DCS集散控制系统的设计组态研究

戴冬梅

DCS集散控制系统的设计组态研究

戴冬梅

目前，集散控制系统被越来越多地应用在实际生产中，包括化工、机械、电力以及石油等领域。它是一种综合性的控制系统，是随着生产中自动化水平以及对生产过程监控要求的提高而发展起来的。现在集散控制系统的发展趋向是以个人计算机作为基础并配置以运行稳定的工控组态软件。本文分析了集散控制系统及其设计组态的基本概念、工作原理与具体工作流程，并举例说明了几种常见的组态方式与实际应用。

DCS集散控制系统；设计；组态软件

一、DCS集散控制系统简介

（一）基本概念

DCS集散控制系统又被称为分布式的控制系统，主要用于实际生产过程的集中性管理以及分散性控制，是随着现代实际生产自动化水平以及对生产过程监控要求的提高而发展起来的一种综合性的控制系统。这是一种聚集多种高新技术的新型控制系统，所融合的技术有网络技术、计算机技术、自动控制系统以及通信技术，主要由通信网络、集中管理以及分散控制这三大模块组成，深受现代工业实际生产的青睐并得到了很大的发展。［1］现在集散控制系统发展趋向是以个人计算机作为基础并配置以运行稳定的工控组态软件。

（二）工作过程

为工程师分析实际的生产过程和控制需求，然后对程序模块和硬件的实施组态，主要有选择控制的方案、控制回路组态以及生成趋势的画面等。当组态的工作完成以后，就会有一些组态信息的文件生成。这些组态信息的文件将在系统运行之前根据文件的属性匹配相关的控制单元，然后控制单元就会识别文件中的内容并在控制模块中提供相应的控制算法去执行，最后将结果递送到执行机构，便完成了对应的控制。系统还可以根据系统组态中的内容实现对相关内容的监控。

二、DCS集散控制系统组态软件的研究

组态这一概念是最新出现于工业控制系统的，集散型控制系统的出现带来了组态这一概念。组态广泛应用于自动化生产过程，被每一位自动化技术者所熟知。DCS控制系统都是较比通用的，用户不必编写专门的程序就可以在此控制系统中生成跟自己的需要相适应的应用系统，每一套DCS控制系统中都有预装的应用软件与系统软件，这里所说的应用软件就是组态软件。

DCS控制系统有软件组态和硬件组态，其中的硬件组态中包含：工程师站的选择、操作员站的选择、硬件配置的选择以及现场控制站的选择等；软件组态包含：基本配置组态、应用软件组态，其中基本配置组态的功能是传递给系统一个配置信息。而应用软件组态又包含有两大部分：图形软件组态与控制算法软件组态。控制系统中预装有软件组态，它的作用是用户不必专门编写适合自己的程序就可以生成自己需要的应用软件，软件组态所包含的内容非常丰富以便不同的用户所需。［2］

（一）集散控制系统组态软件的工作原理

集散控制系统组态软件在实际工业控制中的应用，减少了相关工作人员编写程序代码的烦琐工作，而且将一直困扰工程人员不懂计算机相关专业知识以及计算机专业人员不懂工程现场控制相关知识的问题彻底解决，在很大程度上提高了工程控制的工作效率。所以中小型的工业生产控制与工业自动化越来越青睐工程控制组态软件。

组态软件是围绕工程师进行工程控制的思路从而生成与不同用户相适应的不同的用户程序。在DCS集散控制系统中，所有控制模块的程序都是事先编写好的，然后储存在现场控制站的储存器中。组态软件的工作原理是：控制系统软件的工具与基础内容都是固定不变的，而将具体应用的相关部分以文件的形式储存起来，可以随着用户的不同需要进行编辑和修改。也就是说不同的用户可以根据自己的实际需要更改组态软件中的报表文件、系统配置文件、控制回路文件、控制参数文件等文件数据，组态软件可以根据用户的需要灵活地组件组态方式且声称相应的数据文件，从而实现具体的控制方案。［3］

（二）DCS集散控制系统组态的工作内容

一般情况下，组态软件的实际工作包括以下方面。

1.生成实时数据库。DCS控制系统中最基本也是最重要的资源便是实时数据库。它在整个控制软件中起着核心的作用，而且它的数据在系统运行的过程中是在不断更新的，数据库中的数据内容是系统对于对象控制状态的直接显示。实时数据库中储存由很多渠道得来的数据，当控制需要时可以直接在实时数据库中获得，与此同时，执行中的结果以及中间设定的值都会及时地存放在此数据库中。

图1　组态数据库工作流程图

2.生成历史数据库。利用计算机对一项实际生产进行控制与管理的显著性优势为：计算机能够对所控制的资料很方便地进行分析、采集与储存，而实现以上过程就要在计算机系统之后生成一个项目管理的历史数据库来记录项目控制的所有历史数据。其中历史数据中所包含的内容有：

（1）短时间间隔的趋势显示所采用的是历史数据库，其所应用的数据结构一般为循环资料缓冲区。

（2）长时间间隔历史资料的有关存储，这一类的资料一般存放的时间为几天到一个月或者更长。这类资料最后都是要存放在磁盘中的。

（3）带有计算的、长时间间隔的历史资料的存储，这类结构相似于第二种情况下的结构。［2］

3.控制回路组态。控制回路组态是用来完成某一特定的控制功能的，这一功能是利用某一方法连接相应的控制算法模块来实现的。它的实现方式主要有两种：回答问题或者填表的方式；利用图形形象地表示回路结构及算法。第一种方法比较复杂且不容易被掌握；第二种方法比较直观、思路清晰，层次分明、屏幕整洁、整体性良好，也便于掌握。这种方法在完成相应的编辑之后就能够及时生成相应的目标文件，文件可以是宏代码也可以是把控制算法的执行代码转变成的标准库。

4.相关图形的生成。用图形显示所需要的内容在实际的工业生产控制中是非常有必要的。因为图形的显示可以让负责操作的人员一目了然地了解控制现场的情况，而且有一些显示过程变化的曲线还能够对控制操作的人员起到一定的指导作用。工业实际生产中的相关图形所显示的内容一般可以分为两种：一是作为背景的静态图画，二是跟随记录的实时数据而一直变化的动态的图形。除此之外，在这些动态的图形上面可以设置一些特殊的动态点，每当光标指示到这些点的时候，可以通过按下一些功能键的方式来打开所需的窗口。

在系统生成画面会相应地生成一个下装的文件，可以将每一图画所显示的信息分别地存放在这个文件之中，图画所显示的信息包括背景图画的信息、动态点的信息以及子图画的信息。［4］

总而言之，一个成熟组态软件的采用可以使控制者减少编程的烦琐环节，能够专心地去考虑控制回路中所涉及的问题，而且也可以很大程度上提高系统软件的可靠性。

（三）DCS工程项目的具体作业流程

每一项DCS项目都要经历一系列的阶段过程，这些阶段主要包括前期准备、选型阶段、合同签订、系统设计、实际安装调试、后期运行维护。

其中，前期准备阶段跟工程设计阶段的关系如下图所示。

图2　前期准备与工程设计阶段的图解

（四）常用的几种组态方式及其实际应用

1.功能框表填充组态。大型的集散控制系统中经常采用的组态方式便是功能框表填充法，在利用这一种的组态方式时，首先需要搞清楚的就是该控制系统将要和哪一些功能模块进行连接以及要如何连接，然后将这些内容填写到相应的表格之中，这样方便将其输入控制器中。一般流程是先对输入点进行组态，然后对每个回路进行组态，最后对每一个输出点进行组态。功能框表填充法的组态方式是一种相对较灵活的组态方式，它不仅可以实现系统配置的组态，还可以实现控制组态。

2.用组态语言进行控制组态。我国的组态软件中大部分所采用的是组态语言的方式，因为很多的集散控制系统都给用户提供了专门的组态语言，用来方便用户完成相应的控制组态。组态语言的针对性较强，它的形式与高级语言的形式相似，其基本的元素是语句。这种方式除了有普通的逻辑运算、算术、程控语句和函数以外，还有一些可以直接控制工业设备和操作执行机构的语言，组态语言相似于高级语言的编程。

3.图形组态。目前国内除了以上介绍的两种组态方式以外还出现的一种新型的组态方式即为图形组态法。这种组态方式的原理和语言组态方式是类似的，不过它组态每个控制回路的方式不是用编程语言，而是用控制的框图来代替。［5］这种组态方式实现起来一目了然，让人能够很清楚地读出系统所提示的信息，而且屏幕上所显示的每个模块之间的相互联系也非常清晰，很容易识别系统中所出现的错误。更重要的是，工程师在组态的时候不必费尽心思去斟酌编程语言的语法结构，所以大大地压缩了系统开发所需要的时间。依照我国目前的状况来看，这种组态方式并没有语言编程的方式灵活以及成熟，不过使用起来比较方便。

不同的领域中集散控制系统的结构也不尽相同，为了使得集散控制系统便于操作，我国的DCS集散控制系统还有待进一步的发展，因此，开发通用且小型的组态软件是很有必要的。

［1］邓红霞.DCS集散控制系统设计组态及应用［D］.华东师范大学，2009.

［2］麻建华.集散控制系统组态软件的设计［D］.电子科技大学，2007.

［4］吴秋峰.集散控制系统概述［J］.石油工业计算机应用.1995（4）：1-12.

［5］王英.集散控制系统组态软件的设计与实现［D］.辽宁工程技术大学，2002.

责任编辑：郭一鹤

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1671-6531（2015）21-0148-03

戴冬梅/娄底职业技术学院讲师，硕士（湖南娄底417000）。