DCS在制造業工業中的自動控制應用

李 明

（重慶工程職業技術學院，重慶 400052）

0 引言

進入二十一世紀，伴隨經濟的發展，計算機技術的飛躍，制造業、工業遇到了新的機遇也面臨挑戰，需要研究新的制造技術、新型的制造模式等。計算機信息管理系統在制造業、金融業、商業等各種行業都有應用，進行管理和決策。制造業在這方面的應用又區別于其他行業，它需要解決生產過程和控制方面的問題。DCS系統是制造業計算機信息管理的一個基本模式。DCS即集散控制系統，采用分散控制、集中操作的管理思想。DCS利用操作站管理、操作、監視整個過程，用控制站分散控制各過程。提高工業、制造業的產品質量、提高生產自動化水平和勞動生產率。

1 DCS概述

集散控制系統主要對象是大型的工業、制造業生產等，從綜合自動化方向考慮，研發原則為分解和協調，其核心是微處理器，并結合控制技術、通信和顯示技術的一種新型控制系統。一個典型的DCS結構分為不同的四層：

現場級：主要設備是傳感器、執行器、變送器等。位于被控生產的附近，將物理量轉化成電信號。

控制級：分成數據采集站和過程控制站。負責接收現場設備送來的信號，經過計算和轉換后，發回現場執行。兩者的區別是數據采集站無法直接實現控制功能。

監控級：觀察生產過程的運行，讀取數值、調整設定值、操作設備；歸類、整理、打印報表等；監督控制生產過程。

管理級：監測運行狀況，預測未知情況，輔助管理人員決策，實現規劃目標。

DCS具有許多優良特性，連接方式靈活，內容多樣，危險和功能分散：

集中監控：主要是監視任務，并具備一定管理功能。配備齊全的設備，還有良好的用戶界面，能夠實現高級控制、質量評估。

分散控制：除了將控制分散，還包括人員、地區、設備、功能等分散，可以將危險分散降低，提高設備的利用率。

系統開放性：包括可移植性、互操作性、適宜性、可用性。大大提高了系統的適應性和靈活性，使產品應用、變換更方便。

2 DCS系統結構

本文DCS系統結構如圖1所示，上位機采用SUPCON JX-300，主要組成包括工程師站、操作站、控制站和過程控制網絡等。其中通信網絡結構是一個三層網絡，上層為信息管理網，TCP/IP的以太網，連接至各部門，實現全部的管理通信。中間是過程控制層，稱作SCnet II。連接網絡其他部分，實現信息傳輸。底層是控制站內部，指揮式令牌網，轉發協議，是系統的主要性能指標。

2.1 通信網絡

圖1 DCS系統結構圖

信息管理網利用MFS上安裝雙重網絡接口，將企業信息管理網和中間層Scnet II進行橋接，獲取JX-300系統的運行信息和過程參數，同時向下傳送上層管理的調度指令和相關的指導信息。采用大型數據庫，實現決策、統計、調度等。

2.1.1 Scnet II網

雙高速冗余以太網SCnet II。它直接連接系統的控制站、操作站、工程師站等，傳送過程利用它控制實時信息通道，自動化、可靠性很高，SCnet II還能連接上層信息管理網或其他設備。

SCnet II網絡系統是在10base Ethernet上開發的，都是采用以太網控制器做為各個節點的通訊接口，傳輸符合TCP/IP和UDP/IP協議。

SCnet II網絡采用如圖2的雙重化冗余結構，根據圖中所示，如果任何一條通訊線發生故障，并不影響網絡的數據傳輸問題。

圖2 SCnet II網絡的雙重化冗余結構

2.1.2 SBUS總線

主要負責主控制卡、數據轉發卡和I/0卡的信息交換。

SBUS總線一共分成兩層：

第一層現場總線，物理上在控制站的I/O機籠間，主要負責信息交換，連接主控制卡和數據轉發卡。

第二層SBUS-S1網絡。位于各I/0機籠內，連接數據轉發卡和各塊I/O卡件的信息交換任務。

2.2 操作站

硬件包括顯示器、IPC、SCnet II網卡、專用鍵盤和打印機等。工程師站的硬件配置和操作站的大致相同，軟件配置上稍微有所區別，工程師站安裝了操作、監視、系統組態、維護等軟件。

2.3 控制站

直接連接現場的I/O單元，對整個生產過程實時監控。通過硬件和軟件配置的不同構成不同的結構，包括邏輯控制站、數據采集站等。控制站的核心是主控制卡，通過高速網絡實現信號I/O。同時完成數據采集、控制和各種算法。

3 系統組態

DCS系統具有復雜性和通用性，使得現場有許多功能和參數要由用戶設定。將用戶為系統設定各項參數的操作成為“系統組態”。本文選用的監控軟件為SCKey組態軟件，界面友好、支持各種控制方案。圖3為組態設計流程圖：

圖3 組態設計流程圖

JX-300系統最多15個控制站，IP地址范圍2～31，控制站包括相互冗余的兩塊主控制卡，每一塊使用不同的網絡碼，IP不能重復。地址和主控卡硬件的跳線地址匹配。操作站（工程師站）最多能有32組，每個站有兩塊冗余的網卡，它們享用一個IP，但是網絡碼不同，IP也是統一編排，不能重復。控制站的網絡節點可擴展，其總線結構也能擴展I/O卡件。I/O組態包括數據轉發卡、I/O卡件、信號點的設置。

4 DCS的系統監控

系統I/O組態完成后，就要用控制方案來對實現信號和要求的控制?？刂平M態分為常規和自定義控制方案，本文選擇自定義控制方案中的圖形編程方式實現控制功能。工作原理是模擬量輸入信號的測量值進入回路，根據質量碼信息判斷是否有報警，再根據給定值切換開關狀態選擇同路的外給定或內給定，外給定，則同路給定值ESV成員的值；內給定，則取SV成員值或監控畫面回路中SV值，同時得到偏差值SV—PV，若超出偏差報警限則報警。若需要輸入補償，則利用JA引腳實現，補償后信號將用PID參數調節；如果有輸出補償，通過輸出引腳完成。PID調節和補償在回路投自動的情況下完成。即開關swAM調制ON,若跟蹤開關swTV為OFF，回路MV引腳MV引出。如果swAMOFF．即手動控制時操作員可手動調節MV。若swTV為ON，則MV直接輸出TV引腳的值。

5 結論

本文選用了SUPCON JX-300X的DCS系統來設計實現對工業、制造業自動化控制技術，設計和實現了系統的硬件和組態設計。系統具有良好的自動化程度、管理水平強、提高生產率，便于管理層監督和控制生產過程。DCS技術在各類行業的自動化控制中發揮了巨大作用，隨著對其研究的深入和技術的成熟，將不斷完善和廣泛應用。

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