分散控制系統(tǒng)過程控制的設(shè)計研究

華媛

摘 要：作為系統(tǒng)控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，過程控制的設(shè)計對于保證工藝的平穩(wěn)操作有重要的作用。簡要介紹了分散控制系統(tǒng)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，具體探討了分散控制系統(tǒng)過程控制的設(shè)計，以期為相關(guān)技術(shù)和設(shè)計人員提供參考。

關(guān)鍵詞：分散控制系統(tǒng)；過程控制；信息通信；控制變量

中圖分類號：TP273.5 文獻標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.07.085

在完成集中監(jiān)控的過程中，計算機控制可以實現(xiàn)信息通信和高級控制等功能，其較高的控制精度大幅提高了生產(chǎn)過程的綜合質(zhì)量控制效率。然而，在大型工廠中，計算機控制過度集中，事故發(fā)生的概率也相對集中，如果控制系統(tǒng)發(fā)生故障，則操作、控制、監(jiān)視等都無法進行。分散控制系統(tǒng)集中了計算機控制系統(tǒng)和常規(guī)模擬儀表的優(yōu)勢，可進一步提高控制系統(tǒng)的可靠性和安全性，因此，加強有關(guān)分散控制系統(tǒng)過程控制的設(shè)計研究，對于改善分散控制系統(tǒng)應(yīng)用質(zhì)量具有重要的理論和現(xiàn)實意義。

1 分散控制系統(tǒng)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)

1.1 分散型集中控制技術(shù)

1.1.1 分級分布式設(shè)計結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)采用過程控制、優(yōu)化控制、自適應(yīng)控制和工廠管理4級分布式策略，選用分級梯階結(jié)構(gòu)，依據(jù)工業(yè)生產(chǎn)裝置的不同布局，將其劃分成多個單元，并且各單元可獨立實現(xiàn)本區(qū)域內(nèi)的對象過程控制。系統(tǒng)通常包含操作站、過程接口單元、管理計算機、過程單元和高速通訊網(wǎng)絡(luò)5個部分。

1.1.2 集中控制

系統(tǒng)內(nèi)不同級和不同層間實施數(shù)據(jù)通信構(gòu)成了一個完善統(tǒng)一的整體。不同模塊之間是利用通訊總線連接實現(xiàn)通訊的，而各單元利用過程控制網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，操作站則對過程實行集中顯示、操作和報警。

1.2 工業(yè)自動化控制技術(shù)

對于連續(xù)的模擬量控制系統(tǒng)，依據(jù)反饋控制原理，采用PID控制規(guī)律，對獲取的輸出量與設(shè)定量間的誤差-時間函數(shù)實行比例、微分、積分處理，并將處理結(jié)果作為控制量，完成電路放大、轉(zhuǎn)換工作后，其又可作為控制信號對執(zhí)行器的動作實行控制，持續(xù)修正控制量與被控量間的偏差，進而實現(xiàn)對被控量的調(diào)控。

1.3 圖形化組態(tài)

圖形化編程語言是以C語言為基礎(chǔ)進行二次開發(fā)，進而形成語言。在采用這種語言編程時，通常不用編寫程序代碼，而是采用流程圖，盡量采用技術(shù)人員經(jīng)常使用的概念、圖標(biāo)和術(shù)語，利用“圖標(biāo)”替換“文本指令”。這樣做，可以大幅度地改善工作效率。在設(shè)計可視化程序時，技術(shù)人員僅需調(diào)用“圖標(biāo)”，然后使用“連線”表示數(shù)據(jù)的流向，這樣編程工作就更加簡便、直觀。

1.4 系統(tǒng)組態(tài)

依據(jù)設(shè)計要求，在系統(tǒng)軟件和硬件的支持下，整體采用系統(tǒng)組態(tài)軟件提供的計算、填表和繪圖等功能，事先組織好各類硬件設(shè)備和軟件功能，以保證系統(tǒng)按照預(yù)定狀態(tài)運行。也就是說，利用集散控制系統(tǒng)支持的功能模塊、編程語言、組態(tài)編輯軟件構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)的操作界面和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，由此完成過程集中控制、數(shù)據(jù)集中顯示和數(shù)據(jù)通信。

2 分散控制系統(tǒng)過程控制的設(shè)計

過程控制設(shè)計的主要目的是從整體角度出發(fā)，對不同操作單元的整個過程構(gòu)建提供操作策略和建議，其涉及的研究內(nèi)容包含異常狀態(tài)處理策略、控制系統(tǒng)內(nèi)不同變量關(guān)系協(xié)調(diào)、控制變量選擇等多種確保工藝穩(wěn)定操作的措施和方案。在此，以化工控制過程為例，結(jié)合相關(guān)過程控制分析設(shè)計工具，具體介紹了系統(tǒng)過程控制的設(shè)計過程。

2.1 目標(biāo)函數(shù)和操作限制條件的確定

在指定標(biāo)準(zhǔn)控制結(jié)構(gòu)前，應(yīng)先確定過程控制的操作目標(biāo)和各類與產(chǎn)品質(zhì)量、安全因素等相關(guān)的限制條件。通常情況下，可將目標(biāo)函數(shù)定義為標(biāo)量成本函數(shù)J，并且在一定時期內(nèi)持續(xù)穩(wěn)定，當(dāng)然，如果商品價格和市場環(huán)境出現(xiàn)變化，則J的表現(xiàn)形式也可隨之改變。限制條件是確保產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)安全的基本控制目標(biāo)，其主要受設(shè)計強度、大小尺寸等操作物理條件和工藝條件的影響。

2.2 分析自由度

在分析自由度的過程中，要先統(tǒng)計全部過程中可自由操作的、獨立操縱變量的個數(shù)，然后提出穩(wěn)態(tài)效應(yīng)較差的操縱變量。比如，緩沖罐液位穩(wěn)態(tài)效應(yīng)較低，但是，需要對其調(diào)控，所以，其將消耗穩(wěn)態(tài)自由度。另外，在此過程中，還需要優(yōu)化步驟1，測定條件中的積極約束和簡化梯度各自的維度，以方便隨后選擇被控變量。

2.3 選擇被控變量

被控變量是指分層梯階控制結(jié)構(gòu)中的一級被控變量y1，也就是綜合考量需保持在設(shè)定點的變量。在運用該控制變量時，可將其分成用于自主優(yōu)化的被控變量和積極約束相關(guān)的變量兩部分。在此，可以采用一般框架，也就是建立最優(yōu)性必要條件為被控變量，對于無法獲得最優(yōu)性必要條件的，則選用可測變量的函數(shù)關(guān)系近似方法來確定。

2.4 構(gòu)建常規(guī)控制回路

在確定控制回路和二級控制變量時，可依賴于工程師的直觀測量和工藝過程的特性來確定。常規(guī)控制層的主要目的是簡化監(jiān)督控制層的控制任務(wù)，并控制底層擾動，兩層間主要利用串級控制方式完成交互。常規(guī)控制回路是一種必須的控制手段，而對于較小規(guī)模的過程，可將常規(guī)控制與監(jiān)督控制相結(jié)合，共同發(fā)揮控制功能。

2.5 變量配對

這一步主要是配對主要控制變量y1及其操縱變量（也就是常規(guī)控制層被控變量的設(shè)定點），如果控制系統(tǒng)相對簡單，則可以直接實現(xiàn)被控變量同原始操縱變量的配對。在配對過程中，可以依據(jù)VI-EID配對準(zhǔn)則，利用相關(guān)分散控制結(jié)構(gòu)設(shè)計方法直接獲取最佳配對方案。如果能得到過程的擾動模型，則可以深入分析分散控制系統(tǒng)的擾動抑制特性；如果計算過程較慢或利用不同方法得出的配對方案有矛盾，則可以經(jīng)過多目標(biāo)優(yōu)化配對算法深入分析后，確定最終的配對方案。在此過程中需要注意的是，如果采用MPC控制方式，則可以不完成這一步驟。

2.6 依據(jù)要求構(gòu)建RTO優(yōu)化層

如果設(shè)計好的控制結(jié)構(gòu)已經(jīng)同時具備控制和優(yōu)化的功能，則可以依據(jù)運行要求選擇是否采用RTO優(yōu)化層。通過對相關(guān)實驗數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，即使不存在RTO優(yōu)化層，依據(jù)某些方法設(shè)計的控制結(jié)構(gòu)仍然可以實行自主優(yōu)化。

3 結(jié)束語

過程控制結(jié)構(gòu)的設(shè)計質(zhì)量將直接影響分散控制系統(tǒng)功能的發(fā)揮和企業(yè)效益的實現(xiàn)。因此，相關(guān)技術(shù)和設(shè)計人員應(yīng)加大對有關(guān)分散控制系統(tǒng)過程控制的研究力度，不斷總結(jié)過程控制設(shè)計方法和關(guān)鍵技術(shù)措施，以逐步提升分散控制系統(tǒng)的運行水平。

參考文獻

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〔編輯：白潔〕

Abstract： As a key part of system control， process control designed to ensure the smooth operation of the process has an important role. Briefly introduces the key technology of distributed control system applications， specifically discusses the distributed control system design process control， in order to provide a reference for the relevant technical and design staff.

Key words： distributed control system； process control； information and communication； control variables