分散制御システムの説明: アーキテクチャ、フィールド デバイス、バルブ

分散型制御システムの移行を終えたばかりの制御室に入ると、通常は同じ画面が表示されます。きれいなトレンド表示、1 人の履歴担当者、1 人のアラーム リスト、そして試運転エンジニアが 3 つのループがまだ 2% ずつハンティングしていることを静かに認めています。キャビネットが問題になることはほとんどありません。フィールドレイヤーです。 DCS は、蛇口の送信機が実際に報告する内容と、制御弁が移動するように指示されたときに実際にどれだけ移動するかによって判断されます。

分散制御システムとは実際何なのか

分散制御システムは、プロセス コントローラーのネットワークであり、それぞれが定義されたプラント エリアを所有し、1 つの通信バックボーンを介してオペレーター ステーション、エンジニアリング ツール、およびヒストリアンを共有します。

分散という言葉は管理を意味するものではなく、制御を意味します。 1 台のコンピューターがサイト全体を実行しようとするのではなく、DCS はプロセスをボイラー ハウス、原子炉トレイン、公共給水ラインなどのユニットに分割し、各ユニットに独自のコントローラーを与えます。 1 つのコントローラーに障害が発生しても、プラントの残りの部分は生産を続けます。

この封じ込めは、数百のアナログ ループを備えた連続プラントが 1 つの大きなプログラマブル ロジック コントローラー ラックではなく DCS で標準化されている理由を説明しています。制御サイクルは通常 100 ミリ秒から 1 秒の間で実行され、通常、コントローラ、電源、ネットワークには冗長性が組み込まれています。

単一タグ データベースが真の差別化要因です。個別の PLC と自家製監視レイヤーで組み立てられたプラントでは、1 つの測定値が 3 つの名前で 3 回存在し、3 つの範囲と 3 つのアラーム制限が存在することがよくあります。 DCS では、タグは一度定義されると、どこにでも継承されます。

4 つの層とそれぞれが所有するもの

キャビネットにどのようなブランドが描かれているかに関係なく、DCS はフィールド、制御、監視、エンタープライズの 4 つの層で構成されます。どの層がどの決定を所有しているかを知ることで、トラブルシューティングが数日から数時間に短縮されます。

パターンは一貫しています。最も安価なレイヤーが最長の停止を引き起こします。インパルスラインが間違った方向に傾いている送信機は、どんな構成エラーよりも多くの迷惑アラームを生成し、それが 15 年間発生し続けることになります。

DCS、PLC、または スカダ: ループ数と結果による選択

高速なマシン シーケンスには PLC を使用し、多くの場所に分散した資産には SCADA を使用し、1 つのサイトで何百もの連続した相互作用するアナログ ループを実行する場合には DCS を使用します。この 3 つは重なっており、どのベンダーもプラットフォームがすべてを行うと主張しているため、製品カテゴリではなくエンジニアリングの現実を考慮して決定してください。

フィールド層がループのパフォーマンスを決定します

フィールドデバイスが提供できなかった精度を回復できる制御アルゴリズムはありません。ループはチェーンであり、DCS は 1 つのリンク (コントローラー) だけを所有します。その他のものはすべてプラント内にあり、熱、振動、湿気、プロセス流体にさらされています。

• センサーとトランスミッターの選択: 範囲、精度クラス、接液材質によって、チューニングを開始する前に達成可能なループ誤差が設定されます。
• 設置品質: 導圧管の傾斜、凝縮水ポット、サーモウェルの深さ、ケーブルの配線。
• 最終的な要素のサイジング: バルブ Cv、アクチュエーター トルク、ストローク時間、フェールセーフ方向。
• 付属品: ポジショナー、リミット スイッチ、ソレノイド、フィルター レギュレーターは、信号がどの程度忠実に動作するかを決定します。
• 信号の完全性: シールド、接地、および可変周波数ドライブ ケーブルからの物理的分離。

HART または別のデジタル プロトコルをサポートするトランスミッタは、単一の 4 ～ 20 mA を超える値を供給します。これらはセンサーのドリフト、電子機器の温度、構成の変化を報告し、プラント全体の校正スイープを目標のタスクに変えます。

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同じロジックが最後の要素にも適用されます。命令された信号ではなく実際の移動を報告するポジショナにより、スティクションが品質偏差になる前に視覚化されます。などのサプライヤー バッテンバルブグループ バルブ、アクチュエーター、ポジショナー、トランスミッターを 1 つのフィールド セットに組み立てます。これは、ループを 4 回ではなく 1 回修理する必要がある場合に重要です。

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最終制御要素: DCS で修正できることとできないこと

制御バルブは、摩擦、不感帯、ヒステリシスを備えた機械装置であり、これらの特性によって、その後のすべての調整作業の上限が決まります。

空気圧スプリングリターンアクチュエータは、安全な位置に到達するために電力を必要としないため、フェールセーフ機能のデフォルトのままです。電動アクチュエータは、正確な位置決め、移動フィードバック、診断機能を追加し、故障モードとして計器の空気を除去するため、水、廃水、遠隔地に適しています。

サイズ設定は必要以上に注目されていません。特大のバルブがシート付近に配置されており、取り付けられた特性が急峻で制御が困難です。小さすぎるバルブは設計流量を通過させることができません。どちらの間違いも、設計時点では許容できるように見えるため、試運転中に残ります。

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ループトラブルを防ぐコミッショニング方法

生産の最初の週に発生するループ障害のほとんどは、試運転中に確認できましたが、いずれにせよ承認されました。 DCS のコミッショニングは主にソフトウェアのタスクではありません。それは、物理的に設置されるものについての現場と制御室の間の合意です。

1. マーシャリング キャビネットでのループ チェック: フィールド端子で信号を入力し、オペレータ画面で値を確認します。その逆ではありません。
2. ラインがまだ空の状態で、空気と電力を使用してすべてのバルブのストローク テストを行い、フェールセーフの方向を確認します。
3. ポジショナーのフィードバックを確認します。トラベル スパン、ゼロ、分割範囲は、データシートではなく、製造時のストロークと一致する必要があります。
4. 水上で見られる設定が粘性のスラリーに移行することはほとんどないため、実際のプロセスに合わせて調整してください。
5. ドキュメントを凍結します。更新されたループ シートとタグ リストにより、次のプロジェクトが同じエラーを繰り返すことがなくなります。

DCS が報われる場所

DCS の利益は、多くの相互作用するループと高価なダウンタイムを伴う連続プロセスで最も大きくなります。

• ループが相互作用し、グレードの変更が頻繁に行われる化学薬品および石油化学製品
• ボイラーとタービン制御が 1 つのオペレーター環境を共有する発電
• 上水と廃水、分散サイトが 1 つの制御室に報告する場合
• バッチ記録が一貫したデータに依存する医薬品
• 電池材料、スラリーや溶媒の取り扱いが弱い分野のハードウェアに影響を与える場合

これらの業界には 2 つの特徴があります。それは、プロセスが継続的に実行されること、およびシャットダウンには制御システムよりもコストがかかることです。フィールド ハードウェアは同じ条件に耐える必要があるため、グラフィックスが完成するずっと前に、材料、シーリング クラス、およびアクチュエータの保護が指定されます。最近の バルブの供給とプラントの拡張を同期させるケーススタディ は、スケジュールのリスクが制御室のソフトウェアではなくフィールド パッケージにどの程度存在するかを示しています。

よくある質問

DCS は SCADA と同じですか?

いいえ。SCADA は、多くの場合、遠隔地や無人サイトから広範囲にわたるデータを収集して表示し、通常は制御をローカル PLC または RTU に依存します。 DCS は、オペレータ インターフェイスを同じ統合システムの一部として、閉ループ制御自体を実行します。

PLC の代わりに DCS を正当化できる I/O ポイントは何点ですか?

固定のしきい値はありませんが、単一のサイトが数百の連続アナログ ループを伝送する場合、冗長性が必須の場合、または複数のユニットが 1 つのアラーム理念と 1 つの履歴データベースを共有する必要がある場合には、経済性が変化します。それ以下の規模では、適切に設計された PLC と SCADA の組み合わせの方が通常は安価です。

DCS はバルブを直接制御できますか?

4 ～ 20 mA またはデジタル コマンドをアクチュエーターまたはポジショナーに送信し、位置とステータスを読み取ります。プラグまたはディスクを動かす物理的な作業は機械的なものであるため、結果はコントローラーではなく、バルブのサイズ、空気の質、アクチュエーターのトルクによって決まります。

DCS の移行は 10 年にわたる取り組みです。予算のほとんどはキャビネット、ライセンス、エンジニアリング時間に費やされますが、運用上の苦痛のほとんどは、送信機の漂流、バルブの固着、誤った露点での計器用空気など、現場から戻ってきます。制御システムを完璧であるかのように設計し、現場の予算を完璧ではないかのように費やします。