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集散控制系统DCS及其应用

1 引言

  在工业生产中有各种各样的控制问题,其解决程度直接关系到经济效益和管理水平。在发达国家由于综合自动化水平高,设备工艺先进,普遍采用了计算机控制与管理,生产与管理效益极高,产品质量好,成本低,可靠性高等,生产过程中人为影响因素几乎没有。在我国由于经济发展水平及历史的原因,尽管近来发展很快,但综合自动化程度还是较低,普遍停留在单机自动化水平,操作者与管理层之间的通信甚至还停留在用电话联系的水平,管理时效性差,管理层难于全面了解控制现场情况,因此大量的有用信息沉淀、流失,形成一个个自动化孤岛或信息孤岛,要发挥信息在工业自动化中的指导作用,其解决方案之一就是推广集散控制系统的应用,本文就有关问题作些讨论。

2 计算机控制系统

  生产过程自动化控制主要有开关控制和调节控制,当前大多以计算机控制系统,也就是数字控制系统来实现,如图1所示,系统中包含有时间上离散、幅度上量化的数字信号e(k)和u(k)。计算机控制系统的特点是被控对象大部分为模拟信号,而计算机只能处理数字信号,因此两者之间必须执行a/d和d/a转换,以实现这两种信号之间的相互转换。如果忽略幅值上的量化效应,数字信号即为离散信号,因此,计算机控制系统若不考虑量化问题即为采样控制系统,如果将连续的控制对象连同保持器一起进行离散化,那么采样控制系统即简化为离散控制系统。

  计算机控制系统又分为集中式监控系统与分布式控制系统。前者计算机可能并不直接参与控制,对被控对象不会产生直接的影响,主要任务是对大量被控参数和设备的状态进行巡回采样,数据记录、数据统计和整理、数据越限报警以及对大量数据进行积累和分析,属计算机监视系统,现场控制是通过人工来完成;如果计算机直接参与控制过程,称为计算机直接数字控制系统(ddc,direct digital control),是计算机的过程输入通过控制算法得到控制输出后,以计算机取代模拟调节器,直接通过接口控制执行机构,从而实施对现场被控过程的控制,使被调量保持在给定值,主要用于较小的回路控制,ddc系统由被控对象(生产过程)、检测仪表、执行装置和数字控制调节器组成,优点是因为计算机运算能力强,很容易实现串级控制、前馈控制等比较复杂的控制规律,其框图如图2所示。

  计算机集中监控系统由一台中央计算机来承担,使得系统配置、反应速度及系统可靠性等方面都受到很大限制,一般只适用于中小规模的自动化系统。如果设备量大,地域分布广,需要进行监控的数量多,应根据每种设备的不同特点,分别采用不同规律相对独立地控制,并且这种监视(管理)与控制之间应该保持密切的联系,以达到最优的效果,问题的解决方案就是采用集散式计算机控制系统。

3 集散式控制系统dcs (distributed control system)

  集散式控制系统亦称为分布式控制系统。前已述及,计算机控制系统按结构划分,可以分为集中控制和分布式控制,集中控制指由单一的计算机完成控制系统的所有功能和对全部被控对象实施控制的一种系统结构,其优点是系统的整体性和协调性好,但对计算机的可靠性和安全性要求甚高;而分布式控制系统dcs则以多台计算机分别承担不同的控制功能和处理范围,不仅其处理能力大大提高,而且将危及系统安全的因素降低。

  传统意义上的dcs系统的最基本构构图式如图3所示。

  图中:c1,c2,,cn为控制,f1,f2,fn为反馈信息。对dcs系统而言,各控制单元之间没有直接信息联系,

  各控制单元有自己的性能指标,控制策略和算法,且其性能指标和控制算法等由决策单元按一定优化准则调节给出。如果图3中去掉决策单元,就成了分散控制系统(decentralized control system),它并不具备dcs的上述特性。

  在工程中,dcs系统除完成控制功能,还要实现监视、管理等其它功能,其系统组成框图如图4所示。

  由图4可见,dcs系统实际上是一种分级递阶结构。各控制器完成过程现场的控制任务,根据控制对象特性,可以分别情况,采用顺序控制,程序控制,模拟量控制等等,其控制策略与控制算法要随被控对象与要求而定。数据采集器用于收集控制信息和被控过程的各种状态信息,数据采集任务不但可由控制器完成,也可由一般仪表和逻辑箱完成。控制器和数据采集器在控制现场对信号进行预处理后经高速数据通道送到上级计算机和crt操作站,crt操作站是显示操作装置,监控级(计算机)通过协调各控制器的工作,实现控制过程的动态最优化。管理级(计算机)具有管理功能,又兼具对监控级实现监控功能,它具有丰富的信息资源,能够对被控对象进行监控,制定计划,进行成本核算,对设备和人员进行管理等,以实现被控过程的静态最优化和综合自动化。

  分布式控制系统有以下主要特点:

  (1) 采用分级递阶式控制

  以微处理器为核心的基本控制器,不但能代替模拟仪表完成常规的模拟控制,并且能实现复杂算法控制和程序控制。在基本控制器内可采用固化的应用软件,在控制现场对输入输出数据进行数据处理,减少了信息的传输,大大减少了上级计算机的数据处理量,降低了对上级计算机的要求,使系统程序应用较为简单。

  (2) 采用物理上的分散结构,实现了分散控制

  在现场就地安装控制器,不仅节省了输入输出电缆的长度,同时减少了传输信号的干扰。在功能上各控制器各自为政,各自独立完成各自的功能,使系统故障分散,从而使系统可靠性大为提高。

  (3) 具有计算机的通讯系统,可实现综合控制

  高速数据通道的通信系统,实现了各控制器、监控计算机和管理计算机的综合控制,通过高速数据通道,能把各自为政的控制器与监控计算机联系起来,进行协调控制。利用监控计算机的运算能力,能完成高级复杂的控制算法,以实现整体的最优化。利用管理计算机丰富的软硬件资源和信息资源,实现计划、管理、决策的最优化,从而实现整个系统控制的最优化。

  (4) 可设置多功能的crt操作站以实现集中监控与操作

  crt是人-机接口,要crt操作站可以存取和显示多种画面,用以全面监控全部控制过程变量以及其它参数,并可直接远程操作各控制器,从而实现了集中监视和集中操作。

  dcs的基本骨架是计算机网络,然后是连接在网络上的三类节点面向被控过程现场的现场i/o控制站、面向操作人员的操作站和面向dcs监督管理人员的工程师站,见图5所示。

  由于dcs的网络需要满足被控过程的实时性要求和分散性原则,因此dcs的网络结构是环形和总线型,在这两种结构的网络中,各个节点是平等的,任意二个节点之间的通信可以直接通过网络进行,而不需要其他节点的介入,但另一方面,它需要共用传输介质,实现传输介质共享,一种主要解决方法是以令牌来限定每个节点用网络的时间,另一种方法则是csma/cd方式,即载波侦听与碰撞检测技术,但它主要用于更高层的管理。

  现场控制站是完成对过程现场i/o处理的直接数字控制器(ddc),它对现场发生的过程量作数字采集和存贮,并通过网络向上传送,同时本身也完成局部的闭环控制与顺序控制。操作员站主要功能是为系统的运行操作人员提供人机界面,使操作员了解现场运行状态、各种运行参数的当前值、是否出现有异常情况等的报警显示,并可作历史趋势、系统状态等多种显示,通过操作员键盘执行,同时操作员也可对过程进行调节和控制,操作员站的主要设备是彩色crt显示器、键盘、鼠标器或轨迹球。工程师站用于对dcs进行离线的配置、组态工作和在线的系统监督、控制、维护。

  dcs系统采用大系统分级递阶控制的思想,将产生过程作水平分解而将功能作垂直分解,生产过程的控制采用全分散的结构,而生产过程的信息则全部集中并存储于数据库中,利用通信网络向上传递,这种控制分散、信息集中的结构使系统的危险分散,提高了可靠性,因此被称之为集散控制系统。

  技术的发展促使dcs系统向集成化、开放化、智能化方向发展。实现开放式的通信系统,与管理信息紧密结合,向上能与map/top或ethernet接口,向下支持现场总线,使得过程控制中的智能设备和仪表能够实现高可靠的实时全数字通信,将成为新一代的dcs。

4 dcs的工程实现

  由dcs的结构可知其工程实现是不困难的,国外早有现成产品,国内一些大型企业如电厂等几乎都是进口的成套系统,可靠性高,但投资大。一般可以自己设计,现场控制级可以采用工控机保证高可靠性,管理决策级采用高档pc机,应用软件可根据工程需要自己编程。特别是一些复杂控制对象,其控制算法是没有现成控制模块可以调用的,应在正确策略选取的基础上,自己设计控制算法。从作者已完成的多个工程项目看,采用dcs系统克服孤岛现象后,每个自动化孤岛在决策级统一指挥下协调地工作,系统的管理(监视)功能大大增强,现场控制级处于优化状态,生产效率高,故障少,产品质量稳定,操作管理人员也相应减少了,经济效益显著提高。如某钢铁企业有12个自动化水泵站,由于地域分散,泵站间距离有的相距1km以上,各泵站各自为政,形如孤岛,计划调度十分不便,本来水资源供应十分充足,但由于是分散控制,造成有的现场严重缺水。经改造后采用dcs控制方案,很好地解决了水资源的集中调度与管理问题,不仅充分满足了该企业的工作及生活用水,而且还解决了周边地区居民用水问题,经济效益和社会效益大大提高,管理水平也上了一个新台阶,受到用户欢迎。

5 结束语

  从图3可见,各控制单元之间没有直接通信联系,它们之间是通过决策单元交换信息取得联系的,事实上dcs只是做到了半分布,测控层并没有实现彻底分布,控制依赖于控制站,dcs是半数字化系统。如采用现场总线,则可构成现场总线控制系统(fcs),它是一种全数字、半双工串行双向通讯系统,作为一种局域网,用于连接现场智能仪表,其信号传输采用全数字化,即智能式分布控制系统。智能式分布控制系统在国外已有现成产品,如lonworks等,但因价格太贵,要普遍大规模推广应用还有不少困难。因此,推广应用dcs系统,克服孤岛现象,是有现实工程价值和经济意义的。

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