現場總線技術的DCS控制系統設計

國能長源電力股份有限公司 翁 曉

總線技術最先被應用在國外的工業現場，提升了該工業的網絡通訊效率。當時在工業現場應用了PROFIBUS-PA 設備和多種可編程控制的智能儀表。在工作現場使用已有的現場總線技術。國外的電廠為了實現電力控制系統的數字化，在其中應用了現場總線技術，后來隨著總線技術的不斷升級，這種現場總線技術日益成熟，通過國內專家不斷研究后，自主研發全新升級后的現場總線技術，成為了我國工業領域應用最為廣泛的高新技術。現階段現場總線技術已經逐漸走上正軌，在諸多領域中應用。現場總線技術在成熟的工業技術中的應用效果反而并不理想，尤其是電力等工藝復雜的行業中，現場總線技術的發展還有很大的技術空間。越是復雜的生產設備與總線技術的兼容性越低，電力生產設備的結構比較復雜，與總線技術結合需要進行技術的改進和革新，隨著科學技術生產力的不斷發展現場總線技術能適應各種復雜的工業環境。

在設計DCS 控制系統的時候完全可以使用現場總線技術，某電廠在進行廢水處理的過程當中就采用現場總線技術的DCS 控制系統實現輔助生產和控制，在系統中使用現場總線，并將現場總線與相關控制軟件相連接，搭建完備的現代化控制體系協助完成該進行的工作，該控制系統的裝備完全、功能先進，對提升生產效率十分必要。

隨著體制改革的深化，現場總線技術不斷的升級，各種先進技術會應用在不同的生產領域當中?，F場總線技術DCS 控制系統是典型的新時代新技術，該技術建立在智能電網和數字自動化的基礎之上，在我國的各項領域中充分的發揮這提高生產力的作用。大型工廠依靠現場總線技術的控制系統實現對設備控制，并在控制的過程中實現控制分散。建立系統的主站并建立完整的系統，實現了機組主輔控車間和現場總線的連接，DCS 與現場的監控設備實現了互通，與設備的故障診斷實現了互聯。本文設計的系統在工廠中無論是控制方式還是系統的可靠性都滿足了工業生產要求。

1 現場總線技術的DCS 控制系統硬件設計

在需要安裝系統的區域分割成6個小型區域，每個區域安裝DCS 控制系統的控制器。在進行控制器的選擇時，選擇了Rockwell 公司的內核處理器。型號為L61-1433。為了滿足處理器的各處理單元在不同地區進行分工，處理器的內存必需在2.47M以上。采用1/O 處理系統進行數字控制量的改變，控制系統的控制器上共有5個指示燈代表控制器不同的狀態，分別為RS2、RUN、OK、IO 和BAT。指示燈為LED 材質的指示燈，哪個指示燈亮起就代表現在控制器處于哪種狀態。為了加強控制器運行中的穩定性，為控制器配備了相應的隨機存儲器，存儲器用蓄電池作為動力電源，將系統中的運行數據進行儲存，為保證數據存儲的長久性和可靠性，電源不能采用單一續航的方式進行充電，一般還需要額外準備可替換的電池，隨時更換沒電或損壞的電池。并及時將損壞的電池進行維修和更換，控制器中的處理器是獨立存在的，但其中硬件模擬器發生損壞的時候，也并不會因為故障使控制器停止工作。總線系統對信號的要求較高，操作員站的信號接收效果不佳的時候，控制偏差也不會影響處理器正常工作，模擬器產生的參數都由儲存器進行記錄。出現斷電或者電源故障，系統不會出現數據丟失的現象，并在恢復供電之后會自動開啟工作模式，不需要人為重啟自動恢復正常的工作狀態?，F場總線技術也讓控制器具備在線修改組態的功能，程序出現問題的時候可以在線修改，無需暫停程序或重啟程序，十分節省時間。

1.1 基于現場總線技術特征進行儀表選型

基于現場總線技術特征對硬件中的溫度儀表進行選型，溫度儀表采用直讀式刻度版本的儀表，儀表的外側采用保護套管進行保護，這樣溫度指示儀表可以外帶，不會在運輸途中或外界的復雜環境中被損壞。儀表盤采用直徑為150mm 的雙金屬溫度計表殼，三線制Pt100適用于安裝在儀表上，實現溫度測量遠傳效果。儀表中的電阻選擇鉑熱電阻。溫度元件的制作材料比較脆弱，因此都應配備相應型號的保護套管，一般情況下，公稱壓力應采用螺紋與管道連接的方式進行連接。

接頭壓力表的測量精度不可低于2級，因此宜選用表殼直徑為150mm 的儀表外殼。接頭壓力表的壓力控制在5kPa 以上，為了保證壓力檢測的精準性，選擇彈簧管壓力表進行壓力的檢測。由于系統硬件儀表測量物品的特殊性選用膜盒壓力表對細小的零件進行測量，安裝在可以感應到震動的部位。

2 現場總線技術的DCS 控制系統軟件設計

DCS 控制系統可以在Windows 2020上進行操作采用Windows95/98操作系統，并與該計算機系統的數據進行兼容。將數據工廠中的數據在以太網上進行分析，并在顯示器上進行顯示。軟件之間通過各種通訊接口進行連接，在系統中實現應用軟件組合運行可實現多個通訊設備同時進行工作，系統實現多個計算機共享熱點，再告訴以太網中采用OPC 或DDE 熱連接的方式連接SIMATIC 與NET并進行交換，將整個通訊網絡分割成不同的模塊，不同的模塊采取不同的通選方式，在子網中建立可以獨立完成數據通訊工作的網段，儀表的數據傳輸有可以采用新的獨立通訊網段。不同的網段走不同的網絡路徑，提高通訊效率。傳統的現場總線技術在系統中都會因為傳輸數據過多產生以太網擁塞現場，經過本系統的全雙工并行通訊技術，可以提升實際通訊速度，速度提升50%左右，不會產生網絡擁塞的現象。交換技術與現場總線技術相結合可以發揮通訊技術全部必要的傳輸功能，DCS 系統選用工業以太網作為控制站和儀表之間的系統總線，解決系統的通信速率慢的問題。

3 系統測試

通過對本文設計系統進行功能和性能的測試，來判斷本文設計系統能否滿足實際系統控制的需求。功能測試主要是驗證DCS 系統在正常的環境下系統的各項功能是否能實現。性能測試主要測試系統在正常情況下事件處理能力及系統穩定性等問題，系統的軟件測試采用自動測試工具進行測試，驗證的DCS 控制系統的軟件是否能實現規劃中的功能。系統測試需要在固定的測試環境中進行。

3.1 搭建測試環境

系統測試需要在固定的測試環境中進行，分為外部測試環境和內部測試環境，測試環境的參數如表1所示：

表1 測試環境參數

基于以上的系統測試環境對系統的功能進行測試，設計系統功能測試的方法，測試在系統使用的過程中軟件能否在指定的條件下實現對應的功能。表1中的自研軟件TD-Base 可以滿足軟件測試的要求。

3.2 用例測試

進行系統的用例測試，用例的選擇和測試的方法均在表2中體現。

如表2所示，對軟件進行了5項用例測試，分別為系統運行、編輯變量、測試選項菜單、數據儲存和模板處理五種用例，并且都通過了測試。

表2 系統用例測試

3.3 性能測試

系統的硬件進行插入模件的測試，觀察指示燈的狀態變化，在設備報警之后，系統都能馬上恢復工作狀態。在系統運行的情況下，插上模塊在2s 之內系統恢復正常狀態。在設備發生故障的時候，保護開關處于OFF 狀態，為保護設備直接處于斷電狀態。在設備恢復正常的時候連通電源。保證整個系統的安全性。在顯示端口顯示系統的控制誤差，誤差的計算公式為：

誤差計算公式中，Z 測量值，X 為標準值。X1、X2為系統控制的上限和下限。性能測試的實驗結果如圖1所示。

圖1 測試結果

測試結果如圖1所示，隨著信號源的量程值不斷的上升，系統的控制誤差在不斷的下降，在信號源的量程值達到100%的時候，該系統的誤差都達到2以下。

4 結語

本文首先針對現場總線技術的特征和系統的控制要求進行了分析，針對需求進行系統設計?；诒豢刂茖ο蟮膹碗s性和工業生產對速率的要求，將現場總線技術和DCS 集散控制技術結合起來。本文設計的系統充分應用了裝置控制技術，將國內原本不熟悉的技術進行了推廣，詳細論述了系統的構成和DCS 控制的原理，實現了DCS 硬件的配置和軟件的完美結合，設計的系統的將控制誤差降到了最低保障DCS 系統的可靠性。