实现DCS与PLC控制系统相互无扰动切换的方案

实现DCS与PLC控制系统
相互无扰动切换的方案
张国禹,张志军
(杭州杭氧股份有限公司设计院)
摘要:在控制过程中,无扰动切换是仪表工程师与工艺工程师都非常关心的问题。

文章以首钢顺义空分项目配套的贮槽控制为例,详细介绍了实现DCS与PL C
控制系统相互无扰动切换的构思及解决方案,并提出设计、安装、调试与操作中需
要特别注意的方面。

关键词:低温液体贮槽;控制系统;D CS;PLC;无扰动切换
1概述
DCS和PLC控制系统从整体逻辑结构上讲是一个分支树结构,按系统结构进行垂直分解,分为过程控制级、控制管理级、生产调度级和经营管理级,贯彻/既集中管理又分散控制0的设计原则。

具有通用性强、系统组态灵活、控制功能完善、数据处理方便、显示操作集中、人机界面友好、安装简单、调试方便和运行安全可靠的特点。

在工业生产控制过程中,人们经常会提及控制系统中的无扰动切换问题,通常情况下是指在手动与自动切换的瞬间,保持控制器的输出信号不发生突变,以免切换给控制系统带来干扰。

但本文以实际的空分项目为背景,介绍两个不同类型的控制系统之间是如何实现无扰动切换。

2实施两个控制系统间无扰动切换方案的背景
贮槽作为空分设备的后备系统,其可靠性非常重要。

当空分设备停车后,贮槽能够在一段时间内提供气源,以保证短时间内后续生产不间断。

首钢顺义空分项目配备了贮槽,但是由于用户需要,其贮槽的投产运行要先于空分设备的投产运行。

因此贮槽的控制在整套空分设备调试、运行前,用PL C控制系统来实现;当空分设备的DCS控制系统组态、调试完成后,将贮槽的控制切换到DC S控制系统控制。

因此贮槽的控制需在DC S与PLC控制系统间随时进行切换控制,这样便要求在D CS与PLC控制系统中要分别完成对贮槽的控制、联锁和报警等组态、调试工作。

两个控制系统既彼此完全独立,又相互关联。

在对贮槽的控制策略上,两个控制系统要完成一个非常重要的功能,即两个系统在移交控制权时要实现无扰动切换。

3两个控制系统实现无扰动切换的方案
杭氧空分设备仪控系统设计中,均为Pt100、4~20mA、干触点等标准信号进控制系统。

I O点的类型为I、O、DI、D O、RTD,共5种类型。

气体流量测量一次组件采用标准孔/:A A
板,水流量测量采用电磁流量计。

需要采集进入控制系统的压力、差压信号,其一次仪表为二线制压力、差压变送器。

311信号一进二出的实现
考虑到成本、安装等问题,现场仪表(例如标准孔板、电磁流量计、压力和差压变送器等)均采用1套,因此现场送给控制系统的信号只有1路。

设计时通过在贮槽PLC控制柜内增加信号分配器、继电器等元器件来实现将信号分别送入D CS和PL C控制系统。

信号分配器既可以实现信号的一进二出的功能,又可以起到隔离信号的作用。

例如,来自现场压力、差压信号的分配如图1所示。

图1信号分配器分配来自现场的压力、差压信号示意图
这里需要提醒的是,信号分配器输出的信号为有源信号,在DC S、PLC控制系统卡件接线时需要特别注意。

需要进控制系统的干触点信号(泵的运转信号及变频泵的故障信号等)亦可以采用信号分配器来实现一进二出,也可以采用继电器来实现。

首钢顺义空分项目中便是采用继电器来实现的,如图2所示(E表示来自电控系统)。

2
图采用继电器实现干触点信号一进二出示意图
其中每个继电器分别带两对常开、常闭触点,将继电器的两对常开触点分别送入DC S 和PL C控制系统的D O卡件,这样便实现了干触点信号一分为二的目的,如图3所示。

图3继电器实现干触点信号一分为二原理示意图
312输出信号的选择
测温组件以Pt100的铂热电阻测温为主,通常情况下空分设备及冷箱内重要部位的测温点采用双支铂电阻温度计,并带电缆(双测量线路)引出到空分设备或冷箱外,一用一备。

首钢顺义空分项目贮槽的仪控系统设计中,需要采集进入控制系统的温度测点,其一次仪表均采用双支铂电阻温度计,并非是为了/一用一备0,而是以便将温度信号分别送入D CS和PLC控制系统中。

在控制调节阀的开度方面,D CS与PLC控制系统分别送出4~20m A模拟输出量,则需要判断选择哪个控制系统的信号进行对相应阀门的控制。

解决这个问题的方法,如抛开在控制系统上完成的方法外,只是用元器件搭建完成,大体上有两种方法可以实现:一种是/比较气0,另外一种是/比较电0。

采用/比较气0的方法,需要梭动阀来完成两个控制系统信号的比较。

这种方法是将比较的工作放在就地完成。

梭动阀是由1个输出口和2个气讯号输入口的三口止回阀组成。

输出气讯号由高压进气口提供(即高值选择)。

采用/比较电0的方法,需要在贮槽PL C控制柜内增加信号选择器(高值选择型)。

高值选择器可以在2个、3个或4个输入信号中选择出最高的电流,并把它作为仪表的输出,如图4所示。

当DCS、PLC控制系统同时工作时,如果D CS、PLC控制系统的控制参数设置一致,则两个控制系统计算结果会非常接近,偏差是可以接受的。

经过高值选择器输出的值永远是两个控制系统中计算结果偏高的那个数值。

当只有一个控制系统工作,另外一个控制系统处于冷备状态时,经过高值选择器输出的值永远是工作的那个控制系统计算的结果,因为处于冷
/00
备状态的控制系统是没有输出的,即为。

图4采用/比较电0方法选择信号示意图
313逻辑结果输出选择处理
逻辑结果输出选择处理如图5所示。

继电器1~3等的作用:操作人员可以通过观察其得失电的状态来判断回路状态,即其得失电的状态反映相应回路得失电的状态。

A组、B组继电器为控制逻辑输出继电器。

在控制面板上设置两个转换开关,分别控制A组、B组继电器线圈。

通过A组、B组继电器的状态选择控制系统的输出。

采用A组、B组继电器和转换开关的设计,在完善了控制策略的同时,也给整个控制设置了瓶颈。

当然也可以将A组、B 组继电器去掉,将D CS与PLC控制系统的逻辑输出结果分别直接串入电磁阀控制回路,这样也可完成联锁控制。

但是这种解决方案属于高电平选择,两个控制系统的结果处于/O R0的关系,这样的回路存在一定的安全隐患。

例如当控制系统的DO卡件所带继电器触点黏合
无法释放,则其所在的联锁回路就会始终处于闭合状态,显然这是不行的。

图5逻辑结果输出选择处理示意图
4设计中需要特别注意之处
为了达到无扰动切换控制目的,此次贮槽仪表设计相当烦琐。

随着设计的烦琐和所用仪表的增加,控制回路的故障点也相应增加。

从使用率上统计,信号分配器、信号选择器等元器件的使用率要远大于D CS、PL C控制系统(包括控制器、I/O卡件、D O卡件继电器等)的使用率。

因此,贮槽PLC控制柜内的元器件一定要采用可靠性高、稳定性好以及具有良好业绩公司的产品。

设计中,无论采用多好的控制系统和控制策略,也可能由于这些小的元器件导致控制失败,功亏一篑。

信号分配器、信号选择器、PLC控制系统I/O的模块(有些PL C控制系统I/O模块需要外供电,有些则不需要)等供电电源为24V DC,因此在配电时要考虑一路24VDC电源。

为使直流电源的供电稳定、可靠,采用了冗余的直流电源供电。

5安装、调试与操作中需要特别注意之处
由于贮槽的两个控制系统在不同时间安装、接线和调试,安装公司接线时需特别注意。

当接入D CS控制系统时,贮槽正在使用,因此要将所有的关于DC S控制系统的联锁回路通过面板上的旋转开关切断,以免错误信号使贮槽联锁误动作。

当DCS、PLC控制系统全部调试完成,已经投入正常的控制阶段。

操作人员在对贮槽的控制系统进行切换时,必须确认各个电磁阀、泵等的实际状态(电磁阀的实际状态由专门的继电器来监视,泵的状态则根据电控系统提供的状态信号)是否与控制系统的输出保持一致,即确定两个控制系统的输出结果与现场就地仪表、设备状态是否保持一致,当得到一致的结果后,将D CS、PLC控制系统的联锁输出全部接入联锁回路,接下来便可以进行两个控制系统的切换。

6结束语
此次贮槽的双控制系统的设计,在以往的项目中无从借鉴。

设计中最大的难题不是两个控制系统模拟信号的处理,而是数字量输出信号的处理。

杭氧贮槽的控制一般都是在整套空分设备的控制系统中完成,有了这个项目的设计经验,今后若有客户需要贮槽采用单独的PLC控制系统来完成控制,那么可以考虑通过将这个项目的控制进行相应的简化处理即可完成设计,这样可以节省仪控系统设计工作量。

仪控系统应能有效地监控整套工艺设备生产过程,确保设备长期稳定、可靠运行,操作、维护方便。

仪表的选型在考虑先进性的同时要以可靠性为主,结合成熟、合理的设计原则,使整套仪控系统发挥最佳的性能。

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2007
(年5月)。