李寶泉

LI Bao-quan

（吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，吉林 132013）

0 引言

分散控制系統(tǒng)是在計(jì)算機(jī)監(jiān)督控制系統(tǒng)、直接數(shù)字控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)多級(jí)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是生產(chǎn)過程的一種比較完善的控制與管理系統(tǒng)。在分散控制系統(tǒng)中,按地區(qū)把微處理機(jī)安裝在測(cè)量裝置與控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)附近，將控制功能盡可能分散，管理功能相對(duì)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(shù)字控制系統(tǒng)中那樣，會(huì)由于計(jì)算機(jī)的故障而使整個(gè)系統(tǒng)失去控制。當(dāng)管理級(jí)發(fā)生故障時(shí)，過程控制級(jí)控制回路仍具有獨(dú)立控制能力，個(gè)別控制回路發(fā)生故障時(shí)也不致影響全局。相對(duì)集中的管理方式有利于實(shí)現(xiàn)功能標(biāo)準(zhǔn)化的模塊化設(shè)計(jì)。與計(jì)算機(jī)多級(jí)控制系統(tǒng)相比，分散控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上更加靈活、布局更為合理和成本更低。隨著工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的迅速發(fā)展，綜合自動(dòng)化控制系統(tǒng)的水平在不斷提高從單機(jī)控制發(fā)展到分布式控制系統(tǒng)(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(yīng)用。

1 DCS的組成結(jié)構(gòu)

1.1 DCS概述

DCS(Distributed Control System)即分布式控制系統(tǒng)，也就是常說的分散控制系統(tǒng)。當(dāng)前DCS是結(jié)合了各類控制功能的完整系統(tǒng)，是目前應(yīng)用最廣泛，結(jié)構(gòu)先進(jìn)，性能高，功能完整的控制系統(tǒng)。

1.2 控制系統(tǒng)概述

控制是日常生活中經(jīng)常接觸到的問題，按工業(yè)生產(chǎn)過程變量的時(shí)間連續(xù)性和幅度連續(xù)性，工業(yè)生產(chǎn)的典型過程可分為三種：連續(xù)控制(ContinuousProcess)、離散過程(Discrete Process)和批量過程(Batch Process)。連續(xù)過程指的是這樣一種工業(yè)過程：其產(chǎn)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(shí)間連續(xù)和幅度連續(xù)的量，并且過程一旦建立，只生產(chǎn)一種產(chǎn)品。連續(xù)過程的變量一般是溫度、壓力、流量、質(zhì)量及液位等。與連續(xù)過程相對(duì)應(yīng)，離散過程指的是這樣一種工業(yè)過程其產(chǎn)品是“固態(tài)“的、按件計(jì)量的，過程的輸入輸出變量為時(shí)間離散和幅度離散的量,如產(chǎn)品的數(shù)量、開關(guān)的狀態(tài)等。批量過程，指的是一種間歇性多品種生產(chǎn)過程，即利用同樣的生產(chǎn)裝置,在不同的時(shí)間段,根據(jù)不同的配方和生產(chǎn)工藝生產(chǎn)出不同的產(chǎn)品。一個(gè)完整的生產(chǎn)過程,一般都是連續(xù)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(tǒng)的基本組成

在一個(gè)控制系統(tǒng)中,必不可少的組成部分有三個(gè)：被控對(duì)象、設(shè)備或裝置、人。其中控制裝置是控制系統(tǒng)的核心，所以控制作用都是由控制裝置實(shí)現(xiàn)的，一個(gè)控制系統(tǒng)能否順利地實(shí)現(xiàn)其控制目標(biāo)，完成復(fù)雜的控制功能，主要看控制裝置是否穩(wěn)定可靠并具有優(yōu)異的性能。因此，人們?cè)诳刂蒲b置的研究方向上給予了巨大投入，而且，隨著生產(chǎn)效率的不斷提高，生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大、產(chǎn)品質(zhì)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(chǎn)設(shè)備，因?yàn)樵谑褂猛瑯由a(chǎn)設(shè)備的情況下，通過改進(jìn)控制裝置就可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量的提高。由于控制裝置的重要性，在很多場(chǎng)合，人們不再以被控對(duì)象、控制裝置和人這三部分的總和作為控制系統(tǒng)的定義，而是直接將控制裝置定義為控制系統(tǒng)，即認(rèn)為控制系統(tǒng)是由圍繞實(shí)施控制所必須的測(cè)量、計(jì)算及執(zhí)行等各個(gè)環(huán)節(jié)所組成的。這實(shí)際上是對(duì)直接控制系統(tǒng)的定義，而有人參與的控制則被定義為監(jiān)督控制系統(tǒng)。

1.4 控制系統(tǒng)的人機(jī)界面

控制系統(tǒng)作為一個(gè)整體，人必須是控制系統(tǒng)的一個(gè)最重要的組成部分，從數(shù)學(xué)模型的推導(dǎo)、建立并預(yù)先設(shè)置在運(yùn)算處理裝置中，以便在線運(yùn)行時(shí)實(shí)現(xiàn)控制功能，到直接參與控制系統(tǒng)的在線運(yùn)行，對(duì)運(yùn)算過程處理裝置不能自動(dòng)進(jìn)行處理的控制問題，實(shí)施操作與調(diào)節(jié)或?yàn)檫\(yùn)算處理裝置給出設(shè)定值，都需要人的參與。而為了便于人了解被控對(duì)象的運(yùn)行狀態(tài)并進(jìn)行人工的操作與調(diào)節(jié)，控制系統(tǒng)還必須提供人機(jī)界面。在任何一個(gè)控制系統(tǒng)中，人機(jī)界面都是必不可少的重要組成部分。人機(jī)界面包括測(cè)量值的顯示，計(jì)算參數(shù)的顯示，人工操作設(shè)備（如按鈕、調(diào)節(jié)手柄等），還有對(duì)運(yùn)算處理裝置進(jìn)行設(shè)定和控制算法預(yù)置的設(shè)備等。

1.5 DCS的基本構(gòu)成

一個(gè)最基本的DCS包括四大部分：現(xiàn)場(chǎng)控制站，操作員站，工程師站和系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組成。除了上述四個(gè)基本的組成部分之外，還可包括完成某些專門功能的站、擴(kuò)充生產(chǎn)管理和信息處理功能的信息網(wǎng)絡(luò)，以及實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)儀表、執(zhí)行機(jī)構(gòu)數(shù)字化的現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)等。1）操作員站。操作員站主要完成人機(jī)界面的功能，一般采用通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，如圖形工作站或個(gè)人計(jì)算機(jī)等。2）現(xiàn)場(chǎng)控制站。現(xiàn)場(chǎng)控制站是DCS的核心，系統(tǒng)主要的控制功能由它來完成，同時(shí)要保證系統(tǒng)的性能與可靠性?，F(xiàn)場(chǎng)控制站的硬件一般都采用專門的工業(yè)級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成。為防止現(xiàn)場(chǎng)的信號(hào)對(duì)控制站的干擾，要隔離現(xiàn)場(chǎng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)的I/O單元。應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)連接現(xiàn)場(chǎng)的I/O單元與主處理模塊。3）工程師站。工程師站對(duì)DCS進(jìn)行應(yīng)用組態(tài)，主要是包括控制輸入與輸出量的定義，控制回路算法的設(shè)計(jì)，管理與控制人機(jī)界面，數(shù)據(jù)的記錄與報(bào)表的定義等。4）系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。用于連接系統(tǒng)的各個(gè)站點(diǎn)，解決不同站點(diǎn)之間數(shù)據(jù)的傳輸，同時(shí)保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性與可靠性。初期很多廠家設(shè)計(jì)了不同類型的網(wǎng)絡(luò)，隨著以太網(wǎng)的推出，許多廠家均采用該網(wǎng)絡(luò)作為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)。5）現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)將傳統(tǒng)的模擬式儀表的變送單元與執(zhí)行單元之間傳輸?shù)哪M信號(hào)變成數(shù)字信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接。6）高級(jí)管理網(wǎng)絡(luò)。隨著技術(shù)的發(fā)展，DCS已經(jīng)從最初的底層控制功能，發(fā)展成為集數(shù)據(jù)采集、監(jiān)督控制、生產(chǎn)管理與一體的綜合監(jiān)控自動(dòng)化系統(tǒng)。

1.6 DCS軟件

DCS軟件主要是包括現(xiàn)場(chǎng)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(gè)站點(diǎn)之間的網(wǎng)絡(luò)軟件?，F(xiàn)場(chǎng)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(xiàn)場(chǎng)I/O處理；操作員站上的軟件主要完成運(yùn)行操作人員所發(fā)出的各個(gè)命令的執(zhí)行、圖形與畫面的顯示、報(bào)警的處理、對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各類檢測(cè)數(shù)據(jù)的集中處理等；工程師站軟件則主要完成系統(tǒng)的組態(tài)功能和系統(tǒng)運(yùn)行期間的狀態(tài)監(jiān)視功能。

1.7 DCS物理結(jié)構(gòu)與硬件構(gòu)成

1）現(xiàn)場(chǎng)控制站的物理結(jié)構(gòu)及其硬件構(gòu)成?，F(xiàn)場(chǎng)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(wǎng)絡(luò)設(shè)備及現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)電纜相連接的端子排等部件；2）網(wǎng)絡(luò)的物理結(jié)構(gòu)及網(wǎng)絡(luò)硬件。在網(wǎng)絡(luò)硬件方面，包括網(wǎng)絡(luò)線、網(wǎng)絡(luò)接口板、網(wǎng)絡(luò)連接器、集線器、交換器、路由器、重復(fù)器與網(wǎng)關(guān)及網(wǎng)橋等設(shè)備。

2 DCS在電力工程中的應(yīng)用概況

2.1 DCS在主控系統(tǒng)中的應(yīng)用

整個(gè)控制系統(tǒng)按功能分為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、模擬量控制系統(tǒng)、旁路控制系統(tǒng)、爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)、順序控制系統(tǒng)、電氣量監(jiān)視控制系統(tǒng),其中旁路控制系統(tǒng)納入MCS控制范圍。隨主機(jī)設(shè)備供貨的汽輪機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng)(DEH)給水泵用小汽輪機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng)(MEH)與DCS采用相同的硬件設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)配置和操作員站采用一體化設(shè)計(jì)。

2.2 系統(tǒng)的硬件

系統(tǒng)主要由工程師站、運(yùn)行員操作站、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、控制處理機(jī)以及I/O卡件組成。分散控制系統(tǒng)主要包括：1）應(yīng)用處理機(jī)。作為處理機(jī)站，它主要完成計(jì)算和管理功能。作為文件服務(wù)器站，它們處理來自文件服務(wù)器站本身或其他站的文件請(qǐng)求，同時(shí)為應(yīng)用處理機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)服務(wù)。應(yīng)用處理機(jī)和其他系統(tǒng)站協(xié)調(diào)工作，提供了數(shù)據(jù)輸入輸出和操作員接口的必要手段；2）工作站處理機(jī)。操作站處理機(jī)和與它連接的外部設(shè)備一起，在用戶和所有系統(tǒng)功能之間提供一個(gè)界面，即作為系統(tǒng)站和操作員之間的接口。它從用于處理機(jī)和其它系統(tǒng)站接受圖形和文本信息并產(chǎn)生視頻信號(hào)，在視頻監(jiān)視器上顯示；3）控制處理機(jī)。可與I/O現(xiàn)場(chǎng)總線組件和設(shè)備相連，完成控制功能。它是一個(gè)可選的容錯(cuò)站，和與它相連的現(xiàn)場(chǎng)總線組件一起,可按組態(tài)好的控制方案對(duì)過程進(jìn)行控制。它可實(shí)現(xiàn)連續(xù)控制、梯型邏輯控制和順序控制等功能。完成數(shù)據(jù)采集、檢測(cè)、報(bào)警和傳送信息的功能；4）現(xiàn)場(chǎng)總線組件?，F(xiàn)場(chǎng)總線組件是現(xiàn)場(chǎng)傳感器執(zhí)行器與控制處理機(jī)的接口，可連接到運(yùn)行I/O Series系列的綜合控制軟件的控制處理機(jī)或PC機(jī)上。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備使用的電氣輸入/輸出信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)剞D(zhuǎn)，使得通過現(xiàn)場(chǎng)總線能與這些裝置通訊?，F(xiàn)場(chǎng)總線組件可與控制處理機(jī)或PC機(jī)一起就地安裝,也可安裝在遠(yuǎn)程的地方。

2.3 應(yīng)用系統(tǒng)的軟件描述

現(xiàn)場(chǎng)MSC設(shè)計(jì)的一般原則：1）火電廠熱工控制信號(hào)主要是一些模擬信號(hào)，根據(jù)信號(hào)的特點(diǎn)和工程的實(shí)際需要，進(jìn)行慣性濾波處理，以減少干擾信號(hào)對(duì)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(shè)計(jì)。為了實(shí)現(xiàn)多個(gè)控制驅(qū)動(dòng)裝置投自動(dòng)時(shí)的無擾，在控制總量一定的情況下，一路控制輸出變化時(shí)，其余控制輸出能自動(dòng)調(diào)整以保證控制總量的不變，多控制輸出系統(tǒng)為達(dá)到優(yōu)良的控制品質(zhì)，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(tǒng)中的超馳控制功能實(shí)現(xiàn)在特殊的情況下，切斷調(diào)節(jié)器的正常輸出，自動(dòng)將控制輸出切換到預(yù)設(shè)值，而調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)為跟蹤狀態(tài)，當(dāng)超馳控制消失時(shí)，調(diào)節(jié)器恢復(fù)正常工作。對(duì)于安全保護(hù)的超馳控制,要求優(yōu)先級(jí)高于正常自動(dòng)和手動(dòng)操作。

3 結(jié)束語

本文闡述了DCS的發(fā)展概況，體系結(jié)構(gòu)（軟硬件結(jié)構(gòu),網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)）等內(nèi)容。還結(jié)合實(shí)際工程項(xiàng)目分析了系統(tǒng)應(yīng)用情況，并且從硬件和軟件方面進(jìn)行了詳細(xì)的描述，通過 本文的闡述表明系統(tǒng)的優(yōu)化檢修需要一種先進(jìn)的設(shè)備管理模式，而且在電力行業(yè)中具有一定的推廣空間。但是也可以認(rèn)識(shí)到它的推行依賴于對(duì)設(shè)備狀態(tài)的掌握和積累，依賴于各種相關(guān)先進(jìn)的應(yīng)用和完善。從以上研究成果看，熟悉DCS系統(tǒng)各方面情況的基礎(chǔ)，基本達(dá)到了對(duì)系統(tǒng)的研究效果,同時(shí)通過具體應(yīng)用角度對(duì)其有了進(jìn)一步研究，為其進(jìn)一步改造和發(fā)展提供理論依據(jù)和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。

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