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集散控制系统概述

  集散控制系统简称DCS,也可直译为分散控制系统或分布式计算机控制系统。它采用控制分散、操作和管理集中的基本设计思想,采用多层分级、合作自治的结构形式。其主要特征是它的集中管理和分散控制。目前DCS在电力、冶金、石化等各行各业都获得了极其广泛的应用。

  DCS通常采用分级递阶结构,如图1所示,每一级由若干子系统组成,每一个子系统实现若干特定的有限目标,形成金字塔结构。

DCS

  可靠性是DCS发展的生命,要保证DCS的高可靠性主要有三种措施:一是广泛应用高可靠性的硬件设备和生产工艺;二是广泛采用冗余技术;三是在软件设计上广泛实现系统的容错技术、故障自诊断和自动处理技术等。当今大多数集散控制系统的MTBF可达几万甚至几十万小时。

  1、集散控制系统的发展趋势

  近年来,在DCS关联领域有许多新进展,主要表现在如下一些方面。

  (1)系统功能向开放式方向发展传统DCS的结构是封闭式的,不同制造商的DCS之间难以兼容。而开放式的DCS将可以赋予用户更大的系统集成自主权,用户可根据实际需要选择不同厂商的设备连同软件资源连入控制系统,达到最佳的系统集成。这里不仅包括DCS与DCS的集成,更包括DCS与PLC、FCS及各种控制设备和软件资源的广义集成。

  (2)仪表技术向数字化、智能化、网络化方向发展工业控制设备的智能化、网络化发展,可以促使过程控制的功能进一步分散下移,实现真正意义上的全数字、全分散控制。另外,由于这些智能仪表具有的精度高、重复性好、可靠性高,并具备双向通信和自诊断功能等特点,致使系统的安装、使用和维护工作更为方便。

  (3)工控软件正向先进控制方向发展广泛应用各种先进控制与优化技术是挖掘并提升DCS综合性能最有效、最直接、也是最具价值的发展方向,主要包括先进控制、过程优化、信息集成、系统集成等软件的开发和产业化应用。在未来,工业控制软件也将继续向标准化、网络化、智能化和开放性发展方向。

  (4)系统架构向FCS方向发展单纯从技术而言,现阶段现场总线集成于DCS可以有三种方式:①现场总线于DCS系统I/O总线上的集成――通过一个现场总线接口卡挂在DCS的I/O总线上,使得在DCS控制器所看到的现场总线来的信息就如同来自一个传统的DCS设备卡一样。例如Fisher-Rosemount公司推出的DeltaV系统采用的就是此种集成方案。②现场总线于DCS系统网络层的集成――就是在DCS更高一层网络上集成现场总线系统,这种集成方式不需要对DCS控制站进行改动,对原有系统影响较小。如Smar公司的302系列现场总线产品可以实现在DCS系统网络层集成其现场总线功能。③现场总线通过网关与DCS系统并行集成――现场总线和DCS还可以通过网关桥接实现并行集成。如SUPCON的现场总线系统,利用HART协议网桥连接系统操作站和现场仪表,从而实现现场总线设备管理系统操作站与HART协议现场仪表之间的通信功能。

  一直以来DCS的重点在于控制,它以分散作为关键字。但现代发展更着重于全系统信息综合管理,今后综合又将成为其关键字,向实现控制体系、运行体系、计划体系、管理体系的综合自动化方向发展,实施从最底层的实时控制、优化控制上升到生产调度、经营管理,以至最高层的战略决策,形成一个具有柔性、高度自动化的管控一体化系统。

  2、DCS的硬件体系结构

  考察DCS的层次结构,DCS级和控制管理级是组成DCS的两个最基本的环节。

  过程控制级具体实现了信号的输入、变换、运算和输出等分散控制功能。在不同的DCS中,过程控制级的控制装置各不相同,如过程控制单元、现场控制站、过程接口单元等等,但它们的结构形式大致相同,可以统称为现场控制单元FCU。过程管理级由工程师站、操作员站、管理计算机等组成,完成对过程控制级的集中监视和管理,通常称为操作站。DCS的硬件和软件,都是按模块化结构设计的,所以DCS的开发实际上就是将系统提供的各种基本模块按实际的需要组合成为一个系统,这个过程称为系统的组态。

  (1)现场控制单元

  现场控制单元一般远离控制中心,安装在靠近现场的地方,其高度模块化结构可以根据过程监测和控制的需要配置成由几个监控点到数百个监控点的规模不等的过程控制单元。

  现场控制单元的结构是由许多功能分散的插板(或称卡件)按照一定的逻辑或物理顺序安装在插板箱中,各现场控制单元及其与控制管理级之间采用总线连接,以实现信息交互。

  现场控制单元的硬件配置需要完成以下内容:

  插件的配置根据系统的要求和控制规模配置主机插件(CPU插件)、电源插件、I/O插件、通信插件等硬件设备;

  硬件冗余配置对关键设备进行冗余配置是提高DCS可靠性的一个重要手段,DCS通常可以对主机插件、电源插件、通信插件和网络、关键I/O插件都可以实现冗余配置。

  硬件安装不同的DCS,对于各种插件在插件箱中的安装,会在逻辑顺序或物理顺序上有相应的规定。另外,现场控制单元通常分为基本型和扩展型两种,所谓基本型就是各种插件安装在一个插件箱中,但更多的时候时需要可扩展的结构形式,即一个现场控制单元还包括若干数字输入/输出扩展单元,相互间采用总线连成一体。

  就本质而言,现场控制单元的结构形式和配置要求与模块化PLC的硬件配置是一致的。

  (2)操作站

  操作站以来显示并记录来自各控制单元的过程数据,是人与生产过程信息交互的操作接口。典型的操作站包括主机系统、显示设备、键盘输入设备、信息存储设备和打印输出设备等,主要实现强大的显示功能(如模拟参数显示、系统状态显示、多种画面显示等等)、报警功能、操作功能、报表打印功能、组态和编程功能等等。

  另外,DCS操作站还分为操作员站和工程师站。从系统功能上看,前者主要实现一般的生产操作和监控任务,具有数据采集和处理、监控画面显示、故障诊断和报警等功能。后者除了具有操作员站的一般功能以外,还应具备系统的组态、控制目标的修改等功能。从硬件设备上看,多数系统的工程师站和操作员站合在一起,仅用一个工程师键盘加以区分。

  3、DCS的软件系统

  DCS的软件体系如图2所示,通常可以为用户提供相当丰富的功能软件模块和功能软件包,控制工程师利用DCS提供的组态软件,将各种功能软件进行适当的组装连接(即组态),生成满足控制系统的要求各种应用软件。

DCS

  (1)现场控制单元的软件系统

  如图3,现场控制单元的软件主要包括以实时数据库为中心的数据巡检、控制算法、控制输出和网络通信等软件模块组成。

  实时数据库

DCS

  起到了中心环节的作用,在这里进行数据共享,各执行代码都与它交换数据,用来存储现场采集的数据、控制输出以及某些计算的中间结果和控制算法结构等方面的信息。数据巡检模块用以实现现场数据、故障信号的采集,并实现必要的数字滤波、单位变换、补偿运算等辅助功能。DCS的控制功能通过组态生成,不同的系统,需要的控制算法模块各不相同,通常会涉及以下一些模块:算术运算模块、逻辑运算模块、PID控制模块、变型PID模块、手自动切换模块、非线性处理模块、执行器控制模块等等。控制输出模块主要实现控制信号以故障处理的输出。

  (2)操作站的软件系统

  DCS中的操作站用以完成系统的开发、生成、测试和运行等任务,这就需要相应的系统软件支持,这些软件包括操作系统、编程语言及各种工具软件等。一套完善的DCS,在操作站上运行的应用软件应能实现如下功能:实时数据库、网络管理、历史数据库管理、图形管理、历史数据趋势管理、数据库详细显示与修改、记录报表生成与打印、人机接口控制、控制回路调节、参数列表、串行通信和各种组态等。

  4、DCS的组态(开发与生成)

  DCS的开发过程主要是采用系统组态软件依据控制系统的实际需要生成各类应用软件的过程。组态软件功能包括基本配置组态和应用软件组态。基本配置组态是给系统一个配置信息,如系统的各种站的个数、它们的索引标志、每个控制站的最大点数、最短执行周期和内存容量等。应用软件的组态则包括比较丰富的内容,主要包括以下几个方面。

  (1)控制回路的组态

  控制回路的组态在本质上就是利用系统提供的各种基本的功能模块,来构成各种各样的实际控制系统。目前各种不同的DCS提供的组态方法各不相同,归纳起来有指定运算模块连接方式、判定表方式、步骤记录方式等等。

  指定运算模块连接方式是通过调用各种独立的标准运算模块,用线条连接成多种多样的控制回路,最终自动生成控制软件,这是一种信息流和控制功能都很直观的组态方法。判定表方式是一种纯粹的填表形式,只要按照组态表格的要求,逐项填入内容或回答问题即可,这种方式很利于用户的组态操作。步骤记入方式是一种基于语言指令的编写方式,编程自由度大,各种复杂功能都可通过一些技巧实现,但组态效率较低。另外,由于这种组态方法不够直观,往往对组态工程师在技术水平和组态经验有较高的要求。

  (2)实时数据库生成

  实时数据库是DCS最基本的信息资源,这些实时数据由实时数据库存储和管理。在DCS中,建立和修改实时数据库记录的方法有多种,常用的方法是用通用数据库工具软件生成数据库文件,系统直接利用这种数据格式进行管理或采用某种方法将生成的数据文件转换为DCS所要求的格式。

  (3)工业流程画面的生成

  DCS是一种综合控制系统,它必须具有丰富的控制系统和检测系统画面显示功能。显然,不同的控制系统,需要显示的画面是不一样的。总的来说,结合总貌、分组、控制回路、流程图、报警等画面,以字符、棒图、曲线等适当的形式表示出各种测控参数、系统状态,是DCS组态的一项基本要求。此外,根据需要还可显示各类变量目录画面、操作指导画面、故障诊断画面、工程师维护画面和系统组态画面。

  (4)历史数据库的生成

  所有DCS都支持历史数据存储和趋势显示功能,历史数据库通常由用户在不需要编程的条件下,通过屏幕编辑编译技术生成一个数据文件,该文件定义了各历史数据记录的结构和范围。历史数据库中数据一般按组划分,每组内数据类型、采样时间一样。在生成时对各数据点的有关信息进行定义。

  (5)报表生成

  DCS的操作员站的报表打印功能也是通过组态软件中的报表生成部分进行组态,不同的DCS在报表打印功能方面存在较大的差异。一般来说,DCS支持如下两类报表打印功能:一是周期性报表打印,二是触发性报表打印,用户根据需要和喜好生成不同的报表形式。

  5、DCS中的先进控制技术

  DCS在控制上的最大特点是依靠各种控制、运算模块的灵活组态,可实现多样化的控制策略以满足不同情况下的需要,使得在单元组合仪表实现起来相当繁琐与复杂的命题变得简单。随着企业提出的高柔性、高效益的要求,以经典控制理论为基础的控制方案已经不能适应,以多变量预测控制为代表的先进控制策略的提出和成功应用之后,先进过程控制受到了过程工业界的普遍关注。需要强调的是,广泛应用各种先进控制与优化技术是挖掘并提升DCS综合性能最有效、最直接、也是最具价值的发展方向。

  在实际过程控制系统中,基于PID控制技术的系统占80%以上,PID回路运用优劣在实现装置平稳、高效、优质运行中起到举足轻重的作用,各DCS厂商都以此作为抢占市场的有力竞争砝码,开发出各自的PID自整定软件。另外,根据DCS的控制功能,在基本的PID算法基础上,可以开发各种改进算法,以满足实际工业控制现场的各种需要,诸如带死区的PID控制、积分分离的PID控制、微分先行的PID控制、不完全微分的PID控制、具有逻辑选择功能的PID控制等等。

  与传统的PID控制不同,基于非参数模型的预测控制算法是通过预测模型预估系统的未来输出的状态,采用滚动优化策略计算当前控制器的输出。根据实施方案的不同,有各种算法,例如,内模控制、模型算法控制、动态矩阵控制等。目前,实用预测控制算法已引入DCS,例如IDCOM控制算法软件包已广泛应用于加氢裂化、催化裂化、常压蒸馏、石脑油催化重整等实际工业过程。此外,还有霍尼韦尔公司的HPC,横河公司的PREDICTROL,山武霍尼韦尔公司在TDC-3000LCN系统中开发的基于卡尔曼滤波器的预测控制器等等。这类预测控制器不是单纯把卡尔曼滤波器置于以往预测控制之前进行噪声滤波,而是把卡尔曼滤波器作为最优状态推测器,同时进行最优状态推测和噪声滤波。

  先进控制算法还有很多。目前,国内、外许多控制软件公司和DCS厂商都在竞相开发先进控制和优化控制的工程软件包,希望在组态软件中嵌入先进控制和优化控制策略。

  6、OPC技术及其应用简介

  当大量现场信息由智能仪表或通过现场总线直接进入计算机控制系统后,存在着计算机内部应用程序对现场信息的共享与交互问题。由于缺乏统一的连接标准,工控软件往往需要为硬件设备开发专用的驱动程序。这样一旦硬件设备升级换代,就需要对相应的驱动程序进行更改,增加了系统的维护成本。即使计算机中的SCADA有独立的驱动程序,但一般也不允许同时访问相同的设备,否则很容易造成系统崩溃。可见,现场控制层作为企业整个信息系统的底层部分,必然需要与过程管理层和经营决策层进行集成,这样也存在着监控计算机如何与其它计算机进行信息沟通和传递的问题。由于控制系统往往是不同厂商开发的专用系统,相互之间兼容性差,与高层的商业管理软件之间又缺乏有效的通信接口,因此通信规范问题成为了制约控制系统突破信息孤岛的瓶颈。

  OPC(OLEforProcessControl)的出现,建立了一套符合工业控制要求的通信接口规范,使控制软件可以高效、稳定地对硬件设备进行数据存取操作,应用软件之间也可以灵活地进行信息交互,极大提高了控制系统的互操作性和适应性

  从软件的角度来说,OPC可以看成是一个软件总线的标准。首先,它提供了不同应用程序间(甚至可以是通过网络连接起来的不同工作站上的应用程序之间)实现实时数据传输的通道标准;其次,它还针对过程控制的需要定义了在通道中进行传输和交换的格式。OPC标准的体系结构为客户/服务器模式,即将软件分为OPC服务器和OPC客户。OPC服务器提供必要的OPC数据访问标准接口;OPC客户通过该标准接口来访问OPC数据。

  运用OPC标准开发的软件由于都基于共同的数据及接口标准,因此相互之间具有很强的通用性。这在工业控制领域中,具有十分现实的意义。OPC服务器可由不同供应商提供,其代码决定了服务器访问物理设备的方式、数据处理等细节。但这些对OPC客户程序来说都是透明的,只需要遵循相同的规范或方法就能读取服务器中的数据。同样,软件供应商则只需将自己的软件加上OPC接口,即能从OPC服务器中取得数据,而不需关心底层的细节。通过OPC接口,OPC客户程序可以和一个或多个不同的OPC服务器连接。如图4,同时一个OPC服务器也可以与多个客户程序相连,形成多对多的关系。任何支持OPC的产品都可以实现与系统的无缝集成。由于OPC技术基于DCOM,所以客户程序和服务器可以分布在不同的主机上,形成网络化的监控系统。

DCS

  OPC技术的发展和应用,无论供应商还是最终用户都可以从中得到巨大的益处。首先,OPC技术把硬件和应用软件有效地分离开,硬件厂商只需要提供一套软件组件,所有OPC客户程序都可以使用这些组件,无需重复开发驱动程序。一旦硬件升级,只需修改OPC服务器端I/O接口部分,无需改动客户端程序。其次,工控软件只要开发一套OPC接口就可采用统一的方式对不同硬件厂商的设备进行存取操作。这样,软硬件厂商可以专注于各自的核心部分,而不是兼容问题。

  对于最终用户而言,由于无需担心互操作性,在选择和更换软硬件时有了更多的余地,使异构计算机系统集成将变得很简单。用户可以将重点放在整个系统的功能及应用上,这也意味着成本的降低。此外,OPC组件的使用也十分方便,用户只需进行简单的组态即可。

  OPC服务器在底层控制系统中采用统一的标准,实现了应用程序与现场设备的有效连接,发挥着重要的桥梁作用,同时也促进了企业现场控制层和生产过程管理层、经营决策层的集成。

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