DCS在制造业工业中的自动控制应用

李 明

（重庆工程职业技术学院，重庆 400052）

0 引言

进入二十一世纪，伴随经济的发展，计算机技术的飞跃，制造业、工业遇到了新的机遇也面临挑战，需要研究新的制造技术、新型的制造模式等。计算机信息管理系统在制造业、金融业、商业等各种行业都有应用，进行管理和决策。制造业在这方面的应用又区别于其他行业，它需要解决生产过程和控制方面的问题。DCS系统是制造业计算机信息管理的一个基本模式。DCS即集散控制系统，采用分散控制、集中操作的管理思想。DCS利用操作站管理、操作、监视整个过程，用控制站分散控制各过程。提高工业、制造业的产品质量、提高生产自动化水平和劳动生产率。

1 DCS概述

集散控制系统主要对象是大型的工业、制造业生产等，从综合自动化方向考虑，研发原则为分解和协调，其核心是微处理器，并结合控制技术、通信和显示技术的一种新型控制系统。一个典型的DCS结构分为不同的四层：

现场级：主要设备是传感器、执行器、变送器等。位于被控生产的附近，将物理量转化成电信号。

控制级：分成数据采集站和过程控制站。负责接收现场设备送来的信号，经过计算和转换后，发回现场执行。两者的区别是数据采集站无法直接实现控制功能。

监控级：观察生产过程的运行，读取数值、调整设定值、操作设备；归类、整理、打印报表等；监督控制生产过程。

管理级：监测运行状况，预测未知情况，辅助管理人员决策，实现规划目标。

DCS具有许多优良特性，连接方式灵活，内容多样，危险和功能分散：

集中监控：主要是监视任务，并具备一定管理功能。配备齐全的设备，还有良好的用户界面，能够实现高级控制、质量评估。

分散控制：除了将控制分散，还包括人员、地区、设备、功能等分散，可以将危险分散降低，提高设备的利用率。

系统开放性：包括可移植性、互操作性、适宜性、可用性。大大提高了系统的适应性和灵活性，使产品应用、变换更方便。

2 DCS系统结构

本文DCS系统结构如图1所示，上位机采用SUPCON JX-300，主要组成包括工程师站、操作站、控制站和过程控制网络等。其中通信网络结构是一个三层网络，上层为信息管理网，TCP/IP的以太网，连接至各部门，实现全部的管理通信。中间是过程控制层，称作SCnet II。连接网络其他部分，实现信息传输。底层是控制站内部，指挥式令牌网，转发协议，是系统的主要性能指标。

2.1 通信网络

图1 DCS系统结构图

信息管理网利用MFS上安装双重网络接口，将企业信息管理网和中间层Scnet II进行桥接，获取JX-300系统的运行信息和过程参数，同时向下传送上层管理的调度指令和相关的指导信息。采用大型数据库，实现决策、统计、调度等。

2.1.1 Scnet II网

双高速冗余以太网SCnet II。它直接连接系统的控制站、操作站、工程师站等，传送过程利用它控制实时信息通道，自动化、可靠性很高，SCnet II还能连接上层信息管理网或其他设备。

SCnet II网络系统是在10base Ethernet上开发的，都是采用以太网控制器做为各个节点的通讯接口，传输符合TCP/IP和UDP/IP协议。

SCnet II网络采用如图2的双重化冗余结构，根据图中所示，如果任何一条通讯线发生故障，并不影响网络的数据传输问题。

图2 SCnet II网络的双重化冗余结构

2.1.2 SBUS总线

主要负责主控制卡、数据转发卡和I/0卡的信息交换。

SBUS总线一共分成两层：

第一层现场总线，物理上在控制站的I/O机笼间，主要负责信息交换，连接主控制卡和数据转发卡。

第二层SBUS-S1网络。位于各I/0机笼内，连接数据转发卡和各块I/O卡件的信息交换任务。

2.2 操作站

硬件包括显示器、IPC、SCnet II网卡、专用键盘和打印机等。工程师站的硬件配置和操作站的大致相同，软件配置上稍微有所区别，工程师站安装了操作、监视、系统组态、维护等软件。

2.3 控制站

直接连接现场的I/O单元，对整个生产过程实时监控。通过硬件和软件配置的不同构成不同的结构，包括逻辑控制站、数据采集站等。控制站的核心是主控制卡，通过高速网络实现信号I/O。同时完成数据采集、控制和各种算法。

3 系统组态

DCS系统具有复杂性和通用性，使得现场有许多功能和参数要由用户设定。将用户为系统设定各项参数的操作成为“系统组态”。本文选用的监控软件为SCKey组态软件，界面友好、支持各种控制方案。图3为组态设计流程图：

图3 组态设计流程图

JX-300系统最多15个控制站，IP地址范围2～31，控制站包括相互冗余的两块主控制卡，每一块使用不同的网络码，IP不能重复。地址和主控卡硬件的跳线地址匹配。操作站（工程师站）最多能有32组，每个站有两块冗余的网卡，它们享用一个IP，但是网络码不同，IP也是统一编排，不能重复。控制站的网络节点可扩展，其总线结构也能扩展I/O卡件。I/O组态包括数据转发卡、I/O卡件、信号点的设置。

4 DCS的系统监控

系统I/O组态完成后，就要用控制方案来对实现信号和要求的控制。控制组态分为常规和自定义控制方案，本文选择自定义控制方案中的图形编程方式实现控制功能。工作原理是模拟量输入信号的测量值进入回路，根据质量码信息判断是否有报警，再根据给定值切换开关状态选择同路的外给定或内给定，外给定，则同路给定值ESV成员的值；内给定，则取SV成员值或监控画面回路中SV值，同时得到偏差值SV—PV，若超出偏差报警限则报警。若需要输入补偿，则利用JA引脚实现，补偿后信号将用PID参数调节；如果有输出补偿，通过输出引脚完成。PID调节和补偿在回路投自动的情况下完成。即开关swAM调制ON,若跟踪开关swTV为OFF，回路MV引脚MV引出。如果swAMOFF．即手动控制时操作员可手动调节MV。若swTV为ON，则MV直接输出TV引脚的值。

5 结论

本文选用了SUPCON JX-300X的DCS系统来设计实现对工业、制造业自动化控制技术，设计和实现了系统的硬件和组态设计。系统具有良好的自动化程度、管理水平强、提高生产率，便于管理层监督和控制生产过程。DCS技术在各类行业的自动化控制中发挥了巨大作用，随着对其研究的深入和技术的成熟，将不断完善和广泛应用。

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