一種分布式控制系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

1、一種分布式控制系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用    摘要:本文論述了基于ExperionTMPKS的DCS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和分層的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型,并以某大型化工企業(yè)粉煤氣化自動控制系統(tǒng)為例,闡述了DCS的具體實現(xiàn)。關(guān)鍵字:DCS,ExperionTMPKS,過程控制1引言當(dāng)今工業(yè)自動化給工業(yè)生產(chǎn)帶來了巨大變革,提高產(chǎn)品質(zhì)量、發(fā)展產(chǎn)品品種、提高勞動生產(chǎn)率、節(jié)能降耗、控制環(huán)境污染、改善勞動條件、保證生產(chǎn)安全可靠等一系列問題都提到議事日程上來,并且依賴計算機(jī)控制技術(shù)來實現(xiàn)。計算機(jī)控制技術(shù)也由于工業(yè)生產(chǎn)的迫切摘  要:本文論述了基于Experion TM&

2、#160;PKS 的DCS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和分層的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型,并以某大型化工企業(yè)粉煤氣化自動控制系統(tǒng)為例,闡述了DCS的具體實現(xiàn)。關(guān)鍵字:DCS, Experion TM PKS,過程控制1 引言當(dāng)今工業(yè)自動化給工業(yè)生產(chǎn)帶來了巨大變革,提高產(chǎn)品質(zhì)量、發(fā)展產(chǎn)品品種、提高勞動生產(chǎn)率、節(jié)能降耗、控制環(huán)境污染、改善勞動條件、保證生產(chǎn)安全可靠等一系列問題都提到議事日程上來,并且依賴計算機(jī)控制技術(shù)來實現(xiàn)。計算機(jī)控制技術(shù)也由于工業(yè)生產(chǎn)的迫切需要取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展,其發(fā)展過程經(jīng)歷了直接數(shù)字控制、集中計算機(jī)控制、分層控制系統(tǒng)三個階段。隨著計算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、通信技

3、術(shù)、CRT技術(shù)等的發(fā)展以及工業(yè)生產(chǎn)對計算機(jī)控制水平要求的提高,管理的集中性與控制的分散性這一實際需要推動了集散計算機(jī)控制系統(tǒng)（DCS）的發(fā)展。集散控制系統(tǒng)（DCS）又名分布式計算機(jī)控制系統(tǒng),是利用計算機(jī)技術(shù)對生產(chǎn)過程進(jìn)行集中監(jiān)測、操作、管理和分散控制的一種新型控制技術(shù)。是由計算機(jī)技術(shù)、信號處理技術(shù)、測量控制技術(shù)、通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、CRT技術(shù)、圖形顯示技術(shù)及人機(jī)接口技術(shù)相互滲透發(fā)展而產(chǎn)生的。2 DCS介紹DCS是采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化和系列化的設(shè)計,由過程控制級、控制管理級和生產(chǎn)管理級組成的一個以通訊網(wǎng)絡(luò)為紐帶的集中顯示而操作管理、控制相對分散、配置靈活、組態(tài)方便、具有高可靠性的實用系統(tǒng)。DC

4、S的結(jié)構(gòu)是一個分布式、分支樹狀結(jié)構(gòu)。按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行垂直分解,它分為過程控制級和控制管理級,各級既相互獨立又相互聯(lián)系,每一級又可水平分解成若干子集。從功能分散看,縱向分散意味著不同級的不同功能,如實時控制、實時監(jiān)視、生產(chǎn)過程管理等,橫向分則意味著同級設(shè)備具有類似功能。DCS既不同于分散的儀表控制,又不同于集中式計算機(jī)控制系統(tǒng),而是克服了二者的缺陷并集中了二者的優(yōu)勢。它具有通用性強(qiáng)、系統(tǒng)組態(tài)靈活、控制功能完善、數(shù)據(jù)處理方便、顯示操作集中、人機(jī)界面友好、安裝簡單規(guī)范化、調(diào)試方便、運(yùn)行安全可靠的特點,適用于石油、化工、冶金、輕工、造紙等各種生產(chǎn)過程,能提高生產(chǎn)自動化水平和管理水平,提高產(chǎn)品質(zhì)量,降低能

5、源消耗和原材料消耗,提高勞動生產(chǎn)率,保證生產(chǎn)的安全,促進(jìn)工業(yè)技術(shù)發(fā)展,創(chuàng)造最佳的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。 受信息技術(shù)發(fā)展的影響,以及用戶對先進(jìn)的控制功能與管理功能需求的增加,各DCS廠商紛紛提升DCS系統(tǒng)的技術(shù)水平,并不斷地豐富其內(nèi)容。當(dāng)前,以Honeywell 公司推出的Experion PKS、Emerson 公司的PlantWeb 、Foxboro公司的A2、橫河公司的R3（PRM-工廠資源管理系統(tǒng)）和ABB公司的 Industrial IT 系統(tǒng)為標(biāo)志的新一代DCS 已經(jīng)形成。3 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)

6、構(gòu)與分層的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型Experion TM PKS分布式控制系統(tǒng)是美國Honeywell公司設(shè)計開發(fā)的居于世界領(lǐng)先地位的DCS系統(tǒng),我們這套粉煤氣化自動控制系統(tǒng),采用Experion TM PKS來實現(xiàn),其主要功能是對過程數(shù)據(jù)的高性能采集、控制和監(jiān)視。系統(tǒng)的DCS 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1 DCS 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)采用冗余服務(wù)器、冗余控制網(wǎng)絡(luò)以及冗余電源的模式,其中包括2 臺工程師站、4 臺操作員站、C200 過程控制器和過程I/O 接口。工程師站主要用來實現(xiàn)對系統(tǒng)的配置與組態(tài),同

7、時作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)服務(wù)器實現(xiàn)對過程數(shù)據(jù)的保存以及存檔。操作員站是最重要的人機(jī)交互界面,主要用于對生產(chǎn)現(xiàn)場的監(jiān)視和管理。其中一臺工程師站兼做操作員站使用。C200 控制器由機(jī)架、電源、控制器處理模件（CPM）、ControlNet 接口,冗余模件和I/O 連接模件所組成,完成對過程的控制、與過程I/O 接口的通信,通過監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送到服務(wù)器等功能。過程I/O 接口主要包括接線端子、輸入/輸出（I/O）卡件和連接電纜等,主要實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的采集、處理和工程單位的變換。Experion TM PKS 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)由上到下分為

8、信息網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)和I/O 網(wǎng)絡(luò)三個層次,各層的功能和特性如表1所示。信息網(wǎng)絡(luò)層用于操作員站與工程師站的通訊;監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)層實現(xiàn)C200 控制器與服務(wù)器的互連;I/O網(wǎng)絡(luò)層實現(xiàn)C200 控制器與PM I/O 模件的通訊以及PMI/O 模件與現(xiàn)場接線端子FTA 的聯(lián)系。表1 EPKS系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)分層模型4 系統(tǒng)實現(xiàn)要點4.1 監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的連接通過控制網(wǎng)絡(luò)T 型接頭實現(xiàn)從C200 控制器的控制通信模塊和兩臺服務(wù)器的連接。對于冗余網(wǎng)絡(luò)配置,每臺服務(wù)器采用2 個T 型頭,

9、分別稱為A 口和B口,T 型頭一端通過接插件與同軸電纜相連,一頭安裝控制網(wǎng)絡(luò)終端電阻。控制通訊模塊采用2 個T 型頭,分為T 型頭A 和T 型頭B,分別與兩臺服務(wù)器相連。4.2 I/O網(wǎng)絡(luò)的連接采用專用PM I/O電纜實現(xiàn)從控制器上IOLINK 模塊到文件卡板箱的連接,采用專用電纜實現(xiàn)從文件卡板箱到FTA 模塊的連接。4.3 信息網(wǎng)絡(luò)信息網(wǎng)絡(luò)采用的是以太網(wǎng)協(xié)議,因此需要設(shè)置網(wǎng)卡的IP 地址。每臺工程師站（服務(wù)器A 和服務(wù)器B）和操作員站都配置兩塊網(wǎng)卡,采用

10、冗余網(wǎng)絡(luò)的IP 地址設(shè)置如下:名稱 IP地址 子網(wǎng)掩碼服務(wù)器A 192.168.1.1 255.255.255.0服務(wù)器B 192.168.1.10 255.255.255.01#操作員站 192.168.1.100 255.255.255.02#操作員站 192.168.1.101 255.255.255.03#操作員站 192.168.1.102 255.255.255.04.4 監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)主要設(shè)備包括控制網(wǎng)絡(luò)通信模件、兩臺工程師站上的PCIC卡

11、,系統(tǒng)通過設(shè)備的MAC地址識別各個模塊,具體規(guī)定如下:設(shè)備名稱 地址控制網(wǎng)絡(luò)通訊模件 1PCIC卡（服務(wù)器A） 23PCIC卡（服務(wù)器B） 244.5 I/O 網(wǎng)絡(luò)I/O網(wǎng)絡(luò)主要靠文件卡板箱上的文件號以及卡件號識別。兩個文件卡板箱的文件號分別為1和2,設(shè)置方法是在文件卡板箱的底部,利用跳線設(shè)置?？柗謩e對應(yīng)于文件卡板箱上的編號。本系統(tǒng)I/O 子系統(tǒng)采用了具備最高可用性及魯棒性的過程管理站I/O（PMIO）。PMIO 包含I/O 模件以及對應(yīng)的FTA 端子板,采用與現(xiàn)場一體化供電的方式,方便了安

12、裝與維護(hù),同時所有I/O模件具有開路/短路檢測功能并均可帶電插拔,且具有輸出保持。系統(tǒng)I/O 模件的主要功能是進(jìn)行信號調(diào)理及A/D、D/A 轉(zhuǎn)換、并完成包括線性化、工程單位轉(zhuǎn)換在內(nèi)的各種數(shù)據(jù)預(yù)處理,同時可對信號進(jìn)行數(shù)字濾波。I/O 模件的參數(shù)設(shè)置均由組態(tài)軟件完成,不必開關(guān)跳線及電位器進(jìn)行調(diào)整。每個I/O模件的掃描周期可根據(jù)需要分別進(jìn)行設(shè)置。I/O 模件具有自診斷和內(nèi)部工作溫度監(jiān)測報警功能,所有I/O模件均可設(shè)置故障安全值（數(shù)據(jù)保持/預(yù)設(shè)值/最大或最小值）,一旦模件故障或通訊出錯,輸入輸出結(jié)果即可切換到事先組態(tài)好的安全值。FTA端子板是為了便于現(xiàn)場接線而采

13、用的智能模塊結(jié)構(gòu)。根據(jù)信號的不同,每塊FTA 板可以提供16 路或32路接線端子。在連接文件卡板箱和FTA模塊時,要注意兩者位號一致,防止接錯。對于大多FTA 模塊可以通過標(biāo)準(zhǔn)專用電纜直接與文件卡板箱進(jìn)行連接,低電平模擬輸入信號是一個特例。低電平模擬輸入信號FTA需要經(jīng)過低電平輸入配電器與文件卡板箱相連,每個低階輸入配電器可以帶2 塊低電平輸入模塊,這2 個模塊需要通過跳線設(shè)置低16 位以及高16 位。4.6 組態(tài)本系統(tǒng)提供的組態(tài)軟件包括系統(tǒng)組態(tài)、過程控制組態(tài)、畫面組態(tài)、報表組態(tài),用戶的方案及顯示方式由它來解釋生成

14、DCS內(nèi)部可理解的目標(biāo)數(shù)據(jù)。使用組態(tài)軟件可以生成相應(yīng)的實用系統(tǒng),便于靈活更改與擴(kuò)充。本系統(tǒng)組態(tài)方面采用了先進(jìn)的項目樹風(fēng)格。這種技術(shù)采用搭積木的方式組態(tài),使用簡單方便,各種信息一目了然。5 小結(jié)在本系統(tǒng)中,大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)（過程I/O 與現(xiàn)場設(shè)備采用單連接）采用可靠性高的雙冗余結(jié)構(gòu),這可以保證在任何一條網(wǎng)絡(luò)失效的情況下不影響系統(tǒng)通訊,大大提高了系統(tǒng)的可靠性。由于信息網(wǎng)絡(luò)采用的是標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的結(jié)構(gòu),因此網(wǎng)絡(luò)通過交換機(jī)將工程師站和操作員站連接起來,連接的方法采用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的連接方法。由于采用冗余網(wǎng)絡(luò)的配置,兩個網(wǎng)絡(luò)通路應(yīng)該相互獨立,不能有交叉。這套系統(tǒng)投入運(yùn)行一年多以來,經(jīng)過各種復(fù)雜環(huán)境

15、下的檢驗,實踐證明不管是工藝還是儀表維護(hù)效果都很好,完全達(dá)到預(yù)期的設(shè)計目標(biāo)。本文作者創(chuàng)新點采用DCS的優(yōu)越性可歸納如下:自主性:系統(tǒng)上各工作站是通過網(wǎng)絡(luò)接口連接起來的,各工作站獨立自主地完成自己的任務(wù),且各站的容量可擴(kuò)充,配套軟件隨時可組態(tài)加載,是一個能獨立運(yùn)行的高可靠性子系統(tǒng)。協(xié)調(diào)性:實時高可靠的工業(yè)控制局部網(wǎng)絡(luò)使整個系統(tǒng)信號共享,各站之間從總體功能及優(yōu)化處理方面具有充分的協(xié)調(diào)性。在線性與實時性:通過人機(jī)接口和I/O接口,對過程對象的數(shù)據(jù)進(jìn)行實時采集、分析、記錄、監(jiān)視、操作控制,可進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組態(tài)回路的在線修改、局部故障的在線維修。高可靠性:高可靠性是DCS的生命力所在。從結(jié)構(gòu)上采用容錯設(shè)

16、計,使得在任一個單元失效的情況下,仍然保持系統(tǒng)的完整性,即使全局性通信或管理失效,局部站仍能維持工作。從硬件上包括操作站、控制站、通訊鏈路都采用雙重化配置。從軟件上采用了分段與模塊化設(shè)計,積木式結(jié)構(gòu),采用程序卷回或指令復(fù)執(zhí)的容錯設(shè)計。適應(yīng)性、靈活性和可擴(kuò)充性: 硬件和軟件采用了開放式、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計,系統(tǒng)積木式結(jié)構(gòu),具有靈活的配置,可適應(yīng)不同用戶的需要。若工廠改變生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)流程時只需改變系統(tǒng)配置和控制方案,相應(yīng)使用組態(tài)軟件填一些表格即可實現(xiàn)。友好性: DCS軟件面向工業(yè)控制技術(shù)人員、工藝技術(shù)人員和生產(chǎn)操作人員,采用實用而簡捷的人機(jī)會話系統(tǒng),CRT高分辨率交互圖形顯示,復(fù)合窗口技術(shù),畫面豐富,縱觀、控制、調(diào)整、趨勢、流程圖、回路一覽、批量控制、計量報表、操作指導(dǎo)畫面、菜單功能等均具有實時性。平面密封式薄膜操作鍵盤、觸摸式屏幕、鼠標(biāo)器、跟蹤球等操作器更便于操作。參考文獻(xiàn)1 王常力,羅安.分布式控制系統(tǒng)（DCS）設(shè)計與應(yīng)用實例.北京:電子工業(yè)出版社2 劉翠玲,黃建兵.集散控制系統(tǒng).北京:北京大學(xué)出版社3 Clemens Szyperski,Dominik