計算機控制系統應用中幾個問題的討論

郭建文

(甘肅銀光化學工業集團有限公司儀表計量檢測中心，甘肅 白銀 730900)

隨著計算機技術與自控理論的完美結合，自控技術有了質的飛躍，DCS和PLC作為典型的代表，已經廣泛地應用于工業生產裝置的自控系統中，提高了工業生產的自動化水平[1～7]，使工業生產的控制手段發生了質的變化。現就計算機控制技術應用中的若干問題進行分析討論。

1 計算機控制系統發展史①

目前在生產過程控制上用的比較多的計算機控制系統主要有DCS和PLC，如霍尼韋爾公司、橫河公司、FOXBORO公司、愛默生公司、西門子公司及ABB公司等的產品。1975年霍尼韋爾公司首先推出DCS系統，發展到今天，經歷了四代產品，第一代典型產品是TDC-2000，SPECTRUM及CENTUM等；第二代典型產品有TDC-3000，優點是數據通信系統的發展，缺點是通信系統各自為政，不同廠家的系統間通信存在困難；第三代典型產品有開放工業控制系統(I/A S系統)，優點是各制造廠的產品間可以實現通信進行數據交換；第四代典型產品有全廠一體化系統(TPS)、CENTUM-CS及Delta V系統等，特點是以管控一體化的形式出現，在硬件上利用了開放的工作站，在網絡結構上增加了工廠信息網，主要為解決了DCS集中管理而研制。

橫河公司DCS的典型產品是CS-3000，是一種開放的DCS系統，經歷了uXL系列、CENTUM系列、CS-1000、CS-3000系統的發展歷史。CS-1000是中小型系統，其所帶檢測點遠小于CS-3000，只有部分功能可實現冗余。FOXBORO公司早期的DCS產品是SPECTRUM，1987年推出I/A Series系統，是世界上第一個體現開放概念的DCS系統——I/A SERIES智能自動化系列，它采用UNIX或Windows NT操作系統，能夠滿足不同用戶的應用需求。1988年底，第一套I/A Series系統正式在中國工業現場安裝并投入使用。愛默生公司的DCS早期產品有R3系統和PROVOX系統，目前其典型代表為Delta V。

PLC系統最具有代表性的是西門子公司的產品，其次是AB等公司。Siemens PLC主要有S5和S7系列，其產品在全球應用十分廣泛，針對不同使用場合和控制點數規模，S7系列產品有S7-200、S7-300和S7-400。該公司推出的PCS7融合了DCS的有關功能。

國內的DCS系統誕生于20世紀80年代，但取得實質性進展則是在20世紀90年代中期，典型產品是JX-300、JX-300X、ECS-100、ECS-700及MACS等系列產品。

國內PLC的發展與國內DCS相比有較大的差距，目前在PLC方面與國外產品相比還存在一定的差距。

2 DCS和PLC

DCS和PLC是兩種不同類型的控制系統，有著各自的應用領域，PLC在冶金、制造、樓宇控制及電氣控制等方面應用較多，主要實現開關量的聯鎖及程序控制等。而DCS主要用于實現模擬量的指示、記錄和PID回路調節功能，目前DCS已發展成為綜合型控制系統，不但能處理模擬量，而且完全可以處理開關量，具有設備管理及系統管理等功能，同時可以和企業信息化建設融合，實現過程生產線數據的集成提取，在化工、煉油及冶金等行業方面應用較多。

隨著計算機、通信和網絡技術的發展，PLC雖然向DCS的功能方面有所滲透，但在硬件的結構和系統軟件和實際工程控制功能的實現上，與DCS仍有較大區別，PLC主要用在聯鎖控制和順序控制，在開關量的處理方面更為靈活。DCS則是一種綜合性的控制系統，能滿足化工控制更多、更安全的要求。

3 ESD系統

緊急停車系統ESD是一種比DCS和PLC在硬件和軟件安全級別上更高的控制系統，其硬件部分一般要通過TUV六級認證。ESD按照獨立設計原則要求，獨立于DCS以外運行，其安全級別高于DCS。正常情況下，ESD處于靜態，不需要人為干預。作為安全保護系統，凌駕于生產過程控制之上，實時在線監測裝置的安全性。只有當生產裝置出現緊急情況時，不需要經過DCS而直接由ESD發出保護聯鎖信號，對現場設備進行安全保護，避免危險擴散造成巨大損失。

ESD一般用于處理要求高的安全聯鎖和順序控制，也可以處理模擬量，但成本比DCS處理要高，除非安全要求更高的模擬量才用ESD去處理。綜上，ESD的主要作用是當生產線出現故障時，使生產線各部分處于安全停車位置。

在設計規范中對安全要求更高的化工裝置，強制要求對有些信號的處理要采用ESD。

4 故障自診斷

目前，工業計算機控制系統都具有故障自診斷功能，都能在一定程度上實現故障的自動檢測，而且隨著計算機控制技術發展的日趨成熟，軟件系統內設置有自診斷程序，通過內部CPU間的相互通信，實時監視著每個硬件的運行狀態，當出現故障時通過相應的硬件發出聲光報警信號。一般每塊硬件上都有相應的運行狀態指示燈，當出現故障時指示燈狀態發生改變。同時系統內部在工作站上會產生相應的報警信號，提醒操作工注意，并通知系統維護人員處理故障。如果出現故障的硬件是冗余的，在系統出現硬件報警信息的同時，出現故障的硬件會自動無擾切換到另一塊冗余硬件，以保證生產正常進行。

在安全要求更高的場合，復雜工藝安全聯鎖控制采用安全聯鎖系統，控制單元三重化或四重化。現以H51q系列ESD為例說明其實現過程。H51q ESD系統的控制單元采用四重化CPU，具有冗余容錯、自診斷功能，且更加完善。每個中央單元有兩個處理器，兩個處理器用比較器以納秒級的速度互相檢測，如果兩個處理器的檢測結果經比較器比較后一致則數據上傳，如果不一致則發出報警信號，提醒系統維護人員。當出現數據不一致的情況時，CPU在發出報警的同時會將控制權自動無擾地交給冗余中央單元，同時自動退出控制，發生故障的中央單元可在線熱插拔進行更換[8]，保障生產的連續進行。軟件系統設計有冗余管理和故障處理程序，當出現硬件故障時，系統顯示故障點，幫助迅速更換故障硬件使系統始終處于安全狀態。四重化的處理器工作方式為4-2-0，即系統完全正常時有4個CPU在工作，出現故障時兩個CPU工作，系統完全癱瘓時為零。

5 系統的安全可靠性

應用于工業生產的計算機控制系統除了對工作站、控制站及輸入/輸出模塊等硬件在制作工藝上有特殊要求之外，還需要通過相應的可靠性檢測認證，以保證其運行的高可靠性。除此之外，在系統的硬件和軟件配置上，要根據不同的使用場合和工藝條件，選擇相應的配置。

在DCS的設計配置上，一般要求電源、控制器、通信網絡冗余；針對不同的工藝，還要考慮關鍵的模擬量輸入/出冗余；再針對某些安全要求高的場合，還要考慮關鍵的數字量輸入/出冗余。

目前，DCS作為綜合性控制系統，功能比較強大，而且目前發展也比較成熟，主要應用于綜合性的高自動化場合，完成模擬量的采集，實現對工藝參數的控制調節功能，同時也處理數字量的輸入/輸出。PLC主要用于對開關量的處理中，實現對參數和過程的聯鎖控制，在順序控制中使用較多。但在關鍵的生產裝置上，如果對安全可靠性要求很高，對工藝參數實現聯鎖控制時，設計規范要求采用ESD系統。

6 采用原則與維護管理

在化工生產裝置中，對于計算機控制系統的選擇應本著滿足工藝控制要求的前提下，選擇可靠性高、具有典型代表的控制系統，不能過分追求過于先進的但尚未發展成熟的控制系統，以提高生產線控制的可靠性并降低生產成本。在實際化工生產線上是選用DCS還是PLC，應根據生產線的控制點數規模、工藝性質、安全控制要求及安全設計規范等綜合考慮，決不能簡單地只考慮成本。

在危險化工生產過程中，必須追求系統的高可靠性和技術的成熟性，不能過分追求先進性[9]。

隨著計算機控制技術和信息化建設的發展要求，在新建生產線的方案設計時，應根據生產線控制點數的規模和性質盡量選用DCS，以便在信息化建設時實現信息數據的采集，否則后期在進行信息化建設時，現場數據和信息無法被實時提取或提取困難，形成信息孤島，導致重復投資。因此在控制方案和控制系統的選擇上應該有全局意識和發展意識。

對于關鍵的生產裝置，按照規范要求應設定獨立的ESD，與本裝置的DCS實現通信，且ESD又獨立于DCS運行，DCS故障時就不會影響ESD系統的正常運行。

計算機控制系統的維護管理需要注意：在控制系統選型時，作為新建項目，特別是有多個裝置時，在滿足工藝要求的前提下，盡量做到系統的統一，以減少備件的儲備量，節約資金而且對操作人員和系統維護人員而言也便于掌握和維護管理。總結銀光集團對控制系統多年的使用經驗并借鑒國內企業對控制系統的使用，對控制系統每年進行點檢大修是必要的，這也是保證設備預檢預修和滿足質量管理體系所必須的，保證控制系統始終處于安全可靠的運行狀態。目前，國家對控制系統的點檢大修還沒有統一的標準規范，但控制系統制造廠家都有各自的點檢標準。對控制系統維護管理應建立專門的維護管理隊伍，以保證維護管理的規范性和連續性，同時還需建立日常的巡檢維護管理制度。

7 結束語

總結了DCS、PLC、ESD和故障自診斷系統的優勢與不足，以及重點應用領域，以期在進行裝置自控系統的設計過程中，擇優選型，實現裝置的安穩長優運行，并在此前提下，為企業節約資金。