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现场总线冗余技术的DCS控制系统设计

【现场总线冗余技术的DCS控制系统设计】DCS在控制上的最大特点是依靠各种控制、运算模块的灵活组态，可实现多样化的控制策略以满足不同情况下的需要，使得在单元组合仪表实现起来相当繁琐与复杂的命题变得简单 。随着企业提出的高柔性、高效益的要求，以经典控制理论为基础的控制方案已经不能适应，以多变量预测控制为代表的先进控制策略的提出和成功应用之后，先进过程控制受到了过程工业界的普遍关注 。需要强调的是，广泛应用各种先进控制与优化技术是挖掘并提升DCS综合性能最有效、最直接、也是最具价值的发展方向 。
在实际过程控制系统中，基于PID控制技术的系统占80%以上，PID回路运用优劣在实现装置平稳、高效、优质运行中起到举足轻重的作用，各DCS厂商都以此作为抢占市场的有力竞争砝码，开发出各自的PID自整定软件 。另外，根据DCS的控制功能，在基本的PID算法基础上，可以开发各种改进算法，以满足实际工业控制现场的各种需要，诸如带死区的PID控制、积分分离的PID控制、微分先行的PID控制、不完全微分的PID控制、具有逻辑选择功能的PID控制等等 。
与传统的PID控制不同，基于非参数模型的预测控制算法是通过预测模型预估系统的未来输出的状态，采用滚动优化策略计算当前控制器的输出 。根据实施方案的不同，有各种算法，例如，内模控制、模型算法控制、动态矩阵控制等 。目前，实用预测控制算法已引入DCS，例如IDCOM控制算法软件包已广泛应用于加氢裂化、催化裂化、常压蒸馏、石脑油催化重整等实际工业过程 。此外，还有霍尼韦尔公司的HPC，横河公司的PREDICTROL，山武霍尼韦尔公司在TDC-3000LCN系统中开发的基于卡尔曼滤波器的预测控制器等等 。这类预测控制器不是单纯把卡尔曼滤波器置于以往预测控制之前进行噪声滤波，而是把卡尔曼滤波器作为最优状态推测器，同时进行最优状态推测和噪声滤波 。
先进控制算法还有很多 。目前，国内、外许多控制软件公司和DCS厂商都在竞相开发先进控制和优化控制的工程软件包，希望在组态软件中嵌入先进控制和优化控制策略 。
现场总线冗余技术的DCS控制系统设计随着时间的推移，人们对工业控制系统的要求越来越高，使得国际上许多著名的自动化公司开发出更为复杂的多层结构的工业控制网络 。其中，工业控制网络是工业企业网的重要组成部分，也是工业企业网中不可或缺的一部分 。
1 关于现场总线技术1.1 现场总线的概念
根据国际电工委员会IEC61158标准的定义，现场总线是指应用在制造过程区域现场装置和控制室内自动控制装置之间的包括数字式、多点、串行通信的数据总线，即工业数据总线 。是开放式、数字化、多点通信的底层通信网络 。以现场总线为技术核心的工业控制系统，称为现场总线控制系统FCS（Fieldbus Control System），它是自20世纪80年代末发展起来的新型网络集成式全分布控制系统 。
其中，现场总线系统一般被称为第五代控制系统 。第一代控制系统为50年代前的气动信号控制系统PCS，第二代为4~20mA等电动模拟信号控制系统，第三代为数字计算机集中式控制系统，第四代为70年代中期以来的集散式分布控制系统DCS 。
1.2 现场总线技术
现场总线技术将专用的微处理器置入了传统的测量控制仪表，使其各自都具有了多多少少的数字计算和数字通信能力，成为能独立承担某些控制、通信任务的网络节点 。它们通过普通双绞线、光纤、同轴电缆等多种途径进行信息传输，这样就能够形成以多个测量控制仪表、计算机等作为节点连接成的网络系统 。该网络系统按照规范和公开的通信协议，在位于生产现场的多个微机化自控设备之间，以及现场仪表与用作管理、监控的远程计算机之间，实现数据传输与信息共享，进一步构成了各种适应实际需要的自动控制系统 。如图一所示，为一简单的现场总线系统 。
1.3 现场总线的分类
典型的现场总线技术包括了基金会现场总线FF（FoudaTIon Fieldbus），LonWork现场总线，Profibu现场总线，CAN现场总线以及HART现场总线 。
1.4 现场总线技术的特点
现场总线技术具有系统的开放性，互可操作性与互用性，现场设备的智能化与功能自治性，系统结构的高度分散性以及对现场环境的适应性等 。其中开放系统是指通信协议的公开，不同厂家的设备之间也可以互联并互相交换信息 。一个开放系统可以与任何遵守相同标准的其他设备、系统相连接 。这样用户才可以按照自己的需要把来自不同供应厂商的产品自由组合 。除此之外，现场总线技术还具备以下优点：节省硬件数量与投资，节省安装费用，节省维护开销，用户具有高度的系统集成主动权以及提高了系统的准确性与可靠性 。
2 关于DCS系统2.1 DCS系统的概念
集散控制系统，英文为Total Distributed Control System，即为DCS系统 。它是20世纪70年代中期发展起来的分散型计算机控制系统，并且以微处理器为基础，同时结合了控制技术、通信技术、计算机技术、网络技术和阴极射线管图形显示技术 。该装置是利用计算机技术对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的一种全新的分布式计算机控制系统 。如图二所示，为DCS系统 。
2.2 DCS系统的组成
迄今为止，全世界已经开发各种类型的DCS系统千余种 。虽然各具特色，但是它们在系统组成和控制功能等方面，都有共同的特点 。集散控制系统基本上都由分散过程监控装置、集中操作管理装置和通信系统三大部分组成 。其结构如图三所示 。
集散控制系统的基本结构图
2.3 DCS系统的基本功能
DCS系统虽然形式多样，但是其具备的功能基本上是一样的，包括：输入处理功能、输出处理功能、控制功能、通信功能、人-机接口功能、自诊断功能以及冗余技术、
2.4 DCS系统的优越性
运用分散控制和集中显示、集中操作、集中管理这一基本思想构成的DCS，具有的特点为：控制功能完善、完善的人-机联系和集中监控功能、系统扩展灵活、安全可靠性高、安装调试简单以及具有良好的性能价格比 。
3 现场总线技术与DCS系统的联系3.1 现场总线技术的发展
现场总线技术的发展体现在两个方面，一个是高速现场总线技术的发展，另外一个是低速现场总线领域的继续完善和发展 。就现在而言，现场总线产品主要针对的是低速总线产品，用于运行速率较低的领域，对网络的性能要求不高 。而高速现场总线主要应用于互联控制网、连接控制计算机、处理速度快的设备以及实现低速现场总线网间的连接，是充分实现系统的全分散控制结构所必须的 。但是目前高速现场总线这一环节还相对薄弱 。总体来说，自动化系统与设备将向现场总线体系的结构改变，并且向着趋于开放统一的方向发展 。同时，在单独的现场总线体系下不可能只容纳单一的标准，加上商业利益的驱使，各种现场总线技术都在十分激烈的市场竞争环境中求得发展 。所以有理由认为，在将来的不久，集中总线标准的设备通过路由网关互联并且会实现信息共享的局面 。
3.2 DCS系统的发展
成熟期集散控制系统的研制工作，一方面是硬件和软件技术的不断更新，另一方面是开发高一层次的信息管理系统，以适应企业发展的需要 。从硬件结构上看，这一时期的DCS都在网络节点上连接了系统管理模件，此外还增加了网间连接器 。再之后，DCS把过程控制，监督控制，管理调度更有机地结合了起来 。其特点是综合化、开放化和现场级的智能化 。20世纪90年代以后，随着通信技术、半导体集成技术等的快速发展，以及人们对控制和管理要求的不断提高，出现了新一代的DCS系统 。

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