基于现场总线技术的分布式控制系统设计研究

徐 青

（国能＜山东＞能源环境有限公司 山东 济南 250014）

0 引言

分布式控制系统（distributed control system，DCS）又称集散控制网络，是一种多级计算机系统，主要分为过程监控级和过程控制级，是以网络通信为核心的、目前最先进的自动化控制系统。 目前，该系统是以综合自动化角度为基础，将各种信息技术集中起来，如控制技术、计算机技术、通信技术等，其具有控制能力强、安全性高、覆盖范围广等优势，受到各石油化工企业的高度重视，将分布式控制系统应用到石油化工、煤化工、热电等诸多生产领域中，大幅度提高了日常生产质量和效率，为企业经济发展打下坚实的基础。 基于此，本文以分布式控制系统为主要研究对象，分析分布式控制系统的结构和性能，便于相关人员对分布式控制系统自身性能和特征作全面了解，再将该系统应用到相关生产中，提高日常加工效果，为企业带来巨大的经济效益，促进相关企业实现可持续发展［1］。

1 分布式控制系统的结构

分布式控制系统涉及范围较广，属于可控性网络，如服务器、工作范围、生产场所、生产设施等。 它是由上、下、中三层结构相互组成，可对各种环境中的生产设施进行实时控制，其中分布式控制系统的下半部分为中分散控制系统，主要作用是将生产对象的有关资料收集起来，全部上传到有关部门，直至全部信息资料收集完毕；分布式控制系统中间层通常是按照行业标准对化工生产过程和作业过程进行监督，对相关数据信息进行处理，监控效果较好；在分布式控制系统中，通信结构是一个重要的环节，是由计算机和各种网络进行控制，信息管理层能直接参与到信息系统和参数运行中，合理调整部分生产指令。 而控制站工作内容是实时控制生产数据，保证生产质量和生产效率能达到预期要求。 同时，工作人员在该层面设置辅助设施，来监督生产设施和生产过程，有利于提高化工企业生产能力和解决问题的能力，第一时间发现设备设施故障及各类报警，制定科学的解决措施，避免给日常生产工作带来严重影响。

2 分布式控制系统功能

2.1 分布式控制系统性能

（1）人机协助。 分布式控制系统是采用系统功能计算不同检测点数据，再集中检测数据，全部呈现在管理员界面，有利于工作人员对数据信息进行及时地查看，有效提高日常操作的便捷性。 同时，在调整设备参数时，通常利用远程设备调整参数，以便于工作人员控制现代化工厂生产工作，在调整生产设备中远程监控系统自动调整生产图表和设备参数。

（2）安全性高。 基于工厂生产工作内容的特殊性，其最常用冗余控制方法进行管理，能合理控制设备故障问题概率，避免影响因素给生产效率带来严重影响。

（3）控制功能。 分布式控制系统能使用计算机技术进行各方面控制，如多变量、光离子化检测器（photo ionization detector，PID）控制等。

（4）拓展性功能。 在设计分布式控制系统的过程中，要求所使用的模块结构之间不能有任何联系，如果要扩大控制范围，模块结构要进一步优化才能达到想要的扩展效果。 但若要改变控制水平，则应采用组态的方法来改变［2］。

2.2 分布式控制系统的特征

（1）可靠性。 由于分布式控制系统在不同类型的电脑上应用了多种功能，达到了全方位的控制效果。 而容错式结构设计通常不会应用在系统结构上，因此各种系统故障很可能出现在不同类型的电脑上，而这些故障并不会导致完全丧失控制系统功能。 同时，不同电脑在操作系统中执行的控制任务过于单一，可以根据自己的实际要求进行系统控制，工作人员为了实现各种控制功能，除了能够控制整个操作系统中的每一台电脑外，还要选择特定的系统结构和系统控制的专业操作平台来控制电脑。

（2）开放性。 分布式控制系统结构具有模块化、标准化、开放式等多样化的系统结构设计，利用网络在系统内实时传递系统内部信息，实现系统内各计算机间的通信联络。 当通信系统要改变相关功能时，要将网络重新扩展到整个通信系统；要完成整个通信系统的功能改变任务，就需要将新的单机与无线通信系统管理网互相连接。

（3）灵活性。 在组态控制软件应用过程中，工作人员通过对应用控制对象流程测量信号的节点关系进行自动确定控制流程组态并进行判断，从而根据不同的应用控制算法将控制流程对象作为软硬件组态［3］。

3 分布式控制系统设计架构

分布式控制系统研究对现场总线控制过程，真实模拟以太网关接入系统、输入／输出（input／output，I／O）分布控制系统。 同时， 应急电源添加（ ethernet for plant automation，EPA）以太网控制系统通常应用于测量系统、控制系统等方面，给工业以太网、柔性传单缩写分类（fixed fee，FF）现场总线运行打下坚实基础（如图1 所示）。 从分布式控制系统构成来看，其主要包括EPA 现场总线控制系统、工控平台和软件系统、FF 现场总线控制系统、现场总线过程T3000 控制系统等。 反应器作为分布式控制系统中的重要控制设备，一旦生产中出现压力、温度、流量等参数问题，将其应用于化工生产中，能够准确把握生产质量和生产效率之间的必然联系。 DCS 控制系统涉及范围较广，如服务器、工作区间、生产现场、生产设施等方面，属于可控性网络。 是由上层、下层、中层结构相互组成，能在各种环境中实时控制生产设施，其中下层中分散控制系统在DCS 控制系统下部，主要作用是收集生产对象的相关数据，等到信息数据全部收集完成后，将数据全部上传到相关部分；DCS 中层通常是监督化工生产过程和操作过程，根据行业标准处理相关数据信息，具有良好的监控效果；通信结构作为DCS 控制系统中的重要环节，该结构主要包括信息数据管理、过程控制、控制系统内部等环节。

图1 总线冗余控制系统结构图

其中在信息数据过程中，是由计算机和各种网络进行控制，信息管理层能直接参与到信息系统和参数运行中，合理调整部分生产指令。 而控制站工作内容是实时控制生产数据，保证生产质量和生产效率能达到预期要求。 同时，从时间上看，反应器的温热反应在整个化工生产控制中有重要作用，工作人员若能将生产过程中的温度数据通过反应器收集起来，便于实际掌握生产设备的实际情况，在发生热反应时应及时进行低温处理，以免设备产生连锁反应［4］。

4 分布式控制系统设计

近年来，我国机械自动化技术快速发展，经过科技人员不懈研究，进一步优化了自动化技术相关的控制系统，推动自动化技术向多元化方向发展，提高自动化技术应用效果。 目前，可编程逻辑控制器（programmable logic controller，PLC）技术受到各行业人员的高度重视，PLC 技术是目前最先进的可编程控制器，属于专业应用在车库控制系统方面的通用控制器，以微处理器为核心，在微处理器中集中各种先进技术，如自动控制技术、通信工程技术、继电器控制技术、计算机技术等，具有较强的控制效果，能根据需求编写对应的程序，从而实现日常运算作业，通过在输出模块和输入模块间建立链接方法，实时控制机械电气设备运行。 目前，PLC 控制系统主要包括输入／输出模块、存储器、中央处理器、电源、外部设备接口、I／O 扩展接口等环节，其具有稳定性高、抗干扰能力强、能耗低等特征，通过利用数据扫描模式进行采样工作，再刷新所得数据。 其中，与信号控制柜相连的是所有的控制系统和仪器检测。 从信号柜中引出模拟信号，即4 ～20 mA。 随后，隔离变送器信号的划分就通过1 进2 出的连接方式来实现。通过中频抑制（intermediate frequency，IF）模块后，一路信号能直接进入到总线控制系统中。 后续以此为基础，可探测、监测和显示现场信号。 与EPA 总线控制系统直接连接的是另一路信号［5］。

4.1 设计T3000 对象

在设计过程中，控制对象主要包括复合加热水箱、有机玻璃水箱、储水箱等环节。 设计时，要将智能仪表、执行机构设置在不同回路，其中分散式生产工艺操作控制管理装置是将控制变量转化为生产操作控制，实时监控变量数据，用于控制生产集散工艺和其他生产操作过程。 在统一分散生产控制站系统装置中，工作人员想要实现数字模拟量和其他数字模拟量间的相互转变，要应用各种处理算法计算出控制输出量和输入量间的必然联系，过滤各种无用的软件信息。 但在操作生产管理系统中期是连接操作管理人员和其他集散生产控制管理系统的重要环节，工作人员通过控制生产管理系统装置能掌握整个分散生产管理过程，有利于提高日常管理效率。 工作人员在设计过程中，总共选取9 个不同的考点进行测试，能全面提高分布式控制系统性能，加强现场控制效果［6］。

4.2 总线控制系统设计

在分布式控制系统中安装的各种智能仪表中，信号最常用1 入2 出安装方法，科学分离隔离变送器，再将两个不同总线和控制系统相互连接，达到预期总线冗余效果，给现场控制打下坚实基础。 DCS 分散控制管理系统是由操作控制管理装置、通信控制装置、数据库、分散生产加工操作控制管理装置组成。 其中分散生产过程操作控制管理装置是用来控制生产集散过程和其他生产操作过程，其通过分散控制管理装置将各种控制变量转变为生产操作控制监控变量数据，而生产操作中各种变量数据也全部被传输到生产执行控制机构。 因此，在设计总线控制系统时，应结合实际，全面提高系统运行的稳定性，加强其整体性能［7］。

（1）FF 总线控制系统

FF 总线分布式控制系统是一种新型的分散式现场总线控制系统，合理利用传统硬件接线方式，实时监控现场设备实际应用情况。 同时，能通过现场总线方式控制智能设备，适用于中大型工业生产控制方面，能加强逻辑控制功能，从而满足各行业控制要求。 因为在隔离变送器输入的信号中，包含了可以一路与IF 模组连接的信号，并与分布式控制站实现转换为FF 总线信号后的联结，形成FF现场总线完整的分布式控制系统。 操作员站则主要应用于人机交互，便于工作人员随时调整系统的控制方式，提高工作的针对性和合理性，以直观的流程界面监控为基础。 另外，数据服务器在系统中具备日记记录、历史资料储存等功能，该自动控制联锁系统主要包括液位、设定、流量等方面内容，能自动控制化工生产过程，当实际液位低于设定液位时，分布式液位控制器会自动触发报警信号，关闭液位调节制动阀联锁系统；当液位超过设定液位时，分布式控制系统终端会触发信号，关闭开关触点，停止整个设备运行。

（2）EPA 现场总线控制系统

在设计EPA 现场总线控制系统时，要将对应技术应用到现场总线控制方面。 而EPA 作为现代最先进的控制技术，在工业现场设备控制中应用最为频繁，可以有效地做到以太网标准的开放性和即时性，EPA 能将多样化IT技术应用到各行业控制系统中。 分布式控制系统利用塔底自动控制系统能控制t1205 液位，一旦塔底无法保证t1205 液位的稳定性，很容易给整个后塔进料需求量带来严重影响；相反，如果工作人员不能定期提高后塔进料需求量的稳定性，会影响到t1205 液位的稳定。 而在传统产品生产过程中，由于工作人员在生产时并未对产品进行系统性分析，从而导致很多能源和原料出现浪费问题，对社会经济和经济效益都造成严重影响。 EPA 现场总线控制系统能充分发挥以太网优势，如稳定性强、标准高、效率高等特征，合理调整UDP／IP 协议，打造工作实时监控的健全标准。 此外，由于部分信号与EPA 总线在隔离变送器输出信号中互相连接，并直接传送到分布式控制站，可以建立合理的EPA 现场总线控制系统目标。 通过上述设计，能帮助工作人员融合分布式控制系统和现场总线技术，增加系统整体性能，实时监控整个工业生产环节，控制现场操作人员的生产流程［8］。

5 结语

综上所述，为了得到预期设计效果，要合理控制各种工业生产过程数据，如温度、压力、液位、流量、压力等参数，充分发挥分布式控制系统作用，体现出现场总线技术价值。 因此，本文以现场总线技术为核心，优化分布式控制系统结构，将软件和硬件相互结合，满足工作人员真实模拟仿真要求。