DCS集散控制系統的設計組態研究

戴冬梅

DCS集散控制系統的設計組態研究

戴冬梅

目前，集散控制系統被越來越多地應用在實際生產中，包括化工、機械、電力以及石油等領域。它是一種綜合性的控制系統，是隨著生產中自動化水平以及對生產過程監控要求的提高而發展起來的?，F在集散控制系統的發展趨向是以個人計算機作為基礎并配置以運行穩定的工控組態軟件。本文分析了集散控制系統及其設計組態的基本概念、工作原理與具體工作流程，并舉例說明了幾種常見的組態方式與實際應用。

DCS集散控制系統；設計；組態軟件

一、DCS集散控制系統簡介

（一）基本概念

DCS集散控制系統又被稱為分布式的控制系統，主要用于實際生產過程的集中性管理以及分散性控制，是隨著現代實際生產自動化水平以及對生產過程監控要求的提高而發展起來的一種綜合性的控制系統。這是一種聚集多種高新技術的新型控制系統，所融合的技術有網絡技術、計算機技術、自動控制系統以及通信技術，主要由通信網絡、集中管理以及分散控制這三大模塊組成，深受現代工業實際生產的青睞并得到了很大的發展。［1］現在集散控制系統發展趨向是以個人計算機作為基礎并配置以運行穩定的工控組態軟件。

（二）工作過程

為工程師分析實際的生產過程和控制需求，然后對程序模塊和硬件的實施組態，主要有選擇控制的方案、控制回路組態以及生成趨勢的畫面等。當組態的工作完成以后，就會有一些組態信息的文件生成。這些組態信息的文件將在系統運行之前根據文件的屬性匹配相關的控制單元，然后控制單元就會識別文件中的內容并在控制模塊中提供相應的控制算法去執行，最后將結果遞送到執行機構，便完成了對應的控制。系統還可以根據系統組態中的內容實現對相關內容的監控。

二、DCS集散控制系統組態軟件的研究

組態這一概念是最新出現于工業控制系統的，集散型控制系統的出現帶來了組態這一概念。組態廣泛應用于自動化生產過程，被每一位自動化技術者所熟知。DCS控制系統都是較比通用的，用戶不必編寫專門的程序就可以在此控制系統中生成跟自己的需要相適應的應用系統，每一套DCS控制系統中都有預裝的應用軟件與系統軟件，這里所說的應用軟件就是組態軟件。

DCS控制系統有軟件組態和硬件組態，其中的硬件組態中包含：工程師站的選擇、操作員站的選擇、硬件配置的選擇以及現場控制站的選擇等；軟件組態包含：基本配置組態、應用軟件組態，其中基本配置組態的功能是傳遞給系統一個配置信息。而應用軟件組態又包含有兩大部分：圖形軟件組態與控制算法軟件組態。控制系統中預裝有軟件組態，它的作用是用戶不必專門編寫適合自己的程序就可以生成自己需要的應用軟件，軟件組態所包含的內容非常豐富以便不同的用戶所需。［2］

（一）集散控制系統組態軟件的工作原理

集散控制系統組態軟件在實際工業控制中的應用，減少了相關工作人員編寫程序代碼的煩瑣工作，而且將一直困擾工程人員不懂計算機相關專業知識以及計算機專業人員不懂工程現場控制相關知識的問題徹底解決，在很大程度上提高了工程控制的工作效率。所以中小型的工業生產控制與工業自動化越來越青睞工程控制組態軟件。

組態軟件是圍繞工程師進行工程控制的思路從而生成與不同用戶相適應的不同的用戶程序。在DCS集散控制系統中，所有控制模塊的程序都是事先編寫好的，然后儲存在現場控制站的儲存器中。組態軟件的工作原理是：控制系統軟件的工具與基礎內容都是固定不變的，而將具體應用的相關部分以文件的形式儲存起來，可以隨著用戶的不同需要進行編輯和修改。也就是說不同的用戶可以根據自己的實際需要更改組態軟件中的報表文件、系統配置文件、控制回路文件、控制參數文件等文件數據，組態軟件可以根據用戶的需要靈活地組件組態方式且聲稱相應的數據文件，從而實現具體的控制方案。［3］

（二）DCS集散控制系統組態的工作內容

一般情況下，組態軟件的實際工作包括以下方面。

1.生成實時數據庫。DCS控制系統中最基本也是最重要的資源便是實時數據庫。它在整個控制軟件中起著核心的作用，而且它的數據在系統運行的過程中是在不斷更新的，數據庫中的數據內容是系統對于對象控制狀態的直接顯示。實時數據庫中儲存由很多渠道得來的數據，當控制需要時可以直接在實時數據庫中獲得，與此同時，執行中的結果以及中間設定的值都會及時地存放在此數據庫中。

圖1　組態數據庫工作流程圖

2.生成歷史數據庫。利用計算機對一項實際生產進行控制與管理的顯著性優勢為：計算機能夠對所控制的資料很方便地進行分析、采集與儲存，而實現以上過程就要在計算機系統之后生成一個項目管理的歷史數據庫來記錄項目控制的所有歷史數據。其中歷史數據中所包含的內容有：

（1）短時間間隔的趨勢顯示所采用的是歷史數據庫，其所應用的數據結構一般為循環資料緩沖區。

（2）長時間間隔歷史資料的有關存儲，這一類的資料一般存放的時間為幾天到一個月或者更長。這類資料最后都是要存放在磁盤中的。

（3）帶有計算的、長時間間隔的歷史資料的存儲，這類結構相似于第二種情況下的結構。［2］

3.控制回路組態?？刂苹芈方M態是用來完成某一特定的控制功能的，這一功能是利用某一方法連接相應的控制算法模塊來實現的。它的實現方式主要有兩種：回答問題或者填表的方式；利用圖形形象地表示回路結構及算法。第一種方法比較復雜且不容易被掌握；第二種方法比較直觀、思路清晰，層次分明、屏幕整潔、整體性良好，也便于掌握。這種方法在完成相應的編輯之后就能夠及時生成相應的目標文件，文件可以是宏代碼也可以是把控制算法的執行代碼轉變成的標準庫。

4.相關圖形的生成。用圖形顯示所需要的內容在實際的工業生產控制中是非常有必要的。因為圖形的顯示可以讓負責操作的人員一目了然地了解控制現場的情況，而且有一些顯示過程變化的曲線還能夠對控制操作的人員起到一定的指導作用。工業實際生產中的相關圖形所顯示的內容一般可以分為兩種：一是作為背景的靜態圖畫，二是跟隨記錄的實時數據而一直變化的動態的圖形。除此之外，在這些動態的圖形上面可以設置一些特殊的動態點，每當光標指示到這些點的時候，可以通過按下一些功能鍵的方式來打開所需的窗口。

在系統生成畫面會相應地生成一個下裝的文件，可以將每一圖畫所顯示的信息分別地存放在這個文件之中，圖畫所顯示的信息包括背景圖畫的信息、動態點的信息以及子圖畫的信息。［4］

總而言之，一個成熟組態軟件的采用可以使控制者減少編程的煩瑣環節，能夠專心地去考慮控制回路中所涉及的問題，而且也可以很大程度上提高系統軟件的可靠性。

（三）DCS工程項目的具體作業流程

每一項DCS項目都要經歷一系列的階段過程，這些階段主要包括前期準備、選型階段、合同簽訂、系統設計、實際安裝調試、后期運行維護。

其中，前期準備階段跟工程設計階段的關系如下圖所示。

圖2　前期準備與工程設計階段的圖解

（四）常用的幾種組態方式及其實際應用

1.功能框表填充組態。大型的集散控制系統中經常采用的組態方式便是功能框表填充法，在利用這一種的組態方式時，首先需要搞清楚的就是該控制系統將要和哪一些功能模塊進行連接以及要如何連接，然后將這些內容填寫到相應的表格之中，這樣方便將其輸入控制器中。一般流程是先對輸入點進行組態，然后對每個回路進行組態，最后對每一個輸出點進行組態。功能框表填充法的組態方式是一種相對較靈活的組態方式，它不僅可以實現系統配置的組態，還可以實現控制組態。

2.用組態語言進行控制組態。我國的組態軟件中大部分所采用的是組態語言的方式，因為很多的集散控制系統都給用戶提供了專門的組態語言，用來方便用戶完成相應的控制組態。組態語言的針對性較強，它的形式與高級語言的形式相似，其基本的元素是語句。這種方式除了有普通的邏輯運算、算術、程控語句和函數以外，還有一些可以直接控制工業設備和操作執行機構的語言，組態語言相似于高級語言的編程。

3.圖形組態。目前國內除了以上介紹的兩種組態方式以外還出現的一種新型的組態方式即為圖形組態法。這種組態方式的原理和語言組態方式是類似的，不過它組態每個控制回路的方式不是用編程語言，而是用控制的框圖來代替。［5］這種組態方式實現起來一目了然，讓人能夠很清楚地讀出系統所提示的信息，而且屏幕上所顯示的每個模塊之間的相互聯系也非常清晰，很容易識別系統中所出現的錯誤。更重要的是，工程師在組態的時候不必費盡心思去斟酌編程語言的語法結構，所以大大地壓縮了系統開發所需要的時間。依照我國目前的狀況來看，這種組態方式并沒有語言編程的方式靈活以及成熟，不過使用起來比較方便。

不同的領域中集散控制系統的結構也不盡相同，為了使得集散控制系統便于操作，我國的DCS集散控制系統還有待進一步的發展，因此，開發通用且小型的組態軟件是很有必要的。

［1］鄧紅霞.DCS集散控制系統設計組態及應用［D］.華東師范大學，2009.

［2］麻建華.集散控制系統組態軟件的設計［D］.電子科技大學，2007.

［4］吳秋峰.集散控制系統概述［J］.石油工業計算機應用.1995（4）：1-12.

［5］王英.集散控制系統組態軟件的設計與實現［D］.遼寧工程技術大學，2002.

責任編輯：郭一鶴

TP273

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1671-6531（2015）21-0148-03

戴冬梅/婁底職業技術學院講師，碩士（湖南婁底417000）。