基于現場總線冗余技術的DCS控制系統設計探析

陸杰鋒 徐燕娟

摘? 要：DCS控制系統的功能十分強大，如PID控制、串級控制、連續控制等，廣泛應用在各個行業的生產環節中，可以實現最優控制精度。在文章中，以現場中總線冗余技術為前提，對DCS控制系統的具體設計架構進行分析。然后結合實際情況，對具體的設計方式予以探究，主要包括T3000對象、總線控制系統兩部分。基于此，可以為相關人員提供參考，優化DCS控制系統的設計方式，強化其整體性能。

關鍵詞：現場總線;冗余技術;DCS控制系統;系統設計

中圖分類號：TP273? ? ? ? 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）25-0101-02

Abstract： The function of DCS control system is very powerful， such as PID control， cascade control， continuous control and so on. It is widely used in various industries to achieve optimal control accuracy. In this paper， on the premise of field bus redundancy technology， the specific design architecture of DCS control system is analyzed. Then， combined with the actual situation， the specific design method is explored， including T3000 object and bus control system. Based on this， we can provide reference for the relevant personnel， optimize the design of DCS control system， and strengthen its overall performance.

Keywords： field bus; redundancy technology; DCS control system; system design

前言

DCS控制系統，即Distributed Control System分布式控制系統。對于該系統的功能而言，可以滿足大型工業生產控制的相關需求。系統主要以綜合自動化角度出發，實現與過程監控、過程控制的結合，同時還融入了4C技術、計算機技術、通訊技術、顯示與控制技術等。由此可見，DCS控制系統具有較強的綜合性，能夠為工作人員提供諸多便利。

1 基于現場總線冗余技術的DCS控制系統設計架構

在本文的分析中，主要將現場總線的高級控制過程，作為DCS控制系統的試驗對象。具體而言，FF現場總線控制系統作為本次實驗的核心系統，同時還將其作為常規模擬量I/O分布控制系統、以太網關接入系統。另外，EPA以太網控制系統，則主要應用于控制系統、測量系統，并對工業以太網、FF現場總線的運行提供支持。總線冗余控制系統的結構圖，如圖1所示。對于DCS控制系統的構成而言，主要涉及以下幾方面：（1）現場總線過程T3000控制系統，為本次實驗的對象。（2）FF現場總線控制系統，包括FF總線DCS系統、常規模擬量I/O模塊控制。（3）EPA現場總線控制系統，包括DCS系統、常規模擬量I/O模塊控制。（4）工控平臺以及軟件系統[1]。圖1為總線冗余控制系統的結構圖。

2 基于現場總線冗余技術的DCS控制系統設計方式

在設計DCS控制系統的過程中，需要在T3000裝置上確定9個點，并將檢測傳感智能儀表安裝在點上。其中，所有控制系統、儀表檢測均與信號控制柜進行連接。將信號柜的模擬信號引出，即4mA至20mA。然后，通過1入、2出的連接方式實現對隔離變送器信號的劃分。一路信號在通過IF模塊以后，可以實現對電流信號的轉換，在形成FF總線以后直接進入總線控制系統。基于此，能夠對現場信號進行檢測、監控與顯示。另一路信號則與EPA總線控制系統直接連接，同時完成以上功能。隨后的設計工作主要體現在以下幾方面：

2.1 設計T3000對象

在本次實驗中，其所需要的控制對象主要有復合加熱水箱、儲水箱、有機玻璃水箱，系統以兩條獨立閉環回路為主，最終形成相應的閉環回饋系統。實驗設計過程中，將智能儀表、執行機構安裝在不同的回路上，便可以滿足高級過程控制實驗的既定要求。不僅如此，還可以通過實驗控制的方式對串級控制進行測試，發現其具有較強的擴展性、靈活性、通用性。由于本次實驗的流程中，選擇了9個不同的測試點，在安裝FF協議智能儀表、EPA協議智能儀表、HART協議智能儀表的基礎上，形成了一個高級的、完整的過程控制系統。基于此，有效提高了DCS控制系統的性能，對于發揮現場總線冗余技術、優化現場控制方式具有重要意義[2]。

2.2 設計總線控制系統

在DCS控制系統中所安裝的諸多智能儀表，其信號采用1入、2出的方式，實現對隔離變送器的分離。然后將兩個不同的總線與控制系統相互連接，最終實現總線冗余的目的，為實現現場控制奠定堅實的基礎。具體而言，設計總線控制系統的過程中，必須結合實際需求，實現對FF總線控制系統、EPA現場總線控制系統的合理設計，最大程度上提高系統運行的穩定性，強化其整體性能。具體的設計方式主要包括以下幾方面：

2.2.1 FF總線控制系統

本文所選擇的FF總線DCS控制系統，實際上屬于新一代分布式現場總線控制系統。在該系統中，可以將FF現場總線技術、DCS控制系統進行緊密融合。因此，現場控制的過程中能夠實現對傳統硬件接線方式的利用，并對現場設備進行監控。另外，還可以通過現場總線方式實現對智能設備的控制，因此適合應用在大規模、中規模的工業生產控制中。將其作為前提，可以有效強化邏輯控制功能、批處理控制功能、過程控制功能等，進而滿足化工、石油、污水處理、焦化、水泥、冶金等行業的有效控制。

由于隔離變送器所輸入的信號中，包含一路可以與IF模塊連接的信號，并在轉換成為FF總線信號以后，實現與DCS控制站之間的連接。通過交換機實現與數據服務器、操作員站、工程師站之間連接，形成完整的FF現場總線DCS系統。對于工程師站而言，其可以實現對操作指令、軟硬件資源等組態過程的定義。操作員站則主要應用于人機交互方面，包括記錄打印報表、趨勢顯示、報警、監視、操作等，基于對流程界面直觀監控，便于工作人員隨時調整系統的控制方式，提高工作的針對性、合理性。除此之外，系統中數據服務器，主要具有日記記錄、歷史數據存儲的功能，便于為后續的控制、分析對比等，提供有價值的參考，彰顯系統數據在現場控制中的重要作用[3]。

2.2.2 EPA現場總線控制系統

在設計EPA現場總線控制系統的過程中，需要將針對性的技術應用在其中。EPA屬于一種全新的控制技術，適合應用在工業現場設備的控制中，能夠實現開放性實時以太網的既定標準。以現場總線冗余技術為前提，EPA可以將更多先進的、成熟的IT技術，廣泛應用在各個行業的控制系統中。在此前提下，能夠充分發揮以太網的標準、穩定、高效的優勢，同時還可以實現對UDP/IP協議的合理調度。將其作為基礎，能夠在現場設備的運行中，構建一套全新的實時工作監控標準。

另外，由于隔離變送器所輸出的信號中，有一路信號與EPA總線直接連接，并傳輸至DCS控制站中。所以能夠利用數據服務器、操作員站、工作站與交換機之間的連接，實現構建EPA現場總線控制系統的目標。通過以上的設計，可以實現現場總線冗余技術、DCS控制系統之間的融合，最終強化系統的整體性能，為工業生產過程的監控、管理提供強有力的技術支持，降低了現場操作人員的控制難度。

3 結束語

綜上所述，以現場總線冗余技術為基礎設計的DCS控制系統，其整體架構相對復雜，因此必須采用合理的方式，開展并推進設計工作。在具體的設計工作中，可以將硬件、軟件進行相應的結合，進而滿足模擬仿真、實踐一體化的要求。在實踐應用中，為了能夠獲得理想的實驗效果，工作人員需要對諸多工業過程量進行合理控制，包括液位、流量、壓力、溫度等參數，進而充分發揮DCS控制系統的作用，并彰顯現場總線冗余技術的價值。

參考文獻：

[1]紀亞芳，張志剛.基于模糊PID的雙容水箱液位控制系統設計[J].山西師范大學學報（自然科學版），2019（02）：37-40.

[2]黃海燕.基于S7-1200 PLC立體倉庫碼垛機控制系統設計[J].機電工程技術，2019（05）：37-41.

[3]張紅春，劉濤，王一民.基于SNCR法的瀝青拌和站脫硝裝置控制系統設計[J].交通世界，2019（14）：153-155.