集散控制系統(tǒng)在石油工業(yè)流程控制中的應(yīng)用

谷勇

摘 要：集散控制系統(tǒng)DCS（Distributed Control System）目的在于將過(guò)去一臺(tái)大型計(jì)算機(jī)完成的功能，控制室的計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)監(jiān)督、顯示、操作、報(bào)警、管理和優(yōu)化計(jì)算，它與各微處理器之間用通信網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)，傳遞信息，從而構(gòu)成一個(gè)完整的控制系統(tǒng)。文章將主要探討集散控制系統(tǒng)在石油工業(yè)流程控制中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：集散控制系統(tǒng)；石油工業(yè)；流程控制

我國(guó)石油對(duì)外依存度呈現(xiàn)快速攀升的狀態(tài)，此現(xiàn)象來(lái)自于國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)快速成長(zhǎng)，當(dāng)國(guó)內(nèi)石油產(chǎn)量不足以承擔(dān)需求量時(shí)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展就會(huì)出現(xiàn)危機(jī)，而為了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)石油進(jìn)口量不斷增加，對(duì)外石油依存度也越來(lái)越高[1]。

1 集散控制系統(tǒng)的基本組成

集散控制系統(tǒng)以微機(jī)為核心，把微機(jī)、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、顯示操作裝置、輸入/輸出通道、模擬儀表等有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，構(gòu)成組合式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)大系統(tǒng)的綜合自動(dòng)化創(chuàng)造了條件?？傊?，就是以微機(jī)為核心，實(shí)現(xiàn)地理上和功能上分散的控制，又通過(guò)高速數(shù)據(jù)通道把各個(gè)分散點(diǎn)的信息集中起來(lái)，進(jìn)行集中的監(jiān)視和操作，并實(shí)現(xiàn)高級(jí)復(fù)雜規(guī)律的控制。集散控制系統(tǒng)是一種典型的分級(jí)分布式控制結(jié)構(gòu)。管理計(jì)算機(jī)完成生產(chǎn)計(jì)劃產(chǎn)品管理、財(cái)務(wù)管理、人員管理以及工藝流程管理等功能，監(jiān)督控制計(jì)算機(jī)通過(guò)協(xié)調(diào)各基本控制器的工作，達(dá)到過(guò)程的動(dòng)態(tài)最優(yōu)化?；究刂破鲃t完成過(guò)程的現(xiàn)場(chǎng)控制任務(wù)。CRT操作臺(tái)是人機(jī)交換裝置，完成人——控制系統(tǒng)——過(guò)程的接口任務(wù)。自動(dòng)控制方式的給定值，可由操作人員在數(shù)據(jù)輸入板上設(shè)定[2]。數(shù)據(jù)采集器用來(lái)收集現(xiàn)場(chǎng)控制信息和過(guò)程變化信息。集散控制系統(tǒng)既有計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)控制算法先進(jìn)、精度高、響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)，又有儀表控制系統(tǒng)安全可靠、維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)。集散控制系統(tǒng)容易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律，系統(tǒng)是積木式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)靈活，可大可小，易于擴(kuò)展。集散控制系統(tǒng)既有計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)控制算法先進(jìn)、精度高、響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)，又有儀表控制系統(tǒng)安全可靠、維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)。集散控制系統(tǒng)容易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律，系統(tǒng)是積木式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)靈活，可大可小，易于擴(kuò)展。

2 石油工業(yè)流程控制中集散控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

集散控制系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化和系列化設(shè)計(jì)，由過(guò)程控制級(jí)、控制管理級(jí)和生產(chǎn)管理級(jí)所組成一個(gè)以通信網(wǎng)絡(luò)為紐帶的集中形式操作管理，控制相對(duì)分散，具有配置靈活、組態(tài)方便的多級(jí)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

2.1 DCS系統(tǒng)是一個(gè)分布式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

DCS系統(tǒng)采用分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）數(shù)據(jù)可以“就地儲(chǔ)存，就地處理”，減輕了網(wǎng)絡(luò)通信的負(fù)荷，縮短了處理時(shí)問(wèn)，增加了數(shù)據(jù)的可靠性和安全性。（2）增加了系統(tǒng)工作的可靠性和抗干擾、抗故障能力，使得在任一單元失效的情況下，仍然保持系統(tǒng)的完整性，即使全局性通信或管理站（操作站）失效，局部站仍能維持工作。（3）擴(kuò)展性好。硬件和軟件采用開(kāi)放式、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化設(shè)計(jì)，可適應(yīng)不同用戶各種大小不等的系統(tǒng)規(guī)模要求，也可根據(jù)生產(chǎn)要求，改變系統(tǒng)的配置規(guī)模。配置規(guī)模和控制方案的改變，皆無(wú)需修改或從新開(kāi)發(fā)軟件，只是使用組態(tài)軟件對(duì)組態(tài)進(jìn)行修改即可。（4）便于資源共享、并行處理[3]。

2.2 DCS系統(tǒng)是集各種新技術(shù)于一體的新型系統(tǒng)工程技術(shù)的產(chǎn)物

DCS系統(tǒng)既不同于分散的模擬儀表控制系統(tǒng)，又不同于集中式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，它是吸收了兩者的長(zhǎng)處，并在它們的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一門新型的系統(tǒng)工程技術(shù)，具有很強(qiáng)的發(fā)展?jié)摿惋@著的優(yōu)越性。

2.3 DCS系統(tǒng)是實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)

通俗地講，所謂實(shí)時(shí)，就是及時(shí)，即系統(tǒng)對(duì)于生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)生的事件具有快速響應(yīng)和反應(yīng)能力，從工程的角度上看問(wèn)題，如果缺乏這種能力，作為控制系統(tǒng)就不能滿足實(shí)際生產(chǎn)的需求。

2.4 DCS系統(tǒng)是可靈活組態(tài)的系統(tǒng)

隨著DCS系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大，其硬件系統(tǒng)可以進(jìn)行組態(tài)配置；其應(yīng)用軟件系統(tǒng)，如流程圖畫面、操作畫面、趨勢(shì)畫面、報(bào)警畫面的生成，控制方案的組成，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)歷史數(shù)據(jù)的構(gòu)造等都是使用組態(tài)軟件工具，通過(guò)填表、圖形方式（或少量專用語(yǔ)言編程）生成的，靈活性、擴(kuò)展性和可維護(hù)性好，這是常規(guī)模擬儀表控制系統(tǒng)所無(wú)法比擬的。

3 集散控制系統(tǒng)在石油工業(yè)流程控制中的應(yīng)用策略

控制方案的組態(tài)（即建立過(guò)程點(diǎn)）是DCS組態(tài)工作中一個(gè)極其重要的方面。控制方案組態(tài)質(zhì)量的高低，不僅影響著控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能，而且影響著控制系統(tǒng)的可靠性。

3.1 分散過(guò)程控制級(jí)

分散過(guò)程控制級(jí)直接面向生產(chǎn)過(guò)程，是DCS的基礎(chǔ)，它直接完成生產(chǎn)過(guò)程的數(shù)據(jù)采集、調(diào)節(jié)控制、順序控制等功能，其過(guò)程輸人信息是面向傳感器的信號(hào)，其輸出用于驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。構(gòu)成這一級(jí)的主要裝置有現(xiàn)場(chǎng)控制站（工業(yè)控制機(jī)IPC）、可編程序控制器（PLC）、智能調(diào)節(jié)器以及其他測(cè)控裝置[4]。

3.2 集中操作監(jiān)控級(jí)

以操作監(jiān)視為主要任務(wù)，兼有部分管理功能。這一級(jí)是面向操作員和控制系統(tǒng)工程師的，因而配備有技術(shù)手段齊備、功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及各類外部裝置，例如CRT顯示器和鍵盤、較大儲(chǔ)存容量的硬盤或軟盤、功能強(qiáng)大的軟件等，確保工程師和操作員對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)、監(jiān)視和操作，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程實(shí)行高級(jí)控制策略、故障診斷、質(zhì)量評(píng)估。其具體組成包括：監(jiān)控計(jì)算機(jī)、工程師顯示操作站、操作員顯示操作站。

3.3 綜合信息管理級(jí)

由管理計(jì)算機(jī)、辦公自動(dòng)化系統(tǒng)、工廠自動(dòng)化服務(wù)系統(tǒng)構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)整個(gè)企業(yè)的綜合信息管理。綜合信息管理主要包括生產(chǎn)管理和經(jīng)營(yíng)管理[5]。

3.4 通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

DCS各級(jí)之間的信息傳輸依靠通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)來(lái)支持。根據(jù)各級(jí)的不同要求，通信網(wǎng)也分成低速、中速、高速通信網(wǎng)絡(luò)。低速網(wǎng)絡(luò)面向分散過(guò)程控制級(jí)；中速網(wǎng)絡(luò)面向集中操作監(jiān)控級(jí)；高速網(wǎng)絡(luò)面向管理級(jí)。

DCS的分散過(guò)程控制級(jí)，直接與生產(chǎn)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)的傳感器（熱電偶、熱電阻等）、變送器（溫度、壓力、液位、流量變送器等）、電氣開(kāi)關(guān)（觸點(diǎn)輸入輸出）、執(zhí)行機(jī)構(gòu)（調(diào)節(jié)閥、電磁閥等）連接，完成生產(chǎn)過(guò)程控制，并能與集中操作監(jiān)控級(jí)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信；接收顯示操作站下傳加載的參數(shù)和作業(yè)命令，向顯示器操作站報(bào)告現(xiàn)場(chǎng)工作情況[6]。

4 結(jié)束語(yǔ)

由于現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的智能化、數(shù)字化，與模擬信號(hào)相比，它從根本上提高了測(cè)量與控制的準(zhǔn)確度，減少了傳送誤差。同時(shí)，由于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，石油工業(yè)設(shè)備與連線減少，現(xiàn)場(chǎng)儀表內(nèi)部功能加強(qiáng)：減少了信號(hào)的往返傳輸，提高了系統(tǒng)的工作可靠性。此外，由于它的設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化和功能模塊化，因而還具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，易于重構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

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