試驗儀表系統在DCS實現的可行性分析

李春光

（重慶川儀控制系統有限公司，重慶 400707）

隨著數字化控制技術的發展，數據快速轉換、高精度采集、數據記錄與分析、日志上報、趨勢等功能更加完善。DCS 平臺可以提供多種控制、保障和監測信息，以確保工廠安全、可靠、經濟地運行。在DCS 中實施KME 系統功能有助于工廠運營、維護和管理等各個部門有效地使用過程數據并簡化工廠控制系統配置。

1 DCS基本配置

根據儀表控制安全分級標準，工廠DCS 分為安全級DCS 和非安全級DCS。安全級DCS 主要執行反應堆保護系統的功能，以處理設計事故。當保護參數達到或超過設定值時，觸發緊急停機，啟動特種安全設備等事故后緩解措施，啟動三道核安全屏障（燃料涂層、一回路壓力邊界和安全殼），讓實驗反應堆安全停運。安全級別的DCS 提供全廠的自動化控制，提供正常運行條件下的監控和自動化控制能力，為操作人員提供控制方法、信息和操作指導，屬于KME儀表和控制系統的關鍵組件。如果KME 系統的安全級別為非安全級，未明確提出抗震可用性要求，將考慮在非安全級的DCS 平臺上實現KME 控制系統。一個非安全級別的DCS 根據功能分類，包含采集與控制系統、數據處理與服務系統、操作員系統、維護與診斷系統多個部分組成。不同的DCS 產品供應商有不同的平臺架構。以廣力核SH-N 產品為例，非安全DCS 的主要組成部分如下。

（1）采集與控制系統屬于LEVEL1層，可分為控制站、通信站、LEVEL1網關、網絡、配電設備；

（2）數據處理與服務系統屬于DCSLEVEL2層，主要包括實時服務器、歷史服務器、LEVEL2網關及相關網絡系統；

（3）操作員系統屬于DCSLEVEL2層，主要包括操作員站、大屏顯示系統及相關網絡系統；

（4）維護系統主要用于系統配置變更、系統配置管理、系統故障排除等。

2 基于DCS控制的試驗儀表（KME）系統結構

試驗儀表（KME）系統的試驗原理主要是進行熱平衡計算測試，根據一回路和二回路的熱平衡得到反應堆一回路的熱功率。同時，系統功能還包括計算換熱器性能參數，并利用換熱器進出口溫度和流量確定其換熱性能。系統結構包含三個功能層：現場控制層、系統服務層和監控控制層?，F場控制層包括采集柜、編組柜和相關的配電設備；系統服務層包括數據處理計算機和相關的網絡設備；監控層主要是控制臺和網關計算機。

如圖1所示，通過模擬數字輸入輸出模塊采集試驗儀表器（KME）系統的分析儀器的測量值、流量、壓力、溫度、閥門、電加熱等參數。通過DCS 進行通信以監控現場。生成的參數顯示在DCS 人機界面上，同時通過DCS 編程軟件向樣品預處理系統中的相關閥門發送命令以采取行動，也可以與高層交流。計算機DCS 控制的試驗儀表系統可以與其他設備和主機的試驗儀表（KME）系統組成一個網絡系統。在該系統中，上位機功能強大，可以實時控制各個儀表設備子系統。

圖1 DCS試驗儀表（KME）控制系統結構圖

由圖1可知，DCS 作為現場設備級通信工具時，其具備通信距離遠、速率高、可靠性良好和性價比高等多方面優勢，通常在工業工廠控制領域獲得廣泛的應用。

3 試驗儀表（KME）系統在DCS實現的可行性

試驗儀表（KME）在DCS 實現的可行性因素有很多，像系統架構、系統冗余方案、軟件配置、通信總線設計等方面的差異能夠提供靈活性的選擇，所以重點體現在性能方面。性能指標是否滿足KME 專用儀表與控制數據采集、處理、計算的精度要求。具體可行性因素主要體現在以下幾個方面。

3.1 系統內容結構

系統的輸入測量點包括主給水壓力、溫度、流量、汽壓和溫度、關鍵工廠水/冷水熱交換器流量信號，總數不得少于50個。而且，一個DCS 的測點數通?？蛇_到數萬個，測點的數量遠小于DCS 測點的規模。

3.2 數據信號采集與處理

系統用于熱平衡和熱交換器計算的所有測量信號如下。

（1）流量、壓力測量變送器，4～20 mA 直流信號，2線制；

（2）溫度傳感器和變送器信號，4線制Pt100鉑電阻溫度傳感器，變送器輸出4～20 mA 直流信號，2線制；

（3）RPN 核測量信號，0～10 V。系統的準確度至少應為1%，采集過程的準確度應至少為0.02%，最小采集周期應為25 ms；

（4）目前DCS 對系統精度沒有要求，4～20 mA信號采集精度為0.1%，最小采集周期為20 ms。DCS性能不能滿足試驗儀表的高精度采集要求?？紤]到精密模擬采集板的發展，可以滿足相應的要求。此外，在電氣車間的運行環境中，采集和輸出通道間的精度漂移保證了系統精度在24個月內無需手動校準。

3.3 數據算法的實現

DCS 內置的過程系統的控制過程多為標準化控制邏輯，控制站主控制器由模塊化程序完成。數據處理和計算要求很復雜，不宜部署到主控制器，以保證計算的關鍵指標。DCS 計算服務器采用四核處理器，其功能包括可以啟用工廠狀態、性能計算和安全參數計算的全局計算，還可以滿足KME 計算過程的特殊定制要求。

3.4 內部時鐘校準同步

DCS 對數據采集同步有特定要求，這樣關鍵指標才能為機組的經濟運行提供依據。要能夠接收工廠時鐘脈沖并同步內部時鐘。DCS 已經有成熟的時序規則。通過在管理網絡上連接工廠的外部計時源，計時服務器協調系統中剩余的服務器、操作員站、網關、控制站和其他設備。時間戳附在盡可能靠近信號源的信號上，以避免影響時間分辨率的數據傳輸延遲。如果是AI 信號，則可將時間戳標記在獲取信號數據的CPU 上。

4 基于DCS控制的試驗儀表（KME）系統運行管理建議

4.1 工廠應用DCS試驗儀表（KME）控制系統的作用

（1）DCS 試驗儀表（KME）控制系統可以應用于工廠生產，不斷解決具體的生產問題。不僅可以減輕關聯方的勞動強度，還可以減少因操作失誤導致風險的發生，保障關聯方的健康。自動化控制系統的應用解決了工廠生產的實際問題，可以減輕員工的勞動強度，降低實際操作的風險，切實保障人身健康、安全。

（2）工廠生產的DCS 試驗儀表（KME）控制系統保證了生產設備和裝置的正常運行，并且可以自動控制不受人為因素的影響，從而使生產效率得到提高。DCS 試驗儀表（KME）控制系統實時監控整個工廠生產過程，及時解決生產問題，實施預警和報警，防止事故二次發生，工廠內設備的制造可以提高安全性。重點是，其集成了指揮和控制，顯著優化了工廠生產控制。

4.2 DCS試驗儀表（KME）控制系統的日常管理和維護

DCS 試驗儀表（KME）控制系統在工廠生產中進行不間斷測量，實施例行管控，對工廠生產中的設備進行控制，確保生產安全運行。盡快采取措施使設備恢復正常運行，使生產設備能夠繼續運行，減少對工廠生產的影響。圖2顯示了DCS 試驗儀表KME 控制系統的主要維護與管理的內容。

圖2 DCS試驗儀表（KME）控制系統的主要維護管理內容

（1）DCS 試驗儀表（KME）控制系統是一個動態化的運行系統，可以連續測量生產過程的常數和變量，對生產進行動態控制，保證設計產品的生產質量，是一個多種形式的系統。因此，在維護DCS 試驗儀表（KME）控制系統時，有必要明確DCS 試驗儀表（KME）控制系統的設計理念以及內部控制模塊和外部接線的信息。

（2）DCS 試驗儀表（KME）控制系統信息需要及時備份，以免丟失，也無法找到歷史信息。至于硬件，則需要備份易碎部件并購買備份部件。如果在DCS試驗儀表（KME）控制系統維護過程中需要更換新部件，必須及時解決，以使系統正常運行。

（3）在常規維護DCS 試驗儀表（KME）控制系統時，應使用特定系統防止無關人員自由進出DCS試驗儀表（KME）控制系統控制中心，避免其受到電磁場的干擾。此外，還應為DCS 實施防塵措施，避免對DCS 的造成不必要的干擾，實施精確控制，并妥善備份子目錄文件。

（4）為了讓DCS 試驗儀表（KME）控制系統正常運行，保證其安全，及時處理故障問題，采取合理措施是DCS 的作用。①DCS 試驗儀表（KME）控制系統的維護需要改進。根據DCS 試驗儀表（KME）控制系統發生的故障，必須及時處理。否則，DCS將無法實現自動化控制效率。定期訪問需要重點分析異?，F象、解決軟件錯誤問題以及自動化控制制造過程。②如果工廠生產的某個環節出現故障報警，則需要根據報警情況查找并解決相應的故障，以此來確保工廠系統正常運行。

4.3 強化試驗儀表（KME）控制系統的運行管控

4.3.1 需要合理處理DCS控制室的要求

為了延長DCS 的使用壽命并確保其可靠性，必須在合理的工作環境中使用DCS。例如，可以將控制室的濕度合理調整到合適的狀態，同時合理調整灰塵、噪聲等因素，使DCS 的運行更加合理可靠。通風應該是改善室溫和濕度的主要考慮因素。所有機柜必須配備冷卻系統，如果機柜內部溫度過高，可以發出溫度報警信號。安裝的控制系統必須保證操作方便，離施工現場不遠，不易接近危險場所。此外，需注意應當使DCS 遠離強磁場、高儀器電流、頻繁振動和其他嘈雜類的位置。最后，應關閉所有線路上的所有電纜開口，以確保室內衛生和清潔。

4.3.2 合理選擇DCS測試設備（KME）控制系統設備型號

必須選擇最佳的DCS 測試設備（KME）控制系統才能使系統運行平穩。選擇過程應考慮以下幾點。

（1）要根據機器的具體工況選擇適合機器的控制方式。一般來說，使用一段時間的DCS 測試儀（KME）控制系統具有一定的可靠性，也可以作為后盾使用。

（2）DCS 測試設備（KME）控制系統的所有硬件設備必須符合標準要求，滿足系統運行需要，應該盡量選擇可以插電播放的類型。為保證整個控制系統的正常運行，要確?？刂葡到y的用戶可以完全調用存儲和操作功能。

（3）技術安裝人員需要合理調整控制系統的整體結構，使網絡通信能夠采用冗余技術相互同步。系統控制器將進行適當的切換。此外，您可以通過防止故障問題擴大來提高系統的穩定性并使其平穩運行。

5 結束語

試驗儀表（KME）系統DCS 實現具備顯著的可行性，具體可從系統內容結構、數據信號采集與處理、數據算法的實現、內部時鐘校準同步、軟件功能的有效呈現幾個方面來體現。由此可見，基于DCS 控制的試驗儀表（KME）系統成為一種行之有效的工廠系統控制效果優化方法及手段。而全新控制系統，在實際運行當中，需要不斷加強其運行管理工作，這樣才能最大限度地避免新控制系統產生一系列的難以預測的問題。具體是從明確DCS 試驗儀表（KME）控制系統的作用、做好對DCS 試驗儀表（KME）控制系統的常規管理與維護、強化試驗儀表（KME）控制系統的運行管控幾個方面來實現。