自動化分散控制系統(tǒng)概述及其應用情況

李寶泉

LI Bao-quan

（吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，吉林 132013）

0 引言

分散控制系統(tǒng)是在計算機監(jiān)督控制系統(tǒng)、直接數(shù)字控制系統(tǒng)和計算機多級控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是生產(chǎn)過程的一種比較完善的控制與管理系統(tǒng)。在分散控制系統(tǒng)中,按地區(qū)把微處理機安裝在測量裝置與控制執(zhí)行機構(gòu)附近，將控制功能盡可能分散，管理功能相對集中。這種分散化的控制方式能改善控制的可靠性，不像在直接數(shù)字控制系統(tǒng)中那樣，會由于計算機的故障而使整個系統(tǒng)失去控制。當管理級發(fā)生故障時，過程控制級控制回路仍具有獨立控制能力，個別控制回路發(fā)生故障時也不致影響全局。相對集中的管理方式有利于實現(xiàn)功能標準化的模塊化設計。與計算機多級控制系統(tǒng)相比，分散控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上更加靈活、布局更為合理和成本更低。隨著工業(yè)自動化技術(shù)的迅速發(fā)展，綜合自動化控制系統(tǒng)的水平在不斷提高從單機控制發(fā)展到分布式控制系統(tǒng)(DCS)。隨著可編程控制器(PLC)性能不斷完善,在DCS中得到了廣泛的應用。

1 DCS的組成結(jié)構(gòu)

1.1 DCS概述

DCS(Distributed Control System)即分布式控制系統(tǒng)，也就是常說的分散控制系統(tǒng)。當前DCS是結(jié)合了各類控制功能的完整系統(tǒng)，是目前應用最廣泛，結(jié)構(gòu)先進，性能高，功能完整的控制系統(tǒng)。

1.2 控制系統(tǒng)概述

控制是日常生活中經(jīng)常接觸到的問題，按工業(yè)生產(chǎn)過程變量的時間連續(xù)性和幅度連續(xù)性，工業(yè)生產(chǎn)的典型過程可分為三種：連續(xù)控制(ContinuousProcess)、離散過程(Discrete Process)和批量過程(Batch Process)。連續(xù)過程指的是這樣一種工業(yè)過程：其產(chǎn)品一般都是流體的，如液體、氣體等，過程的輸入輸出變量為時間連續(xù)和幅度連續(xù)的量，并且過程一旦建立，只生產(chǎn)一種產(chǎn)品。連續(xù)過程的變量一般是溫度、壓力、流量、質(zhì)量及液位等。與連續(xù)過程相對應，離散過程指的是這樣一種工業(yè)過程其產(chǎn)品是“固態(tài)“的、按件計量的，過程的輸入輸出變量為時間離散和幅度離散的量,如產(chǎn)品的數(shù)量、開關(guān)的狀態(tài)等。批量過程，指的是一種間歇性多品種生產(chǎn)過程，即利用同樣的生產(chǎn)裝置,在不同的時間段,根據(jù)不同的配方和生產(chǎn)工藝生產(chǎn)出不同的產(chǎn)品。一個完整的生產(chǎn)過程,一般都是連續(xù)過程和離散過程的組合，批量過程中一般也包含有離散過程。

1.3 控制系統(tǒng)的基本組成

在一個控制系統(tǒng)中,必不可少的組成部分有三個：被控對象、設備或裝置、人。其中控制裝置是控制系統(tǒng)的核心，所以控制作用都是由控制裝置實現(xiàn)的，一個控制系統(tǒng)能否順利地實現(xiàn)其控制目標，完成復雜的控制功能，主要看控制裝置是否穩(wěn)定可靠并具有優(yōu)異的性能。因此，人們在控制裝置的研究方向上給予了巨大投入，而且，隨著生產(chǎn)效率的不斷提高，生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大、產(chǎn)品質(zhì)量要求的不斷提高，控制裝置的作用越來越顯得重要,在某些情況下甚至超過了生產(chǎn)設備，因為在使用同樣生產(chǎn)設備的情況下，通過改進控制裝置就可實現(xiàn)生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量的提高。由于控制裝置的重要性，在很多場合，人們不再以被控對象、控制裝置和人這三部分的總和作為控制系統(tǒng)的定義，而是直接將控制裝置定義為控制系統(tǒng)，即認為控制系統(tǒng)是由圍繞實施控制所必須的測量、計算及執(zhí)行等各個環(huán)節(jié)所組成的。這實際上是對直接控制系統(tǒng)的定義，而有人參與的控制則被定義為監(jiān)督控制系統(tǒng)。

1.4 控制系統(tǒng)的人機界面

控制系統(tǒng)作為一個整體，人必須是控制系統(tǒng)的一個最重要的組成部分，從數(shù)學模型的推導、建立并預先設置在運算處理裝置中，以便在線運行時實現(xiàn)控制功能，到直接參與控制系統(tǒng)的在線運行，對運算過程處理裝置不能自動進行處理的控制問題，實施操作與調(diào)節(jié)或為運算處理裝置給出設定值，都需要人的參與。而為了便于人了解被控對象的運行狀態(tài)并進行人工的操作與調(diào)節(jié)，控制系統(tǒng)還必須提供人機界面。在任何一個控制系統(tǒng)中，人機界面都是必不可少的重要組成部分。人機界面包括測量值的顯示，計算參數(shù)的顯示，人工操作設備（如按鈕、調(diào)節(jié)手柄等），還有對運算處理裝置進行設定和控制算法預置的設備等。

1.5 DCS的基本構(gòu)成

一個最基本的DCS包括四大部分：現(xiàn)場控制站，操作員站，工程師站和系統(tǒng)網(wǎng)絡組成。除了上述四個基本的組成部分之外，還可包括完成某些專門功能的站、擴充生產(chǎn)管理和信息處理功能的信息網(wǎng)絡，以及實現(xiàn)現(xiàn)場儀表、執(zhí)行機構(gòu)數(shù)字化的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡等。1）操作員站。操作員站主要完成人機界面的功能，一般采用通用計算機系統(tǒng)，如圖形工作站或個人計算機等。2）現(xiàn)場控制站?，F(xiàn)場控制站是DCS的核心，系統(tǒng)主要的控制功能由它來完成，同時要保證系統(tǒng)的性能與可靠性?，F(xiàn)場控制站的硬件一般都采用專門的工業(yè)級計算機系統(tǒng)組成。為防止現(xiàn)場的信號對控制站的干擾，要隔離現(xiàn)場的計算機系統(tǒng)與現(xiàn)場的I/O單元。應用現(xiàn)場總線技術(shù)連接現(xiàn)場的I/O單元與主處理模塊。3）工程師站。工程師站對DCS進行應用組態(tài)，主要是包括控制輸入與輸出量的定義，控制回路算法的設計，管理與控制人機界面，數(shù)據(jù)的記錄與報表的定義等。4）系統(tǒng)網(wǎng)絡。用于連接系統(tǒng)的各個站點，解決不同站點之間數(shù)據(jù)的傳輸，同時保證系統(tǒng)的實時性與可靠性。初期很多廠家設計了不同類型的網(wǎng)絡，隨著以太網(wǎng)的推出，許多廠家均采用該網(wǎng)絡作為工業(yè)標準網(wǎng)絡。5）現(xiàn)場總線網(wǎng)絡?，F(xiàn)場總線網(wǎng)絡將傳統(tǒng)的模擬式儀表的變送單元與執(zhí)行單元之間傳輸?shù)哪M信號變成數(shù)字信號，從而實現(xiàn)了系統(tǒng)與現(xiàn)場設備之間的計算機網(wǎng)絡連接。6）高級管理網(wǎng)絡。隨著技術(shù)的發(fā)展，DCS已經(jīng)從最初的底層控制功能，發(fā)展成為集數(shù)據(jù)采集、監(jiān)督控制、生產(chǎn)管理與一體的綜合監(jiān)控自動化系統(tǒng)。

1.6 DCS軟件

DCS軟件主要是包括現(xiàn)場控制站軟件、操作員站軟件與工程師站軟件，以及用于連接各個站點之間的網(wǎng)絡軟件?，F(xiàn)場控制站上的軟件主要完成各種控制功能,包括回路控制、邏輯控制、順序控制以及這些控制所必須的現(xiàn)場I/O處理；操作員站上的軟件主要完成運行操作人員所發(fā)出的各個命令的執(zhí)行、圖形與畫面的顯示、報警的處理、對現(xiàn)場各類檢測數(shù)據(jù)的集中處理等；工程師站軟件則主要完成系統(tǒng)的組態(tài)功能和系統(tǒng)運行期間的狀態(tài)監(jiān)視功能。

1.7 DCS物理結(jié)構(gòu)與硬件構(gòu)成

1）現(xiàn)場控制站的物理結(jié)構(gòu)及其硬件構(gòu)成?，F(xiàn)場控制站主要是包括過程量I/O輸入輸出模塊、主控模塊、電源、通信網(wǎng)絡設備及現(xiàn)場信號電纜相連接的端子排等部件；2）網(wǎng)絡的物理結(jié)構(gòu)及網(wǎng)絡硬件。在網(wǎng)絡硬件方面，包括網(wǎng)絡線、網(wǎng)絡接口板、網(wǎng)絡連接器、集線器、交換器、路由器、重復器與網(wǎng)關(guān)及網(wǎng)橋等設備。

2 DCS在電力工程中的應用概況

2.1 DCS在主控系統(tǒng)中的應用

整個控制系統(tǒng)按功能分為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、模擬量控制系統(tǒng)、旁路控制系統(tǒng)、爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)、順序控制系統(tǒng)、電氣量監(jiān)視控制系統(tǒng),其中旁路控制系統(tǒng)納入MCS控制范圍。隨主機設備供貨的汽輪機數(shù)字電液控制系統(tǒng)(DEH)給水泵用小汽輪機數(shù)字電液控制系統(tǒng)(MEH)與DCS采用相同的硬件設備，網(wǎng)絡配置和操作員站采用一體化設計。

2.2 系統(tǒng)的硬件

系統(tǒng)主要由工程師站、運行員操作站、網(wǎng)絡交換機、控制處理機以及I/O卡件組成。分散控制系統(tǒng)主要包括：1）應用處理機。作為處理機站，它主要完成計算和管理功能。作為文件服務器站，它們處理來自文件服務器站本身或其他站的文件請求，同時為應用處理機進行存儲服務。應用處理機和其他系統(tǒng)站協(xié)調(diào)工作，提供了數(shù)據(jù)輸入輸出和操作員接口的必要手段；2）工作站處理機。操作站處理機和與它連接的外部設備一起，在用戶和所有系統(tǒng)功能之間提供一個界面，即作為系統(tǒng)站和操作員之間的接口。它從用于處理機和其它系統(tǒng)站接受圖形和文本信息并產(chǎn)生視頻信號，在視頻監(jiān)視器上顯示；3）控制處理機?？膳cI/O現(xiàn)場總線組件和設備相連，完成控制功能。它是一個可選的容錯站，和與它相連的現(xiàn)場總線組件一起,可按組態(tài)好的控制方案對過程進行控制。它可實現(xiàn)連續(xù)控制、梯型邏輯控制和順序控制等功能。完成數(shù)據(jù)采集、檢測、報警和傳送信息的功能；4）現(xiàn)場總線組件?，F(xiàn)場總線組件是現(xiàn)場傳感器執(zhí)行器與控制處理機的接口，可連接到運行I/O Series系列的綜合控制軟件的控制處理機或PC機上。對現(xiàn)場設備使用的電氣輸入/輸出信號進行適當?shù)剞D(zhuǎn)，使得通過現(xiàn)場總線能與這些裝置通訊?，F(xiàn)場總線組件可與控制處理機或PC機一起就地安裝,也可安裝在遠程的地方。

2.3 應用系統(tǒng)的軟件描述

現(xiàn)場MSC設計的一般原則：1）火電廠熱工控制信號主要是一些模擬信號，根據(jù)信號的特點和工程的實際需要，進行慣性濾波處理，以減少干擾信號對控制的影響；2）跟蹤、無擾切換、方向閉鎖、防積分飽和功能；3）多控制輸出平衡回路設計。為了實現(xiàn)多個控制驅(qū)動裝置投自動時的無擾，在控制總量一定的情況下，一路控制輸出變化時，其余控制輸出能自動調(diào)整以保證控制總量的不變，多控制輸出系統(tǒng)為達到優(yōu)良的控制品質(zhì)，需要有滿足要求的多輸出平衡回路；4）超馳控制功能。MSC系統(tǒng)中的超馳控制功能實現(xiàn)在特殊的情況下，切斷調(diào)節(jié)器的正常輸出，自動將控制輸出切換到預設值，而調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)為跟蹤狀態(tài)，當超馳控制消失時，調(diào)節(jié)器恢復正常工作。對于安全保護的超馳控制,要求優(yōu)先級高于正常自動和手動操作。

3 結(jié)束語

本文闡述了DCS的發(fā)展概況，體系結(jié)構(gòu)（軟硬件結(jié)構(gòu),網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)）等內(nèi)容。還結(jié)合實際工程項目分析了系統(tǒng)應用情況，并且從硬件和軟件方面進行了詳細的描述，通過 本文的闡述表明系統(tǒng)的優(yōu)化檢修需要一種先進的設備管理模式，而且在電力行業(yè)中具有一定的推廣空間。但是也可以認識到它的推行依賴于對設備狀態(tài)的掌握和積累，依賴于各種相關(guān)先進的應用和完善。從以上研究成果看，熟悉DCS系統(tǒng)各方面情況的基礎(chǔ)，基本達到了對系統(tǒng)的研究效果,同時通過具體應用角度對其有了進一步研究，為其進一步改造和發(fā)展提供理論依據(jù)和實際經(jīng)驗。

[1] 劉國利. DCS在發(fā)電廠輸煤程控中的應用. 發(fā)電設備,2008(01).

[2] 李志鋒,杜存飛,劉彥英. DCS控制系統(tǒng)的故障判別及處理方法. 中國西部科技,2008(04).

[3] 王常力,羅安. 分布式控制系統(tǒng)設計與應用實例[M]. 北京： 電子工業(yè)出版社,2004,08.

[4] 陳穎. 分散控制系統(tǒng)在熱電聯(lián)產(chǎn)機組和綜合利用機組上的應用. 河北電力技術(shù),2008,27(01).

[5] 王淇,趙霞. DCS系統(tǒng)在火電廠煙氣脫硫控制系統(tǒng)的實現(xiàn). 自動化與儀表,2008,27,(02).