SIS與ESD、DCS、PLC的區別與關聯

暖通南社 發佈 2023-01-04T04:16:19.599531+00:00

SIS包括現場儀表、邏輯解決器、執行機構三部分,這三個部分都要是安全設計的,常規的ESD系統只是SIS的邏輯解決器這部分,當然也要是安全設計的。

SIS是安全儀表系統,ESD是緊急停車系統,ESD屬於SIS的一部分。

SIS包括現場儀表、邏輯解決器、執行機構三部分,這三個部分都要是安全設計的,常規的ESD系統只是SIS的邏輯解決器這部分,當然也要是安全設計的。特點依然是PID控制,藉助其強大的通訊功能,是整合工廠所有自動化設備的系統,SIS比DCS在可靠性、可用性上要求更嚴格,IEC61508、IEC61511等標準中,要求SIS與DCS硬體獨立設置。

DCS系統是過程控制系統,是動態的,需要人工頻繁的干預,這有可能引起人為誤動作;而SIS(ESD)是靜態的,不需要人為干預,這樣設置可以避免人為誤動作。通常作為成套設備的控制方案,比如說真空、廢水、集裝、壓縮機等等自成一個體系的系統。他們的特點往往是不要求很多的模擬量控制,對數字量控制極為有效、方便、可靠、經濟。通常做為DCS的子站點,便於監視。很顯然從下圖中我們看到SIS包括ESD、ITCC等,DCS下面有PLC、FCS等。


PLC programmable logic controller,通常作為成套設備的控制方案,比如說真空、廢水、集裝、壓縮機等等自成一個體系的系統。他們的特點往往是不要求很多的模擬量控制,對數字量控 制極為有效、方便、可靠、經濟。通常做為DCS的子站點,便於監視。

ESD emergency shutdown system 緊急停車系統。SIS safety interlocking system(safetyinstrument syetem)。安全聯鎖系統,個人認為這是不同廠家對安全系統的叫法不同,還有的叫safetymanager。這類系統往往用於石化等高危行業。一般涉及到的點不是很多,因為一旦動作就是全場停車,是犧牲生產效益,保障安全的最低防線。SM需要有SIS認證,石化行業通常等級為3。

SIS與DCS之間的區別

SIS與DCS在石油、石化生產過程中分別起著不同的作用,如下圖所示:生產裝置從安全角度來講,可分為3個層次:第一層為生產過程層,第二層為過程控制層,第三層為安全儀表系統停車保護層。


SIS與ESD之間的區別:

SIS是系統化的概念,更關注整體性的概念,從命名就可以看出來,SIS關注迴路,關注系統整體。安全型的現場檢測器件(變送器,儀表,傳感器)→安全型 AI→安全型控制器-安全型的DO→安全型的現場執行器件(安全關斷閥,泄壓閥,保護器等)。而ESD 通常是指,安全控制系統廠家生產的,安全型控制器,(CPU),IO,等純控制系統的概念。

從本質上來講,SIS 的硬體系統不光包括,SIS控制器及IO(例如Triconex,HIMA,西門子400FH)。

還應包括所有跟控制器接口的其他輸入部件,例如獲得TUVSIL認證的傳感器,變送器,檢測裝置;

還應該包括所有輸出部件,如獲得 TUV SIL認證的執行器(液壓安全執行器,氣動安全執行器,電動型安全執行器),

還應該有獲得認證的現場設備。要求嚴格的現場,閥門本體也必須是有TUV 證書的。

例如核電廠的安全閥不光是鍋爐與壓力容器質檢合格,還應該有核檢證書,還應該有 TUV的安規證書,明確標明是SIL幾等級。

ESD是生產廠家的安全性控制器用在不同的場合,根據不同的用途,有著這些不同的叫法,從理論上說,只有ESD,「未必」 會是個完整的SIS控制系統。ESD僅僅是 SIS中的一環,而且是在實體硬體中,是最重要的一環。

DCS與PLC之間的區別

1、從發展的方面來說:

DCS從傳統的儀錶盤監控系統發展而來。因此,DCS從先天性來說較為側重儀表的控制,比如我們使用的YOKOGAWA CS3000 DCS系統甚至沒有PID數量的限制(PID,比例微分積分算法,是調節閥、變頻器閉環控制的標準算法,通常PID的數量決定了可以使用的調節閥數量)。

PLC從傳統的繼電器迴路發展而來,最初的PLC甚至沒有模擬量的處理能力,因此,PLC從開始就強調的是邏輯運算能力。

2、從系統的可擴展性和兼容性的方面來說:

市場上控制類產品繁多,無論DCS還是PLC,均有很多廠商在生產和銷售。對於PLC系統來說,一般沒有或很少有擴展的需求,因為PLC系統一般針對於設備來使用。一般來講,PLC也很少有兼容性的要求,比如兩個或以上的系統要求資源共享,對PLC來講也是很困難的事。而且PLC一般都採用專用的網絡結構,比如西門子的MPI總線性網絡,甚至增加一台操作員站都不容易或成本很高。

DCS在發展的過程中也是各廠家自成體系,但大部分的DCS系統,比如橫河YOKOGAWA、霍尼維爾、ABB等等,雖說系統內部(過程級)的通訊協議不盡相同,但操作級的網絡平台不約而同的選擇了乙太網絡,採用標準或變形的TCP/IP協議。這樣就提供了很方便的可擴展能力。在這種網絡中,控制器、計算機均作為一個節點存在,只要網絡到達的地方,就可以隨意增減節點數量和布置節點位置。另外,基於windows系統的OPC、DDE等開放協議,各系統也可很方便的通訊,以實現資源共享。

3、從資料庫來說:

DCS一般都提供統一的資料庫。換句話說,在DCS系統中一旦一個數據存在於資料庫中,就可在任何情況下引用,比如在組態軟體中,在監控軟體中,在趨勢圖中,在報表中……而PLC系統的資料庫通常都不是統一的,組態軟體和監控軟體甚至歸檔軟體都有自己的資料庫。為什麼常說西門子的S7 400要到了414以上才稱為DCS?因為西門子的PCS7系統才使用統一的資料庫,而PCS7要求控制器起碼到S7 414-3以上的型號。

4、從時間調度上來說:

PLC的程序一般不能按事先設定的循環周期運行。PLC程序是從頭到尾執行一次後又從頭開始執行。(現在一些新型PLC有所改進,不過對任務周期的數量還是有限制)而DCS可以設定任務周期。比如,快速任務等。同樣是傳感器的採樣,壓力傳感器的變化時間很短,我們可以用200ms的任務周期採樣,而溫度傳感器的滯後時間很大,我們可以用2s的任務周期採樣。這樣,DCS可以合理的調度控制器的資源。

5、從網絡結構發麵來說:

一般來講,DCS慣常使用兩層網絡結構,一層為過程級網絡,大部分DCS使用自己的總線協議,比如橫河的Modbus、西門子和ABB的Profibus、ABB的 CAN bus等,這些協議均建立在標準串口傳輸協議RS232或RS485協議的基礎上。現場IO模塊,特別是模擬量的採樣數據(機器代碼,213/掃描周期)十分龐大,同時現場干擾因素較多,因此應該採用數據吞吐量大、抗干擾能力強的網絡標準。基於RS485串口異步通訊方式的總線結構,符合現場通訊的要求。

IO的採樣數據經CPU轉換後變為整形數據或實形數據,在操作級網絡(第二層網絡)上傳輸。因此操作級網絡可以採用數據吞吐量適中、傳輸速度快、連接方便的網絡標準,同時因操作級網絡一般布置在控制室內,對抗干擾的要求相對較低。因此採用標準乙太網是最佳選擇。TCP/IP協議是一種標準乙太網協議,一般我們採用100Mbit/s的通訊速度。

PLC系統的工作任務相對簡單,因此需要傳輸的數據量一般不會太大,所以常見的PLC系統為一層網絡結構。過程級網絡和操作級網絡要麼合併在一起,要不過程級網絡簡化成模件之間的內部連接。PLC不會或很少使用乙太網。

6、從應用對象的規模上來說:

PLC一般應用在小型自控場所,比如設備的控制或少量的模擬量的控制及聯鎖,而大型的應用一般都是DCS。當然,這個概念不太準確,但很直觀,習慣上我們把大於600點的系統稱為DCS,小於這個規模叫做PLC。我們的熱泵及QCS、橫向產品配套的控制系統一般就是稱為PLC。

說了這麼多PLC與DCS的區別,但我們應該認識到,PLC與DCS發展到今天,事實上都在向彼此靠攏,嚴格的說,現在的PLC與DCS已經不能一刀切開,很多時候之間的概念已經模糊了。現在,我們來討論一下彼此的相同(似)之處。

1、從功能來說:

PLC已經具備了模擬量的控制功能,有的PLC系統模擬量處理能力甚至還相當強大,比如橫河FA-MA3、西門子的S7 400、ABB的ControlLogix 和施耐德的Quantum系統。而DCS也具備相當強勁的邏輯處理能力,比如我們在CS3000上實現了一切我們可能使用的工藝聯鎖和設備的聯動啟停。

2、從系統結構來說:

PLC與DCS的基本結構是一樣的。PLC發展到今天,已經全面移植到計算機系統控制上了,傳統的編程器早就被淘汰。小型應用的PLC一般使用觸控螢幕,大規模應用的PLC全面使用計算機系統。和DCS一樣,控制器與IO站使用現場總線(一般都是基於RS485或RS232異步串口通訊協議的總線方式),控制器與計算機之間如果沒有擴展的要求,也就是說只使用一台計算機的情況下,也會使用這個總線通訊。但如果有不止一台的計算機使用,系統結構就會和DCS一樣,上位機平台使用乙太網結構。這是PLC大型化後和DCS概念模糊的原因之一。

3、PLC和DCS的發展方向:

小型化的PLC將向更專業化的使用角度發展,比如功能更加有針對性、對應用的環境更有針對性等等。大型的PLC與DCS的界線逐步淡化,直至完全融和。

DCS將向FCS的方向繼續發展。FCS的核心除了控制系統更加分散化以外,特別重要的是儀表。FCS在國外的應用已經發展到儀表級。控制系統需要處理的只是信號採集和提供人機界面以及邏輯控制,整個模擬量的控制分散到現場儀表,儀表與控制系統之間無需傳統電纜連接,使用現場總線連接整個儀表系統。(目前國內有橫河在中海殼牌石化項目中用到了FCS,儀表級採用的是智能化儀表例如:EJX等,具備世界最先進的控制水準)。

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