一种分布式控制系统的设计与应用

关键字:DCS, Experion TM PKS,过程控制

1 引言

　　当今工业自动化给工业生产带来了巨大变革,提高产品质量、发展产品品种、提高劳动生产率、节能降耗、控制环境污染、改善劳动条件、保证生产安全可靠等一系列问题都提到议事日程上来,并且依赖计算机控制技术来实现。计算机控制技术也由于工业生产的迫切需要取得了突飞猛进的发展,其发展过程经历了直接数字控制、集中计算机控制、分层控制系统三个阶段。

　　随着计算机技术、控制技术、通信技术、CRT技术等的发展以及工业生产对计算机控制水平要求的提高,管理的集中性与控制的分散性这一实际需要推动了集散计算机控制系统（DCS）的发展。集散控制系统（DCS）又名分布式计算机控制系统,是利用计算机技术对生产过程进行集中监测、操作、管理和分散控制的一种新型控制技术。是由计算机技术、信号处理技术、测量控制技术、通讯网络技术、CRT技术、图形显示技术及人机接口技术相互渗透发展而产生的。

2 DCS介绍

　　DCS是采用标准化、模块化和系列化的设计,由过程控制级、控制管理级和生产管理级组成的一个以通讯网络为纽带的集中显示而操作管理、控制相对分散、配置灵活、组态方便、具有高可靠性的实用系统。DCS的结构是一个分布式、分支树状结构。按系统结构进行垂直分解,它分为过程控制级和控制管理级,各级既相互独立又相互联系,每一级又可水平分解成若干子集。从功能分散看,纵向分散意味着不同级的不同功能,如实时控制、实时监视、生产过程管理等,横向分则意味着同级设备具有类似功能。

　　DCS既不同于分散的仪表控制,又不同于集中式计算机控制系统,而是克服了二者的缺陷并集中了二者的优势。它具有通用性强、系统组态灵活、控制功能完善、数据处理方便、显示操作集中、人机界面友好、安装简单规范化、调试方便、运行安全可靠的特点,适用于石油、化工、冶金、轻工、造纸等各种生产过程,能提高生产自动化水平和管理水平,提高产品质量,降低能源消耗和原材料消耗,提高劳动生产率,保证生产的安全,促进工业技术发展,创造最佳的经济效益和社会效益。 受信息技术发展的影响,以及用户对先进的控制功能与管理功能需求的增加,各DCS厂商纷纷提升DCS系统的技术水平,并不断地丰富其内容。当前,以Honeywell 公司推出的Experion PKS、Emerson 公司的PlantWeb 、Foxboro公司的A2、横河公司的R3（PRM-工厂资源管理系统）和ABB公司的 Industrial IT 系统为标志的新一代DCS 已经形成。

3 系统拓扑结构与分层的系统网络模型

　　Experion TM PKS分布式控制系统是美国Honeywell公司设计开发的居于世界领先地位的DCS系统,我们这套粉煤气化自动控制系统,采用Experion TM PKS来实现,其主要功能是对过程数据的高性能采集、控制和监视。

　　系统的DCS 拓扑结构如图1所示。

图1 DCS 拓扑结构

　　系统的结构采用冗余服务器、冗余控制网络以及冗余电源的模式,其中包括2 台工程师站、4 台操作员站、C200 过程控制器和过程I/O 接口。工程师站主要用来实现对系统的配置与组态,同时作为系统的数据服务器实现对过程数据的保存以及存档。操作员站是最重要的人机交互界面,主要用于对生产现场的监视和管理。其中一台工程师站兼做操作员站使用。

　　C200 控制器由机架、电源、控制器处理模件（CPM）、ControlNet 接口,冗余模件和I/O 连接模件所组成,完成对过程的控制、与过程I/O 接口的通信,通过监控网络将数据传送到服务器等功能。

　　过程I/O 接口主要包括接线端子、输入/输出（I/O）卡件和连接电缆等,主要实现对数据的采集、处理和工程单位的变换。

　　Experion TM PKS 系统的网络由上到下分为信息网络、监控网络和I/O 网络三个层次,各层的功能和特性如表1所示。

　　信息网络层用于操作员站与工程师站的通讯;监控网络层实现C200 控制器与服务器的互连;I/O网络层实现C200 控制器与PM I/O 模件的通讯以及PMI/O 模件与现场接线端子FTA 的联系。

　　表1 EPKS系统的网络分层模型

4 系统实现要点

　　4.1 监控网络的连接

　　通过控制网络T 型接头实现从C200 控制器的控制通信模块和两台服务器的连接。对于冗余网络配置,每台服务器采用2 个T 型头,分别称为A 口和B口,T 型头一端通过接插件与同轴电缆相连,一头安装控制网络终端电阻。控制通讯模块采用2 个T 型头,分为T 型头A 和T 型头B,分别与两台服务器相连。

　　4.2 I/O网络的连接

　　采用专用PM I/O电缆实现从控制器上IOLINK 模块到文件卡板箱的连接,采用专用电缆实现从文件卡板箱到FTA 模块的连接。

　　4.3 信息网络

　　信息网络采用的是以太网协议,因此需要设置网卡的IP 地址。每台工程师站（服务器A 和服务器B）和操作员站都配置两块网卡,采用冗余网络的IP 地址设置如下:

　　名称 IP地址 子网掩码

　　服务器A 192.168.1.1 255.255.255.0

　　服务器B 192.168.1.10 255.255.255.0

　　1#操作员站 192.168.1.100 255.255.255.0

　　2#操作员站 192.168.1.101 255.255.255.0

　　3#操作员站 192.168.1.102 255.255.255.0

　　4.4 监控网络

　　监控网络主要设备包括控制网络通信模件、两台工程师站上的PCIC卡,系统通过设备的MAC地址识别各个模块,具体规定如下:

　　设备名称 地址

　　控制网络通讯模件 1

　　PCIC卡（服务器A） 23

　　PCIC卡（服务器B） 24

　　4.5 I/O 网络

　　I/O网络主要靠文件卡板箱上的文件号以及卡件号识别。两个文件卡板箱的文件号分别为1和2,设置方法是在文件卡板箱的底部,利用跳线设置。卡件号分别对应于文件卡板箱上的编号。

　　本系统I/O 子系统采用了具备最高可用性及鲁棒性的过程管理站I/O（PMIO）。PMIO 包含I/O 模件以及对应的FTA 端子板,采用与现场一体化供电的方式,方便了安装与维护,同时所有I/O模件具有开路/短路检测功能并均可带电插拔,且具有输出保持。

　　系统I/O 模件的主要功能是进行信号调理及A/D、D/A 转换、并完成包括线性化、工程单位转换在内的各种数据预处理,同时可对信号进行数字滤波。I/O 模件的参数设置均由组态软件完成,不必开关跳线及电位器进行调整。每个I/O模件的扫描周期可根据需要分别进行设置。I/O 模件具有自诊断和内部工作温度监测报警功能,所有I/O模件均可设置故障安全值（数据保持/预设值/最大或最小值）,一旦模件故障或通讯出错,输入输出结果即可切换到事先组态好的安全值。

　　FTA端子板是为了便于现场接线而采用的智能模块结构。根据信号的不同,每块FTA 板可以提供16 路或32路接线端子。

　　在连接文件卡板箱和FTA模块时,要注意两者位号一致,防止接错。对于大多FTA 模块可以通过标准专用电缆直接与文件卡板箱进行连接,低电平模拟输入信号是一个特例。低电平模拟输入信号FTA需要经过低电平输入配电器与文件卡板箱相连,每个低阶输入配电器可以带2 块低电平输入模块,这2 个模块需要通过跳线设置低16 位以及高16 位。

　　4.6 组态

　　本系统提供的组态软件包括系统组态、过程控制组态、画面组态、报表组态,用户的方案及显示方式由它来解释生成DCS内部可理解的目标数据。使用组态软件可以生成相应的实用系统,便于灵活更改与扩充。

　　本系统组态方面采用了先进的项目树风格。这种技术采用搭积木的方式组态,使用简单方便,各种信息一目了然。

5 小结

　　在本系统中,大多数网络（过程I/O 与现场设备采用单连接）采用可靠性高的双冗余结构,这可以保证在任何一条网络失效的情况下不影响系统通讯,大大提高了系统的可靠性。

　　由于信息网络采用的是标准以太网的结构,因此网络通过交换机将工程师站和操作员站连接起来,连接的方法采用标准以太网的连接方法。由于采用冗余网络的配置,两个网络通路应该相互独立,不能有交叉。

　　这套系统投入运行一年多以来,经过各种复杂环境下的检验,实践证明不管是工艺还是仪表维护效果都很好,完全达到预期的设计目标。

本文作者创新点

　　采用DCS的优越性可归纳如下:

　　自主性:系统上各工作站是通过网络接口连接起来的,各工作站独立自主地完成自己的任务,且各站的容量可扩充,配套软件随时可组态加载,是一个能独立运行的高可靠性子系统。

　　协调性:实时高可靠的工业控制局部网络使整个系统信号共享,各站之间从总体功能及优化处理方面具有充分的协调性。

　　在线性与实时性:通过人机接口和I/O接口,对过程对象的数据进行实时采集、分析、记录、监视、操作控制,可进行系统结构、组态回路的在线修改、局部故障的在线维修。

　　高可靠性:高可靠性是DCS的生命力所在。从结构上采用容错设计,使得在任一个单元失效的情况下,仍然保持系统的完整性,即使全局性通信或管理失效,局部站仍能维持工作。从硬件上包括操作站、控制站、通讯链路都采用双重化配置。从软件上采用了分段与模块化设计,积木式结构,采用程序卷回或指令复执的容错设计。

　　适应性、灵活性和可扩充性: 硬件和软件采用了开放式、标准化设计,系统积木式结构,具有灵活的配置,可适应不同用户的需要。若工厂改变生产工艺、生产流程时只需改变系统配置和控制方案,相应使用组态软件填一些表格即可实现。

　　友好性: DCS软件面向工业控制技术人员、工艺技术人员和生产操作人员,采用实用而简捷的人机会话系统,CRT高分辨率交互图形显示,复合窗口技术,画面丰富,纵观、控制、调整、趋势、流程图、回路一览、批量控制、计量报表、操作指导画面、菜单功能等均具有实时性。平面密封式薄膜操作键盘、触摸式屏幕、鼠标器、跟踪球等操作器更便于操作。

参考文献

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