現(xiàn)場總線冗余技術(shù)的DCS控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　DCS在控制上的最大特點(diǎn)是依靠各種控制、運(yùn)算模塊的靈活組態(tài)，可實(shí)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(shí)現(xiàn)起來相當(dāng)繁瑣與復(fù)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(jīng)典控制理論為基礎(chǔ)的控制方案已經(jīng)不能適應(yīng)，以多變量預(yù)測控制為代表的先進(jìn)控制策略的提出和成功應(yīng)用之后，先進(jìn)過程控制受到了過程工業(yè)界的普遍關(guān)注。需要強(qiáng)調(diào)的是，廣泛應(yīng)用各種先進(jìn)控制與優(yōu)化技術(shù)是挖掘并提升DCS綜合性能最有效、最直接、也是最具價(jià)值的發(fā)展方向。

　　在實(shí)際過程控制系統(tǒng)中，基于PID控制技術(shù)的系統(tǒng)占80%以上，PID回路運(yùn)用優(yōu)劣在實(shí)現(xiàn)裝置平穩(wěn)、高效、優(yōu)質(zhì)運(yùn)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(chǔ)上，可以開發(fā)各種改進(jìn)算法，以滿足實(shí)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(yù)測控制算法是通過預(yù)測模型預(yù)估系統(tǒng)的未來輸出的狀態(tài)，采用滾動(dòng)優(yōu)化策略計(jì)算當(dāng)前控制器的輸出。根據(jù)實(shí)施方案的不同，有各種算法，例如，內(nèi)模控制、模型算法控制、動(dòng)態(tài)矩陣控制等。目前，實(shí)用預(yù)測控制算法已引入DCS，例如IDCOM控制算法軟件包已廣泛應(yīng)用于加氫裂化、催化裂化、常壓蒸餾、石腦油催化重整等實(shí)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(yù)測控制器等等。這類預(yù)測控制器不是單純把卡爾曼濾波器置于以往預(yù)測控制之前進(jìn)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(shí)進(jìn)行最優(yōu)狀態(tài)推測和噪聲濾波。

　　先進(jìn)控制算法還有很多。目前，國內(nèi)、外許多控制軟件公司和DCS廠商都在競相開發(fā)先進(jìn)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(jìn)控制和優(yōu)化控制策略。

　　隨著時(shí)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(dòng)化公司開發(fā)出更為復(fù)雜的多層結(jié)構(gòu)的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)。其中，工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)是工業(yè)企業(yè)網(wǎng)的重要組成部分，也是工業(yè)企業(yè)網(wǎng)中不可或缺的一部分。

　　1.1 現(xiàn)場總線的概念

　　根據(jù)國際電工委員會(huì)IEC61158標(biāo)準(zhǔn)的定義，現(xiàn)場總線是指應(yīng)用在制造過程區(qū)域現(xiàn)場裝置和控制室內(nèi)自動(dòng)控制裝置之間的包括數(shù)字式、多點(diǎn)、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(diǎn)通信的底層通信網(wǎng)絡(luò)。以現(xiàn)場總線為技術(shù)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(jì)80年代末發(fā)展起來的新型網(wǎng)絡(luò)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(dòng)信號(hào)控制系統(tǒng)PCS，第二代為4~20mA等電動(dòng)模擬信號(hào)控制系統(tǒng)，第三代為數(shù)字計(jì)算機(jī)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(shù)

　　現(xiàn)場總線技術(shù)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(jì)算和數(shù)字通信能力，成為能獨(dú)立承擔(dān)某些控制、通信任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。它們通過普通雙絞線、光纖、同軸電纜等多種途徑進(jìn)行信息傳輸，這樣就能夠形成以多個(gè)測量控制儀表、計(jì)算機(jī)等作為節(jié)點(diǎn)連接成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)按照規(guī)范和公開的通信協(xié)議，在位于生產(chǎn)現(xiàn)場的多個(gè)微機(jī)化自控設(shè)備之間，以及現(xiàn)場儀表與用作管理、監(jiān)控的遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)之間，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與信息共享，進(jìn)一步構(gòu)成了各種適應(yīng)實(shí)際需要的自動(dòng)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(shù)包括了基金會(huì)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(shù)的特點(diǎn)

　　現(xiàn)場總線技術(shù)具有系統(tǒng)的開放性，互可操作性與互用性，現(xiàn)場設(shè)備的智能化與功能自治性，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性以及對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)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(shè)備之間也可以互聯(lián)并互相交換信息。一個(gè)開放系統(tǒng)可以與任何遵守相同標(biāo)準(zhǔn)的其他設(shè)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(yīng)廠商的產(chǎn)品自由組合。 除此之外，現(xiàn)場總線技術(shù)還具備以下優(yōu)點(diǎn)：節(jié)省硬件數(shù)量與投資，節(jié)省安裝費(fèi)用，節(jié)省維護(hù)開銷，用戶具有高度的系統(tǒng)集成主動(dòng)權(quán)以及提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與可靠性。

　　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(jì)70年代中期發(fā)展起來的分散型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，并且以微處理器為基礎(chǔ)，同時(shí)結(jié)合了控制技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和陰極射線管圖形顯示技術(shù)。該裝置是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對生產(chǎn)過程進(jìn)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(jì)算機(jī)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(jīng)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(diǎn)。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(jié)構(gòu)如圖三所示。

　　集散控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)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(jī)接口功能、自診斷功能以及冗余技術(shù)、

　　2.4 DCS系統(tǒng)的優(yōu)越性

　　運(yùn)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(gòu)成的DCS，具有的特點(diǎn)為：控制功能完善、完善的人-機(jī)聯(lián)系和集中監(jiān)控功能、系統(tǒng)擴(kuò)展靈活、安全可靠性高、安裝調(diào)試簡單以及具有良好的性能價(jià)格比。

　　3.1 現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展

　　現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展體現(xiàn)在兩個(gè)方面，一個(gè)是高速現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展，另外一個(gè)是低速現(xiàn)場總線領(lǐng)域的繼續(xù)完善和發(fā)展。 就現(xiàn)在而言，現(xiàn)場總線產(chǎn)品主要針對的是低速總線產(chǎn)品，用于運(yùn)行速率較低的領(lǐng)域，對網(wǎng)絡(luò)的性能要求不高。而高速現(xiàn)場總線主要應(yīng)用于互聯(lián)控制網(wǎng)、連接控制計(jì)算機(jī)、處理速度快的設(shè)備以及實(shí)現(xiàn)低速現(xiàn)場總線網(wǎng)間的連接，是充分實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的全分散控制結(jié)構(gòu)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(dòng)化系統(tǒng)與設(shè)備將向現(xiàn)場總線體系的結(jié)構(gòu)改變，并且向著趨于開放統(tǒng)一的方向發(fā)展。同時(shí)，在單獨(dú)的現(xiàn)場總線體系下不可能只容納單一的標(biāo)準(zhǔn)，加上商業(yè)利益的驅(qū)使，各種現(xiàn)場總線技術(shù)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(rèn)為，在將來的不久，集中總線標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備通過路由網(wǎng)關(guān)互聯(lián)并且會(huì)實(shí)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(shù)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(yīng)企業(yè)發(fā)展的需要。從硬件結(jié)構(gòu)上看，這一時(shí)期的DCS都在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上連接了系統(tǒng)管理模件，此外還增加了網(wǎng)間連接器。再之后，DCS把過程控制，監(jiān)督控制，管理調(diào)度更有機(jī)地結(jié)合了起來。其特點(diǎn)是綜合化、開放化和現(xiàn)場級(jí)的智能化。20世紀(jì)90年代以后，隨著通信技術(shù)、半導(dǎo)體集成技術(shù)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)。