一種分布式控制系統的設計與應用

關鍵字:DCS, Experion TM PKS,過程控制

1 引言

　　當今工業自動化給工業生產帶來了巨大變革,提高產品質量、發展產品品種、提高勞動生產率、節能降耗、控制環境污染、改善勞動條件、保證生產安全可靠等一系列問題都提到議事日程上來,并且依賴計算機控制技術來實現。計算機控制技術也由于工業生產的迫切需要取得了突飛猛進的發展,其發展過程經歷了直接數字控制、集中計算機控制、分層控制系統三個階段。

　　隨著計算機技術、控制技術、通信技術、CRT技術等的發展以及工業生產對計算機控制水平要求的提高,管理的集中性與控制的分散性這一實際需要推動了集散計算機控制系統（DCS）的發展。集散控制系統（DCS）又名分布式計算機控制系統,是利用計算機技術對生產過程進行集中監測、操作、管理和分散控制的一種新型控制技術。是由計算機技術、信號處理技術、測量控制技術、通訊網絡技術、CRT技術、圖形顯示技術及人機接口技術相互滲透發展而產生的。

2 DCS介紹

　　DCS是采用標準化、模塊化和系列化的設計,由過程控制級、控制管理級和生產管理級組成的一個以通訊網絡為紐帶的集中顯示而操作管理、控制相對分散、配置靈活、組態方便、具有高可靠性的實用系統。DCS的結構是一個分布式、分支樹狀結構。按系統結構進行垂直分解,它分為過程控制級和控制管理級,各級既相互獨立又相互聯系,每一級又可水平分解成若干子集。從功能分散看,縱向分散意味著不同級的不同功能,如實時控制、實時監視、生產過程管理等,橫向分則意味著同級設備具有類似功能。

　　DCS既不同于分散的儀表控制,又不同于集中式計算機控制系統,而是克服了二者的缺陷并集中了二者的優勢。它具有通用性強、系統組態靈活、控制功能完善、數據處理方便、顯示操作集中、人機界面友好、安裝簡單規范化、調試方便、運行安全可靠的特點,適用于石油、化工、冶金、輕工、造紙等各種生產過程,能提高生產自動化水平和管理水平,提高產品質量,降低能源消耗和原材料消耗,提高勞動生產率,保證生產的安全,促進工業技術發展,創造最佳的經濟效益和社會效益。 受信息技術發展的影響,以及用戶對先進的控制功能與管理功能需求的增加,各DCS廠商紛紛提升DCS系統的技術水平,并不斷地豐富其內容。當前,以Honeywell 公司推出的Experion PKS、Emerson 公司的PlantWeb 、Foxboro公司的A2、橫河公司的R3（PRM-工廠資源管理系統）和ABB公司的 Industrial IT 系統為標志的新一代DCS 已經形成。

3 系統拓撲結構與分層的系統網絡模型

　　Experion TM PKS分布式控制系統是美國Honeywell公司設計開發的居于世界領先地位的DCS系統,我們這套粉煤氣化自動控制系統,采用Experion TM PKS來實現,其主要功能是對過程數據的高性能采集、控制和監視。

　　系統的DCS 拓撲結構如圖1所示。

圖1 DCS 拓撲結構

　　系統的結構采用冗余服務器、冗余控制網絡以及冗余電源的模式,其中包括2 臺工程師站、4 臺操作員站、C200 過程控制器和過程I/O 接口。工程師站主要用來實現對系統的配置與組態,同時作為系統的數據服務器實現對過程數據的保存以及存檔。操作員站是最重要的人機交互界面,主要用于對生產現場的監視和管理。其中一臺工程師站兼做操作員站使用。

　　C200 控制器由機架、電源、控制器處理模件（CPM）、ControlNet 接口,冗余模件和I/O 連接模件所組成,完成對過程的控制、與過程I/O 接口的通信,通過監控網絡將數據傳送到服務器等功能。

　　過程I/O 接口主要包括接線端子、輸入/輸出（I/O）卡件和連接電纜等,主要實現對數據的采集、處理和工程單位的變換。

　　Experion TM PKS 系統的網絡由上到下分為信息網絡、監控網絡和I/O 網絡三個層次,各層的功能和特性如表1所示。

　　信息網絡層用于操作員站與工程師站的通訊;監控網絡層實現C200 控制器與服務器的互連;I/O網絡層實現C200 控制器與PM I/O 模件的通訊以及PMI/O 模件與現場接線端子FTA 的聯系。

　　表1 EPKS系統的網絡分層模型

4 系統實現要點

　　4.1 監控網絡的連接

　　通過控制網絡T 型接頭實現從C200 控制器的控制通信模塊和兩臺服務器的連接。對于冗余網絡配置,每臺服務器采用2 個T 型頭,分別稱為A 口和B口,T 型頭一端通過接插件與同軸電纜相連,一頭安裝控制網絡終端電阻。控制通訊模塊采用2 個T 型頭,分為T 型頭A 和T 型頭B,分別與兩臺服務器相連。

　　4.2 I/O網絡的連接

　　采用專用PM I/O電纜實現從控制器上IOLINK 模塊到文件卡板箱的連接,采用專用電纜實現從文件卡板箱到FTA 模塊的連接。

　　4.3 信息網絡

　　信息網絡采用的是以太網協議,因此需要設置網卡的IP 地址。每臺工程師站（服務器A 和服務器B）和操作員站都配置兩塊網卡,采用冗余網絡的IP 地址設置如下:

　　名稱 IP地址 子網掩碼

　　服務器A 192.168.1.1 255.255.255.0

　　服務器B 192.168.1.10 255.255.255.0

　　1#操作員站 192.168.1.100 255.255.255.0

　　2#操作員站 192.168.1.101 255.255.255.0

　　3#操作員站 192.168.1.102 255.255.255.0

　　4.4 監控網絡

　　監控網絡主要設備包括控制網絡通信模件、兩臺工程師站上的PCIC卡,系統通過設備的MAC地址識別各個模塊,具體規定如下:

　　設備名稱 地址

　　控制網絡通訊模件 1

　　PCIC卡（服務器A） 23

　　PCIC卡（服務器B） 24

　　4.5 I/O 網絡

　　I/O網絡主要靠文件卡板箱上的文件號以及卡件號識別。兩個文件卡板箱的文件號分別為1和2,設置方法是在文件卡板箱的底部,利用跳線設置。卡件號分別對應于文件卡板箱上的編號。

　　本系統I/O 子系統采用了具備最高可用性及魯棒性的過程管理站I/O（PMIO）。PMIO 包含I/O 模件以及對應的FTA 端子板,采用與現場一體化供電的方式,方便了安裝與維護,同時所有I/O模件具有開路/短路檢測功能并均可帶電插拔,且具有輸出保持。

　　系統I/O 模件的主要功能是進行信號調理及A/D、D/A 轉換、并完成包括線性化、工程單位轉換在內的各種數據預處理,同時可對信號進行數字濾波。I/O 模件的參數設置均由組態軟件完成,不必開關跳線及電位器進行調整。每個I/O模件的掃描周期可根據需要分別進行設置。I/O 模件具有自診斷和內部工作溫度監測報警功能,所有I/O模件均可設置故障安全值（數據保持/預設值/最大或最小值）,一旦模件故障或通訊出錯,輸入輸出結果即可切換到事先組態好的安全值。

　　FTA端子板是為了便于現場接線而采用的智能模塊結構。根據信號的不同,每塊FTA 板可以提供16 路或32路接線端子。

　　在連接文件卡板箱和FTA模塊時,要注意兩者位號一致,防止接錯。對于大多FTA 模塊可以通過標準專用電纜直接與文件卡板箱進行連接,低電平模擬輸入信號是一個特例。低電平模擬輸入信號FTA需要經過低電平輸入配電器與文件卡板箱相連,每個低階輸入配電器可以帶2 塊低電平輸入模塊,這2 個模塊需要通過跳線設置低16 位以及高16 位。

　　4.6 組態

　　本系統提供的組態軟件包括系統組態、過程控制組態、畫面組態、報表組態,用戶的方案及顯示方式由它來解釋生成DCS內部可理解的目標數據。使用組態軟件可以生成相應的實用系統,便于靈活更改與擴充。

　　本系統組態方面采用了先進的項目樹風格。這種技術采用搭積木的方式組態,使用簡單方便,各種信息一目了然。

5 小結

　　在本系統中,大多數網絡（過程I/O 與現場設備采用單連接）采用可靠性高的雙冗余結構,這可以保證在任何一條網絡失效的情況下不影響系統通訊,大大提高了系統的可靠性。

　　由于信息網絡采用的是標準以太網的結構,因此網絡通過交換機將工程師站和操作員站連接起來,連接的方法采用標準以太網的連接方法。由于采用冗余網絡的配置,兩個網絡通路應該相互獨立,不能有交叉。

　　這套系統投入運行一年多以來,經過各種復雜環境下的檢驗,實踐證明不管是工藝還是儀表維護效果都很好,完全達到預期的設計目標。

本文作者創新點

　　采用DCS的優越性可歸納如下:

　　自主性:系統上各工作站是通過網絡接口連接起來的,各工作站獨立自主地完成自己的任務,且各站的容量可擴充,配套軟件隨時可組態加載,是一個能獨立運行的高可靠性子系統。

　　協調性:實時高可靠的工業控制局部網絡使整個系統信號共享,各站之間從總體功能及優化處理方面具有充分的協調性。

　　在線性與實時性:通過人機接口和I/O接口,對過程對象的數據進行實時采集、分析、記錄、監視、操作控制,可進行系統結構、組態回路的在線修改、局部故障的在線維修。

　　高可靠性:高可靠性是DCS的生命力所在。從結構上采用容錯設計,使得在任一個單元失效的情況下,仍然保持系統的完整性,即使全局性通信或管理失效,局部站仍能維持工作。從硬件上包括操作站、控制站、通訊鏈路都采用雙重化配置。從軟件上采用了分段與模塊化設計,積木式結構,采用程序卷回或指令復執的容錯設計。

　　適應性、靈活性和可擴充性: 硬件和軟件采用了開放式、標準化設計,系統積木式結構,具有靈活的配置,可適應不同用戶的需要。若工廠改變生產工藝、生產流程時只需改變系統配置和控制方案,相應使用組態軟件填一些表格即可實現。

　　友好性: DCS軟件面向工業控制技術人員、工藝技術人員和生產操作人員,采用實用而簡捷的人機會話系統,CRT高分辨率交互圖形顯示,復合窗口技術,畫面豐富,縱觀、控制、調整、趨勢、流程圖、回路一覽、批量控制、計量報表、操作指導畫面、菜單功能等均具有實時性。平面密封式薄膜操作鍵盤、觸摸式屏幕、鼠標器、跟蹤球等操作器更便于操作。

參考文獻

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