基于現(xiàn)場總線技術(shù)的分布式控制系統(tǒng)設(shè)計研究

徐 青

（國能＜山東＞能源環(huán)境有限公司 山東 濟(jì)南 250014）

0 引言

分布式控制系統(tǒng)（distributed control system，DCS）又稱集散控制網(wǎng)絡(luò)，是一種多級計算機(jī)系統(tǒng)，主要分為過程監(jiān)控級和過程控制級，是以網(wǎng)絡(luò)通信為核心的、目前最先進(jìn)的自動化控制系統(tǒng)。 目前，該系統(tǒng)是以綜合自動化角度為基礎(chǔ)，將各種信息技術(shù)集中起來，如控制技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)等，其具有控制能力強(qiáng)、安全性高、覆蓋范圍廣等優(yōu)勢，受到各石油化工企業(yè)的高度重視，將分布式控制系統(tǒng)應(yīng)用到石油化工、煤化工、熱電等諸多生產(chǎn)領(lǐng)域中，大幅度提高了日常生產(chǎn)質(zhì)量和效率，為企業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展打下堅實(shí)的基礎(chǔ)。 基于此，本文以分布式控制系統(tǒng)為主要研究對象，分析分布式控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和性能，便于相關(guān)人員對分布式控制系統(tǒng)自身性能和特征作全面了解，再將該系統(tǒng)應(yīng)用到相關(guān)生產(chǎn)中，提高日常加工效果，為企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益，促進(jìn)相關(guān)企業(yè)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展［1］。

1 分布式控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

分布式控制系統(tǒng)涉及范圍較廣，屬于可控性網(wǎng)絡(luò)，如服務(wù)器、工作范圍、生產(chǎn)場所、生產(chǎn)設(shè)施等。 它是由上、下、中三層結(jié)構(gòu)相互組成，可對各種環(huán)境中的生產(chǎn)設(shè)施進(jìn)行實(shí)時控制，其中分布式控制系統(tǒng)的下半部分為中分散控制系統(tǒng)，主要作用是將生產(chǎn)對象的有關(guān)資料收集起來，全部上傳到有關(guān)部門，直至全部信息資料收集完畢；分布式控制系統(tǒng)中間層通常是按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對化工生產(chǎn)過程和作業(yè)過程進(jìn)行監(jiān)督，對相關(guān)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理，監(jiān)控效果較好；在分布式控制系統(tǒng)中，通信結(jié)構(gòu)是一個重要的環(huán)節(jié)，是由計算機(jī)和各種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制，信息管理層能直接參與到信息系統(tǒng)和參數(shù)運(yùn)行中，合理調(diào)整部分生產(chǎn)指令。 而控制站工作內(nèi)容是實(shí)時控制生產(chǎn)數(shù)據(jù)，保證生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效率能達(dá)到預(yù)期要求。 同時，工作人員在該層面設(shè)置輔助設(shè)施，來監(jiān)督生產(chǎn)設(shè)施和生產(chǎn)過程，有利于提高化工企業(yè)生產(chǎn)能力和解決問題的能力，第一時間發(fā)現(xiàn)設(shè)備設(shè)施故障及各類報警，制定科學(xué)的解決措施，避免給日常生產(chǎn)工作帶來嚴(yán)重影響。

2 分布式控制系統(tǒng)功能

2.1 分布式控制系統(tǒng)性能

（1）人機(jī)協(xié)助。 分布式控制系統(tǒng)是采用系統(tǒng)功能計算不同檢測點(diǎn)數(shù)據(jù)，再集中檢測數(shù)據(jù)，全部呈現(xiàn)在管理員界面，有利于工作人員對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行及時地查看，有效提高日常操作的便捷性。 同時，在調(diào)整設(shè)備參數(shù)時，通常利用遠(yuǎn)程設(shè)備調(diào)整參數(shù)，以便于工作人員控制現(xiàn)代化工廠生產(chǎn)工作，在調(diào)整生產(chǎn)設(shè)備中遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)自動調(diào)整生產(chǎn)圖表和設(shè)備參數(shù)。

（2）安全性高。 基于工廠生產(chǎn)工作內(nèi)容的特殊性，其最常用冗余控制方法進(jìn)行管理，能合理控制設(shè)備故障問題概率，避免影響因素給生產(chǎn)效率帶來嚴(yán)重影響。

（3）控制功能。 分布式控制系統(tǒng)能使用計算機(jī)技術(shù)進(jìn)行各方面控制，如多變量、光離子化檢測器（photo ionization detector，PID）控制等。

（4）拓展性功能。 在設(shè)計分布式控制系統(tǒng)的過程中，要求所使用的模塊結(jié)構(gòu)之間不能有任何聯(lián)系，如果要擴(kuò)大控制范圍，模塊結(jié)構(gòu)要進(jìn)一步優(yōu)化才能達(dá)到想要的擴(kuò)展效果。 但若要改變控制水平，則應(yīng)采用組態(tài)的方法來改變［2］。

2.2 分布式控制系統(tǒng)的特征

（1）可靠性。 由于分布式控制系統(tǒng)在不同類型的電腦上應(yīng)用了多種功能，達(dá)到了全方位的控制效果。 而容錯式結(jié)構(gòu)設(shè)計通常不會應(yīng)用在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上，因此各種系統(tǒng)故障很可能出現(xiàn)在不同類型的電腦上，而這些故障并不會導(dǎo)致完全喪失控制系統(tǒng)功能。 同時，不同電腦在操作系統(tǒng)中執(zhí)行的控制任務(wù)過于單一，可以根據(jù)自己的實(shí)際要求進(jìn)行系統(tǒng)控制，工作人員為了實(shí)現(xiàn)各種控制功能，除了能夠控制整個操作系統(tǒng)中的每一臺電腦外，還要選擇特定的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)控制的專業(yè)操作平臺來控制電腦。

（2）開放性。 分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、開放式等多樣化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計，利用網(wǎng)絡(luò)在系統(tǒng)內(nèi)實(shí)時傳遞系統(tǒng)內(nèi)部信息，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)各計算機(jī)間的通信聯(lián)絡(luò)。 當(dāng)通信系統(tǒng)要改變相關(guān)功能時，要將網(wǎng)絡(luò)重新擴(kuò)展到整個通信系統(tǒng)；要完成整個通信系統(tǒng)的功能改變?nèi)蝿?wù)，就需要將新的單機(jī)與無線通信系統(tǒng)管理網(wǎng)互相連接。

（3）靈活性。 在組態(tài)控制軟件應(yīng)用過程中，工作人員通過對應(yīng)用控制對象流程測量信號的節(jié)點(diǎn)關(guān)系進(jìn)行自動確定控制流程組態(tài)并進(jìn)行判斷，從而根據(jù)不同的應(yīng)用控制算法將控制流程對象作為軟硬件組態(tài)［3］。

3 分布式控制系統(tǒng)設(shè)計架構(gòu)

分布式控制系統(tǒng)研究對現(xiàn)場總線控制過程，真實(shí)模擬以太網(wǎng)關(guān)接入系統(tǒng)、輸入／輸出（input／output，I／O）分布控制系統(tǒng)。 同時， 應(yīng)急電源添加（ ethernet for plant automation，EPA）以太網(wǎng)控制系統(tǒng)通常應(yīng)用于測量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等方面，給工業(yè)以太網(wǎng)、柔性傳單縮寫分類（fixed fee，F(xiàn)F）現(xiàn)場總線運(yùn)行打下堅實(shí)基礎(chǔ)（如圖1 所示）。 從分布式控制系統(tǒng)構(gòu)成來看，其主要包括EPA 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)、工控平臺和軟件系統(tǒng)、FF 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)、現(xiàn)場總線過程T3000 控制系統(tǒng)等。 反應(yīng)器作為分布式控制系統(tǒng)中的重要控制設(shè)備，一旦生產(chǎn)中出現(xiàn)壓力、溫度、流量等參數(shù)問題，將其應(yīng)用于化工生產(chǎn)中，能夠準(zhǔn)確把握生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效率之間的必然聯(lián)系。 DCS 控制系統(tǒng)涉及范圍較廣，如服務(wù)器、工作區(qū)間、生產(chǎn)現(xiàn)場、生產(chǎn)設(shè)施等方面，屬于可控性網(wǎng)絡(luò)。 是由上層、下層、中層結(jié)構(gòu)相互組成，能在各種環(huán)境中實(shí)時控制生產(chǎn)設(shè)施，其中下層中分散控制系統(tǒng)在DCS 控制系統(tǒng)下部，主要作用是收集生產(chǎn)對象的相關(guān)數(shù)據(jù)，等到信息數(shù)據(jù)全部收集完成后，將數(shù)據(jù)全部上傳到相關(guān)部分；DCS 中層通常是監(jiān)督化工生產(chǎn)過程和操作過程，根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)處理相關(guān)數(shù)據(jù)信息，具有良好的監(jiān)控效果；通信結(jié)構(gòu)作為DCS 控制系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)，該結(jié)構(gòu)主要包括信息數(shù)據(jù)管理、過程控制、控制系統(tǒng)內(nèi)部等環(huán)節(jié)。

圖1 總線冗余控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

其中在信息數(shù)據(jù)過程中，是由計算機(jī)和各種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制，信息管理層能直接參與到信息系統(tǒng)和參數(shù)運(yùn)行中，合理調(diào)整部分生產(chǎn)指令。 而控制站工作內(nèi)容是實(shí)時控制生產(chǎn)數(shù)據(jù)，保證生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效率能達(dá)到預(yù)期要求。 同時，從時間上看，反應(yīng)器的溫?zé)岱磻?yīng)在整個化工生產(chǎn)控制中有重要作用，工作人員若能將生產(chǎn)過程中的溫度數(shù)據(jù)通過反應(yīng)器收集起來，便于實(shí)際掌握生產(chǎn)設(shè)備的實(shí)際情況，在發(fā)生熱反應(yīng)時應(yīng)及時進(jìn)行低溫處理，以免設(shè)備產(chǎn)生連鎖反應(yīng)［4］。

4 分布式控制系統(tǒng)設(shè)計

近年來，我國機(jī)械自動化技術(shù)快速發(fā)展，經(jīng)過科技人員不懈研究，進(jìn)一步優(yōu)化了自動化技術(shù)相關(guān)的控制系統(tǒng)，推動自動化技術(shù)向多元化方向發(fā)展，提高自動化技術(shù)應(yīng)用效果。 目前，可編程邏輯控制器（programmable logic controller，PLC）技術(shù)受到各行業(yè)人員的高度重視，PLC 技術(shù)是目前最先進(jìn)的可編程控制器，屬于專業(yè)應(yīng)用在車庫控制系統(tǒng)方面的通用控制器，以微處理器為核心，在微處理器中集中各種先進(jìn)技術(shù)，如自動控制技術(shù)、通信工程技術(shù)、繼電器控制技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)等，具有較強(qiáng)的控制效果，能根據(jù)需求編寫對應(yīng)的程序，從而實(shí)現(xiàn)日常運(yùn)算作業(yè)，通過在輸出模塊和輸入模塊間建立鏈接方法，實(shí)時控制機(jī)械電氣設(shè)備運(yùn)行。 目前，PLC 控制系統(tǒng)主要包括輸入／輸出模塊、存儲器、中央處理器、電源、外部設(shè)備接口、I／O 擴(kuò)展接口等環(huán)節(jié)，其具有穩(wěn)定性高、抗干擾能力強(qiáng)、能耗低等特征，通過利用數(shù)據(jù)掃描模式進(jìn)行采樣工作，再刷新所得數(shù)據(jù)。 其中，與信號控制柜相連的是所有的控制系統(tǒng)和儀器檢測。 從信號柜中引出模擬信號，即4 ～20 mA。 隨后，隔離變送器信號的劃分就通過1 進(jìn)2 出的連接方式來實(shí)現(xiàn)。通過中頻抑制（intermediate frequency，IF）模塊后，一路信號能直接進(jìn)入到總線控制系統(tǒng)中。 后續(xù)以此為基礎(chǔ)，可探測、監(jiān)測和顯示現(xiàn)場信號。 與EPA 總線控制系統(tǒng)直接連接的是另一路信號［5］。

4.1 設(shè)計T3000 對象

在設(shè)計過程中，控制對象主要包括復(fù)合加熱水箱、有機(jī)玻璃水箱、儲水箱等環(huán)節(jié)。 設(shè)計時，要將智能儀表、執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)置在不同回路，其中分散式生產(chǎn)工藝操作控制管理裝置是將控制變量轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)操作控制，實(shí)時監(jiān)控變量數(shù)據(jù)，用于控制生產(chǎn)集散工藝和其他生產(chǎn)操作過程。 在統(tǒng)一分散生產(chǎn)控制站系統(tǒng)裝置中，工作人員想要實(shí)現(xiàn)數(shù)字模擬量和其他數(shù)字模擬量間的相互轉(zhuǎn)變，要應(yīng)用各種處理算法計算出控制輸出量和輸入量間的必然聯(lián)系，過濾各種無用的軟件信息。 但在操作生產(chǎn)管理系統(tǒng)中期是連接操作管理人員和其他集散生產(chǎn)控制管理系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，工作人員通過控制生產(chǎn)管理系統(tǒng)裝置能掌握整個分散生產(chǎn)管理過程，有利于提高日常管理效率。 工作人員在設(shè)計過程中，總共選取9 個不同的考點(diǎn)進(jìn)行測試，能全面提高分布式控制系統(tǒng)性能，加強(qiáng)現(xiàn)場控制效果［6］。

4.2 總線控制系統(tǒng)設(shè)計

在分布式控制系統(tǒng)中安裝的各種智能儀表中，信號最常用1 入2 出安裝方法，科學(xué)分離隔離變送器，再將兩個不同總線和控制系統(tǒng)相互連接，達(dá)到預(yù)期總線冗余效果，給現(xiàn)場控制打下堅實(shí)基礎(chǔ)。 DCS 分散控制管理系統(tǒng)是由操作控制管理裝置、通信控制裝置、數(shù)據(jù)庫、分散生產(chǎn)加工操作控制管理裝置組成。 其中分散生產(chǎn)過程操作控制管理裝置是用來控制生產(chǎn)集散過程和其他生產(chǎn)操作過程，其通過分散控制管理裝置將各種控制變量轉(zhuǎn)變?yōu)樯a(chǎn)操作控制監(jiān)控變量數(shù)據(jù)，而生產(chǎn)操作中各種變量數(shù)據(jù)也全部被傳輸?shù)缴a(chǎn)執(zhí)行控制機(jī)構(gòu)。 因此，在設(shè)計總線控制系統(tǒng)時，應(yīng)結(jié)合實(shí)際，全面提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，加強(qiáng)其整體性能［7］。

（1）FF 總線控制系統(tǒng)

FF 總線分布式控制系統(tǒng)是一種新型的分散式現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，合理利用傳統(tǒng)硬件接線方式，實(shí)時監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備實(shí)際應(yīng)用情況。 同時，能通過現(xiàn)場總線方式控制智能設(shè)備，適用于中大型工業(yè)生產(chǎn)控制方面，能加強(qiáng)邏輯控制功能，從而滿足各行業(yè)控制要求。 因?yàn)樵诟綦x變送器輸入的信號中，包含了可以一路與IF 模組連接的信號，并與分布式控制站實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換為FF 總線信號后的聯(lián)結(jié)，形成FF現(xiàn)場總線完整的分布式控制系統(tǒng)。 操作員站則主要應(yīng)用于人機(jī)交互，便于工作人員隨時調(diào)整系統(tǒng)的控制方式，提高工作的針對性和合理性，以直觀的流程界面監(jiān)控為基礎(chǔ)。 另外，數(shù)據(jù)服務(wù)器在系統(tǒng)中具備日記記錄、歷史資料儲存等功能，該自動控制聯(lián)鎖系統(tǒng)主要包括液位、設(shè)定、流量等方面內(nèi)容，能自動控制化工生產(chǎn)過程，當(dāng)實(shí)際液位低于設(shè)定液位時，分布式液位控制器會自動觸發(fā)報警信號，關(guān)閉液位調(diào)節(jié)制動閥聯(lián)鎖系統(tǒng)；當(dāng)液位超過設(shè)定液位時，分布式控制系統(tǒng)終端會觸發(fā)信號，關(guān)閉開關(guān)觸點(diǎn)，停止整個設(shè)備運(yùn)行。

（2）EPA 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)

在設(shè)計EPA 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)時，要將對應(yīng)技術(shù)應(yīng)用到現(xiàn)場總線控制方面。 而EPA 作為現(xiàn)代最先進(jìn)的控制技術(shù)，在工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備控制中應(yīng)用最為頻繁，可以有效地做到以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的開放性和即時性，EPA 能將多樣化IT技術(shù)應(yīng)用到各行業(yè)控制系統(tǒng)中。 分布式控制系統(tǒng)利用塔底自動控制系統(tǒng)能控制t1205 液位，一旦塔底無法保證t1205 液位的穩(wěn)定性，很容易給整個后塔進(jìn)料需求量帶來嚴(yán)重影響；相反，如果工作人員不能定期提高后塔進(jìn)料需求量的穩(wěn)定性，會影響到t1205 液位的穩(wěn)定。 而在傳統(tǒng)產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，由于工作人員在生產(chǎn)時并未對產(chǎn)品進(jìn)行系統(tǒng)性分析，從而導(dǎo)致很多能源和原料出現(xiàn)浪費(fèi)問題，對社會經(jīng)濟(jì)和經(jīng)濟(jì)效益都造成嚴(yán)重影響。 EPA 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)能充分發(fā)揮以太網(wǎng)優(yōu)勢，如穩(wěn)定性強(qiáng)、標(biāo)準(zhǔn)高、效率高等特征，合理調(diào)整UDP／IP 協(xié)議，打造工作實(shí)時監(jiān)控的健全標(biāo)準(zhǔn)。 此外，由于部分信號與EPA 總線在隔離變送器輸出信號中互相連接，并直接傳送到分布式控制站，可以建立合理的EPA 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)目標(biāo)。 通過上述設(shè)計，能幫助工作人員融合分布式控制系統(tǒng)和現(xiàn)場總線技術(shù)，增加系統(tǒng)整體性能，實(shí)時監(jiān)控整個工業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)，控制現(xiàn)場操作人員的生產(chǎn)流程［8］。

5 結(jié)語

綜上所述，為了得到預(yù)期設(shè)計效果，要合理控制各種工業(yè)生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)，如溫度、壓力、液位、流量、壓力等參數(shù)，充分發(fā)揮分布式控制系統(tǒng)作用，體現(xiàn)出現(xiàn)場總線技術(shù)價值。 因此，本文以現(xiàn)場總線技術(shù)為核心，優(yōu)化分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，將軟件和硬件相互結(jié)合，滿足工作人員真實(shí)模擬仿真要求。