基于DCS的過程實(shí)時(shí)控制平臺(tái)的研究

崔富義　周巧儀

【摘 要】本過程實(shí)時(shí)控制研究開發(fā)平臺(tái)通過建立一套基于DCS的過程實(shí)時(shí)控制平臺(tái)，并配置有可組合的被控對(duì)象，用于檢測不同被控對(duì)象、被控參量的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行理論分析；同時(shí)編制控制算法，在對(duì)象上進(jìn)行控制效果的演示。可為高?？刂乒こ?、自動(dòng)化等專業(yè)和社會(huì)過程實(shí)時(shí)控制研究、培訓(xùn)機(jī)構(gòu)提供專業(yè)化的仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)備，為自動(dòng)化行業(yè)培養(yǎng)具有豐富理論知識(shí)并掌握其方法的專業(yè)化人才。

【關(guān)鍵詞】過程實(shí)時(shí)控制；DCS；MTLAB；數(shù)學(xué)模型；控制算法

1 研究背景

過程工業(yè)包括石油、化工、電力、核能、水處理、食品、生物、制藥、水泥、冶金等諸多行業(yè)，過程控制是自動(dòng)化專業(yè)中一個(gè)重要的組成部分，過程實(shí)時(shí)控制技能也是控制工程師所應(yīng)具備的重要技能之一。近年來，隨著中國從制造大國向制造強(qiáng)國的轉(zhuǎn)型升級(jí)，教育部強(qiáng)調(diào)教育人才要更加突出工程能力的培養(yǎng)，并對(duì)對(duì)高校實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)提出了設(shè)計(jì)型、綜合型、創(chuàng)新型和探索型等更高的教學(xué)目標(biāo)要求。這就要求我們過程控制專業(yè)的學(xué)生在校期間能夠盡可能多地進(jìn)行動(dòng)手訓(xùn)練，從實(shí)踐中獲得工程技能。然而生產(chǎn)過程常常伴有高溫、高壓等環(huán)節(jié)，因此很難在實(shí)驗(yàn)室中構(gòu)建與工業(yè)裝置相近的實(shí)驗(yàn)對(duì)象，而目前許多學(xué)校采用以水槽液位為主要被控對(duì)象的過程控制實(shí)驗(yàn)裝置，這種實(shí)驗(yàn)對(duì)象被控環(huán)節(jié)類型過于簡單，時(shí)間常數(shù)過小，動(dòng)態(tài)特性與真實(shí)生產(chǎn)裝置差別太大，實(shí)時(shí)性控制效果差等缺點(diǎn)。

MTLAB 是國際公認(rèn)的優(yōu)秀數(shù)學(xué)應(yīng)用軟件之一，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)計(jì)算和圖形顯示能力。[1]過程實(shí)時(shí)控制研究開發(fā)平臺(tái)以MATLAB為基礎(chǔ)，使用其中的Simulink和Real - Time Workshop以及相關(guān)工具箱作為底層測控平臺(tái)，并配置有可組合的被控對(duì)象，用于檢測不同被控對(duì)象、被控參量的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行理論分析；同時(shí)在DCS系統(tǒng)中編制控制算法，在對(duì)象上進(jìn)行控制效果的研究和測試，以構(gòu)建一種適用于高校與科研機(jī)構(gòu)進(jìn)行過程實(shí)時(shí)控制研究的專業(yè)平臺(tái)設(shè)備。

2 系統(tǒng)組成

本平臺(tái)設(shè)計(jì)包括多個(gè)子系統(tǒng)，采用現(xiàn)場總線技術(shù)、實(shí)時(shí)控制技術(shù)，通過軟件的計(jì)算，建立多種參量下的被控對(duì)象系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型；結(jié)合算法和不同控制模式，綜合比對(duì)控制效果。其包含被控對(duì)象、動(dòng)力原件、接口、實(shí)時(shí)控制器、算法分析軟件及監(jiān)控軟件等。各子系統(tǒng)部分開發(fā)內(nèi)容見如下敘述。

2.1 過程控制對(duì)象系統(tǒng)

過程控制對(duì)象系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的被控模型，其典型參量的選用不僅考慮工業(yè)現(xiàn)場典型的參量，同時(shí)，還應(yīng)組成典型的工作流程。同時(shí)，選取多種執(zhí)行器，以比對(duì)其控制效果。

過程控制對(duì)象系統(tǒng)主要有溫度、壓力、液位、流量等四大熱工參量，同時(shí)，可組成單回路（一階、二階、三階）、串級(jí)、三閉環(huán)、比值、前饋反饋、滯后、解耦等控制對(duì)象和控制回路，融合了傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和自動(dòng)化控制技術(shù)，通過設(shè)計(jì)、編程與運(yùn)行，比對(duì)控制差異。同時(shí)，建立GUI工程，方便觀察與比較，通過直觀清晰的界面實(shí)現(xiàn)分析、監(jiān)控。

對(duì)象系統(tǒng)分溫度、壓力、流量、液位四大熱工參量，其中動(dòng)力系統(tǒng)有兩種，采用不銹鋼磁力驅(qū)動(dòng)泵和鍋爐；執(zhí)行器有三種，分別是變頻器、移相調(diào)壓模塊、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，信號(hào)連接采用航空電纜插座的方式。

2.2 DCS過程控制系統(tǒng)

如圖2所示，系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)由上到下分為監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和控制網(wǎng)絡(luò)三個(gè)層次，監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)工程師站、操作員站、高級(jí)計(jì)算站與系統(tǒng)服務(wù)器的互連，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場控制站與系統(tǒng)服務(wù)器的互連，控制網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場控制站與過程I/O單元的通訊。

一個(gè)大型系統(tǒng)可由多組服務(wù)器組成，由此將系統(tǒng)劃分成多個(gè)域，每個(gè)域可由獨(dú)立的服務(wù)器、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)SNET和多個(gè)現(xiàn)場控制站組成，完成相對(duì)獨(dú)立的采集和控制功能。域有域名，域內(nèi)數(shù)據(jù)單獨(dú)組態(tài)和管理，域間數(shù)據(jù)可以重名。各個(gè)域可以共享監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)和工程師站。而操作員站和高級(jí)計(jì)算站等可通過域名登錄到不同的域進(jìn)行操作。

數(shù)據(jù)按域獨(dú)立組態(tài)，域間數(shù)據(jù)可以由域間引用或域間通信組態(tài)進(jìn)行定義，并通過監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)相互引用。

系統(tǒng)具有的功能：數(shù)據(jù)采集、控制運(yùn)算、閉環(huán)控制輸出、設(shè)備和狀態(tài)監(jiān)視、報(bào)警監(jiān)視、遠(yuǎn)程通信、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理和顯示、歷史數(shù)據(jù)管理、日志記錄、事件順序記錄、事故追憶、圖形顯示、控制調(diào)節(jié)、報(bào)表打印、高級(jí)計(jì)算、組態(tài)、調(diào)試、打印、下裝、診斷。

（1）工程師站（ENS）

由高檔微機(jī)組成，具有以下功能：系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫組態(tài)、設(shè)備組態(tài)、圖形組態(tài)、控制語言組態(tài)、報(bào)表組態(tài)、事故庫組態(tài)、離線查詢、調(diào)試、下裝。

（2）操作員站（OPS）

由高檔微機(jī)或工業(yè)微機(jī)組成，具有以下功能：流程圖顯示與操作、報(bào)警監(jiān)視及確認(rèn)、日志查詢、趨勢顯示，參數(shù)列表顯示控制調(diào)節(jié)、在線參數(shù)修改、報(bào)表打印。

（3）現(xiàn)場控制站（FCS）

由專用控制柜和專用控制軟件組成，控制柜中包括電源、主控單元、過程I/O單元、通信單元及控制網(wǎng)絡(luò)等組件?？筛鶕?jù)組態(tài)的數(shù)據(jù)庫和算法完成：數(shù)據(jù)采集與處理、控制和聯(lián)鎖運(yùn)算、控制輸出。

（4）系統(tǒng)服務(wù)器（SVR）

由高檔微機(jī)或服務(wù)器構(gòu)成，完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫管理和存取、歷史數(shù)據(jù)庫管理和存取、文件存取服務(wù)、數(shù)據(jù)處理、系統(tǒng)裝載等功能的計(jì)算機(jī)。系統(tǒng)服務(wù)器可雙冗余配置。

2.3 實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)

系統(tǒng)主要由數(shù)字仿真計(jì)算機(jī)（數(shù)字機(jī)）、過程控制對(duì)象、數(shù)模轉(zhuǎn)換設(shè)備三部分組成。數(shù)字機(jī)是一臺(tái)通用微機(jī)，內(nèi)存大，計(jì)算速度快，包括Windows操作系統(tǒng)，Matlab（帶Simulink和Real - Time Workshop以及相關(guān)工具箱），數(shù)據(jù)庫，用戶界面開發(fā)軟件等。數(shù)模轉(zhuǎn)換設(shè)備也是一個(gè)重要的組成況下的A/D、D/A轉(zhuǎn)換設(shè)備，當(dāng)被測信號(hào)特殊時(shí)，可以設(shè)計(jì)專用的信號(hào)輸入轉(zhuǎn)換設(shè)備。本系統(tǒng)采用A/D、D/A轉(zhuǎn)換設(shè)備，具有如下功能：A/D為16路12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，D/A是12位雙路數(shù)模轉(zhuǎn)換器，8路DO。

數(shù)字機(jī)主要用于被測設(shè)備仿真模型庫的建立、測試仿真程序的運(yùn)行和用戶界面程序以及結(jié)果的分析等；數(shù)字機(jī)控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，控制各模塊的運(yùn)行，并進(jìn)行結(jié)果的分析和判斷，接口設(shè)備A/D 主要用來進(jìn)行模擬信號(hào)采集與轉(zhuǎn)換，D/A 主要用于數(shù)字計(jì)算機(jī)輸出指令信號(hào)和控制信號(hào)到模擬對(duì)象的轉(zhuǎn)換。此外系統(tǒng)中的DO 主要是用來控制對(duì)象系統(tǒng)的擾動(dòng)源。

利用Simulink/RTW 的軟件，加入C 語言編譯器，選擇計(jì)算機(jī)本身作為目標(biāo)計(jì)算機(jī)，使用Simulink 的外部模式建立混合運(yùn)算環(huán)境。該系統(tǒng)有如下特點(diǎn)：

1）由Simulink 圖形模型直接生成實(shí)時(shí)控制程序代碼。

2）控制計(jì)算機(jī)和目標(biāo)計(jì)算機(jī)是同一臺(tái)計(jì)算機(jī)，即節(jié)約了經(jīng)費(fèi)又減少了程序下載時(shí)間。

3）使用外部模式，將Simulink 模型畫面作為系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測與調(diào)試界面，設(shè)計(jì)人員非常熟悉該界面。

4）具有在線實(shí)時(shí)修改參數(shù)的功能。

2.4 軟件平臺(tái)

為了實(shí)現(xiàn)一體化混合仿真，系統(tǒng)使用的軟件為Microsoft Windows XP SP3、Matlab （包括Matlab、Simulink、Real-Time Workshop 和Real-Time Windows Target）和VC++6.0。

用Simulink 建立系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，通過接口與控制對(duì)象連接，通過界面中的啟動(dòng)按鈕，啟動(dòng)運(yùn)算程序，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的記錄和分析，并生成計(jì)算后的數(shù)據(jù)。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，再進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、調(diào)整控制器參數(shù)，使控制達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)；先使系統(tǒng)工作在仿真狀態(tài)下，觀測計(jì)算參數(shù)對(duì)控制模型的控制效果，再連接相應(yīng)的接口轉(zhuǎn)換模塊到控制對(duì)象，單擊編譯圖標(biāo)Build， 即可生成實(shí)時(shí)控制程序，進(jìn)行實(shí)際控制。

3 技術(shù)特點(diǎn)

基于DCS的過程實(shí)時(shí)控制研究平臺(tái)具有如下技術(shù)特點(diǎn)：

（1）具有可靈活組合被控對(duì)象流程的對(duì)象系統(tǒng)，包括溫度、壓力、流量、液位等被控?zé)峁⒘俊?/p>

（2）具有完整的保護(hù)體系，如電壓型漏電、電流型漏電、鍋爐防干燒保護(hù)等，保證設(shè)備的使用壽命。

（3）具有工業(yè)現(xiàn)場總線的完整結(jié)構(gòu)，包含三層網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)場層、控制層和管理層，使用PCI計(jì)算機(jī)內(nèi)部總線、PROFIBUS-DP、ETHERNET等總線技術(shù)。

（4）具有兩種控制模式下控制效果的對(duì)比，在實(shí)時(shí)研究平臺(tái)計(jì)算出的對(duì)象模型以及控制參數(shù)，即可通過本身進(jìn)行仿真和實(shí)際控制；同時(shí)，也可將參數(shù)設(shè)置到DCS控制系統(tǒng)中，對(duì)比兩種控制模式下控制效果，分析控制數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論

“基于DCS的過程實(shí)時(shí)控制平臺(tái)”，已經(jīng)投產(chǎn)運(yùn)行了一段時(shí)間，經(jīng)檢測，該設(shè)備性能指標(biāo)基本達(dá)到產(chǎn)品預(yù)期設(shè)計(jì)的要求，在國內(nèi)處于領(lǐng)先水平?；谠摦a(chǎn)品具有良好的通用性，包括了溫度、壓力、流量、液位等各種被控?zé)峁⒘?，且可靈活進(jìn)行組合，能模擬出各種復(fù)雜的工業(yè)控制工況，較好地滿足了各高校科研機(jī)構(gòu)對(duì)工業(yè)現(xiàn)場復(fù)雜過程實(shí)時(shí)控制的教學(xué)研究需要，受到了用戶的一致好評(píng)，因而具有廣闊的市場前景。對(duì)此，我們下一階段的工作，仍將進(jìn)一步提高產(chǎn)品的各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)，爭取產(chǎn)生更好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

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[責(zé)任編輯：湯靜]