自動化分散控制系統概述及其應用情況

李寶泉

LI Bao-quan

（吉林工業職業技術學院，吉林 132013）

0 引言

分散控制系統是在計算機監督控制系統、直接數字控制系統和計算機多級控制系統的基礎上發展起來的，是生產過程的一種比較完善的控制與管理系統。在分散控制系統中,按地區把微處理機安裝在測量裝置與控制執行機構附近，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，不像在直接數字控制系統中那樣，會由于計算機的故障而使整個系統失去控制。當管理級發生故障時，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功能標準化的模塊化設計。與計算機多級控制系統相比，分散控制系統在結構上更加靈活、布局更為合理和成本更低。隨著工業自動化技術的迅速發展，綜合自動化控制系統的水平在不斷提高從單機控制發展到分布式控制系統(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的組成結構

1.1 DCS概述

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

1.2 控制系統概述

控制是日常生活中經常接觸到的問題，按工業生產過程變量的時間連續性和幅度連續性，工業生產的典型過程可分為三種：連續控制(ContinuousProcess)、離散過程(Discrete Process)和批量過程(Batch Process)。連續過程指的是這樣一種工業過程：其產品一般都是流體的，如液體、氣體等，過程的輸入輸出變量為時間連續和幅度連續的量，并且過程一旦建立，只生產一種產品。連續過程的變量一般是溫度、壓力、流量、質量及液位等。與連續過程相對應，離散過程指的是這樣一種工業過程其產品是“固態“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,如產品的數量、開關的狀態等。批量過程，指的是一種間歇性多品種生產過程，即利用同樣的生產裝置,在不同的時間段,根據不同的配方和生產工藝生產出不同的產品。一個完整的生產過程,一般都是連續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 控制系統的基本組成

在一個控制系統中,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的核心，所以控制作用都是由控制裝置實現的，一個控制系統能否順利地實現其控制目標，完成復雜的控制功能，主要看控制裝置是否穩定可靠并具有優異的性能。因此，人們在控制裝置的研究方向上給予了巨大投入，而且，隨著生產效率的不斷提高，生產規模的不斷擴大、產品質量要求的不斷提高，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設備，因為在使用同樣生產設備的情況下，通過改進控制裝置就可實現生產效率和產品質量的提高。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的定義，而是直接將控制裝置定義為控制系統，即認為控制系統是由圍繞實施控制所必須的測量、計算及執行等各個環節所組成的。這實際上是對直接控制系統的定義，而有人參與的控制則被定義為監督控制系統。

1.4 控制系統的人機界面

控制系統作為一個整體，人必須是控制系統的一個最重要的組成部分，從數學模型的推導、建立并預先設置在運算處理裝置中，以便在線運行時實現控制功能，到直接參與控制系統的在線運行，對運算過程處理裝置不能自動進行處理的控制問題，實施操作與調節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并進行人工的操作與調節，控制系統還必須提供人機界面。在任何一個控制系統中，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，計算參數的顯示，人工操作設備（如按鈕、調節手柄等），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的基本構成

一個最基本的DCS包括四大部分：現場控制站，操作員站，工程師站和系統網絡組成。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、擴充生產管理和信息處理功能的信息網絡，以及實現現場儀表、執行機構數字化的現場總線網絡等。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，如圖形工作站或個人計算機等。2）現場控制站?，F場控制站是DCS的核心，系統主要的控制功能由它來完成，同時要保證系統的性能與可靠性?，F場控制站的硬件一般都采用專門的工業級計算機系統組成。為防止現場的信號對控制站的干擾，要隔離現場的計算機系統與現場的I/O單元。應用現場總線技術連接現場的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，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，數據的記錄與報表的定義等。4）系統網絡。用于連接系統的各個站點，解決不同站點之間數據的傳輸，同時保證系統的實時性與可靠性。初期很多廠家設計了不同類型的網絡，隨著以太網的推出，許多廠家均采用該網絡作為工業標準網絡。5）現場總線網絡?，F場總線網絡將傳統的模擬式儀表的變送單元與執行單元之間傳輸的模擬信號變成數字信號，從而實現了系統與現場設備之間的計算機網絡連接。6）高級管理網絡。隨著技術的發展，DCS已經從最初的底層控制功能，發展成為集數據采集、監督控制、生產管理與一體的綜合監控自動化系統。

1.6 DCS軟件

DCS軟件主要是包括現場控制站軟件、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絡軟件?，F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出的各個命令的執行、圖形與畫面的顯示、報警的處理、對現場各類檢測數據的集中處理等；工程師站軟件則主要完成系統的組態功能和系統運行期間的狀態監視功能。

1.7 DCS物理結構與硬件構成

1）現場控制站的物理結構及其硬件構成?，F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、通信網絡設備及現場信號電纜相連接的端子排等部件；2）網絡的物理結構及網絡硬件。在網絡硬件方面，包括網絡線、網絡接口板、網絡連接器、集線器、交換器、路由器、重復器與網關及網橋等設備。

2 DCS在電力工程中的應用概況

2.1 DCS在主控系統中的應用

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

2.2 系統的硬件

系統主要由工程師站、運行員操作站、網絡交換機、控制處理機以及I/O卡件組成。分散控制系統主要包括：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站協調工作，提供了數據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，在用戶和所有系統功能之間提供一個界面，即作為系統站和操作員之間的接口。它從用于處理機和其它系統站接受圖形和文本信息并產生視頻信號，在視頻監視器上顯示；3）控制處理機?？膳cI/O現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，和與它相連的現場總線組件一起,可按組態好的控制方案對過程進行控制。它可實現連續控制、梯型邏輯控制和順序控制等功能。完成數據采集、檢測、報警和傳送信息的功能；4）現場總線組件?，F場總線組件是現場傳感器執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。對現場設備使用的電氣輸入/輸出信號進行適當地轉，使得通過現場總線能與這些裝置通訊?，F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 應用系統的軟件描述

現場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。為了實現多個控制驅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整以保證控制總量的不變，多控制輸出系統為達到優良的控制品質，需要有滿足要求的多輸出平衡回路；4）超馳控制功能。MSC系統中的超馳控制功能實現在特殊的情況下，切斷調節器的正常輸出，自動將控制輸出切換到預設值，而調節器轉為跟蹤狀態，當超馳控制消失時，調節器恢復正常工作。對于安全保護的超馳控制,要求優先級高于正常自動和手動操作。

3 結束語

本文闡述了DCS的發展概況，體系結構（軟硬件結構,網絡結構）等內容。還結合實際工程項目分析了系統應用情況，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的優化檢修需要一種先進的設備管理模式，而且在電力行業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的掌握和積累，依賴于各種相關先進的應用和完善。從以上研究成果看，熟悉DCS系統各方面情況的基礎，基本達到了對系統的研究效果,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展提供理論依據和實際經驗。

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