自動化儀表又稱過程檢測、控制儀表，它是實現化工生產過程自動化、提高化工生產效率的重要工具。

化工自動化控制儀表作業(yè)：指化工自動化控制儀表系統安裝、維修、維護的作業(yè)。

危險化學品安全作業(yè)證理論知識考試采取計算機閉卷考試方式，滿分100分，80分及以上為合格

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控制系統與控制閥-控制系統

本章考核要點

*了解DCS、SIS、PLC、SCADA系統的結構

*了解信號報警聯鎖系統的功能塊圖與梯形圖的基本知識

*了解執(zhí)行機構相關知識

*熟悉DCS、SIS、PLC的作用及用途

*掌握DCS、SIS、PLC日常維護的主要內容

*掌握調節(jié)閥相關知識

一、安全控制系統

在化工生產中經常使用的控制系統有可編程邏輯控制器、分散型控制系統、現場總線控制系統。通過這些系統均可以實現對化工反應裝置的安全控制，由于這些系統的開發(fā)主要以實現過程控制為主，也可同時設計成具有安全控制功能。由于生產裝置的規(guī)模、控制回路的數量與安全等級要求等方面均不相同，因此這些控制系統的應用范圍就有所區(qū)別。

(一)可編程邏輯控制器

1.可編程邏輯控制器的概念

PLC是以微處理器為核心的一種特殊的工業(yè)用計算機，其結構與一般的計算機相類似，由中央處理單元(CPU)、存儲器(RAM、ROM、EPROM、EEPROM等)、輸入接口、輸出接口、I/O擴展接口、外部設備接口以及電源等組成。它經歷了可編程序矩陣控制器PMC、可編程序順序控制器PSC、可編程序邏輯控制器PLC(英文全稱：ProgrammableLogicController)和可編程序控制器PC幾個不同時期。為與個人計算機(PC)相區(qū)別，現在仍然沿用可編程邏輯控制器這個老名字。1987年國際電工委員會(InternationalElectricalCommittee)頒布的PLC標準草案中對PLC做了如下定義：“PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數和算術運算等操作的指令，并能通過數字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。PLC及其有關的外圍設備都應該按易于與工業(yè)控制系統形成一個整體，易于擴展其功能的原則而設計�！�

2.可編程邏輯控制器的特點

(1)靠性高，抗干擾能力強。PLC用軟件代替大量的中間繼電器和時間繼電器，僅剩下與輸入和輸出有關的少量硬件，因觸點接觸不良造成的故障大為減少，

高可靠性是電氣控制設備的關鍵性能。PLC由于采用現代大規(guī)模集成電路技術，采用嚴格的生產工藝制造，內部電路采取了先進的抗干擾技術，具有很高的可靠性，例如三菱公司生產的F系列PLC平均無故障時間高達30萬小時。一些使用冗余CPU的PLC的平均無故障工作時間則更長。從PLC的機外電路來說，使用PLC構成控制系統，和同等規(guī)模的繼電接觸器系統相比，電氣接線及開關接點已減少到數百甚至數千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC帶有硬件故障自我檢測功能，出現故障時可及時發(fā)出警報信息。在應用軟件中，應用者還可以編人外圍器件的故障自診斷程序，使系統中除PLC以外的電路及設備也獲得故障自診斷保護。

(2)硬件配套齊全，功能完善，適用性強。PLC發(fā)展到今天，已經形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產品，并且已經標準化、系列化、模塊化，配備有品種齊全的各種硬件裝置供用戶選用，用戶能靈活方便地進行系統配置，組成不同功能、不同規(guī)模的系統。PLC的安裝接線也很方便，一般用接線端子連接外部接線。PLC有較強的帶負載能力，可直接驅動一般的電磁閥和交流接觸器，可以用于各種規(guī)模的工業(yè)控制場合。除了邏輯處理功能以外，現代PLC大多具有完善的數據運算能力，可用于各種數字控制領域。近年來PLC的功能單元大量涌現，使PLC滲透到了位置控制、溫度控制、CNC等各種工業(yè)控制中。加上PLC通信能力的增強及人機界面技術的發(fā)展，使用PLC組成各種控制系統變得非常容易。

(3)易學易用，深受工程技術人員歡迎。PLC作為通用工業(yè)控制計算機，是面向工礦企業(yè)的工控設備。它接口容易，編程語言易于為工程技術人員接受。梯形圖語言的圖形符號與表達方式和繼電器電路圖相當接近，只用PLC的少量開關量邏輯控制指令就可以方便地實現繼電器電路的功能。為不熟悉電子電路、不懂計算機原理和匯編語言的人使用計算機從事工業(yè)控制打開了方便之門。

(4)容易改造。系統的設計、安裝、調試工作量小，維護方便，容易改造。PLC的梯形圖程序一般采用順序控制設計法。這種編程方法很有規(guī)律，很容易掌握。對于復雜的控制系統，梯形圖的設計時間比設計繼電器系統電路圖的時間要少得多。PLC用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設備外部的接線，使控制系統設計及建造的周期大為縮短，同時維護也變得容易起來。更重要的是使同一設備經過改變程序改變生產過程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產場合。

(5)體積小，重量輕，能耗低。以超小型PLC為例，新近出產的品種底部尺寸小于100mm,僅相當于幾個繼電器的大小，因此可將開關柜的體積縮小到原來的1/2～1/10。它的重量小于150g,功耗僅數瓦。由于體積小很容易裝入機械內部，是實現機電一體化的理想控制設備。

3.在化工生產中的應用

可編程邏輯控制器在化工中的應用也非常廣泛。對化工生產的過程控制是指對溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。作為工業(yè)控制計算機，PLC能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環(huán)控制。PID調節(jié)是一般閉環(huán)控制系統中用得較多的調節(jié)方法。大中型PLC都有PID模塊，目前許多小型PLC也具有此功能模塊。PID處理一般是運行專用的PID子程序。

(二)分散型控制系統

1.分散型控制系統的概念，

分散型控制系統(DistributedControlSystem,簡稱DCS),一種控制功能分散、操作顯示集中，采用分級結構的智能網絡。其目的在于控制或控制管理一個工業(yè)生產過程或工廠。DCS主要應用于連續(xù)生產等模擬量較多、調節(jié)回路較多的生產過程控制場合。

DCS主要由操作站、控制站及通訊系統等三大部分組成。

2.分散型控制系統的功能

(1)過程控制功能。分散型控制系統除了可選用基本的反饋控制功能和順序控制功能外，還可按照過程監(jiān)控的實際需要，正確選用串級、比值、前饋、超馳、純滯后時間補償等高級控制功能。此外，還可運用各種運算單元組成綜合控制模式，實現更復雜的控制要求。因此，非常適用于具有化學反應裝置的連續(xù)化生產裝置。

(2)操作功能。根據操作需要以及各種DCS的操作方式，可選用僅用鍵盤實現生產過程操作的普通操作站，也可以選用鍵盤、鼠標等實現生產過程操作的操作站。

(3)報警功能。DCS的系統報警功能可自動診斷出操作站、現場控制站或者通訊系統等產生的故障，并發(fā)出報警信號。

DCS的過程報警功能可檢測出生產過程德異常狀態(tài)，并在顯示屏上顯示報警信號。對于很重要的報警信號或系統聯鎖信號，還可以選用單獨的報警盤，還可配制聲響報警裝置。

(4)信息管理功能。根據工藝操作和管理的需要，可將比較重要的信息保存下來，以供質量控制與安全生產分析之用。

3.與PLC的區(qū)別

(1)DCS在硬件上包括現場控制器、操作員站計算機、工程師站計算機，以及聯系他們的網絡系統；DCS軟件上是一個整體方案，解決的是一個系統的所有技術問題，系統各部分之間結合嚴密。

(2)PLC是一個裝置，硬件上等同于DCS中的現場控制器；軟件上是一個局部方案，站與站之間組織松散。

(3)DCS與PLC的區(qū)別，最關鍵的是兩點，一是DCS是分布式控制，擁有全局數據庫；二是PLC是順序掃描機制，DCS是以時間為基準的控制。PLC的掃描速度是根據程序的大小而定的，而DCS的掃描時間相對時固定不變的。

(三)現場總線控制系統

1.現場總線控制系統

現場總線控制系統(fieldbuscontrolsystem,簡稱FCS)是由各種現場儀表通過互聯與控制室內人機界面所組成的系統。是一個全分散、全數字化、全開放和可互操作的生產過程自動控制系統。它具有開放性、全數字化和互操作性的特點，已成為新型工業(yè)控制系統發(fā)展方向之一。隨著FCS技術完善和國際標準統一，其應用將日益增加，現場總線控制系統的應用有很大進展，石化系統已有近百家企業(yè)用FCS來控制生產裝置或罐區(qū)系統等。如，賽科年產90萬噸乙烯裂解裝置的FCS是國內外最大的現場總線系統。該系統包括4.7萬個控制回路、4萬臺儀表和與世界最大基金會現場總線設備聯網的1.3萬臺智能設備(10套自動化控制系統),這10套裝置由一個中心控制室進行高度集中控制。現場總線的PID控制功能在閥門實現，實現集散控制，提高了可靠性，極大降低了自動控制系統和現場控制設備間數據通信負載，增強了系統可靠性。

2.FCS的主要特點

(1)開放式系統。現場總線工作站同時掛在現場總線和局域網兩層網絡，通過后者可與其他計算機系統或網絡進行高速信息交換，以實現資源共享。另外，現場總線的技術標準是對所有制造商和用戶公開的，可實現技術共享。

(2)全數字化通信。FCS智能型現場儀表及其A/D轉換器其數字信號在傳送出儀表之前可得到補償，因此，提高了系統的測量和控制精確度。由于采用雙向數字通信，不僅系統的可靠性高，而且系統組態(tài)和調試也很方便。

(3)可互操作性�，F場總線智能儀表按統一的技術標準，不同廠家的產品，只要遵守相同的現場總線標準就可互連互換，統一組態(tài)，即插即用，以方便設備更新或系統擴展。

(4)控制分散度高�，F場總線智能儀表除具有基本功能外，還有控制和運算等功能，可實現徹底分散控制。每條總線連接多臺現場儀表，可節(jié)省電纜，大幅度節(jié)省了用于系統安裝、調試和維修的費用。

二、緊急停車系統

(一)緊急停車系統的概念與作用

所謂緊急停車系統(EmergencyShutDown,ESD),是對生產裝置可能發(fā)生的危險或不采取措施將繼續(xù)惡化的狀態(tài)進行響應和保護，使生產裝置進人一個預定的安全停車工況，從而使危險降低到最低程度，以保證人員、設備、生產和裝置或工廠周邊社區(qū)安全的系統。

根據國際安全系統標準原則，安全系統應與過程控制系統分開，獨立設置。它完全獨立于DCS控制系統之外，且安全級別高于DCS控制系統。在正常情況下，ESD系統是處于靜態(tài)的，不需要人為干預，且中間環(huán)節(jié)少，它凌駕于過程控制之上，是安全保護系統。ESD系統永遠在線，當生產處于緊急情況時，發(fā)出保護信號，使保護范圍內的生產裝置能夠及時做出響應，處于安全狀態(tài)。

(二)緊急停車系統的基本組成

隨著計算機技術、控制技術、通信技術的發(fā)展，ESD緊急停車控制系統的設備配置也不斷更新換代，由簡單到復雜，由低級到高級。但不管怎么變化，其基本組成大致可分為三部分：傳感器單元、邏輯運算單元、最終執(zhí)行單元。

(1)檢測單元采用多臺儀表或系統，將控制功能與安全聯鎖功能隔離，即檢測單元分開獨立配置的原則，做到ESD儀表系統與過程控制系統的實體分離。

(2)執(zhí)行單元是ESD儀表系統中危險性最高的設備。由于ESD儀表系統在正常工況時是靜態(tài)的，如果ESD控制系統輸出不變，則執(zhí)行單元一直保持在原有的狀態(tài)，很難確認執(zhí)行單元是否有危險故障，所以執(zhí)行單元儀表的安全度等級的選擇十分重要。

(3)邏輯運算單元包括輸人模塊、控制模塊、診斷回路、輸出模塊四部分，依據邏輯運算單元自動進行周期性故障診斷，基于自診斷測試的ESD儀表系統，系統具有特殊的硬件設計，借助于安全性診斷測試技術保證安全性。

(三)ESD的故障安全原則

故障安全原則是指當外部或內部原因使ESD緊急停車控制系統失效時，被保護的對象應按預定的順序安全停車，自動轉人安全狀態(tài)。具體內容如下：

(1)現場開關儀表選用常閉觸點，工藝生產正常時，觸點閉合，達到報警或聯鎖極限時觸點斷開，觸發(fā)聯鎖或報警動作。為了提高安全性可以采用“二選一”、“二選二”、“三選二”配置。

(2)電磁閥采用正常勵磁，報警或聯鎖沒有動作時，電磁閥線圈帶電，觸點閉合；報警或聯鎖動作時，電磁閥線圈失電，觸點斷開。

(3)送往電氣配電室的開關觸點應用中間繼電器隔離，其勵磁電路應為故障安全型。

(4)所謂控制裝置的故障安全是指當其自身出現故障而不是工藝或設備超過極限指標時，控制裝置應該聯鎖動作同時按照預定的順序安全停車，從而確保設備和人身的安全。

(四)ESD系統的可靠性影響

ESD系統的可靠性會導致生產裝置停車次數增多，化工裝置中停車可能造成重大經濟損失，片面強調系統的可靠性會降低系統的可用性，因此，對具體生產裝置設置ESD系統，應結合有關標準、規(guī)范，與工藝專業(yè)一起仔細分析裝置對ESD系統可用性與可靠性的要求。綜合考慮各種因素，選擇結構合適的ESD系統，并合理地進行系統配置，做到合理兼顧ESD系統的可靠性及可用性，使ESD系統在化工行業(yè)中的發(fā)揮出真正的安全保護作用。

(五)ESD緊急停車系統和DCS控制系統的區(qū)別

ESD與DCS系統在石油、石化生產過程中分別起著不同的作用。在過程控制系統中，要設置一套安全儀表系統，對過程進行監(jiān)測和保護，把發(fā)生惡性事故的可能性降到最低，最大限度地保護生產裝置和人身安全，避免惡性事故的發(fā)生，構成了生產裝置最穩(wěn)固、最關鍵的最后一道防線。因此控制系統與安全儀表系統在生產過程中所起的作用是截然不同的。DCS和ESD是兩種功能上不同情況是：

(1)DCS用于過程連續(xù)測量、常規(guī)控制、操作控制管理，保證生產裝置平穩(wěn)運行。ESD用于監(jiān)視生產裝置的運行狀況，對出現異常工況迅速進行處理，使故障發(fā)生的可能性降到最低，使人和裝置處于安全狀態(tài)

(2)DCS是“動態(tài)”系統，它始終對過程變量連續(xù)進行檢測、運算和控制，對生產過程動態(tài)控制，確保產品質量和產量ESD是靜態(tài)系統，在正常工況下，它始終監(jiān)視裝置的運行，系統輸出不變，對生產過程不產生影響，在異常工況下，它將按著預先設計的策略進行邏輯運算，使生產裝置安全停車。

(3)DCS可進行故障自動顯示ESD必須測試潛在故障。

(4)DCS對維修時間的長短要求不算苛刻，ESD維修時間非常關鍵，否則會造成裝置全線停車。

(5)DCS可進行自動/手動切換。ESD永遠不允許離線運行，否則生產裝置將失去安全保護屏障，

(6)DCS系統只做一般聯鎖、泵的開停、順序等控制，安全級別沒有ESD高。ESD與DCS相比，在可靠性、可用性上要求更嚴格，原則上二者硬件獨立設置。