困難。3. H1網段不支持冗余，因此系統(tǒng)的高可靠性較難保證。，更換費用高。，系統(tǒng)的循環(huán)時間長，實時性較差。基于遠程I/O的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。此控制系統(tǒng)的結構示意如圖34所示。所謂“總線型”遠程I/O是針對傳統(tǒng)的采用某一廠家專有的通訊協(xié)議與主控制器進行數(shù)據交換的遠程I/O產品而言的，即其與主控制器之間是通過開放的現(xiàn)場總線進行數(shù)據的交換。圖34基于遠程I/O的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)結構示意圖 “總線型”遠程I/O備安全柵防爆功能的普通型和將安全柵集成在I/O防爆型。而防爆型的遠程I/O只能放在安全區(qū)和可以直接放置在危險現(xiàn)場的兩類產品。普通型的遠程I/O，一方面只能放在安全區(qū)不能靠近現(xiàn)場，失去了遠程I/O的優(yōu)勢。另一方面其不具備安全柵的防爆功能，在具體應用時還要再另外使用安全柵來確保系統(tǒng)的安全。而對于防爆型遠程I/O中只能放置在安全區(qū)的產品而言，其同樣具有不能靠近現(xiàn)場而失去了遠程I/O優(yōu)勢的問題。對于可以直接放置在危險現(xiàn)場的防爆型遠程I/O而言，其既可以直接安裝在危險現(xiàn)場充分發(fā)揮遠程I/O的優(yōu)勢，又可以做到本質安全防爆，因此，在做“總線型”遠程I/O的控制方案時，考慮采用此類的產品。報告在后面的討論中提到的“總線型”遠程I/O的控制方案，如無特殊聲明都指的是采用此類遠程I/O的方案。從圖3一可以看出，整個的系統(tǒng)可以分為五個部分。第一部分與FCS相同為具有現(xiàn)場總線接口的DCS/PLC的CPU單元，“總線型”遠程I/O的應用使得DCS/PLC的本地輸入輸出模塊也不再需要了。第二部分為主控器與遠程I/O之間的現(xiàn)場總線及連接附件。此處，現(xiàn)場總線設計為雙總線的冗余結構。第三部分為“總線型”防爆遠程I/O其可以直接放置在危險現(xiàn)場并可以直接連接“傳統(tǒng)型”的現(xiàn)場設備并將這些設備的信號轉換為總線信號傳送到主控制器。第四部分為“傳統(tǒng)型”的現(xiàn)場設備。第五部分為現(xiàn)場設備與遠程I/O之間的連接電纜及附件。系統(tǒng)的工作原理為:現(xiàn)場設備采集的各種信號以“點對點”的方式傳送到遠程I/O信號進入到I/O卡件后首先經過隔離(即安全柵的作用)然后再轉換成符合現(xiàn)場總線協(xié)議的信號，這些信號由遠程I/O經外部總線傳送到主控制器。從主控制器發(fā)出的控制信號經過相反的路徑傳送到現(xiàn)場設備。該系統(tǒng)的優(yōu)點在于:。從而使DCS系統(tǒng)中需使用的現(xiàn)場接線箱、長距離的連接電纜及附件、大量的安全柵及端子和機柜、DCS/PLC的接線端子和I/O卡件等大量的硬件都不再需要了。而僅僅需要為數(shù)很少的總線電纜就可將位于現(xiàn)場的遠程I/O與DCS/PLC的總線接口模塊連接起來，遠程I/O與現(xiàn)場設備之間可以通過很短的線纜進行連接。即硬件數(shù)量大大減少，從而硬件成本大為降低。“傳統(tǒng)型”的現(xiàn)場設備并且原有的液位儀表可以保留，進一步節(jié)省了設備投資。，從而減低了施工的難度和費用。，因此很好地解決了信號的衰減和干擾問題，從而信號的傳輸精度大大提高。 ，使系統(tǒng)故障的快速定位可以十分簡單地實現(xiàn)。，確保了系統(tǒng)的安全。該系統(tǒng)的劣勢僅僅在于將遠程I/O放置在現(xiàn)場，增加了現(xiàn)場的維護工作量。3. 3. 4監(jiān)控方案比選在化工行業(yè)中，有兩個不同的過程，一個是所謂的“批量”生產過程，另一個是所謂的“連續(xù)”生產過程。在這兩個過程中，一個意外的中途“停車”可能會帶來很大的損失，因此，系統(tǒng)的連續(xù)運轉能力是需要首先考慮的問題，這也就解釋了在該領域內做系統(tǒng)設計的時候為什么十分強調“故障一安全”的原因了。也就是說，如果采用現(xiàn)場總線，那么，系統(tǒng)的連續(xù)運轉能力至少不能夠比采用傳統(tǒng)的控制結構低。傳統(tǒng)的控制結構中，某一點的故障只會影響這一個或幾個相關點的工作，不至于影響到整個的控制系統(tǒng)，但是這種點對點的連接(一根導線上只連接兩個點)概念就與現(xiàn)場總線的在一根總線電纜上盡可能多地串接設備的概念是相互矛盾的。為了做到這一點，就要考慮將現(xiàn)場總線系統(tǒng)設計為冗余的結構，但這樣做就會降低成本節(jié)省的潛力。同時，又帶來了另一個重要的問題，就是要求每個現(xiàn)場設備要具有兩個總線接口或者采用環(huán)型的總線結構來連接現(xiàn)場設備，很顯然，這樣做是不經濟的。如果采用一定數(shù)量的小型遠程I/O來連接現(xiàn)場設備的話，就可以通過在該遠程I/O上配置兩個網關來實現(xiàn)總線線路的冗余，而且最大的好處就是大大減少了現(xiàn)場儀表與總線的連接部件從而大大降低了接線成本。另一個更為復雜的問題是現(xiàn)場的爆炸防護。常規(guī)的爆炸防護方法很簡單，例如，通過限制能量來避免產生火花的本安(EX i )方法，通過特殊的外殼來防護的隔爆(EX d)和澆封(EX m)的方法等等。但是，這些方法都與現(xiàn)場總線的基本概念有相抵觸的地方。如果，從限制能量的角度考慮(運用本安方法)，那么，每個總線分支上允許連接的現(xiàn)場設備的數(shù)量就會大大的減少，例如，PROFIBUS PA或FOUNDATION FIELDBUS的每一個總線分支上允許連接的現(xiàn)場設備的數(shù)量被限制在610個，但是本來如果沒有能量限制的話，PROFIBUS DP的一個分支上可以連接100多個現(xiàn)場設備(通過中繼器)。如運用隔爆(EX d)或澆封(EX m )的方法(它們常常與增安方法組合使用)，那么，對進入危險區(qū)的能量基本上是沒有什么限制，但是，這兩種方法的缺陷就是在現(xiàn)場設備進行檢修或更換之前必須要把供電切斷。但對于現(xiàn)場總線系統(tǒng)來說，設備的“熱插拔”應該是一個起碼的要求。當然，可以采用總線是本安的，現(xiàn)場設備用隔爆(EX d)或澆封(EX m)方法的系統(tǒng)方案，也就是說，現(xiàn)場設備均選用無需總線供