化工生產(chǎn)中DCS控制系統(tǒng)的應(yīng)用

　　DCS通常采用分級(jí)遞階結(jié)構(gòu)，每一級(jí)由若干子系統(tǒng)組成，每一個(gè)子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)若干特定的有限目標(biāo)，形成金字塔結(jié)構(gòu)。

　　可靠性是DCS發(fā)展的生命，要保證DCS的高可靠性主要有三種措施：一是廣泛應(yīng)用高可靠性的硬件設(shè)備和生產(chǎn)工藝；二是廣泛采用冗余技術(shù)；三是在軟件設(shè)計(jì)上廣泛實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的容錯(cuò)技術(shù)、故障自診斷和自動(dòng)處理技術(shù)等。當(dāng)今大多數(shù)集散控制系統(tǒng)的MTBF可達(dá)幾萬甚至幾十萬小時(shí)。

　　DCS的硬件體系結(jié)構(gòu)

　　考察DCS的層次結(jié)構(gòu)，DCS級(jí)和控制管理級(jí)是組成DCS的兩個(gè)最基本的環(huán)節(jié)。

　　過程控制級(jí)具體實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的輸入、變換、運(yùn)算和輸出等分散控制功能。在不同的DCS中，過程控制級(jí)的控制裝置各不相同，如過程控制單元、現(xiàn)場控制站、過程接口單元等等，但它們的結(jié)構(gòu)形式大致相同，可以統(tǒng)稱為現(xiàn)場控制單元FCU。過程管理級(jí)由工程師站、操作員站、管理計(jì)算機(jī)等組成，完成對(duì)過程控制級(jí)的集中監(jiān)視和管理，通常稱為操作站。DCS的硬件和軟件，都是按模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的，所以DCS的開發(fā)實(shí)際上就是將系統(tǒng)提供的各種基本模塊按實(shí)際的需要組合成為一個(gè)系統(tǒng)，這個(gè)過程稱為系統(tǒng)的組態(tài)。

　?。?）現(xiàn)場控制單元

　　現(xiàn)場控制單元一般遠(yuǎn)離控制中心，安裝在靠近現(xiàn)場的地方，其高度模塊化結(jié)構(gòu)可以根據(jù)過程監(jiān)測和控制的需要配置成由幾個(gè)監(jiān)控點(diǎn)到數(shù)百個(gè)監(jiān)控點(diǎn)的規(guī)模不等的過程控制單元。

　　現(xiàn)場控制單元的結(jié)構(gòu)是由許多功能分散的插板（或稱卡件）按照一定的邏輯或物理順序安裝在插板箱中，各現(xiàn)場控制單元及其與控制管理級(jí)之間采用總線連接，以實(shí)現(xiàn)信息交互。

　　現(xiàn)場控制單元的硬件配置需要完成以下內(nèi)容：

　　插件的配置 根據(jù)系統(tǒng)的要求和控制規(guī)模配置主機(jī)插件（CPU插件）、電源插件、I/O插件、通信插件等硬件設(shè)備；

　　硬件冗余配置 對(duì)關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行冗余配置是提高DCS可靠性的一個(gè)重要手段，DCS通?？梢詫?duì)主機(jī)插件、電源插件、通信插件和網(wǎng)絡(luò)、關(guān)鍵I/O插件都可以實(shí)現(xiàn)冗余配置。

　　硬件安裝 不同的DCS，對(duì)于各種插件在插件箱中的安裝，會(huì)在邏輯順序或物理順序上有相應(yīng)的規(guī)定。另外，現(xiàn)場控制單元通常分為基本型和擴(kuò)展型兩種，所謂基本型就是各種插件安裝在一個(gè)插件箱中，但更多的時(shí)候時(shí)需要可擴(kuò)展的結(jié)構(gòu)形式，即一個(gè)現(xiàn)場控制單元還包括若干數(shù)字輸入/輸出擴(kuò)展單元，相互間采用總線連成一體。

　　就本質(zhì)而言，現(xiàn)場控制單元的結(jié)構(gòu)形式和配置要求與模塊化PLC的硬件配置是一致的。

　?。?）操作站

　　操作站用來顯示并記錄來自各控制單元的過程數(shù)據(jù)，是人與生產(chǎn)過程信息交互的操作接口。典型的操作站包括主機(jī)系統(tǒng)、顯示設(shè)備、鍵盤輸入設(shè)備、信息存儲(chǔ)設(shè)備和打印輸出設(shè)備等，主要實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的顯示功能（如模擬參數(shù)顯示、系統(tǒng)狀態(tài)顯示、多種畫面顯示等等）、報(bào)警功能、操作功能、報(bào)表打印功能、組態(tài)和編程功能等等。

　　另外，DCS操作站還分為操作員站和工程師站。從系統(tǒng)功能上看，前者主要實(shí)現(xiàn)一般的生產(chǎn)操作和監(jiān)控任務(wù)，具有數(shù)據(jù)采集和處理、監(jiān)控畫面顯示、故障診斷和報(bào)警等功能。后者除了具有操作員站的一般功能以外，還應(yīng)具備系統(tǒng)的組態(tài)、控制目標(biāo)的修改等功能。從硬件設(shè)備上看，多數(shù)系統(tǒng)的工程師站和操作員站合在一起，僅用一個(gè)工程師鍵盤加以區(qū)分。

　　DCS屬于第四代的工業(yè)控制系統(tǒng)，是英文Distributed Control System的縮寫，意為分布式控制系統(tǒng)，也稱為集散式控制系統(tǒng)。DCS是一種多級(jí)控制的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其技術(shù)構(gòu)成包括了計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、顯示與控制技術(shù);系統(tǒng)構(gòu)成分為過程控制級(jí)與過程監(jiān)控級(jí)。

　　DCS是在上世紀(jì)70年代產(chǎn)生并發(fā)展起來的，一經(jīng)問世便引起了工業(yè)控制領(lǐng)域的重大關(guān)注，受到了高度的評(píng)價(jià)，迄今為止已經(jīng)在全世界的工業(yè)控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。本文所要闡述的便是DCS控制系統(tǒng)在化工領(lǐng)域中的應(yīng)用

　　一、DCS控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)

　　DCS控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的組成：

　　DCS從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上來說，分為過程級(jí)、操作級(jí)與管理級(jí)。

　　過程級(jí)是DCS控制系統(tǒng)控制功能的主要實(shí)施部分，包括了過程控制站、I/O單元以及各種現(xiàn)場儀表;操作級(jí)負(fù)責(zé)完成系統(tǒng)的操作與組態(tài)，包括了操作員站與工程師站;管理級(jí)是綜合管理系統(tǒng)，是DCS的一種高層次的應(yīng)用，是從企業(yè)生產(chǎn)控制到信息管理的綜合系統(tǒng)。目前來說，在一般的工業(yè)應(yīng)用中，主要是由過程級(jí)與操作級(jí)組成，具備管理級(jí)的DCS控制系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中還是比較少的，尤其是在一些規(guī)模處于中小等級(jí)的企業(yè)中，涉及管理級(jí)的更為少見。

　　過程級(jí)：負(fù)責(zé)DCS控制系統(tǒng)的功能實(shí)施，過程控制站完成DCS的控制決策，是系統(tǒng)的執(zhí)行單元，由一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成，包括了電源、中央處理器、網(wǎng)絡(luò)接口以及輸入輸出模塊等。

　　操作級(jí)：包括了操作員站與工程師站。操作員站的功能是處理一切與系統(tǒng)運(yùn)行操作有關(guān)的人機(jī)界面;工程師站負(fù)責(zé)對(duì)DCS系統(tǒng)進(jìn)行離線配置、組態(tài)以及在線監(jiān)督、控制、維護(hù)工作，對(duì)于系統(tǒng)的配置以及參數(shù)的設(shè)定，系統(tǒng)工程師都是通過工程師站來進(jìn)行。

　　DCS控制系統(tǒng)的特點(diǎn)：

　　DCS是一種分布式控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)體現(xiàn)的是分散控制、集中操作及分組管理的基基本思想。DCS控制系統(tǒng)配置靈活、組態(tài)方便，具體特點(diǎn)如下：

　　1具有可靠性高的特點(diǎn)

　　DCS控制系統(tǒng)將控制功能分散在了各個(gè)計(jì)算機(jī)上來實(shí)現(xiàn)，每臺(tái)計(jì)算機(jī)承擔(dān)單一的系統(tǒng)任務(wù)，這樣，當(dāng)系統(tǒng)的任一計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障后，不會(huì)對(duì)系統(tǒng)其它計(jì)算機(jī)構(gòu)成重大影響，而且這種結(jié)構(gòu)模式可以針對(duì)系統(tǒng)需求采用專用計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)功能要求，使系統(tǒng)中計(jì)算機(jī)的性能得到了較大的提升，提高了系統(tǒng)可靠性。

　　2開放的系統(tǒng)特性

　　DCS控制系統(tǒng)采用了標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)中的獨(dú)立計(jì)算機(jī)通過工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通訊。標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的設(shè)計(jì)使得系統(tǒng)具備了開放特性，各個(gè)子系統(tǒng)可以方便的接入控制系統(tǒng)，也可以隨時(shí)從系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中卸載退出，不會(huì)對(duì)其它子系統(tǒng)或是計(jì)算機(jī)造成影響，使系統(tǒng)在進(jìn)行功能擴(kuò)充與調(diào)整時(shí)十分方便。

　　3系統(tǒng)維護(hù)簡單方便

　　DCS控制系統(tǒng)由功能單一的小型或是微型計(jì)算機(jī)組成，各個(gè)計(jì)算機(jī)間相互獨(dú)立，局部故障不影響其它計(jì)算機(jī)的功能，可以在不影響系統(tǒng)運(yùn)行的條件下進(jìn)行故障點(diǎn)故障的檢測與排除，具有維護(hù)簡單、方便的特點(diǎn)。

　　4DCS控制系統(tǒng)組成靈活、功能齊全

　　DCS控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)、順序控制，可實(shí)現(xiàn)串級(jí)、前饋、解耦、自適應(yīng)以及預(yù)測控制，其系統(tǒng)組成方式十分靈活，可以由管理站、操作員站、工程師站、現(xiàn)場控制站等組成，也可以服務(wù)器、可編程控制器等組成。過程級(jí)通常是由現(xiàn)場控制站、數(shù)據(jù)采集站來執(zhí)行現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集，并通過通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)讲僮骷?jí)計(jì)算機(jī)。操作級(jí)實(shí)現(xiàn)對(duì)過程數(shù)據(jù)的集中操作，包括數(shù)據(jù)的優(yōu)化、統(tǒng)計(jì)，故障的診斷、顯示、報(bào)警等。在具備管理級(jí)的系統(tǒng)中，DCS還可以根據(jù)企業(yè)整體管理需求實(shí)現(xiàn)與更高級(jí)別管理系統(tǒng)的連接，實(shí)現(xiàn)企業(yè)其它管理功能的集中管理與操作。

　　二、化工企業(yè)DCS控制系統(tǒng)的選型

　　化工企業(yè)選型DCS控制系統(tǒng)首先應(yīng)考慮的問題

　　1項(xiàng)目規(guī)模與性質(zhì)

　　DCS控制系統(tǒng)的選型首先應(yīng)該考慮的就是項(xiàng)目的規(guī)模與性質(zhì)，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)根據(jù)項(xiàng)目的規(guī)?？煞譃榇笮晚?xiàng)目與中小型項(xiàng)目，根據(jù)項(xiàng)目性質(zhì)可分為新建項(xiàng)目與改擴(kuò)建項(xiàng)目。

　　對(duì)于大型項(xiàng)目，無論是新建或是改擴(kuò)建，均應(yīng)考慮建立獨(dú)立的DCS網(wǎng)絡(luò)，改擴(kuò)建項(xiàng)目應(yīng)考慮到與原有DCS網(wǎng)絡(luò)的接口以及后續(xù)的系統(tǒng)擴(kuò)充問題;對(duì)于中小型項(xiàng)目，應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況，以原有的DCS控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)為主，將數(shù)據(jù)集成于其中。

　　2項(xiàng)目總體規(guī)劃要求

　　企業(yè)DCS控制系統(tǒng)在建立之初，均要對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行總體的規(guī)劃，主要的規(guī)劃內(nèi)容是要對(duì)企業(yè)的生產(chǎn)運(yùn)行進(jìn)行系統(tǒng)控制還是要集成自動(dòng)控制與信息管理系統(tǒng)。對(duì)企業(yè)的生產(chǎn)運(yùn)行進(jìn)行系統(tǒng)控制，通常不會(huì)涉及到管理級(jí)，建立一套具備過程級(jí)及操作級(jí)的控制系統(tǒng)，基本可以滿足企業(yè)的需求;而要實(shí)現(xiàn)企業(yè)數(shù)據(jù)信息集成與企業(yè)資源管理系統(tǒng)的優(yōu)化，則要建立的是集成自動(dòng)控制與企業(yè)信息管理的系統(tǒng)，使企業(yè)生產(chǎn)與管理實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化，這樣的系統(tǒng)通常要具備三層的結(jié)構(gòu)，包括了企業(yè)資源計(jì)劃、生產(chǎn)運(yùn)行管理與過程控制。

　　3技術(shù)的先進(jìn)性與適用性

　　技術(shù)的先進(jìn)性與適用性是DCS控制系統(tǒng)選型的重要條件之一。先進(jìn)性要求系統(tǒng)的技術(shù)選擇要緊跟DCS技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)，具備在一定時(shí)間范圍內(nèi)技術(shù)的先進(jìn)，避免系統(tǒng)在使用周期上造成損失;技術(shù)用適用性要求系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要具有針對(duì)性，要針對(duì)企業(yè)的實(shí)際情況與特點(diǎn)來進(jìn)行設(shè)計(jì)，以達(dá)到符合企業(yè)需求的目的，即要求系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在達(dá)到技術(shù)先進(jìn)的同時(shí)要確保合理性與適用性。

　　三、DCS控制系統(tǒng)選型建議

　　基于上述化工企業(yè)在DCS控制系統(tǒng)選型上需考慮的問題，建議選用基于工業(yè)以太網(wǎng)的開放式DCS控制系統(tǒng)，以滿足企業(yè)信息管理系統(tǒng)對(duì)于企業(yè)整體管理的需求，并為后續(xù)DCS控制系統(tǒng)的進(jìn)一步拓展提供基礎(chǔ)與空間;考慮到現(xiàn)場總線技術(shù)仍處于發(fā)展與完善階段，在DCS系統(tǒng)中尚不能全部使用FF總線儀表，因此，系統(tǒng)可采用現(xiàn)場總線結(jié)合常規(guī)智能儀表混合。

　　DCS控制系統(tǒng)的常見故障與日常維護(hù)：

　　DCS是一種結(jié)合了多種技術(shù)的復(fù)雜控制系統(tǒng)，在實(shí)際的應(yīng)用中，系統(tǒng)出現(xiàn)故障是在所難免的。在過往經(jīng)驗(yàn)來說，DCS控制系統(tǒng)的常見故障有如下幾種：

　　1電源故障

　　電源故障是DCS控制系統(tǒng)中較易出現(xiàn)的問題，故障原因也比較多，保險(xiǎn)配置不合理、保護(hù)誤動(dòng)作或是備用電源沒有自投等都有可能造成電源故障。電源故障雖然比較多，但處理起來也比較簡單，故障原因也比較容易查找。對(duì)于電源故障的預(yù)防措施，主要是對(duì)保險(xiǎn)配置的容量要仿真核對(duì)，選擇匹配的保險(xiǎn)容量，讓保險(xiǎn)起到應(yīng)起的作用;UPS的配備對(duì)于系統(tǒng)的正常供電是十分重要的，在配備時(shí)應(yīng)充分考慮到冗余與備用的問題。

　　2干擾故障

　　DCS控制系統(tǒng)的干擾故障通常就是系統(tǒng)的接地問題，干擾源一般有大功率的通信設(shè)備，以及大功率設(shè)備的啟停等。對(duì)于干擾問題，要嚴(yán)格執(zhí)行屏蔽與接地要求，系統(tǒng)的信號(hào)線要遠(yuǎn)離干擾源，以防止干擾信號(hào)串入系統(tǒng)，在電子設(shè)備間、工程師站等重點(diǎn)部位應(yīng)避免使用大功率的無線通訊設(shè)備。

　　3I/O卡故障

　　I/O卡故障通常是在系統(tǒng)調(diào)試階段較多發(fā)生，在系統(tǒng)投入運(yùn)行后較少發(fā)生。目前很多I/O卡件的生產(chǎn)企業(yè)都在進(jìn)行卡件的一體化制造，因此，對(duì)于此類故障的處理，通過系統(tǒng)診斷后，一般是更換備件來處理。I/O卡件的故障原因不易判斷，檢修一般是由廠家來進(jìn)行。

　　DCS控制具備的高可靠性、開放性以及組態(tài)、維護(hù)方便等特點(diǎn)，使其在各種工業(yè)領(lǐng)域得到很多的應(yīng)用。在化工企業(yè)，DCS控制系統(tǒng)的應(yīng)用已經(jīng)較為成熟完善，只要合理的進(jìn)行DCS控制系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)，就可以充分發(fā)揮DCS控制系統(tǒng)的先進(jìn)性與優(yōu)越性，提高企業(yè)的自動(dòng)化生產(chǎn)水平。