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6大步驟教你如何為過程工業選擇適合的控制系統
為了獲得更大的*,滿足新的應用領域的需求, PLC的生產制造商提出新方法,將PLC與SCADA結合起來,就可以提供與分布式控制系統(DCS)同樣的功能。用PLC 和 SCADA替代DCS系統的想法來源于:
不斷增加的內存容量和中央處理器單元(CPU)的處理速度,使PLC能夠處理更多調節回路;
提供更高的可靠性和可用性,實施不同層次的冗余,幾乎可以與DCS冗余性能相媲美;
增加PLC和SCADA之間共享變量數據庫功能,在某些情況下,就可以為邏輯控制和HMI實現統一的工程環境。
另外一方面,DCS生產制造商則被推動著努力保護它們的*,尤其是在DCS占據主要地位的石化行業;而且還在不斷試圖進入到相對沒有那么復雜的過程工業,比如水和污水處理工業等(在這些行業中,主要使用PLC)。DCS生產制造商正在:
通過增加*的過程控制技術,比如神經網絡、自適應調節或模型預測控制(MPC)等,來提升過程控制的門檻;
通過滿足IEC 61131-3編程標準,來增加離散控制功能,同PLC一樣;
大幅度調整硬件價格,以便與PLC競爭。
生產制造商已經允許在彼此之間進行某種程度的互換,直到某一水平,兩種系統都無法服務于所有的應用。
PLC/DCS選擇流程圖
流程圖描述的是PLC或DCS系統的6步選擇流程,以幫助用戶確定哪種技術適合于某種特定應用。每一步都是一個問題,對每個問題的回答有助于用戶理清思路。
第1步:過程確實需要實施*過程控制(APC)嗎?
毋庸置疑,傳統的調節技術,利用比例-積分-微分(PID)技術,或者結合其它傳統調節技術,比如前饋、串級、分程控制、比例調節等,就可以處理絕大多數過程控制應用。然而,由于過程工業的工廠不斷對穩定性水平、過程波動水平、以及對包含多變量和較長工藝延時的控制問題,提出更高的要求,因此對*控制技術,比如神經網絡、自適應調節或模型預測控制的需求,一直在穩步增長。DCS生產制造商,在集成APC工程方面處于*地位;PLC主要應用在傳統的控制方法中。如果一個過程需要一個或多個APC技術,那么DCS是優選。
第2步:過程包括很多調節回路嗎?
盡管PLC系統,*具有處理多個PID回路和其它調節控制功能的能力,但是單個PLC系統可以處理多少個回路的問題,仍然會限制其在過程工業中替代DCS的能力。
PID回路會消耗大量的內存,急劇增加PLC程序的執行時間。這可能會上升到影響PLC邏輯有效執行的程度。另一方面,DCS則在設計中考慮了這個因素,因為它將控制程序分散到幾個CPU中執行,同時還可以在不同CPU之間共享信息。
如果PLC供應商,不能證明其PLC能夠在處理所要求數量的回路時,還有能力來處理離散邏輯功能,那么選擇DCS將更為明智。
第3步:工藝過程的特性需要操作員控制室嗎?
詳細的過程信息可視化和頻繁的操作員交互,是DCS的主要功能之一。PLC主要面向邏輯執行和過程順序控制,需要利用SCADA/HMI來擴充能力,以便實現過程信息的可視化,但它所提供的信息一般要少一些。
如果過程不需要操作員進行交互,也不需要從主控室進行24/7小時的監視,那么配置就地HMI的PLC或者安裝面板、配置SCADA軟件IPC就足夠了。在這種情況下,使用DCS系統,或者是從成本角度考慮可能并不劃算。這樣的例子就是撬裝或集成化的系統。
如果運行需要一個完整的控制室,那么無論是DCS還是PLC-SCADA組合,都是可行的選擇,即使只有非常少的控制監控回路需要管理。
此圖描述的是PLC或DCS系統的6步選擇流程,幫助確定哪種技術適合于某種特定應用。圖片來源:Shady Yehia
第4步:是否需要高速離散控制?
談到離散控制邏輯的執行,PLC沒有對手;強大的PLC可以在十分之一秒內,運行具有數千個輸入/輸出(I/O)信號點的程序而不出任何問題。這就是為什么PLC總是被選擇用于執行緊急停機系統的原因。另一方面,DCS在離散控制方面則沒有那么快,因為DCS的強項在于處理連續控制回路。
如果過程需要高速執行,那么從技術角度來講,PLC是優選。如果對于第1步和第2步的回答有1或2個為“是”,說明DCS也是必須選擇的,那么可以考慮構建兩個隔離的系統——DCS用于過程控制,PLC用于離散控制和安全相關系統。
第5步:工藝過程是否需要頻繁的修改?
無論是PLC還是DCS系統,都是可編程的,都可以修改程序、重新編程,甚至初始化到工廠設定狀態,重新開始。然而,確實也存在一種可能,對PLC和SCADA的組合執行類似的程序修改,更讓人感到頭疼。DCS系統的邏輯、HMI、報警和歷史參數使用同一個數據庫,與此不同,PLC和SCADA系統一般使用不同的數據庫,有些時候還需要利用OPC服務器數據庫作為橋梁。這就使得為工廠增加一個設備或者修改邏輯是一件費時費力的事情。而且,也會增加組態錯誤的風險。
如果工藝過程不需要頻繁的修改設備或邏輯,那PLC是合適的選擇;如果需要頻繁的修改,那應該考慮DCS系統,但是需要在回答完后一個問題之后才能確定。
第6步:工廠員工是否有能力自己修改系統?
在技術選擇過程中,并沒有考慮硬件成本。大多數PLC和DCS生產制造商,已經證明只要愿意,它們有能力根據項目降低價格。如果考慮控制系統未來的升級,并將其作為系統整個壽命周期內使用成本的一部分時,硬件成本就非常重要了。
PLC供應商目前的商業模式是授權合作伙伴;每個PLC生產制造商都有系統集成商,供應商為其提供良好的PLC、SCADA/HMI、以及其它相關自動化產品的培訓。大多數的DCS生產制造商的商業模式為提供工程和集成服務。雇傭系統集成商來執行修改任務,費用可以低至300或400美元/每天,而大多數DCS供應商提供類似的工作的報價為1000美元/每天,有時甚至更多。
為工廠員工提供DCS培訓,需要一定的成本,但是從長遠的角度考慮,其實是一件非常劃算的投資。如果由于工藝過程需要頻繁的修改,只能考慮DCS系統;但是工廠員工如果不能執行上述修改任務,那選擇PLC和SCADA組合,因為這更經濟有效。
評估控制器的采購
盡管近幾年,DCS和PLC技術的相似性越來越多,但對每個工藝過程應用需求進行*的分析可以發現:單獨某個自動化技術可能無法滿足目前所有的過程工藝或者未來需求的領域,各種控制產品之間可以取長補短、因需而定。