分散控制系統過程控制的設計研究

華媛

摘 要：作為系統控制的關鍵環節，過程控制的設計對于保證工藝的平穩操作有重要的作用。簡要介紹了分散控制系統應用的關鍵技術，具體探討了分散控制系統過程控制的設計，以期為相關技術和設計人員提供參考。

關鍵詞：分散控制系統；過程控制；信息通信；控制變量

中圖分類號：TP273.5 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.07.085

在完成集中監控的過程中，計算機控制可以實現信息通信和高級控制等功能，其較高的控制精度大幅提高了生產過程的綜合質量控制效率。然而，在大型工廠中，計算機控制過度集中，事故發生的概率也相對集中，如果控制系統發生故障，則操作、控制、監視等都無法進行。分散控制系統集中了計算機控制系統和常規模擬儀表的優勢，可進一步提高控制系統的可靠性和安全性，因此，加強有關分散控制系統過程控制的設計研究，對于改善分散控制系統應用質量具有重要的理論和現實意義。

1 分散控制系統應用的關鍵技術

1.1 分散型集中控制技術

1.1.1 分級分布式設計結構

該系統采用過程控制、優化控制、自適應控制和工廠管理4級分布式策略，選用分級梯階結構，依據工業生產裝置的不同布局，將其劃分成多個單元，并且各單元可獨立實現本區域內的對象過程控制。系統通常包含操作站、過程接口單元、管理計算機、過程單元和高速通訊網絡5個部分。

1.1.2 集中控制

系統內不同級和不同層間實施數據通信構成了一個完善統一的整體。不同模塊之間是利用通訊總線連接實現通訊的，而各單元利用過程控制網絡實現數據傳輸，操作站則對過程實行集中顯示、操作和報警。

1.2 工業自動化控制技術

對于連續的模擬量控制系統，依據反饋控制原理，采用PID控制規律，對獲取的輸出量與設定量間的誤差-時間函數實行比例、微分、積分處理，并將處理結果作為控制量，完成電路放大、轉換工作后，其又可作為控制信號對執行器的動作實行控制，持續修正控制量與被控量間的偏差，進而實現對被控量的調控。

1.3 圖形化組態

圖形化編程語言是以C語言為基礎進行二次開發，進而形成語言。在采用這種語言編程時，通常不用編寫程序代碼，而是采用流程圖，盡量采用技術人員經常使用的概念、圖標和術語，利用“圖標”替換“文本指令”。這樣做，可以大幅度地改善工作效率。在設計可視化程序時，技術人員僅需調用“圖標”，然后使用“連線”表示數據的流向，這樣編程工作就更加簡便、直觀。

1.4 系統組態

依據設計要求，在系統軟件和硬件的支持下，整體采用系統組態軟件提供的計算、填表和繪圖等功能，事先組織好各類硬件設備和軟件功能，以保證系統按照預定狀態運行。也就是說，利用集散控制系統支持的功能模塊、編程語言、組態編輯軟件構成標準的操作界面和系統結構，由此完成過程集中控制、數據集中顯示和數據通信。

2 分散控制系統過程控制的設計

過程控制設計的主要目的是從整體角度出發，對不同操作單元的整個過程構建提供操作策略和建議，其涉及的研究內容包含異常狀態處理策略、控制系統內不同變量關系協調、控制變量選擇等多種確保工藝穩定操作的措施和方案。在此，以化工控制過程為例，結合相關過程控制分析設計工具，具體介紹了系統過程控制的設計過程。

2.1 目標函數和操作限制條件的確定

在指定標準控制結構前，應先確定過程控制的操作目標和各類與產品質量、安全因素等相關的限制條件。通常情況下，可將目標函數定義為標量成本函數J，并且在一定時期內持續穩定，當然，如果商品價格和市場環境出現變化，則J的表現形式也可隨之改變。限制條件是確保產品質量和生產安全的基本控制目標，其主要受設計強度、大小尺寸等操作物理條件和工藝條件的影響。

2.2 分析自由度

在分析自由度的過程中，要先統計全部過程中可自由操作的、獨立操縱變量的個數，然后提出穩態效應較差的操縱變量。比如，緩沖罐液位穩態效應較低，但是，需要對其調控，所以，其將消耗穩態自由度。另外，在此過程中，還需要優化步驟1，測定條件中的積極約束和簡化梯度各自的維度，以方便隨后選擇被控變量。

2.3 選擇被控變量

被控變量是指分層梯階控制結構中的一級被控變量y1，也就是綜合考量需保持在設定點的變量。在運用該控制變量時，可將其分成用于自主優化的被控變量和積極約束相關的變量兩部分。在此，可以采用一般框架，也就是建立最優性必要條件為被控變量，對于無法獲得最優性必要條件的，則選用可測變量的函數關系近似方法來確定。

2.4 構建常規控制回路

在確定控制回路和二級控制變量時，可依賴于工程師的直觀測量和工藝過程的特性來確定。常規控制層的主要目的是簡化監督控制層的控制任務，并控制底層擾動，兩層間主要利用串級控制方式完成交互。常規控制回路是一種必須的控制手段，而對于較小規模的過程，可將常規控制與監督控制相結合，共同發揮控制功能。

2.5 變量配對

這一步主要是配對主要控制變量y1及其操縱變量（也就是常規控制層被控變量的設定點），如果控制系統相對簡單，則可以直接實現被控變量同原始操縱變量的配對。在配對過程中，可以依據VI-EID配對準則，利用相關分散控制結構設計方法直接獲取最佳配對方案。如果能得到過程的擾動模型，則可以深入分析分散控制系統的擾動抑制特性；如果計算過程較慢或利用不同方法得出的配對方案有矛盾，則可以經過多目標優化配對算法深入分析后，確定最終的配對方案。在此過程中需要注意的是，如果采用MPC控制方式，則可以不完成這一步驟。

2.6 依據要求構建RTO優化層

如果設計好的控制結構已經同時具備控制和優化的功能，則可以依據運行要求選擇是否采用RTO優化層。通過對相關實驗數據分析發現，即使不存在RTO優化層，依據某些方法設計的控制結構仍然可以實行自主優化。

3 結束語

過程控制結構的設計質量將直接影響分散控制系統功能的發揮和企業效益的實現。因此，相關技術和設計人員應加大對有關分散控制系統過程控制的研究力度，不斷總結過程控制設計方法和關鍵技術措施，以逐步提升分散控制系統的運行水平。

參考文獻

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[3]王吉鋒.基于PLC與DCS的過程控制系統集成方案的設計與實施[D].濟南：山東大學，2007.

〔編輯：白潔〕

Abstract： As a key part of system control， process control designed to ensure the smooth operation of the process has an important role. Briefly introduces the key technology of distributed control system applications， specifically discusses the distributed control system design process control， in order to provide a reference for the relevant technical and design staff.

Key words： distributed control system； process control； information and communication； control variables