自动化系统定制详解

定制

15.1 引言

自动化系统并非为每个过程或应用单独设计或开发。它们被构建为一个通用平台，并通过配置或定制（针对硬件、软件和应用）以满足过程/应用的专用物理和功能需求。本章仅考虑自动化的基本配置以解释定制。对于基本系统的所有扩展（在后续章节中讨论）此处不予考虑。基本分布式控制系统（DCS）和网络控制系统（NCS）的通用自动化系统硬件和软件结构如图15.1所示。

此处采用该结构来讨论平台的配置（定制）以满足应用的专用需求。对于定制而言，首要的是了解工艺的应用、环境、专用要求等，从而对自动化系统的各个子系统进行定制，并最终将其集成。基本上，自动化系统包括硬件和软件两部分，尽管它们共同作为一个整体运行。硬件和软件中的每个部分都需要单独选择、配置并集成，以形成适用于专用应用的自动化系统，如下文所述。

15.2 硬件选择

硬件大致可分为自动化硬件、计算机硬件、通信硬件和支持硬件。以下各节将对此进行讨论。

15.2.1 自动化硬件

这包括工业级的仪表、控制、通信、前端处理器和人机界面。

15.2.1.1 仪表

通常在连续过程（流程工厂）中，重点更多在于模拟参数，而数字参数则用于离散过程（工厂）。以下是选择时的重要参数：

• 设备类型：输入或输出，模拟或数字
• 设备数量及其类型
• 信号类型：模拟量为4–20 mA 直流或其他；数字量为0/24 伏直流或其他
• 应用环境：安全或危险
• 构造材质：食品级（食品和饮料）、抗危害（石化）、耐腐蚀（化工）、高压保护（电气）等
• 标签信息：模拟量输入‐输出（I/O）（量程、跨距、工程单位、精度、限值、冗余等）；数字量输入‐输出（I/O）（常开/常闭、干接点/湿接点、查询电压、冗余等）

15.2.1.2 控制

控制单元包括可编程逻辑控制器（PLC）、控制器和远程终端单元（RTU）。对于所有这些单元，需选择的通用硬件参数有：

• 单元：
• 集中式或分布式；如果为分布式，说明单元数量及其分布（按区域或按功能）
• 工作电源：24 V直流或230 V交流或其他（远程安装通常为24 V直流）
• 冗余或非冗余
• 根据每个单元的 I/O 点数进行选型
• 处理器：速度、内存容量、看门狗、集成以太网和串行端口、机架扩展（串行或并行）、最大 I/O 容量和机架容量、冗余处理器配置、电源、通信模块等
• I/O：
• 数量 模拟信号：4–20 毫安或其他，模数/数模转换器（分辨率和精度），隔离或非隔离等
• 数字信号：0/24 伏直流或其他，隔离或非隔离等

15.2.1.3 通信

所考虑的通信单元包括：

• 局域网接口：端口数量，冗余或非冗余
• 串行接口：端口数量，冗余或非冗余

15.2.1.4 前端处理器

前端处理器用于网络控制系统中的控制中心。有两种类型的平台：基于自动化硬件和基于计算机硬件。本文讨论前者；其选型的重要参数包括：

• 冗余或非冗余
• 支持的端口数量

15.2.1.5 人机界面

所考虑的人机界面包括：

• 用于小型过程的操作面板（显示和控制）
• 用于中型过程的模拟图板（显示和控制）
• 用于大型过程的大型显示板（仅显示主要信息）

15.2.2 计算机硬件

基于计算机的硬件包括数据采集与监视控制系统（SCADA）和应用服务器、操作员站、工程与维护管理站、管理信息系统（MIS）和远程终端、基于计算机的前端处理器、打印机等。

15.2.2.1 通用

所有类计算机设备的通用特性包括：

• 工业级或商业级
• 开放或专有
• 冗余或非冗余
• 可靠性和可用性
• 处理能力、内存（缓存、主存和辅存）
• 局域网和串行接口（冗余或非冗余）

15.2.2.2 专用

针对不同类型的类计算机设备的专用特性：

• 人机界面：瘦客户机或胖客户机、显示区域、分辨率、交互方式（触摸或非触摸）、单显示器或多显示器、数量及其分布
• 前端处理器：端口数量
• 打印机：专用或共享（网络连接）

15.2.3 通信硬件

这些是自动化系统采用的通用通信硬件。

15.2.3.1 通用

所有通信设备的通用特性包括：

• 等级：工业级或商业级
• 局域网接口：冗余或非冗余、集线器和交换机、以太网电缆（超五类）等
• 串行接口：冗余或非冗余、路由器、串行电缆（RS232c）等
• 网络：拓扑结构、冗余、响应等
• 环境：恶劣、距离等
• 介质：铜缆、光纤、无线等
• 组件：网关、网桥、调制解调器等

15.2.3.2 具体

选择数据通信网络的类型基于自动化系统类型:

• 局域网接口：分布式控制系统中（a）可编程逻辑控制器/控制器、服务器和操作员站的控制网络，以及网络控制系统中（b）前端处理器、服务器和操作员站的网络
• 广域网接口：网络控制系统中远程终端单元和前端处理器的远程网络

15.2.4 支持硬件

支持硬件包括电源系统、控制台和硬件面板（操作面板、模拟面板、大屏幕显示等）

15.2.4.1 电源

所考虑的电源设备包括：

• 集中式24V直流电源：用于模拟设备的4–20 毫安辅助供电以及数字输入/输出信号的隔离/电平转换
• 电源系统：浮充与升压充电器或不间断电源系统（UPSS）：选型、备用电池容量、冗余、柴油发电机支持等

15.2.4.2 其他

控制室应考虑工作场所、监控和视觉效果、线缆管理、照明以及声学环境。最重要的是，应优先考虑人机工程学以确保操作员舒适性和便利性。

控制台：控制台的设计取决于机房所需的工作空间：

• 操作员站数量
• 打印机数量（如果安装在控制台上）
• 其他仪器，如电话

硬接线面板：操作员面板、模拟面板、大屏幕显示器等。

15.3 硬件工程

硬件工程涉及所有这些项目的物理集成，以形成自动化系统的硬件配置。

15.3.1 仪表

仪表包括仪表清单、电缆表、接线盒表、接线图、回路图、盘柜图、盘柜布线图、互连电缆表和通道底座布局等。

15.3.2 控制器、可编程逻辑控制器和远程终端单元

包括散热计算、处理器负载和总线负载的控制器、可编程逻辑控制器和远程终端单元。

15.3.3 通信

通信包括规格说明、通信映射表、交换架构、路由器等。

15.3.4 支持硬件

所考虑的设备包括：

• 电源：配电方案、电源电缆选型、隔离配合 [塑壳断路器（MCCBs）/微型断路器（MCBs）/熔断器], MCCB/ MCB/熔断器选型和额定值、配电图纸以及接地方案
• 控制台：人机工程设计
• 操作员面板和模拟面板：布局、布线
• 大型显示屏：人机工程设计

15.4 系统工程

系统工程是构建连接与项目或工厂专用的各种硬件和软件组件的架构的基础活动。应用工程是构建与工厂过程的接口。

15.4.1 配置

配置是系统工程的一部分。配置工具是由供应商提供的，用于帮助应用工程师建立连接的工具。

自动化系统硬件、软件以及过程的物理参数。该工具：

• 是一种独立于应用程序的设施，用于将通用自动化平台定制为满足专用需求
• 提供交互式过程，使客户能够将项目专用数据输入到通用自动化系统中
• 在主机系统上正常运行的软件，生成数据并将其下载到目标系统

配置是一个过程，用于：

• 准备I/O列表，并将其与过程信号和数据库连接
• 定义信号细节，如输入或输出、模拟或数字、报警或事件、高低限设置等
• 在屏幕上准备基本的人机界面布局，如流程图、报警和事件列表、趋势列表等

接下来将讨论各个系统的配置。

15.4.1.1 控制器、可编程逻辑控制器和远程终端单元

相关活动详见下文。

• 定义信号细节，例如输入或输出、模拟或数字、报警或事件、高低限设置等
• 配置站/节点号、配置域和IP地址、配置要使用功能块/寄存器的数量、配置报警、消息和趋势缓冲区等

15.4.1.2 计算机系统

计算机系统需要进行通用配置，例如IP地址、交换机等。

15.4.1.3 人机界面

屏幕上的人机界面布局（图形）用于：

• 操作员站：流程图、报警、事件和趋势列表、控制器页面、面板等
• 资产管理站：诊断等
• 管理信息系统和远程终端

15.4.1.4 通信系统

通信系统需要通用配置，例如节点寻址、路由等

15.5 应用编程

应用编程涉及使用适当的自动化策略对控制单元进行定制，以管理该过程。根据标准IEC 61131‐1，采用以下编程语言实现：

1. 指令表
2. 梯形图逻辑（LLD）
3. 功能块图（FBD）
4. 结构化文本
5. 顺序功能图

应用工程师通常使用LLD和FBD，而其他语言则用于应用软件开发。接下来将讨论可编程逻辑控制器、控制器和远程终端单元的应用编程。

15.5.1 可编程逻辑控制器和控制器

需求和活动包括：

• 需要对本地自动化功能进行 extensive 编程
• 采用 IEC 61131‐1标准 的编程语言（LLD 和 FBD）
• FBD 用于连续过程，而 LLD 用于离散过程
• 简单/复杂回路、串级/分程控制、顺序逻辑、通信接口等的控制方案

15.5.2 远程终端单元

本地自动化设施通常不用于远程终端单元，即使现代远程终端单元已具备此功能。然而，如果需要该功能，则需采用IEC 61131‐1标准进行编程。

15.6 电源系统

以下强调了自动化系统可靠电源的重要性。只要过程处于运行并产生结果的状态，自动化系统的所有子系统（仪表、控制、人机界面等）都应保持可用。在第13章中，我们讨论了为关键组件提供备用或冗余的必要性，以确保任何一个组件的故障不会影响自动化系统的功能。然而，即使自动化系统本身正常，外部电源的任何故障都会导致整个自动化系统完全不可用。本节将讨论如何解决此问题以及如何对其进行定制。

15.6.1 浮充与升压充电系统

通常，为功率需求较低的自动化设备（控制器/远程终端单元）提供带电池备份的浮充‐升压充电器安装在需要不间断电源的偏远地区）。一种经济高效的方法是提供不间断直流电源。图15.2说明了此配置的两种方案。

在充电器非冗余配置中，正常运行期间（当外部供电存在时），充电器不仅为电池充电（浮充充电），同时还向控制器/RTU供电。也就是说，在正常运行期间，电池处于浮充充电并保持浮充状态。当外部输入电源故障时，电池将接管并向控制器/RTU供电（无扰切换）。在冗余充电器配置中，每个充电器均被独立设计为可在另一个充电器发生故障时承担满载。然而，在正常运行期间，两个充电器共同分担总负载（进行浮充充电并向控制器/RTU供电）。该配置为故障充电器的维修和重新安装提供了时间。如有必要，电池也可配备备用单元。

浮充充电可补偿电池在浮充模式下的电量损失。均充充电在离线模式下对完全放电的电池进行充电。

浮充与升压充电器的选型如下：

• 充电器选型基于正常负载（电池浮充充电和控制器/RTU供电）
• 电池选型（安时）基于外部电源故障或充电器故障时，电池为控制器/RTU提供支持所需的持续时间
• 如果情况需要，可通过为充电器和/或电池提供冗余来提高可用性

15.6.2 不间断电源系统

当自动化设备安装在控制中心（控制器、操作员站、服务器等）且需要无间断交流电源时，采用不间断电源系统方法。图15.4 说明了此布置的两种配置。

在整流器/逆变器无冗余的配置中，正常运行期间（当外部供电存在时），整流器同时对电池进行浮充充电并向逆变器供电。逆变器则将直流电源转换为交流电源，并为自动化设备供电。换句话说，在正常运行期间，电池浮充。当外部电源失效时，备用电池接管并为逆变器供电，再由逆变器为自动化设备供电（实现无扰切换）。在第二种配置中（充电器/逆变器具有冗余设计，每个整流器/逆变器均可单独承担满载），在正常运行期间，两个整流器/逆变器共同分担总负载（包括浮充充电和为自动化设备供电）。当任一整流器或逆变器发生故障时，正常的整流器或逆变器将承担满载。此种情况下，如有需要，也可配置备用电池。此外，当整个不间断电源系统失效时，可通过旁路将外部电源直接切换至自动化设备，以进一步提高可用性。旁路是在不间断电源系统失效时连接输出主电源的开关，可以是手动或自动（静态的）。

不间断电源系统的选型如下：

• 整流器/逆变器选型基于正常负载（电池的浮充充电以及控制中心内的自动化设备）
• 电池选型（安时）基于外部电源故障时自动化设备所需电池支持的持续时间
• 根据情况需要，可为不间断电源系统中的各个子系统提供冗余，以提高可用性

此外，为了提高可用性，在电网供电不可靠的情况下，可以使用容量和额定值足够的柴油发电机。图15.5说明了行业中不间断电源系统的一些示例。

15.6.3 电池组

电池单体以其额定电压和额定安时表示，这意味着在额定电压下可从电池中抽取多大电流（安培）以及持续多长时间。抽取的电流（安培）越大，其供电持续时间越短。为了获得指定电压（充电器情况下通常为24或48伏特，不间断电源系统情况下为110或220伏特），需将所需数量的电池单体串联堆叠起来，形成电池组或电池堆。正常情况下，电池处于浮充状态，仅从充电器/整流器获取电力进行浮充充电，以补偿其空载损耗。电池在长时间使用后需要进行升压充电，以恢复至正常水平。图15.6展示了工业电池和电池组的一个示例。

如上所述，电池选型（安时）是根据外部电源故障时电池对自动化设备的供电持续时间要求来确定的。

15.6.4 电力分配

要实现良好的安装，仅配备充电器或不间断电源系统作为电源备份是不够的。除了自动化设备外，可能还有其他设备需要不间断电源。为了便于实现这一点，并为所有需要不间断电源的设备提供适当的负载分布，通常采用配电盘或配电板，如图15.7所示。

如上所述，进线馈电（来自充电器或不间断电源系统的无断电供电）以及向所有设备（包括自动化设备）供电的出线馈电均配备了充分的保护和显示装置（微型断路器和指示灯）。

15.7 总结

由于自动化系统并非为每个具体应用而设计，因此需要对通用平台进行定制。一个自动化系统包含两个部分：硬件和软件。硬件定制化涉及选择和设计各个子系统，例如仪表、控制、通信和人机界面。软件定制化则需要进行系统工程，配置各个子系统，并对控制单元进行应用编程。最后，将定制化的子系统集成起来以满足应用需求。本章最后讨论了支持自动化系统工作的电源系统。