Berechnungsmethode für die Anzahl der I/O-Punkte in DCS-Systemen

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Vergleichende Wissenschaft*. Die Anzahl der Punkte im DCS-Steuerungssystem wird in der Regel von den Entwicklungsabteilungen ermittelt. Dabei handelt es sich um die Summe der I/O-Punkte aus dem Bereich der Messtechnik, der I/O-Punkte aus dem elektrischen Bereich sowie der Kommunikationspunkte zwischen dem DCS-System und anderen Systemen. Eine genaue Erfassung der Anzahl der I/O-Points für Elektrik und Instrumente verhindert Unstimmigkeiten bei der Koordination zwischen den jeweiligen Fachabteilungen. Eine genaue Angabe der Anzahl der DCS-Points liefert den Nutzerorganisationen eine Grundlage dafür, eine Entscheidung bezüglich der Marke des DCS-Systems sowie dessen Kosten zu treffen. DCS-Systeme umfassen in der Regel automatisierte Steuerungsfunktionen wie thermische Messung, analoge Regelung, Sequenzsteuerung und logische Steuerung. Die Anzahl der Punkte in einem DCS-System ergibt sich aus der Summe der Punkte für analoge Eingangssignale (AI), analoge Ausgangssignale (AO), digitale Eingangssignale (DI), digitale Ausgangssignale (DO) sowie der Punkte für die Kommunikation zwischen dem DCS und anderen Systemen. Im Folgenden werden die Berechnungsmethoden für die Anzahl der Punkte in DCS-Systemen aus Sicht der Messtechnik bzw. Elektrotechnik vorgestellt: 1. Wie berechnet man die Anzahl der AI-Eingangspunkte in einem DCS-System? Unter AI versteht man die analogen Eingangssignale, die in das DCS-System oder den PLC eingehen. Direkt vor Ort können in das DCS-System folgende AI-Eingangssignale eingegeben werden: Thermoelemente (mit den Typen J, K, T, N, E, R, S und B), Widerstandssignale (mit den Typen Cu50, Cu100, Pt100 und Pt50), Standardstromsignale (4–20 mA, 0–20 mA), Standardspannungssignale (1–5 V, 0–5 V und 0–10 V) sowie Pulsignale ； Falls andere Signalformen in das DCS-System eingespeist werden sollen, müssen sie mithilfe von Signalumwandlergeräten wie Signalisolatoren, Stromwandlern oder Spannungswandlern in ein 4–20 mA- oder 1–5 V-Signal umgewandelt werden, bevor sie ins DCS-System gelangen können. (1) Zählung der AI-Eingangspunkte für Thermoelemente: Ein einzelnes, vormontiertes Thermoelement oder ein einzelnes, geschütztes Thermoelement wird als 1 AI-Punkt betrachtet ； Bei doppelten montierbaren Thermoelementen oder doppelten hermetisch verschlossenen Thermoelementen müssen die Temperaturen der beiden Sensoren am gleichen Messpunkt im DCS-System als 2 AI-Punkte gezählt werden. Wird nur eine Temperatur an diesem Messpunkt angezeigt, so zählt dies als 1 AI-Punkt ； Einzelpunkt-Mehrpunkt-Thermoelemente oder Mehrpunkt-Thermoelemente werden häufig verwendet, um die Temperaturen an verschiedenen Stellen desselben Messpunkts zu überwachen. Je nach Anzahl der Messpunkte des Thermoelements werden entsprechend viele AI-Eingänge für das Thermoelement berechnet. (2) Statistik der Anzahl der AI-Eingänge für Widerstandsthermometer: Die Methode zur Statistik der Anzahl der AI-Eingänge für Widerstandsthermometer ist identisch mit der Methode zur Statistik der Anzahl der AI-Eingänge für Thermoelemente. (3) Statistik der Standard-Strom- und Spannungs-AI-Eingangspunkte: Für jedes Signal im Bereich von 4–20 mA, 0–2 mA, 0–5 V, 1–5 V oder 0–10 V, das in das DCS-System eingespeist wird, wird jeweils ein AI-Punkt gezählt. Gleichzeitig wird der zugehörige Messbereich dieses Eingangssignals erfasst. Zweileiter-Transmitter (darunter Temperaturtransmitter, Drucktransmitter, Füllstandstransmitter, Durchflusstransmitter usw.) erfordern eine Stromversorgung mit DC 24 V. Es ist daher ratsam, die Anzahl der AI-Kanäle separat zu erfassen, um das Verkabeln bei der Integration in das DCS-System zu erleichtern. Besondere Hinweise: Anzeigegeräte vor Ort wie Druckmesser, Bimetallthermometer, Glasrotorströmungsmesser usw. werden nicht in die Zählung der Punkte im DCS-System einbezogen. 2. Wie berechnet man die Anzahl der AO-Ausgänge im DCS-System? Unter AO versteht man die analogen Ausgangssignale, die vom DCS-System oder PLC zur Steuerung der Feldgeräte gesendet werden. Es gibt im Allgemeinen fünf Arten von AO-Ausgängen: 4–20 mA, 0–20 mA, 0–5 V, 1–5 V und 0–10 V. Dabei ist 4–20 mA der am häufigsten verwendete Typ für AO-Ausgänge in DCS-Systemen. Die AO-Ausgänge werden üblicherweise an Geräte wie elektrische oder pneumatische Stellglieder, Frequenzumrichter, Leistungsregler sowie industrielle Steuerungsmodule angeschlossen. In der Regel entspricht jeder zu steuernde Parameter einem AO-Ausgang; die Anzahl der AO-Ausgänge entspricht somit der Anzahl der zu steuernden Geräte. 3. Wie berechnet man die Anzahl der DI-Eingänge in einem DCS-System? Unter DI versteht man digitale Eingangssignale, die in das DCS-System oder den PLC gelangen. Die DI-Eingänge müssen passive Kontakte sowie TTL- oder CMOS-Spannungssignale sein. Nachdem die DI-Signale das DCS-System bzw. den PLC erreicht haben, wird oft eine Prüfspannung von DC24V oder DC48V angelegt. Die DI-Eingänge für das Instrumentierungsfach stammen in der Regel von Alarmkontakten von Geräten wie elektrisch schaltbaren Druckmessgeräten, elektrisch schaltbaren Bimetall-Temperaturmessern, elektrisch schaltbaren Wasserstandsmessgeräten, Flüssigkeitsstandschaltern, Durchfluss-Schaltern, Flammenüberwachungseinrichtungen usw. Jeder Alarmkontakt, der mit dem DCS-System verbunden wird, zählt als ein DI-Eingangspunkt. Die Berechnung der DI-Punkte im Elektrotechnikbereich ist recht komplex; dazu wird im weiteren Verlauf des Artikels ausführlich eingegangen. 4. Wie berechnet man die Anzahl der DO-Ausgänge in einem DCS-System? Unter DO versteht man die digitalen Ausgangssignale, die vom DCS-System oder PLC zur Steuerung von Feldgeräten gesendet werden. Diese Signale werden in der Regel über Zwischenrelais an elektrische Geräte mit unterschiedlichen Spannungsniveaus weitergeleitet. Die DO-Ausgänge der Messgeräte werden häufig zur Steuerung von externen Anzeigeleuchten, Elektromagneten, akustisch-optischen Alarmen, elektrischen Steuereinrichtungen sowie Mehrdrehwinkel-Elektromotoren und Kontaktern verwendet. Das DCS-System steuert verschiedene Geräte – dabei variiert die Anzahl der erforderlichen DO-Ausgänge. Im Folgenden sind die üblichen I/O-Punktzahlen für die zu steuernden Komponenten aufgeführt: (1) Schaltergesteuerte elektrische Stellglieder: Für jedes Stellglied wird für die Rückmeldung der Ventilposition ein AI-Eingang mit 4–20 mA berechnet; für die Steuerung der Drehrichtung des Ventils werden 2 DO-Ausgänge benötigt. Für die Signale „Ventil vollständig geöffnet“ bzw. „Ventil vollständig geschlossen“ sind jeweils 2 DI-Eingänge erforderlich. Ebenso werden für die Fehlersignale „Überdrehmoment beim Öffnen“ bzw. „Überdrehmoment beim Schließen“ jeweils 2 DI-Eingänge benötigt. (2) Schalterbasierte Mehrdrehwinkel-Elektromotorantriebe (Stromversorgung AC380V): Für jeden Antrieb werden 4–20 mA als Rückmeldung über die Ventilposition berechnet – das ergibt 1 AI-Eingangspunkt. Falls es keine Rückmeldesignale gibt, wird dieser AI-Punkt nicht berücksichtigt. Für die Steuerung der Vorwärts-/Rückwärtsbewegung des Ventils werden 2 DO-Ausgangspunkte berechnet. Für den Zustand „Ventil vollständig geöffnet“ bzw. „Ventil vollständig geschlossen“ (Drehschalter) werden 2 DI-Eingangspunkte berechnet. Für Fehlermeldungen bezüglich zu hohen Drehmoments beim Öffnen bzw. Schließen des Ventils werden ebenfalls 2 DI-Eingangspunkte berechnet. (3) Regelnde elektrische Stellglieder: Für jedes Stellglied wird für die Berechnung der Ventilstellungsrückmeldung 1 AI-Eingangspunkt verwendet; für das Berechnen des Steuersignals für das Ventil wird 1 AO-Ausgangspunkt genutzt. Für das Berechnen des Fehleralarmsignals des Stellglieds wird ebenfalls 1 AI-Eingangspunkt verwendet. (Fehleralarmsignale kommen häufig bei intelligenten elektrischen Stellgliedern vor; falls kein solches Signal vorhanden ist, wird kein AI-Punkt berechnet.)
(4) Regelnde mehrwendige elektrische Stellglieder: Für jedes Stellglied wird für die Berechnung der Ventilstellungsrückmeldung 1 AI-Eingangspunkt verwendet. Für das Berechnen des 4–20-mA-Steuersignals des Stellglieds wird 1 AO-Ausgangspunkt genutzt. Für das Berechnen des ESD-Notsteuersignals wird 1 DO-Ausgangspunkt verwendet. (ESD-Notsteuersignale kommen häufig bei intelligenten mehrwendigen elektrischen Stellgliedern vor; falls diese Funktion nicht vorhanden ist, wird kein DO-Punkt berechnet.) Für die Alarmsignale „Überdrehmoment beim Öffnen“ bzw. „Überdrehmoment beim Schließen“ werden insgesamt 2 DI-Eingangspunkte benötigt. (5) Frequenzumrichter: Für jeden Frequenzumrichter wird für die Berechnung der Frequenzrückkopplung 1 Eingangspunkt für KI verwendet, für die Berechnung des Frequenzvorgabesignals 1 Ausgangspunkt für AO, für die Berechnung der Start/Stopp-Befehle 1 Ausgangspunkt für DO, für die Fehleralarmierung des Frequenzumrichters 1 Eingangspunkt für DI, für das Zurücksetzen von Fehlern 1 Ausgangspunkt für DO sowie für die Berechnung des Betriebszustands des Frequenzumrichters 1 Eingangspunkt für DI. Wenn der Frequenzumwandler über eine Kommunikationsmethode mit dem DCS-System verbunden ist, muss nur ein Kommunikationspunkt berechnet werden; weitere Punkte sind nicht erforderlich. (6) Wenn am DCS-System Geräte wie Magnetventile, Leuchtdioden, Kontakte usw. angeschlossen sind, wird für jedes Gerät ein DO-Ausgang berechnet (falls mehrere Geräte ein gemeinsames Steuersignal nutzen, geschieht dies in der Regel durch das Hinzufügen von Kontakten eines Zwischenrelais; in diesem Fall muss nur ein DO-Ausgang berechnet werden). 5. Wie wird in der Elektrotechnik die Anzahl der Punkte in einem DCS-System berechnet? (1) Anzahl der Punkte in einem DCS-System für herkömmliche elektrische Steuerungen: Ein einfaches Motorsteuerungssystem benötigt 2 DI-Eingänge und 1 DO-Ausgang. Jeder Betriebszustand einer Schleife (aus den Hilfskontakten des Kontaktors) erzeugt einen DI-Eingangspunkt; die Start/Stop-Kontrollsignale (an die Spule des Kontaktors angeschlossen) erzeugen einen DO-Ausgangspunkt; Fehlersignale (aus dem Thermoschalter oder dem Überlastschutz des Motors) erzeugen ebenfalls einen DI-Eingangspunkt. Falls im Motorstromkreis eine Anzeige des Stromwerts sowie eine lokale/ferngesteuerte Steuerung erforderlich sind, werden neben 2 DI- und 1 DO-Eingängen je nach Bedarf 0–3 AI-Eingänge für die Übertragung des Stromsignals (aus dem Stromwandler) berechnet. Bei Motoren mit geringer Leistung wird der Strom in der Regel nicht überwacht, weshalb in diesem Fall keine AI-Eingänge berechnet werden ； Je nach Anzahl der Phasenstromströme, die in das DCS übertragen werden müssen, ergibt sich auch die Anzahl der AI-Eingangspunkte für leistungsstarke dreiphasige Motoren. Jeder Stromwert im Bereich 0–5 A muss durch einen Stromwandler in einen Signalwert im Bereich 4–20 mA umgewandelt werden, bevor er ins DCS übertragen wird. Es können maximal 3 solcher Eingangspunkte verwendet werden ； Falls der Motor an mehreren Stellen gesteuert werden muss, wird für die Auswahl des Steuerungsorts ein DI-Eingang berechnet. Zur besseren Verständlichkeit zeigt die folgende Abbildung ein Beispiel für das Prinzip der sekundären Steuerung in den Bereichen GGD-Steuerkästen, Bedienkästen vor Ort sowie dem DCS-System: http://yunrun.com.cn/upload/201603/30/201603301804382744.jpg. Funktionen der sekundären Anschlusskreise zur Motorsteuerung: Die Stopptasten an den Steuerkästen und Bedienkästen ermöglichen es, den Motor in jedem Zustand zum Anhalten zu bringen ； Der Schalter zur Auswahl des Steuerungsorts ermöglicht die Wahl zwischen „Steuerung aus dem Schrank“, „Stellplatzsteuerung“ und „DCS-Steuerung“. Der Startknopf an der entsprechenden Stelle des Schalters kann den Motor starten ； Wenn der Auswahlschalter auf „DCS-Steuerung“ steht, können Motorstart-/Stopp-Operationen nur im DCS-System durchgeführt werden. Beschreibung der elektrischen Komponenten: In der Sekundär-Schaltplanung steht 1SS für den Stoppschalter am Elektrikschrank, 1SS1 für den Stoppschalter im Bedienpult vor Ort ； 1SB ist der Startknopf am Schaltschrank, 1SB1 ist der Startknopf am Bedienpult vor Ort ； DO sind die Steuerausgangskontakte für den Start/Stop-Betrieb des DCS-Systems ； 1HR5 ist die Netzindikator-LED ； 1HR ist die Betriebsanzeige am Schaltschrank, 1HR1 ist die Betriebsanzeige am Bedienpult vor Ort ； 1HG ist die Stoppschaltlampe am Schaltschrank, 1HR1 ist die Stoppschaltlampe am Bedienpult vor Ort ； 1KK ist der Schalter zum Bedienen ； 1KH ist ein Thermorelais ； 1KM ist der Kontaktor ； 1KA ist ein Zwischenrelais ； 1FU ist der Schutzschalter für den Sekundärkreis. (2) Anzahl der Punkte im DCS-System zur elektrischen Steuerung des Spannungsabfalls beim Starten: Für jeden Motor in der Schleifenanlage, der im Vollspannungsbetrieb ist, wird ein DI-Eingangspunkt berechnet – dieser Signal stammt von den Hilfskontakten des Hauptkontakters 1KM1. Für die Steuersignale zum Starten/Stoppen des DCS-Systems (die an die Spulen der Kontakte angeschlossen sind), wird ein DO-Ausgangspunkt berechnet. Für Fehlermeldungen im elektrischen System (die vom Wärmezähler oder vom Überlastschutz des Motors stammen), wird ebenfalls ein DI-Eingangspunkt berechnet. Für die Motorstromsignale (die von den dreiphasigen Stromwandlern stammen), werden insgesamt 3 AI-Eingangspunkte berechnet – jeweils ein Punkt für den Strom des Motors A, B und C ； Falls der Motor an mehreren Stellen gesteuert werden muss, wird bei Auswahl des Schalterzustands für die Steuerungsortwahl (bei Auswahl der DCS-Systemsteuerung) ein DI-Eingang pro Stelle berechnet. Zur besseren Verständlichkeit zeigt die folgende Abbildung das Prinzip der Steuerung des Niederspannungsstartvorgangs für die GGD-Steuerkästen, die Feldbedienboxen sowie das DCS-System: http://yunrun.com.cn/upload/201603/30/201603301805373111.jpg (3) Anzahl der Steuerpunkte im DCS-System unter Nutzung von Frequenzumrichtern: Jedes Signal über den Betriebszustand eines Frequenzumrichters (aus den Kontakten des Zwischenrelais) ergibt einen DI-Eingangspunkt. Die Steuersignale zum Start/Stop des DCS-Systems (an die Spulen der Zwischenrelais angeschlossen) ergeben einen DO-Ausgangspunkt. Fehlermeldungen des Frequenzumrichters (aus dem Frequenzumrichter selbst) ergeben ebenfalls einen DI-Eingangspunkt. Die Fehlerrücksetzung erzeugt einen DO-Ausgangspunkt. Das Feedbacksignal bezüglich der Frequenz des Frequenzumrichters ergibt schließlich einen AI-Eingangspunkt ； Die Frequenzsteuerungssignale ergeben einen AO-Ausgangswert pro Punkt. (4) Anzahl der Eingänge im DCS-System zur Steuerung der Vorwärts- und Rückwärtsbewegung des Motors: Der Zustand der Vorwärtsbewegung bzw. Rückwärtsbewegung des Motors (aus den Hilfskontakten des Kontakters) erfordert 2 Eingänge von Typ D1. Die Signale für Fehler bei der Vorwärts- bzw. Rückwärtsbewegung (aus dem Thermoschalter) erfordern ebenfalls 2 Eingänge von Typ DI. Die Steuerung der Vorwärts- bzw. Rückwärtsbewegung (über die Spulen des Kontakters) erfordert 2 Ausgänge von Typ DO. Das Signal zur Rückmeldung des Motorstroms erfordert maximal 3 Eingänge von Typ AI – ohne Rückmeldung des Stroms wird dieser Eingang nicht berücksichtigt. (5) Das DCS-System ist mit PLC-Funktionen kompatibel. Bei komplexer Logiksteuerung wird die Anzahl der I/O-Points des DCS-Systems entsprechend den Anforderungen des jeweiligen Projekts berechnet (die Berechnungsmethode entspricht der für PLC-Points). Eine detaillierte Erklärung hierfür wird nicht gegeben. Mit der oben beschriebenen Methode zur Berechnung der Anzahl der Komponenten im DCS-System kann schnell ermittelt werden, wie viele Hardwarekomponenten tatsächlich benötigt werden. Bei der tatsächlichen Konfiguration des DCS-Systems muss außerdem auf die Redundanz geachtet werden – in der Regel wird eine Redundanz von 20 % zu der tatsächlichen Anzahl der I/O-Ports hinzugefügt.