DCS系统设计及先进控制在DCS系统中应用

李璟

（海洋石油富岛有限公司 海南省东方市 572600）

DCS 系统是集合有控制技术、通讯技术以及网络技术等相关技术的一种分布式控制系统，因而也具有极强的集散控制功能。DCS 作为分布式控制系统的重要构成部分，可以将计算机控制技术与通信技术做出相互融合，以确保分布式信息通讯的顺畅，可以保证对生产设备运行状态做出全面分析与调整，同时对于设备运行的整体质量也能起到一定的维护作用。在先进控制技术中采用DCS 技术，同样可以提升控制的整体效率，以满足控制技术的发展需求，通过对系统中的各项信息及数据做出快速传递，以确保分散式系统结构可以更加完善。

1 DCS系统概念

1.1 概念

DCS 控制系统是一个基于微处理器的仪表控制系统，采用分散控制功能/集中显示和操作的设计原则，考虑到分区、自治和综合协调。以下是有关于DCS 控制系统的概念。

DCS 控制系统采用分散控制，集中运行与管理的基本设计思想，当存在主机时，输出装置可以以开关或者模拟信号的形式，向终端元件输出计算机控制命令，该层直接面向现场，并与现场连成相连，比如阀门、变送器、电机、各种传感器、执行器等，他们既是工业现场的基本设备，也是DCS 的基础。

集中管理与分散控制是DCS 的主要特点，分散控制是指系统的控制部分是由几个分散性相对独立的子控制机构所表示，这些机构在各自范围内，履行自身的职责，各司其职，相互并不干涉，以完成各自的目标，当然这些目标也是整个系统的目标。DCS 通常采用分层结构进行设置，每一层由多个子系统构成。

1.2 设计的基本原则

1.2.1 系统柜

（1）按照AI、AO、DI、DO 的顺序排列卡件，非冗余在先，冗余在后；

图1 ：DCS 系统构成及主要设备示意图

（2）数字量输入输出卡信号数量多，信号线多，在机柜空间允许的情况下，尽量减少单列数字输入输出卡的数量；

（3）尽量做到link1 和link2 所带IO 卡件均衡；

（4）虽然控制器的备用电池可带两对控制器，设计时最好一对一个电池（两个控制器之间机柜一般不会并柜）

1.2.2 配电柜

（1）空开的选择要依实际用电负荷计算所得，一般大一个等级；

（2）UPS 及GPS 的空开都要留一定余量；

（3）现场仪表需要的220V 供电直接从配电柜引出，配保险供电端子；

（4）遇到进线为380V 的情况下，分为三路220V 供电时尽量平衡三相负载。

1.2.3 网络柜

（1）可采用机架固定及托盘的方式安装网络设备；

（2）网络柜内配置插座时要考虑网络设备及附属设备（如光电转换器）的数量及插头规格；

（3）柜内风扇照明单独配空开。

1.2.4 辅助柜

（1）安全栅、继电器、端子安装在不同的机柜内；

（2）辅助柜内的安装顺序与系统柜卡件的顺序一致；

（3）不同控制器的辅助柜尽量不共用；

（4）柜内风扇照明不采用UPS；

（5）第三方设备安装在DCS 辅助柜内的，要考虑空间、供电电压及负荷。

2 DCS控制系统的特点

DCS 作为一种具有极强的集散控制功能的分布式控制系统，最基础的思想就是集中操作、分散控制和分组管理，因此才具有组态方便、系统存配置灵活等显著特征，具体可以分析为以下特点：

2.1 可靠性高

DCS 控制系统主要是可以把不同计算机上控制功能，实现集中同一控制的特点，因此在整个系统中，分散的每台计算机所承担的系统任务都是单一的，因此在这样状况下，不管分散当中的任何一台计算机出现系统故障问题，都不会对整个系统具有较大影响。且该结构模式可以针对不同的系统需求借用不同的计算机来实现其功能要求，这有效提升了计算机性能，从而对系统可靠性也有所提高。

2.2 开放

DCS 控制系统完全采用模块化和标准化的设计操作，并且是通过以太网来实现整个系统的网络通信。因为采用的是模块化和标准化的设计，就使得本系统就具备了开放的特性，所以在整个完整的系统中，任何一个自系统都能在控制系统中进行较为方便的接入，同又可以在系统中进行随时卸载，并且不会对任何一个计算机或者是子系统造成有关影响，同时不管是在功能扩充或是调整上，都使得该控制系统都极为的方便。

2.3 维护简单方便

DCS 控制系统中的每个计算机都是独立存在的，且都由微型或小型的计算机单一进行构成的。这也确保了即便某一计算机出现问题，并不会其他计算机的功能造成影响。因此在出现故障时，可以在不影响整个系统运行的背景之下，对故障点所出现的故障进行检测与排除。因此，DCS 控制系统也具有维护简单方便的特点。

DCS 控制系统在实际应用中，可以实现顺序、连续控制，即可实现解耦、前馈、串级、预测控制以及自适应等，因此整个系统就具备非常灵活的构成方式，组成部分主要由现场控制站、管理站、工程师站、操作员站等进行组成，当然也可以由可编程控制器、服务器等组成。其中过程级采集的现场数据都是由数据采集站和现场控制站来实现的，并且都是依托于网络基础，将要求创送至实施操作的计算机。而包含数据统计和优化等，当然也包含故障的报警、诊断、显示等内容，都是由操作级来实现对过程中的数据进行集中操作。DCS 可以依据企业对整体管理的需求，操作可以使用具备管理级的系统，从而就实现了与管理系统中更高级别之间的联系，企业就可以最终实现其他管理功能的集中操作与管理。目前DCS 控制系统在各个工业领域都具有较为广泛的应用，主要就由于其本身具备较高的开放性、可靠性等特征，且维护和组态都极为方便等特征因素。而在化工企业领域内，DCS 控制系统可以说已经应用的相当成熟与完善，企业展开合理的方案设计对于DCS控制系统来讲至关重要，不仅可以充分展示DCS 控制系统的优越性、先进性，同时还可以实现企业提升自动化生产水平。

3 DCS控制系统结构的分析

当前在现场控制站实际应用中，可以对计算机做出独立的检测与控制，从而提高整个测控的技术水平。现场控制站包括机械电源等相关基础设施，通过设置多层连接架，从而以确保电源和模具全面安装在外边包裹金属材质上，提高电气连接的整体控制效率，且具有较好的电磁屏蔽性能，为电子设备的稳定运行提供了较为安全的环境。

在系统结构设计中，想要确保电磁屏蔽效果，从而降低电磁对于操作人员的危害，就需要重点加强对于现场控制柜中的接地设置，尽可能的降低电阻值。

在现阶段为满足设备正常的运行，大多数的机柜都会需要安装风扇装置来稳定柜内的温度。此外，也要运用风扇来促进机会内部与外界空气之间的交互，从而降低柜内产生灰尘的概率。如果控制柜外部的环境温度过高或者过低，那么机会内部都要设置相对应的空调装置，以确保柜内温度平衡。在控制站设置中，需要展开高效稳定的运行方式对交流供电系统进行处理异常工作状态，以此来确保现场更趋于稳定性状态的控制站交流电源，与此同时，也需要使用双向电源以确保控制站提供充足电源，在现场控制站内，原则上是不能设置大功率的设备，如果难以避免，那么也要加强对隔离变压器的隔离设置，并在初/次级线圈之间通过添加接地,来消除其运行过程中所产生的共模干扰，此外也可以借助UPS电源以确保不间断供电，且在计算机控制下，输入输出端口的种类也需呈现出多样化的设置。

在过程中应对现场控制站交流电源的稳定性和可靠性进行不断提高，以此来确保具有稳定运行的交流供电系统。在计算机接口控制中，属于模式接口设计，使用系统通道就需要针对输入通道、脉冲量通道等不同形式做出不同的设计模拟量，输入通道具有连续化学量和物质力量的特点，因此可以对线路进行检测并快速转化为电信号。脉冲通道能够在现场仪表中得意正常运行，依据机械设置、涡流计量器等对脉冲信号作出管理，以确保脉冲信号的输入效果得到明显提升。

4 DCS系统设计分析

4.1 控制站设计

4.1.1 机柜和电源

构成系统内部机构主要由在现场控制站内存在着多个机架组成，这样安装模块和电源的过程从中可以得到相应的帮助，而为了有效的避免电磁干扰，都会采用金属材料来进行外层包裹，同时也能保障电子设备在内部进行稳定的运行。而从系统设计上来说，在为了保护人员安全和提高设计思维屏蔽效果，那么在对机柜进行设计装时，应将电阻控制在3Ω 内，那么就需要进行安装接地设置。在实践设计时，也需将电风扇安装到机柜的内部，对于柜产生的热量进行散发。在使用时，不仅使得机柜处于温度平衡的状态，与此同时，内外部气流也能实现相互更替，如此灰尘也难以出现在设备内部，就避免了设备因灰尘而造成的损坏，在这过程中，操作方式可使用正压进风进行。在进行电源提供时，控制站需要选择双向交流电源，因有大功率设备存在机柜附近，所以在实现供电过程就需要相应设计人员使用隔离变压器，且实现接地就使用次级线圈和初级线圈来处理。目前在我国电力行业中都是要求进行连续性生产的，那么采用不间断CPU就是相应设计人员在设计电源时需必备的，目前最常用的就是后背电源和在线电源这两种不间断电源。

4.1.2 输入通道和输出通道

针对输入和输出这两部分来讲，主要包括在现场的控制站的控制系统中，且输入和输出中也包含了极多的种类和数量。同时，DCS 系统在相应的设计人员进行设计时，一般就两种采用通道类型：模拟量通道和脉冲量通道。模拟量输入通道是需要设计人员生产连续性的产品，并将有效线路转为相对应电信号，就可以使得电信号传输到输入通道之中。而脉冲量通道指在仪表设备中计算装置传输脉冲信号，就包括：涡轮计算器和转速计装置，而设计人员在脉冲量通道进行设计过程中时，须深入的对测量信号进行分析，因此都会在IP 板上进行安装标准电路和计算装置，从而可以提前为计算工程量做好足够准备。

4.2 主控单元

DCS 系统进行设计过程时，主要包括CPU 和储存器两部分组成的主控单元，首先对于CPU 的设计要基于实际情况出发，一般来说常用的是16 位或者32 位的处理器,浮点预算协处理器，同样可以提高其处理能力，降低工作周期。其次，在正常运行的计算机中最为基础的就是：包含随机和只读两种存储器的相关设计，其中设计储存器时最为主要的就是可以提高系统的安全性。整个系统设计过程都应依据具体实际情况对于组态作出相应调整，以便于提高整个形同运行的可靠性。

5 在DCS系统中先进控制技术的应用

5.1 应用优势

随着DCS 系统管理技术不断加强，现今在化工生产过程中关于DCS系统应用也迎来广泛应用和良好的发展趋势。优化先进控制技术,可以为企业的经济发展创造出更为良好的条件，同时也将提高企业的市场竞争力。在现代控制技术发展过程中，现代控制技术理论以及人工智能之间的应用，已经为先进技术的发展创造了更为良好的条件。实质上先进控制系统与常规PID 控制之间存在一定的差异。

如图2 所示，先进控制技术的应用不但可以帮助企业获得较大利润，同时通过相对应的控制策略作为支撑，其算法控制方法的形式也会相对比较多，但是受外界因素的影响较大，一旦外界环境发生变化，那么就会对参数的精准性造成不利的影响，甚至发生一些突变，如果工业系统的变化速度较快，那么就会超出预算情况。这就导致常规的控制技术难以有效的对复杂的工业系统进行处理，只有选择先进控制器系统才能实现对整个工业过程做出有效的控制。众所周知，先进的控制技术应用在企业生产过程中，将为企业带来更大的经济效益。相关资料表明，许多石油工业化企业中，借助先进技术的应用，其经济效益得到了稳定增长，且投入的成本也相对较低，这位企业的发展带来了丰厚利润。相关研究表明，采用先进控制技术可以有效的处理工业系统存在的问题，通过加强工业系统的控制，可以赋予工业系统较好的控制效果，对其发展具有积极作用。

图2 ：先进控制技术

5.2 技术特点

在DCS 控制系统中，先进的控制技术与传统技术之间存在较大差异。首先从控制策略而言，先进控制技术主要采用两种控制策略，分别是拥有模型的控制策略以及知识控制策略。所谓模型控制策略，其主要应用在生物识别和软测量等领域。而知识控制则主要应用在智能控制等方面。这两种控制策略都是控制技术未来发展的主要方向。先进控制技术的应用可以有效解决传统控制技术下常见问题，使得控制策略能够更好的发挥自身的作用，并应对多变的工业环境，在传统的控制技术下往往会存在一定的不确定性、非线性、多变量耦合等问题，而一些工业环境下的模型只有在先进控制模型下才能发挥出其应有的成效，先进控制技术具有较强灵活性与环境适应性，可以与各种控制条件与参数作出有效的协调与配合，更好的发挥出动态生成过程的特点与要求，有效强化了控制的效果。

5.3 技术发展

在工业生产过程中，往往会出现很多生化、化学、相变等反应过程，对于能量与物质做出转化与传递，因此工业生产过程实际上是相对比较复杂的。与此同时，工业生产过程中存在非线性、信息不完整性、不确定性等特点，因此也会对先进控制的应用造成较大的阻碍。在工业生产过程中，这些因素都具有重要的意义，可以对产品的生产质量造成直接影响，同时也会造成材料能源的消耗，生产含速率等技术指标。在连续化、大型化的工业生产转变过程中，工业生产的实质性、整体性也会得到不断的优化，因此在DCS 系统中，为了有效实现工业生产优化以及系统之间的协调，在装置复杂等问题的解决过程中，对于先进控制做出应用将取得较好的效果。在过程控制当中一个对象通过对PID 控制规律单项输出的应用，可以实现较为简单的反馈控制，在控制中以经典理论作为基础，在各类工业生产流程过程中，传统的PID控制都得到了较为广泛的应用，而在现代化的工业生产过程中，DCS 系统应用范围不断扩大，但同样不能忽略原有的PID 控制，因此，可以借助PID 控制维护工业过程的操作和运行稳定性，在该方式之下，对于简单的操作方式则更容易接受和理解。随着科技的进一步发展，将对控制技术的应用与结构作出进一步的完善，从而实现DCS 先进控制系统的更好应用。

6 应用实例

以下就尿素厂 HollySys MACS Ⅱ型DCS 控制系统的应用为例，展开简要分析：

6.1 系统硬件体系结构

该系统的硬件采用了三层通信网络结构，最上层为信息管理网，主要来管理和传输工厂及的信息，继而使全厂的信息通道实现综合管理。中间层为过程控制网，主要连接控制站、工程师站以及操作员站等进行各种实时信息的有效传输。底层网络为控制站内部网络，采用主控卡指挥式令牌网，存储转发通信协议，是控制站各卡件之间进行信息交换的通道。

6.2 系统软件构成及组态

Hollias MACS 系统软件主要包括：数据站、操作员站控制站和组态四部分主要软件构成。其中部分组态系统软件主要由用户授权、系统组态及格操作软件构成；而另部分主要是系统运行监控软件，其中主要包含为各类数据服务、报警记录以及实时监控等软件。在整个DCS 的组态过程中都是以多软件综合应用以及循序渐进的一个过程，因此在应用Hollias MACS 软件时，且控制系统进行组态过程时，就可以对系统工艺要求，进行逐步完成。但因注意几部分问题：①必须要相匹配现场信号，尤其是数据库点组态与对应通道链接的现场信号；为避免系统繁忙造成管理上的紊乱，应采用足够大内存的PC 机器。

7 结语

综上所述，在DCS 系统整个过程中应从设计、施工、调试、运行进行全过程全方位管理，减少DCS 的故障关键是要做到预防第一，保证系统在要求的环境下长期良好地运行。在本文中笔者通过从DCS 系统的概念、设计原则，DCS 系统结构，DCS 系统设计等内容进行析，并对在系统中应用先进控制技术的相关内容进行阐述，最后以某一应用案例进行相关内容的探讨。希望借此可以为先进系统在DCS 系统中的应用提供一些帮助。