分散控制系统过程控制的设计研究

华媛

摘 要：作为系统控制的关键环节，过程控制的设计对于保证工艺的平稳操作有重要的作用。简要介绍了分散控制系统应用的关键技术，具体探讨了分散控制系统过程控制的设计，以期为相关技术和设计人员提供参考。

关键词：分散控制系统；过程控制；信息通信；控制变量

中图分类号：TP273.5 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.07.085

在完成集中监控的过程中，计算机控制可以实现信息通信和高级控制等功能，其较高的控制精度大幅提高了生产过程的综合质量控制效率。然而，在大型工厂中，计算机控制过度集中，事故发生的概率也相对集中，如果控制系统发生故障，则操作、控制、监视等都无法进行。分散控制系统集中了计算机控制系统和常规模拟仪表的优势，可进一步提高控制系统的可靠性和安全性，因此，加强有关分散控制系统过程控制的设计研究，对于改善分散控制系统应用质量具有重要的理论和现实意义。

1 分散控制系统应用的关键技术

1.1 分散型集中控制技术

1.1.1 分级分布式设计结构

该系统采用过程控制、优化控制、自适应控制和工厂管理4级分布式策略，选用分级梯阶结构，依据工业生产装置的不同布局，将其划分成多个单元，并且各单元可独立实现本区域内的对象过程控制。系统通常包含操作站、过程接口单元、管理计算机、过程单元和高速通讯网络5个部分。

1.1.2 集中控制

系统内不同级和不同层间实施数据通信构成了一个完善统一的整体。不同模块之间是利用通讯总线连接实现通讯的，而各单元利用过程控制网络实现数据传输，操作站则对过程实行集中显示、操作和报警。

1.2 工业自动化控制技术

对于连续的模拟量控制系统，依据反馈控制原理，采用PID控制规律，对获取的输出量与设定量间的误差-时间函数实行比例、微分、积分处理，并将处理结果作为控制量，完成电路放大、转换工作后，其又可作为控制信号对执行器的动作实行控制，持续修正控制量与被控量间的偏差，进而实现对被控量的调控。

1.3 图形化组态

图形化编程语言是以C语言为基础进行二次开发，进而形成语言。在采用这种语言编程时，通常不用编写程序代码，而是采用流程图，尽量采用技术人员经常使用的概念、图标和术语，利用“图标”替换“文本指令”。这样做，可以大幅度地改善工作效率。在设计可视化程序时，技术人员仅需调用“图标”，然后使用“连线”表示数据的流向，这样编程工作就更加简便、直观。

1.4 系统组态

依据设计要求，在系统软件和硬件的支持下，整体采用系统组态软件提供的计算、填表和绘图等功能，事先组织好各类硬件设备和软件功能，以保证系统按照预定状态运行。也就是说，利用集散控制系统支持的功能模块、编程语言、组态编辑软件构成标准的操作界面和系统结构，由此完成过程集中控制、数据集中显示和数据通信。

2 分散控制系统过程控制的设计

过程控制设计的主要目的是从整体角度出发，对不同操作单元的整个过程构建提供操作策略和建议，其涉及的研究内容包含异常状态处理策略、控制系统内不同变量关系协调、控制变量选择等多种确保工艺稳定操作的措施和方案。在此，以化工控制过程为例，结合相关过程控制分析设计工具，具体介绍了系统过程控制的设计过程。

2.1 目标函数和操作限制条件的确定

在指定标准控制结构前，应先确定过程控制的操作目标和各类与产品质量、安全因素等相关的限制条件。通常情况下，可将目标函数定义为标量成本函数J，并且在一定时期内持续稳定，当然，如果商品价格和市场环境出现变化，则J的表现形式也可随之改变。限制条件是确保产品质量和生产安全的基本控制目标，其主要受设计强度、大小尺寸等操作物理条件和工艺条件的影响。

2.2 分析自由度

在分析自由度的过程中，要先统计全部过程中可自由操作的、独立操纵变量的个数，然后提出稳态效应较差的操纵变量。比如，缓冲罐液位稳态效应较低，但是，需要对其调控，所以，其将消耗稳态自由度。另外，在此过程中，还需要优化步骤1，测定条件中的积极约束和简化梯度各自的维度，以方便随后选择被控变量。

2.3 选择被控变量

被控变量是指分层梯阶控制结构中的一级被控变量y1，也就是综合考量需保持在设定点的变量。在运用该控制变量时，可将其分成用于自主优化的被控变量和积极约束相关的变量两部分。在此，可以采用一般框架，也就是建立最优性必要条件为被控变量，对于无法获得最优性必要条件的，则选用可测变量的函数关系近似方法来确定。

2.4 构建常规控制回路

在确定控制回路和二级控制变量时，可依赖于工程师的直观测量和工艺过程的特性来确定。常规控制层的主要目的是简化监督控制层的控制任务，并控制底层扰动，两层间主要利用串级控制方式完成交互。常规控制回路是一种必须的控制手段，而对于较小规模的过程，可将常规控制与监督控制相结合，共同发挥控制功能。

2.5 变量配对

这一步主要是配对主要控制变量y1及其操纵变量（也就是常规控制层被控变量的设定点），如果控制系统相对简单，则可以直接实现被控变量同原始操纵变量的配对。在配对过程中，可以依据VI-EID配对准则，利用相关分散控制结构设计方法直接获取最佳配对方案。如果能得到过程的扰动模型，则可以深入分析分散控制系统的扰动抑制特性；如果计算过程较慢或利用不同方法得出的配对方案有矛盾，则可以经过多目标优化配对算法深入分析后，确定最终的配对方案。在此过程中需要注意的是，如果采用MPC控制方式，则可以不完成这一步骤。

2.6 依据要求构建RTO优化层

如果设计好的控制结构已经同时具备控制和优化的功能，则可以依据运行要求选择是否采用RTO优化层。通过对相关实验数据分析发现，即使不存在RTO优化层，依据某些方法设计的控制结构仍然可以实行自主优化。

3 结束语

过程控制结构的设计质量将直接影响分散控制系统功能的发挥和企业效益的实现。因此，相关技术和设计人员应加大对有关分散控制系统过程控制的研究力度，不断总结过程控制设计方法和关键技术措施，以逐步提升分散控制系统的运行水平。

参考文献

[1]邓红霞.DCS集散控制系统设计组态及应用[D].上海：华东师范大学，2009.

[2]江安伦.基于DCS的造纸自动化控制系统的设计与实现[D].上海：上海交通大学，2010.

[3]王吉锋.基于PLC与DCS的过程控制系统集成方案的设计与实施[D].济南：山东大学，2007.

〔编辑：白洁〕

Abstract： As a key part of system control， process control designed to ensure the smooth operation of the process has an important role. Briefly introduces the key technology of distributed control system applications， specifically discusses the distributed control system design process control， in order to provide a reference for the relevant technical and design staff.

Key words： distributed control system； process control； information and communication； control variables