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近年来, 自动化控制系统, 特别是集散式控制系统( DCS) 在化工、冶金、电力等行业中得到广泛应用。本文针对 DCS 的结构、应用及存在的技术问题进行阐述。
1 DCS 的基本构成
分散控制系统 DCS 又名集中分散控制系统( 简称集散控制系统) , 也叫分布式控制系统, 是集计算机技术、控制技术、通讯技术和 CRT( 显示器) 技术为一体的综合性高技术产品。DCS 通过操作站对整个工艺过程进行集中监视、操作、管理, 通过控制站对工艺过程各部分进行分散控制。
DCS 概括起来可分为 3 大部分( 如图 1 所示) : 集中管理部分、分散控制及检测部分和通讯部分。集中管理部分又可分为操作站、工程师站和上位计算机。操作站是由微处理器、CRT、键盘、打印机等组成的人机系统, 实现集中显示、集中操作和集中管理; 工程师站主要用于组态和维护; 上位计算机用于全系统的信息管理和优化控制。
分散控制及检测部分按功能可分为现场控制站和现场检测站。现场控制站是由一个微处理器, 存储器, I / O 输入输出板, A / D、D / A 转换器, 内总线, 电源和通信接口等组成, 可以控制多个回路, 具有较强的运算能力和各种控制算法功能, 可完成回路控制任务, 实现分散控制。现场监测站或叫数据采集装置也是微计算机结构, 主要是采集非控制变量以进行数据处理, 并将某个采集的过程信息经高速公路送到上位机。
通信部分又叫高速数据通路, 是实现分散控制和集中管理的关键。其连接 DCS 的操作站、工程师站、上位计算机、控制站和监测站等各个部分, 完成数据、指令及其他信息的传递。
2 DCS 在应用技术和设计维护方面存在的问题
2.1 应用技术方面
在故障分散方面, 目前的 DCS 系统还没有做到真正意义上的故障分散, 是由于目前的器件仍然比较娇贵, 因此, 控制系统不能应用到现场( 尽量接近传统的仪表控制系统) 。工业控制的现场条件一般是比较恶劣的, 粉尘、温度、湿度对现阶段厂商所能提供的远程 I / O( Input / output 缩写) 卡来说仍然难以适应。再如我厂设置了远方 I / O 柜, 电缆当然是节约一些, 但在 1 / O 柜的控制室上设置了小空调, 费用仍然省不了。许多的逻辑控制功能还是要靠 PLC( 可编程序控制器) 系统完成, 它与 DCS 系统之间通讯用了一个 GATEWAY ( 信息高速公路) , 这个 GATEWAY 成了整个控制系统的一个瓶颈, 一旦它发生故障, 就会影响生产系统的正常运行。
2.2 设计维护方面
随着微型计算机、集散式控制系统、数字化仪表和在线分析仪的迅速发展和广泛应用, 1990 年之后, 过程控制系统设计方面面临一些新的问题。传统的一些设计方法不适应数字系统的设计。在过程控制系统中, 一般可由过程测量仪表、过程分析仪、PLC、供电电源、分散单回路控制、计算机系统等多个部分组成, 这些部分信号传送有各自的通信规程和不同的编程语言, 操作站上的操作员所用的显示器有不同的 CRT 系统, 所有这些电子设备, 都希望有良好的不间断电源供电。随着计算机控制系统在工业生产中的应用, 一些共同的问题就会发生, 例如, 信号接地回路、计算机接地、强脉冲干扰隔离的问题, 以及这些电子设备都希望在清洁的环境中运行等。因此, 面对复杂的计算机系统, 就要求多方面的技术知识和多个领域工程技术人员的配合, 方能完成现代的过程控制系统设计。
关于计算机控制系统的维护工作, 比常规模拟仪表要复杂的多。除了要维护一般的信号测量和执行器以外, 还有大量的通信系统、计算机硬件和软件的维护检修, 主要都在于校准系统的功能和日常的维护。一旦系统出了问题, 在用户无能力排除的情况下, 只好请来维护检修。当然, 有时在系统投用以后, 使用者会发现计算机控制系统的某些功能不能满足要求, 这时可由这方面的来补充和修改, 或者由设计者进行重新设计。
2.3 DCS 安装的要求
1) 关于控制室的尺寸和表盘长度。与传统的仪表控制系统相比, 电子室的尺寸和设备相对增加。
2) 关于节约电缆。由于 DCS 系统所采用的设备器件比较娇贵, 对现场环境要求较高, 例如需要防尘和空调, 异地 I / O 还不能大量使用, 因此, DCS 系统的主要设备都需要安置在条件比较好的控制室, 大量的现场信号仍然需要用电缆接到控制室, 但与传统的仪表控制系统相比, 电缆有所缩减。
3) 关于减少备品备件的种类和数量。备品备件的种类和数量有所减少, 相应需要与之打交道的仪表控制设备制造厂商也有所减少。
4) 关于减少设备运行对仪表控制设备制造厂商的依赖。由于 DCS 系统在应用技术方面还不尽人意, 因此, 设备运行对 DCS 系统生产厂商的依赖不但没有减少反而有所增加, 尤其在设备投产调试期间, DCS 生产厂家的服务必不可少。为了用好 DCS 系统, 需要培训的工程技术人员有所增加, 因此, 培训所需要的费用也有所增加。
3 国产 DCS 技术开发概况
在 20 世纪 80 年代中期, 我国许多单位都想涉及 DCS 的研发, 但是资金投入太多, 需要软件、硬件和工程人员协调工作, 并且它涉及到计算机技术、通讯技术、工业控制技术, 单凭几个技术人员和企业不可能完成 DCS 的研究和开发。90 年代中期, DCS 的部件除功能块以外, 在市场上都能买到。再有政府有关部门的支持, 开始有新的单位进行 DCS 的开发, 并得到快速发展, 如北京的和利时、上海新华和浙大中控。这些厂家都有几百套的销量, 基本形成规模生产, 虽然产品一时还达不到进口水平, 但控制的基本要求还能满足, 从系统的结果和 I / O 板的生产来看, 已经有相当高的水平, 与国际水平相差不远, 如无锡生产的 I / O 板就很美观。人机界面的软件, 国内已有开发, 如组态王, 每年有 2 000 套的销售量, 使用情况良好。
目前我国的 DCS 与进口的 DCS 还有一定的差距, 如控制系统的应用; 一些系统还需完善, 如系统、实时数据库、与数字仪表及 PLC 的接口等。之, 国产 DCS 技术将在不断进步中发展。
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