現(xiàn)場總線冗余技術的DCS控制系統(tǒng)設計

　　DCS在控制上的最大特點是依靠各種控制、運算模塊的靈活組態(tài)，可實現(xiàn)多樣化的控制策略以滿足不同情況下的需要，使得在單元組合儀表實現(xiàn)起來相當繁瑣與復雜的命題變得簡單。隨著企業(yè)提出的高柔性、高效益的要求，以經典控制理論為基礎的控制方案已經不能適應，以多變量預測控制為代表的先進控制策略的提出和成功應用之后，先進過程控制受到了過程工業(yè)界的普遍關注。需要強調的是，廣泛應用各種先進控制與優(yōu)化技術是挖掘并提升DCS綜合性能最有效、最直接、也是最具價值的發(fā)展方向。

　　在實際過程控制系統(tǒng)中，基于PID控制技術的系統(tǒng)占80%以上，PID回路運用優(yōu)劣在實現(xiàn)裝置平穩(wěn)、高效、優(yōu)質運行中起到舉足輕重的作用，各DCS廠商都以此作為搶占市場的有力競爭砝碼，開發(fā)出各自的PID自整定軟件。另外，根據(jù)DCS的控制功能，在基本的PID算法基礎上，可以開發(fā)各種改進算法，以滿足實際工業(yè)控制現(xiàn)場的各種需要，諸如帶死區(qū)的PID控制、積分分離的PID控制、微分先行的PID控制、不完全微分的PID控制、具有邏輯選擇功能的PID控制等等。

　　與傳統(tǒng)的PID控制不同，基于非參數(shù)模型的預測控制算法是通過預測模型預估系統(tǒng)的未來輸出的狀態(tài)，采用滾動優(yōu)化策略計算當前控制器的輸出。根據(jù)實施方案的不同，有各種算法，例如，內?？刂?、模型算法控制、動態(tài)矩陣控制等。目前，實用預測控制算法已引入DCS，例如IDCOM控制算法軟件包已廣泛應用于加氫裂化、催化裂化、常壓蒸餾、石腦油催化重整等實際工業(yè)過程。此外，還有霍尼韋爾公司的HPC，橫河公司的PREDICTROL，山武霍尼韋爾公司在TDC-3000LCN系統(tǒng)中開發(fā)的基于卡爾曼濾波器的預測控制器等等。這類預測控制器不是單純把卡爾曼濾波器置于以往預測控制之前進行噪聲濾波，而是把卡爾曼濾波器作為最優(yōu)狀態(tài)推測器，同時進行最優(yōu)狀態(tài)推測和噪聲濾波。

　　先進控制算法還有很多。目前，國內、外許多控制軟件公司和DCS廠商都在競相開發(fā)先進控制和優(yōu)化控制的工程軟件包，希望在組態(tài)軟件中嵌入先進控制和優(yōu)化控制策略。

　　現(xiàn)場總線冗余技術的DCS控制系統(tǒng)設計

　　隨著時間的推移，人們對工業(yè)控制系統(tǒng)的要求越來越高，使得國際上許多著名的自動化公司開發(fā)出更為復雜的多層結構的工業(yè)控制網絡。其中，工業(yè)控制網絡是工業(yè)企業(yè)網的重要組成部分，也是工業(yè)企業(yè)網中不可或缺的一部分。

　　1 關于現(xiàn)場總線技術

　　1.1 現(xiàn)場總線的概念

　　根據(jù)國際電工委員會IEC61158標準的定義，現(xiàn)場總線是指應用在制造過程區(qū)域現(xiàn)場裝置和控制室內自動控制裝置之間的包括數(shù)字式、多點、串行通信的數(shù)據(jù)總線，即工業(yè)數(shù)據(jù)總線。是開放式、數(shù)字化、多點通信的底層通信網絡。以現(xiàn)場總線為技術核心的工業(yè)控制系統(tǒng)，稱為現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS（Fieldbus Control System），它是自20世紀80年代末發(fā)展起來的新型網絡集成式全分布控制系統(tǒng)。

　　其中，現(xiàn)場總線系統(tǒng)一般被稱為第五代控制系統(tǒng)。第一代控制系統(tǒng)為50年代前的氣動信號控制系統(tǒng)PCS，第二代為4~20mA等電動模擬信號控制系統(tǒng)，第三代為數(shù)字計算機集中式控制系統(tǒng)，第四代為70年代中期以來的集散式分布控制系統(tǒng)DCS。

　　1.2 現(xiàn)場總線技術

　　現(xiàn)場總線技術將專用的微處理器置入了傳統(tǒng)的測量控制儀表，使其各自都具有了多多少少的數(shù)字計算和數(shù)字通信能力，成為能獨立承擔某些控制、通信任務的網絡節(jié)點。它們通過普通雙絞線、光纖、同軸電纜等多種途徑進行信息傳輸，這樣就能夠形成以多個測量控制儀表、計算機等作為節(jié)點連接成的網絡系統(tǒng)。該網絡系統(tǒng)按照規(guī)范和公開的通信協(xié)議，在位于生產現(xiàn)場的多個微機化自控設備之間，以及現(xiàn)場儀表與用作管理、監(jiān)控的遠程計算機之間，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與信息共享，進一步構成了各種適應實際需要的自動控制系統(tǒng)。 如圖一所示，為一簡單的現(xiàn)場總線系統(tǒng)。

　　1.3 現(xiàn)場總線的分類

　　典型的現(xiàn)場總線技術包括了基金會現(xiàn)場總線FF（Foudation Fieldbus），LonWork現(xiàn)場總線，Profibu現(xiàn)場總線，CAN現(xiàn)場總線以及HART現(xiàn)場總線。

　　1.4 現(xiàn)場總線技術的特點

　　現(xiàn)場總線技術具有系統(tǒng)的開放性，互可操作性與互用性，現(xiàn)場設備的智能化與功能自治性，系統(tǒng)結構的高度分散性以及對現(xiàn)場環(huán)境的適應性等。 其中開放系統(tǒng)是指通信協(xié)議的公開，不同廠家的設備之間也可以互聯(lián)并互相交換信息。一個開放系統(tǒng)可以與任何遵守相同標準的其他設備、系統(tǒng)相連接。這樣用戶才可以按照自己的需要把來自不同供應廠商的產品自由組合。 除此之外，現(xiàn)場總線技術還具備以下優(yōu)點：節(jié)省硬件數(shù)量與投資，節(jié)省安裝費用，節(jié)省維護開銷，用戶具有高度的系統(tǒng)集成主動權以及提高了系統(tǒng)的準確性與可靠性。

　　2 關于DCS系統(tǒng)

　　2.1 DCS系統(tǒng)的概念

　　集散控制系統(tǒng)，英文為Total Distributed Control System，即為DCS系統(tǒng)。它是20世紀70年代中期發(fā)展起來的分散型計算機控制系統(tǒng)，并且以微處理器為基礎，同時結合了控制技術、通信技術、計算機技術、網絡技術和陰極射線管圖形顯示技術。該裝置是利用計算機技術對生產過程進行集中監(jiān)視、操作、管理和分散控制的一種全新的分布式計算機控制系統(tǒng)。 如圖二所示，為DCS系統(tǒng)。

　　2.2 DCS系統(tǒng)的組成

　　迄今為止，全世界已經開發(fā)各種類型的DCS系統(tǒng)千余種。雖然各具特色，但是它們在系統(tǒng)組成和控制功能等方面，都有共同的特點。集散控制系統(tǒng)基本上都由分散過程監(jiān)控裝置、集中操作管理裝置和通信系統(tǒng)三大部分組成。其結構如圖三所示。

　　集散控制系統(tǒng)的基本結構圖

　　2.3 DCS系統(tǒng)的基本功能

　　DCS系統(tǒng)雖然形式多樣，但是其具備的功能基本上是一樣的，包括：輸入處理功能、輸出處理功能、控制功能、通信功能、人-機接口功能、自診斷功能以及冗余技術、

　　2.4 DCS系統(tǒng)的優(yōu)越性

　　運用分散控制和集中顯示、集中操作、集中管理這一基本思想構成的DCS，具有的特點為：控制功能完善、完善的人-機聯(lián)系和集中監(jiān)控功能、系統(tǒng)擴展靈活、安全可靠性高、安裝調試簡單以及具有良好的性能價格比。

　　3 現(xiàn)場總線技術與DCS系統(tǒng)的聯(lián)系

　　3.1 現(xiàn)場總線技術的發(fā)展

　　現(xiàn)場總線技術的發(fā)展體現(xiàn)在兩個方面，一個是高速現(xiàn)場總線技術的發(fā)展，另外一個是低速現(xiàn)場總線領域的繼續(xù)完善和發(fā)展。 就現(xiàn)在而言，現(xiàn)場總線產品主要針對的是低速總線產品，用于運行速率較低的領域，對網絡的性能要求不高。而高速現(xiàn)場總線主要應用于互聯(lián)控制網、連接控制計算機、處理速度快的設備以及實現(xiàn)低速現(xiàn)場總線網間的連接，是充分實現(xiàn)系統(tǒng)的全分散控制結構所必須的。但是目前高速現(xiàn)場總線這一環(huán)節(jié)還相對薄弱。 總體來說，自動化系統(tǒng)與設備將向現(xiàn)場總線體系的結構改變，并且向著趨于開放統(tǒng)一的方向發(fā)展。同時，在單獨的現(xiàn)場總線體系下不可能只容納單一的標準，加上商業(yè)利益的驅使，各種現(xiàn)場總線技術都在十分激烈的市場競爭環(huán)境中求得發(fā)展。所以有理由認為，在將來的不久，集中總線標準的設備通過路由網關互聯(lián)并且會實現(xiàn)信息共享的局面。

　　3.2 DCS系統(tǒng)的發(fā)展

　　成熟期集散控制系統(tǒng)的研制工作，一方面是硬件和軟件技術的不斷更新，另一方面是開發(fā)高一層次的信息管理系統(tǒng)，以適應企業(yè)發(fā)展的需要。從硬件結構上看，這一時期的DCS都在網絡節(jié)點上連接了系統(tǒng)管理模件，此外還增加了網間連接器。再之后，DCS把過程控制，監(jiān)督控制，管理調度更有機地結合了起來。其特點是綜合化、開放化和現(xiàn)場級的智能化。20世紀90年代以后，隨著通信技術、半導體集成技術等的快速發(fā)展，以及人們對控制和管理要求的不斷提高，出現(xiàn)了新一代的DCS系統(tǒng)。