DCS系統設計及先進控制應用探討

王興勤

摘? 要：DCS系統廣泛應用于工業控制領域，隨著工業控制對象的日益復雜，對控制技術提出了更高的要求。本文對DCS 系統結構設計進行深入的分析，并對如何把先進控制技術應用到DCS系統展開了探討。

關鍵詞：DCS控制系統;先進控制技術;控制算法

DCS是分布式控制系統的英語簡稱，結合計算機控制技術和通信技術，可以對生產裝置進行分散式控制和集中管理，最早由美國在上世紀70年代提出。隨著控制技術的不斷發展，數字化儀表得到了廣泛的應用，可以采用現場總線技術進行互聯通信，控制主站功能控制模塊分布于每個數字儀表中，通過組態而形成完整的控制回路，可以更好地實現分散控制。隨著DCS控制系統的不斷應用，需要把先進控制技術應用到DCS系統中來，從而對控制功能進行完善，建立起PID自整定控制模塊，充分發揮出DCS控制系統的作用。

1 DCS 系統結構設計

1.1現場控制站設計

現場控制站是可以獨立實現控制功能的計算機控制系統 ，可以實現過程控制，現場控制場主要由機柜、供電電源、模擬量通道及主控單元構成。

現場站的機柜采用多層機架結構方式，可以用來安裝電源和控制模塊，柜體外殼體采用金屬材料制成，柜體需要具備良好的接地，從而保證柜體內設備可以避免受到外部電磁干擾，機柜的接地電阻不得于大于4歐。柜體的設備運行功率較大， 需要進行通風散熱設計，為了避免灰塵進入，需要采用正壓送風方式。

供電電源可能保證現場控制站正常運行，需要要用冗余設計，采用雙相交流電進行供電，如果附近有大功率用電設備，還應該應用隔離變壓器，避免出現共模干擾問題。如果電壓波動較大，可以配置電子調壓器，如果對于供電可靠性要求較高，可以采用不間斷供電電源。

輸入輸出接口需要控制系統建立起模擬量、開關量和脈沖信號的通道。模擬量輸入通道可以把生產裝置的運行信號，比如，溫度、壓力、流量和液位等信號采集進行來，通過模擬量處理之后轉變為控制系統可以識別的數字信號。輸入的模擬量信號有0-5V、0-10V電壓、0-20mA、4-20mA電流信號。模擬量輸入通道主要由接線端子、信號調理單元、模數轉換模塊等構成，具體的原理見圖1所示。

模擬量輸出通道，根據設計要求來選擇輸出信號的種類，從而控制執行機構的動作。輸入出信號有4-20mA、0-5V和0-10V等。輸入的信號用來驅動電機轉速、執行機構的行程或運轉角度，模擬量輸出模塊的原理如圖2所示。

現場控制總站的模擬量輸出通道主要數模轉換模塊、輸出接電端子等構成，隨著集成電子技術的發展，輸出模塊通道通過集成電路來形成控制信號，利用數字鎖存的方式來保證輸出值，避免隨著時間的變化而出現衰減。

而開關量輸入通道主要用來監測限位開關、繼電器觸點的開斷狀態，輸入的開關量信號會存儲到數字寄存器內，控制系統通過數據采集程序來獲取到具體的開關狀態。輸出信號主要用于控制啟動、停止，驅動閥門進行動作，或者生成報警信號。

1.2主控單元

現場控制器的主控單元主要由CPU控制器和數據存儲器構成，CPU控制器可以根據控制規模的大小和精度要求來選擇位數，現在最高的CPU位數達到64位，可以有效地提升運算速度和處理效率，可以把各種控制程序下載到存儲器中，通過CPU運算輸入控制信號。存儲器主要用于保存生產現場的運行數據，RAM存儲器可以為實時數據存儲和計算的中間變量提供空間，用戶在組態界面中修改的參數出存儲于RAM中。

2先進控制技術在DCS中的應用

先進控制技術把數學分析模型作為基礎，充分利用微處理器的運算能力，是一種比傳統PID控制效果好的技術，可以提高企業的生產效率，可以用來處理復雜的工業控制要求。

2.1傳統PID控制方法和結構

PID控制器是工控領域應用最為可靠的技術，數字技術的不斷發展，很多控制程序和算法都離不開PID控制技術，還具備著較高的生命力。為了取得理想的控制效果，需要設定好比例常數、微分和積分時間，根據控制對象的特性，使控制性能和控制對象實現很好的配合，從而實現最優的控制效果。但控制參數設定的不合理，處理器性能無論怎樣先進，也無法達到理想的控制效果。工業控制過程中存在著很多不確定性，可能使控制模型產生變化，原來所設定的參數無法滿足控制要求，這就需要PID控制具備在線自整定能力，這是PID控制技術的發展方向和需要解決的問題。把BP神經網絡技術與PID控制技術進行結合，可以發揮出BP網絡非線性映射的能力，可以實現自學習和整定，實現并行分布處理，并具備很好的容錯特性，可用到復雜非線性系統的數學模型組建及控制。

2. 2基于BP神經網絡的控制技術

上世紀90年代提出了多層前向的網絡反向算法，人們把其稱之為BP網絡算法，具有一個輸入層、一個輸出層以及多個隱含層，相同層的神經元并沒有太多關聯，不同的層級神經元會向前國，具備非線性活動函數的三層神經網絡，可以實現輸入到輸出空間的函數映射。神經網絡具備自學習能力，可以在離線條件下實現對控制對象的識別，建立起神經網絡識別器來不斷修正權值，從而適應識別對象的特征，達到與被控對象相同時，神經網絡控制器便可以進行在線控制。通過神經元自學習能力的不斷調整，可以實現在線自適應整定，從而提高了控制精度，與傳統的PID控制方法進行比較來看，可以起到更好的控制效果。

3結束語

綜上所述，DCS控制系統設計應該結合工業控制的具體需要，來對不同的功能單元進行設計，選用技術經濟性高的元器件，還需要把先進控制技術引入到DCS系統中來，采用BP神經網絡的控制技術與PID控制進行結合，使控制系統具備自學習能力，可以實現控制參數的在線自修正，從而達到理想的控制效果。

參考文獻：

[1]閔紅利. DCS系統設計及先進控制在DCS系統中運用[J]. 電子技術與軟件工程，2015（24）：158.

[2]田運良. DCS系統維護的若干常見問題[J]. 石化技術，2018，25（04）：225.

[3]陳峰. 火電廠熱工自動化DCS控制系統的應用及發展分析[J]. 電子技術與軟件工程，2018（22）：99.