時間:2018-01-19 10:05:45來源:網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)載
一、區(qū)別要點
1、DCS
DCS系統(tǒng)的關(guān)鍵是通信。也可以說數(shù)據(jù)公路是分散控制系統(tǒng)DCS的脊柱。由于它的任務(wù)是為系統(tǒng)所有部件之間提供通信網(wǎng)絡(luò),因此,數(shù)據(jù)公路自身的設(shè)計就決定了總體的靈活性和安全性。數(shù)據(jù)公路的媒體可以是:一對絞線、同軸電纜或光纖電纜。
通過數(shù)據(jù)公路的設(shè)計參數(shù),基本上可以了解一個特定DCS系統(tǒng)的相對優(yōu)點與弱點。
(1)系統(tǒng)能處理多少I/O信息。
(2)系統(tǒng)能處理多少與控制有關(guān)的控制回路的信息。
(3)能適應(yīng)多少用戶和裝置(CRT、控制站等)。
(4)傳輸數(shù)據(jù)的完整性是怎樣徹底檢查的。
(5)數(shù)據(jù)公路的最大允許長度是多少。
(6)數(shù)據(jù)公路能支持多少支路。
(7)數(shù)據(jù)公路是否能支持由其它制造廠生產(chǎn)的硬件(可編程序控制器、計算機、數(shù)據(jù)記錄裝置等)。
為保證通信的完整,大部分DCS廠家都能提供冗余數(shù)據(jù)公路。
為了保證系統(tǒng)的安全性。使用了復雜的通信規(guī)約和檢錯技術(shù),所謂通信規(guī)約就是一組規(guī)則,用以保證所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)被接收,并且被理解的和發(fā)送的數(shù)據(jù)一樣。
目前在DCS系統(tǒng)中,一般使用兩類通信手段,即同步的和異步的,同步通信依靠一個時鐘來調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)的傳輸和接收,異步網(wǎng)絡(luò)采用沒有時鐘的報告系統(tǒng)。
2、FCS
FCS的關(guān)鍵要點有以下三點。
(1)FCS系統(tǒng)的核心是總線協(xié)議,即總線標準。
一種類型的總線,只要其總線協(xié)議一經(jīng)確定,相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)與有關(guān)的設(shè)備也就被確定,就其總線協(xié)議的基本原理而言,各類總線都是一樣的,都以解決雙向串行數(shù)字化通信傳輸為基本依據(jù)。但是由于各種原因,各類總線的總線協(xié)議存在很大的差異。
為了使現(xiàn)場總線的滿足可互操作性要求,使其成為真正的開放系統(tǒng),原IEC國際標準,現(xiàn)場總線通信協(xié)議模擬的用戶層中,就明確規(guī)定用戶層具有裝置描述功能。為了實現(xiàn)互操作,每個現(xiàn)場總線裝置都用裝置描述DD來描述。DD能夠認為是裝置的一個驅(qū)動器,它包括所有必要的參數(shù)描述和主站所需要的操作步驟。由于DD包括描述裝置通信所需要的所有信息,并且與主站無關(guān),所以可以使現(xiàn)場裝置實現(xiàn)真正的互操作性。
實際情況是否如上述一致,回答是否定的。目前通過的現(xiàn)場總線國際標準含8種類型,而原IEC國際標準只是8種類型之一,與其它7種類型總線的地位是平等的。其它7種類型總線,不論其市場占有率有多少,每個總線協(xié)議都有一套軟件、硬件的支撐。他們能夠形成系統(tǒng),形成產(chǎn)品。而原IEC現(xiàn)場總線國際標準,是一個既無軟件支撐也無硬件支撐的空架子。要實現(xiàn)這些總線的相互兼容和互操作,就目前狀態(tài)而言,幾乎是不可能的。
通過上述,我們是否可以得出這樣一種映象:開放的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的互操作性,就一個特定類型的現(xiàn)場總線而言,只要遵循該類型現(xiàn)場總線的總線協(xié)議,對其產(chǎn)品是開放的,并具有互操作性,換句話說,不論什么廠家的產(chǎn)品,也不一定是該現(xiàn)場總線公司的產(chǎn)品,只要遵循該總線的總線協(xié)議,產(chǎn)品之間是開放的,并具有互操作性,就可以組成總線網(wǎng)絡(luò)。
(2)FCS系統(tǒng)的基礎(chǔ)是數(shù)字智能現(xiàn)場裝置。
數(shù)字智能現(xiàn)場裝置是FCS系統(tǒng)的硬件支撐,是基礎(chǔ),道理很簡單,F(xiàn)CS系統(tǒng)執(zhí)行的是自動控制裝置與現(xiàn)場裝置之間的雙向數(shù)字通信現(xiàn)場總線信號制。如果現(xiàn)場裝置不遵循統(tǒng)一的總線協(xié)議,即相關(guān)的通信規(guī)約,不具備數(shù)字通信功能,那么所謂雙向數(shù)字通信只是一句空話,也不能稱之為現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。再一點,現(xiàn)場總線的一大特點就是要增加現(xiàn)場一級控制功能。如果現(xiàn)場裝置不是多功能智能化的產(chǎn)品,那么現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)的特點也就不存在了,所謂簡化系統(tǒng)、方便設(shè)計、利于維護等優(yōu)越性也是虛的。
(3)FCS系統(tǒng)的本質(zhì)是信息處理現(xiàn)場化。
對于一個控制系統(tǒng),無論是采用DCS還是采用現(xiàn)場總線,系統(tǒng)需要處理的信息量至少是一樣多的,實際上,采用現(xiàn)場總線后,可以從現(xiàn)場得到更多的信息?,F(xiàn)場總線系統(tǒng)的信息量沒有減少,甚至增加了,而傳輸信息的線纜卻大大減少了。這就要求一方面要大大提高線纜傳輸信息的能力,另一方面讓大量信息在現(xiàn)場就地完成處理,減少現(xiàn)場與控制機房之間的信息往返??梢哉f現(xiàn)場總線的本質(zhì)就是信息處理的現(xiàn)場化。
減少信息往返是網(wǎng)絡(luò)設(shè)計和系統(tǒng)組態(tài)的一條重要原則。減少信息往返常常可帶來改善系統(tǒng)響應(yīng)時間的好處。因此。網(wǎng)絡(luò)設(shè)計時應(yīng)優(yōu)先將相互間信息交換量大的節(jié)點,放在同一條支路里。
減少信息往返與減少系統(tǒng)的線纜有時會相互矛盾。這時仍應(yīng)以節(jié)省投資為原則來做為選擇。如果所選擇系統(tǒng)的響應(yīng)時間允許的話,應(yīng)選節(jié)省線纜的方案。如所選系統(tǒng)的響應(yīng)時間比較緊張,稍微減少一點信息的傳輸就夠用了,那就應(yīng)選減少信息傳輸?shù)姆桨浮?/p>
現(xiàn)在一些帶現(xiàn)場總線的現(xiàn)場儀表本身裝了許多功能塊,雖然不同產(chǎn)品同種功能塊在性能上會稍有差別,但一個網(wǎng)絡(luò)支路上有許多功能雷同功能塊的情況是客觀存在。選用哪一個現(xiàn)場儀表上的功能,是系統(tǒng)組態(tài)要解決的問題。
考慮這個問題的原則是:盡量減少總線上的信息往返。一般可以選擇與該功能有關(guān)的信息輸出最多的那臺儀表上的功能塊。
二、典型系統(tǒng)比較
通過使用現(xiàn)場總線,用戶可以大量減少現(xiàn)場接線,用單個現(xiàn)場儀表可以實現(xiàn)多變量通信,不同制造廠生產(chǎn)的裝置間可以完全互操作,增加現(xiàn)場一級的控制功能,系統(tǒng)集成大大簡化,并且維護十分簡便。傳統(tǒng)的過程控制系統(tǒng)中,每個現(xiàn)場裝置到控制室都需使用一對專用的雙絞線,以傳送4-20mA信號,現(xiàn)場總線系統(tǒng)中,每個現(xiàn)場裝置到接線盒雙絞線仍然可以使用,但是從現(xiàn)場接線盒到中央控制室僅用一根雙絞線完成數(shù)字通信。
通過采用現(xiàn)場總線控制系統(tǒng),到底能節(jié)省多少電纜,編者尚未做此計算。但是,我們可以采用DCS系統(tǒng)的電廠中與自動控制系統(tǒng)有關(guān)的所用電纜公里數(shù)看出,電纜在基建投資中所占份額。
1、某電廠,2×300MW燃煤機組
熱力系統(tǒng)為單元制。每臺機組設(shè)置一座集中控制樓,采用機、爐、電單元集中控制方式。單元控制室的標高為12.6m,與運行層標高一致。DCS采用WDPF-Ⅱ,每臺機組設(shè)計的I/O點為4500點。
電纜敷設(shè)采用俄EC元件,8個人用1.5個月時間完成敷設(shè)的設(shè)計任務(wù)。
主廠房內(nèi)每臺300MW機組自動化專業(yè)的電纜根數(shù)為4038根。
主廠房內(nèi)每臺300MW機組自動化專業(yè)電纜長度為350公里。
以上電纜的根數(shù)及長度均不包括全廠火災(zāi)報警的廠供電纜和全廠各輔助生產(chǎn)車間的電纜。
電纜橋架的立柱、橋架及小槽盒全部選用鋼制鍍鋅,每臺機組約95t。
其他電纜橋架包括直通、彎通、三通、四通、蓋板、終端封頭、調(diào)寬片、直接片等選用鋁合金材質(zhì),每臺300MW機組約為55t。
附件隨橋架提供(如螺栓,螺母)。
2、某電廠,4×325MW燃油燃氣電站
熱力系統(tǒng)為單元制。DCS采用TELEPERM——XP.每臺機組設(shè)計I/O點為5804點。
電纜敷設(shè)采用EC軟件,12個人用2.5個月時間完成電纜敷設(shè)的設(shè)計任務(wù)。
主廠房內(nèi)每臺325MW機組自動化專業(yè)的電纜根數(shù)為4413根。
主廠房內(nèi)每臺325MW機組自動化裝業(yè)的電纜長度為360km。
每臺機組全部選用鋼制鍍鋅電纜橋架,其質(zhì)量約為250t。
3、電站的電纜可以分為六大類:高壓電力電纜、低壓電力電纜、控制電纜、熱控電纜、弱電電纜(主要指計算機用電纜)、其他電纜。若兩臺300MW機組同時做電纜敷設(shè),自動化專業(yè)電纜的數(shù)量大約有8500根左右。其中熱控電纜和弱電電纜將大于500根,及約占60%左右(以根數(shù)計量)。
三、設(shè)計、投資及使用
上述的比較偏重于純技術(shù)性的比較,以下比較擬加入經(jīng)濟因素。
比較的前提是DCS系統(tǒng)與典型的,理想的FCS系統(tǒng)進行比較。為什么要做如此的假設(shè)?作為DCS系統(tǒng)發(fā)展到今天,開發(fā)初期提出的技術(shù)要求已滿足并得到了完善,目前的狀況是進一步提高,因此也就不存在典型、理想的說法。而作為FCS系統(tǒng),20世紀90年代剛進入實用化,作為開發(fā)初期的技術(shù)要求:兼容開放、雙向數(shù)字通信、數(shù)字智能現(xiàn)場裝置、高速總線等,目前還不理想,有待完善。這種狀態(tài)與現(xiàn)場總線國際標準的制定不能說沒有關(guān)系。過去的十多年,各總線組織都忙于制定標準,開發(fā)產(chǎn)品,占領(lǐng)更多的市場,目的就是要擠身國際標準,合法的占領(lǐng)更多的市場,現(xiàn)在有關(guān)國際標準的爭戰(zhàn)已告一段落,各大公司組織都已意識到,要真正占領(lǐng)市場,就得完善系統(tǒng)及相關(guān)產(chǎn)品。我們可以做這樣的預(yù)測,不久的將來,完善的現(xiàn)場總線系統(tǒng)及相關(guān)產(chǎn)品必將成為世界現(xiàn)場總線技術(shù)的主流。
具體比較:
(1)DCS系統(tǒng)是個大系統(tǒng),其控制器功能強而且在系統(tǒng)中的作用十分重要,數(shù)據(jù)公路更是系統(tǒng)的關(guān)鍵,所以,必須整體投資一步到位,事后的擴容難度較大。而FCS功能下放較徹底,信息處理現(xiàn)場化,數(shù)字智能現(xiàn)場裝置的廣泛采用,使得控制器功能與重要性相對減弱。因此,F(xiàn)CS系統(tǒng)投資起點低,可以邊用、邊擴、邊投運。
(2)DCS系統(tǒng)是封閉式系統(tǒng),各公司產(chǎn)品基本不兼容。而FCS系統(tǒng)是開放式系統(tǒng),用戶可以選擇不同廠商、不同品牌的各種設(shè)備連入現(xiàn)場總線,達到最佳的系統(tǒng)集成。
(3)DCS系統(tǒng)的信息全都是二進制或模擬信號形成的,必須有D/A與A/D轉(zhuǎn)換。而FCS系統(tǒng)是全數(shù)字化,就免去了D/A與A/D變換,高集成化高性能,使精度可以從±0.5%提高到±0.1%。
(4)FCS系統(tǒng)可以將PID閉環(huán)控制功能裝入變送器或執(zhí)行器中,縮短了控制周期,目前可以從DCS的每秒2——5次,提高到FCS的每秒10——20次,從而改善調(diào)節(jié)性能。
(5)DCS系統(tǒng)可以控制和監(jiān)視工藝全過程,對自身進行診斷、維護和組態(tài)。但是,由于自身的致病弱點,其I/O信號采用傳統(tǒng)的模擬量信號,因此,它無法在DCS工程師站上對現(xiàn)場儀表(含變送器,執(zhí)行器等)進行遠方診斷、維護和組態(tài)。FCS系統(tǒng)采用全數(shù)字化技術(shù),數(shù)字智能現(xiàn)場裝置發(fā)送多變量信息,而不僅僅是單變量信息,并且還具備檢測信息差錯的功能。FCS系統(tǒng)采用雙向數(shù)字通信現(xiàn)場總線信號制。因此,它可以對現(xiàn)場裝置(含變送器,執(zhí)行機構(gòu)等)進行診斷、維護和組態(tài)。FCS系統(tǒng)的這點優(yōu)越性是DCS系統(tǒng)無法比擬的。
(6)FCS系統(tǒng)由于信息處理現(xiàn)場化,與DCS系統(tǒng)相比,可以省去相當數(shù)量的隔離器、端子柜、I/O終端、I/O卡件、I/O文件及I/O柜。同時也節(jié)省了I/O裝置及裝置室的空間與占地面積,有專家認為可以省去60%。
(7)與(6)同樣理由,F(xiàn)CS系統(tǒng)可以減少大量電纜與敷設(shè)電纜用的橋架等,同時也省去了設(shè)計、安裝和維護費用,有專家認為可以省去66%。
對于(6)、(7)兩點應(yīng)補充說明的是,采用FCS系統(tǒng),節(jié)省投資的效果是不用懷疑的,但是否如有的專家所說達66%.這些數(shù)字在多篇文章中出現(xiàn),編者認為這是相互轉(zhuǎn)摘的結(jié)果,目前還未找到這些數(shù)字的原始出處。因此,讀者在引用數(shù)字時要謹慎。
(8)FCS相對DCS組態(tài)簡單,由于結(jié)構(gòu)、性能標準化,便于安裝、運行、維護。
(9)用于過程控制的FCS設(shè)計開發(fā)要點。這一點并不作為DCS比較,只是說明用于過程控制或者說用于模擬連續(xù)過程類的FCS在設(shè)計開發(fā)中應(yīng)重點考慮的問題。
①要求總線安防爆功能,而且是頭等重要的。
②基本監(jiān)控如流量、料位、溫度、壓力等變化是緩慢的,而且還有滯后效應(yīng),因此,節(jié)點監(jiān)控并不需要快電子學的響應(yīng)時間,但要求有復雜的模擬量處理能力。這一物理特征決定了系統(tǒng)基本上多采用主——從之間的集中輪詢制,這在技術(shù)上是合理的,在經(jīng)濟上是有利的。
③流量、料位、溫度、壓力等參數(shù)的測量,其物理原理是古典的,但傳感器,變送器及控制器應(yīng)向數(shù)字智能化發(fā)展。
④作為針對連續(xù)過程類及其儀器儀表而開發(fā)的FCS系統(tǒng),應(yīng)側(cè)重于低速總線H1的設(shè)計完善。
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