化工生產中DCS控制系統的應用

　　DCS通常采用分級遞階結構，每一級由若干子系統組成，每一個子系統實現若干特定的有限目標，形成金字塔結構。

　　可靠性是DCS發展的生命，要保證DCS的高可靠性主要有三種措施：一是廣泛應用高可靠性的硬件設備和生產工藝；二是廣泛采用冗余技術；三是在軟件設計上廣泛實現系統的容錯技術、故障自診斷和自動處理技術等。當今大多數集散控制系統的MTBF可達幾萬甚至幾十萬小時。

　　DCS的硬件體系結構

　　考察DCS的層次結構，DCS級和控制管理級是組成DCS的兩個最基本的環節。

　　過程控制級具體實現了信號的輸入、變換、運算和輸出等分散控制功能。在不同的DCS中，過程控制級的控制裝置各不相同，如過程控制單元、現場控制站、過程接口單元等等，但它們的結構形式大致相同，可以統稱為現場控制單元FCU。過程管理級由工程師站、操作員站、管理計算機等組成，完成對過程控制級的集中監視和管理，通常稱為操作站。DCS的硬件和軟件，都是按模塊化結構設計的，所以DCS的開發實際上就是將系統提供的各種基本模塊按實際的需要組合成為一個系統，這個過程稱為系統的組態。

　?。?）現場控制單元

　　現場控制單元一般遠離控制中心，安裝在靠近現場的地方，其高度模塊化結構可以根據過程監測和控制的需要配置成由幾個監控點到數百個監控點的規模不等的過程控制單元。

　　現場控制單元的結構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，各現場控制單元及其與控制管理級之間采用總線連接，以實現信息交互。

　　現場控制單元的硬件配置需要完成以下內容：

　　插件的配置 根據系統的要求和控制規模配置主機插件（CPU插件）、電源插件、I/O插件、通信插件等硬件設備；

　　硬件冗余配置 對關鍵設備進行冗余配置是提高DCS可靠性的一個重要手段，DCS通?？梢詫χ鳈C插件、電源插件、通信插件和網絡、關鍵I/O插件都可以實現冗余配置。

　　硬件安裝 不同的DCS，對于各種插件在插件箱中的安裝，會在邏輯順序或物理順序上有相應的規定。另外，現場控制單元通常分為基本型和擴展型兩種，所謂基本型就是各種插件安裝在一個插件箱中，但更多的時候時需要可擴展的結構形式，即一個現場控制單元還包括若干數字輸入/輸出擴展單元，相互間采用總線連成一體。

　　就本質而言，現場控制單元的結構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據，是人與生產過程信息交互的操作接口。典型的操作站包括主機系統、顯示設備、鍵盤輸入設備、信息存儲設備和打印輸出設備等，主要實現強大的顯示功能（如模擬參數顯示、系統狀態顯示、多種畫面顯示等等）、報警功能、操作功能、報表打印功能、組態和編程功能等等。

　　另外，DCS操作站還分為操作員站和工程師站。從系統功能上看，前者主要實現一般的生產操作和監控任務，具有數據采集和處理、監控畫面顯示、故障診斷和報警等功能。后者除了具有操作員站的一般功能以外，還應具備系統的組態、控制目標的修改等功能。從硬件設備上看，多數系統的工程師站和操作員站合在一起，僅用一個工程師鍵盤加以區分。

　　DCS屬于第四代的工業控制系統，是英文Distributed Control System的縮寫，意為分布式控制系統，也稱為集散式控制系統。DCS是一種多級控制的計算機系統，其技術構成包括了計算機技術、通信技術、顯示與控制技術;系統構成分為過程控制級與過程監控級。

　　DCS是在上世紀70年代產生并發展起來的，一經問世便引起了工業控制領域的重大關注，受到了高度的評價，迄今為止已經在全世界的工業控制領域得到了廣泛的應用。本文所要闡述的便是DCS控制系統在化工領域中的應用

　　一、DCS控制系統的結構與特點

　　DCS控制系統的結構的組成：

　　DCS從系統結構上來說，分為過程級、操作級與管理級。

　　過程級是DCS控制系統控制功能的主要實施部分，包括了過程控制站、I/O單元以及各種現場儀表;操作級負責完成系統的操作與組態，包括了操作員站與工程師站;管理級是綜合管理系統，是DCS的一種高層次的應用，是從企業生產控制到信息管理的綜合系統。目前來說，在一般的工業應用中，主要是由過程級與操作級組成，具備管理級的DCS控制系統在實際應用中還是比較少的，尤其是在一些規模處于中小等級的企業中，涉及管理級的更為少見。

　　過程級：負責DCS控制系統的功能實施，過程控制站完成DCS的控制決策，是系統的執行單元，由一個完整的計算機系統構成，包括了電源、中央處理器、網絡接口以及輸入輸出模塊等。

　　操作級：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運行操作有關的人機界面;工程師站負責對DCS系統進行離線配置、組態以及在線監督、控制、維護工作，對于系統的配置以及參數的設定，系統工程師都是通過工程師站來進行。

　　DCS控制系統的特點：

　　DCS是一種分布式控制系統，系統的設計體現的是分散控制、集中操作及分組管理的基基本思想。DCS控制系統配置靈活、組態方便，具體特點如下：

　　1具有可靠性高的特點

　　DCS控制系統將控制功能分散在了各個計算機上來實現，每臺計算機承擔單一的系統任務，這樣，當系統的任一計算機出現故障后，不會對系統其它計算機構成重大影響，而且這種結構模式可以針對系統需求采用專用計算機來實現功能要求，使系統中計算機的性能得到了較大的提升，提高了系統可靠性。

　　2開放的系統特性

　　DCS控制系統采用了標準化、模塊化的設計，系統中的獨立計算機通過工業以太網進行網絡通訊。標準化、模塊化的設計使得系統具備了開放特性，各個子系統可以方便的接入控制系統，也可以隨時從系統網絡中卸載退出，不會對其它子系統或是計算機造成影響，使系統在進行功能擴充與調整時十分方便。

　　3系統維護簡單方便

　　DCS控制系統由功能單一的小型或是微型計算機組成，各個計算機間相互獨立，局部故障不影響其它計算機的功能，可以在不影響系統運行的條件下進行故障點故障的檢測與排除，具有維護簡單、方便的特點。

　　4DCS控制系統組成靈活、功能齊全

　　DCS控制系統可以實現連續、順序控制，可實現串級、前饋、解耦、自適應以及預測控制，其系統組成方式十分靈活，可以由管理站、操作員站、工程師站、現場控制站等組成，也可以服務器、可編程控制器等組成。過程級通常是由現場控制站、數據采集站來執行現場數據的采集，并通過通信網絡傳輸到操作級計算機。操作級實現對過程數據的集中操作，包括數據的優化、統計，故障的診斷、顯示、報警等。在具備管理級的系統中，DCS還可以根據企業整體管理需求實現與更高級別管理系統的連接，實現企業其它管理功能的集中管理與操作。

　　二、化工企業DCS控制系統的選型

　　化工企業選型DCS控制系統首先應考慮的問題

　　1項目規模與性質

　　DCS控制系統的選型首先應該考慮的就是項目的規模與性質，系統的設計根據項目的規?？煞譃榇笮晚椖颗c中小型項目，根據項目性質可分為新建項目與改擴建項目。

　　對于大型項目，無論是新建或是改擴建，均應考慮建立獨立的DCS網絡，改擴建項目應考慮到與原有DCS網絡的接口以及后續的系統擴充問題;對于中小型項目，應根據項目實際情況，以原有的DCS控制系統網絡為主，將數據集成于其中。

　　2項目總體規劃要求

　　企業DCS控制系統在建立之初，均要對系統的設計進行總體的規劃，主要的規劃內容是要對企業的生產運行進行系統控制還是要集成自動控制與信息管理系統。對企業的生產運行進行系統控制，通常不會涉及到管理級，建立一套具備過程級及操作級的控制系統，基本可以滿足企業的需求;而要實現企業數據信息集成與企業資源管理系統的優化，則要建立的是集成自動控制與企業信息管理的系統，使企業生產與管理實現網絡化，這樣的系統通常要具備三層的結構，包括了企業資源計劃、生產運行管理與過程控制。

　　3技術的先進性與適用性

　　技術的先進性與適用性是DCS控制系統選型的重要條件之一。先進性要求系統的技術選擇要緊跟DCS技術發展的趨勢，具備在一定時間范圍內技術的先進，避免系統在使用周期上造成損失;技術用適用性要求系統的設計要具有針對性，要針對企業的實際情況與特點來進行設計，以達到符合企業需求的目的，即要求系統的設計在達到技術先進的同時要確保合理性與適用性。

　　三、DCS控制系統選型建議

　　基于上述化工企業在DCS控制系統選型上需考慮的問題，建議選用基于工業以太網的開放式DCS控制系統，以滿足企業信息管理系統對于企業整體管理的需求，并為后續DCS控制系統的進一步拓展提供基礎與空間;考慮到現場總線技術仍處于發展與完善階段，在DCS系統中尚不能全部使用FF總線儀表，因此，系統可采用現場總線結合常規智能儀表混合。

　　DCS控制系統的常見故障與日常維護：

　　DCS是一種結合了多種技術的復雜控制系統，在實際的應用中，系統出現故障是在所難免的。在過往經驗來說，DCS控制系統的常見故障有如下幾種：

　　1電源故障

　　電源故障是DCS控制系統中較易出現的問題，故障原因也比較多，保險配置不合理、保護誤動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。對于電源故障的預防措施，主要是對保險配置的容量要仿真核對，選擇匹配的保險容量，讓保險起到應起的作用;UPS的配備對于系統的正常供電是十分重要的，在配備時應充分考慮到冗余與備用的問題。

　　2干擾故障

　　DCS控制系統的干擾故障通常就是系統的接地問題，干擾源一般有大功率的通信設備，以及大功率設備的啟停等。對于干擾問題，要嚴格執行屏蔽與接地要求，系統的信號線要遠離干擾源，以防止干擾信號串入系統，在電子設備間、工程師站等重點部位應避免使用大功率的無線通訊設備。

　　3I/O卡故障

　　I/O卡故障通常是在系統調試階段較多發生，在系統投入運行后較少發生。目前很多I/O卡件的生產企業都在進行卡件的一體化制造，因此，對于此類故障的處理，通過系統診斷后，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行。

　　DCS控制具備的高可靠性、開放性以及組態、維護方便等特點，使其在各種工業領域得到很多的應用。在化工企業，DCS控制系統的應用已經較為成熟完善，只要合理的進行DCS控制系統的方案設計，就可以充分發揮DCS控制系統的先進性與優越性，提高企業的自動化生產水平。