基于现场总线冗余技术的DCS控制系统设计探析

陆杰锋 徐燕娟

摘  要：DCS控制系統的功能十分强大，如PID控制、串级控制、连续控制等，广泛应用在各个行业的生产环节中，可以实现最优控制精度。在文章中，以现场中总线冗余技术为前提，对DCS控制系统的具体设计架构进行分析。然后结合实际情况，对具体的设计方式予以探究，主要包括T3000对象、总线控制系统两部分。基于此，可以为相关人员提供参考，优化DCS控制系统的设计方式，强化其整体性能。

关键词：现场总线;冗余技术;DCS控制系统;系统设计

中图分类号：TP273        文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）25-0101-02

Abstract： The function of DCS control system is very powerful， such as PID control， cascade control， continuous control and so on. It is widely used in various industries to achieve optimal control accuracy. In this paper， on the premise of field bus redundancy technology， the specific design architecture of DCS control system is analyzed. Then， combined with the actual situation， the specific design method is explored， including T3000 object and bus control system. Based on this， we can provide reference for the relevant personnel， optimize the design of DCS control system， and strengthen its overall performance.

Keywords： field bus; redundancy technology; DCS control system; system design

前言

DCS控制系统，即Distributed Control System分布式控制系统。对于该系统的功能而言，可以满足大型工业生产控制的相关需求。系统主要以综合自动化角度出发，实现与过程监控、过程控制的结合，同时还融入了4C技术、计算机技术、通讯技术、显示与控制技术等。由此可见，DCS控制系统具有较强的综合性，能够为工作人员提供诸多便利。

1 基于现场总线冗余技术的DCS控制系统设计架构

在本文的分析中，主要将现场总线的高级控制过程，作为DCS控制系统的试验对象。具体而言，FF现场总线控制系统作为本次实验的核心系统，同时还将其作为常规模拟量I/O分布控制系统、以太网关接入系统。另外，EPA以太网控制系统，则主要应用于控制系统、测量系统，并对工业以太网、FF现场总线的运行提供支持。总线冗余控制系统的结构图，如图1所示。对于DCS控制系统的构成而言，主要涉及以下几方面：（1）现场总线过程T3000控制系统，为本次实验的对象。（2）FF现场总线控制系统，包括FF总线DCS系统、常规模拟量I/O模块控制。（3）EPA现场总线控制系统，包括DCS系统、常规模拟量I/O模块控制。（4）工控平台以及软件系统[1]。图1为总线冗余控制系统的结构图。

2 基于现场总线冗余技术的DCS控制系统设计方式

在设计DCS控制系统的过程中，需要在T3000装置上确定9个点，并将检测传感智能仪表安装在点上。其中，所有控制系统、仪表检测均与信号控制柜进行连接。将信号柜的模拟信号引出，即4mA至20mA。然后，通过1入、2出的连接方式实现对隔离变送器信号的划分。一路信号在通过IF模块以后，可以实现对电流信号的转换，在形成FF总线以后直接进入总线控制系统。基于此，能够对现场信号进行检测、监控与显示。另一路信号则与EPA总线控制系统直接连接，同时完成以上功能。随后的设计工作主要体现在以下几方面：

2.1 设计T3000对象

在本次实验中，其所需要的控制对象主要有复合加热水箱、储水箱、有机玻璃水箱，系统以两条独立闭环回路为主，最终形成相应的闭环回馈系统。实验设计过程中，将智能仪表、执行机构安装在不同的回路上，便可以满足高级过程控制实验的既定要求。不仅如此，还可以通过实验控制的方式对串级控制进行测试，发现其具有较强的扩展性、灵活性、通用性。由于本次实验的流程中，选择了9个不同的测试点，在安装FF协议智能仪表、EPA协议智能仪表、HART协议智能仪表的基础上，形成了一个高级的、完整的过程控制系统。基于此，有效提高了DCS控制系统的性能，对于发挥现场总线冗余技术、优化现场控制方式具有重要意义[2]。

2.2 设计总线控制系统

在DCS控制系统中所安装的诸多智能仪表，其信号采用1入、2出的方式，实现对隔离变送器的分离。然后将两个不同的总线与控制系统相互连接，最终实现总线冗余的目的，为实现现场控制奠定坚实的基础。具体而言，设计总线控制系统的过程中，必须结合实际需求，实现对FF总线控制系统、EPA现场总线控制系统的合理设计，最大程度上提高系统运行的稳定性，强化其整体性能。具体的设计方式主要包括以下几方面：

2.2.1 FF总线控制系统

本文所选择的FF总线DCS控制系统，实际上属于新一代分布式现场总线控制系统。在该系统中，可以将FF现场总线技术、DCS控制系统进行紧密融合。因此，现场控制的过程中能够实现对传统硬件接线方式的利用，并对现场设备进行监控。另外，还可以通过现场总线方式实现对智能设备的控制，因此适合应用在大规模、中规模的工业生产控制中。将其作为前提，可以有效强化逻辑控制功能、批处理控制功能、过程控制功能等，进而满足化工、石油、污水处理、焦化、水泥、冶金等行业的有效控制。

由于隔離变送器所输入的信号中，包含一路可以与IF模块连接的信号，并在转换成为FF总线信号以后，实现与DCS控制站之间的连接。通过交换机实现与数据服务器、操作员站、工程师站之间连接，形成完整的FF现场总线DCS系统。对于工程师站而言，其可以实现对操作指令、软硬件资源等组态过程的定义。操作员站则主要应用于人机交互方面，包括记录打印报表、趋势显示、报警、监视、操作等，基于对流程界面直观监控，便于工作人员随时调整系统的控制方式，提高工作的针对性、合理性。除此之外，系统中数据服务器，主要具有日记记录、历史数据存储的功能，便于为后续的控制、分析对比等，提供有价值的参考，彰显系统数据在现场控制中的重要作用[3]。

2.2.2 EPA现场总线控制系统

在设计EPA现场总线控制系统的过程中，需要将针对性的技术应用在其中。EPA属于一种全新的控制技术，适合应用在工业现场设备的控制中，能够实现开放性实时以太网的既定标准。以现场总线冗余技术为前提，EPA可以将更多先进的、成熟的IT技术，广泛应用在各个行业的控制系统中。在此前提下，能够充分发挥以太网的标准、稳定、高效的优势，同时还可以实现对UDP/IP协议的合理调度。将其作为基础，能够在现场设备的运行中，构建一套全新的实时工作监控标准。

另外，由于隔离变送器所输出的信号中，有一路信号与EPA总线直接连接，并传输至DCS控制站中。所以能够利用数据服务器、操作员站、工作站与交换机之间的连接，实现构建EPA现场总线控制系统的目标。通过以上的设计，可以实现现场总线冗余技术、DCS控制系统之间的融合，最终强化系统的整体性能，为工业生产过程的监控、管理提供强有力的技术支持，降低了现场操作人员的控制难度。

3 结束语

综上所述，以现场总线冗余技术为基础设计的DCS控制系统，其整体架构相对复杂，因此必须采用合理的方式，开展并推进设计工作。在具体的设计工作中，可以将硬件、软件进行相应的结合，进而满足模拟仿真、实践一体化的要求。在实践应用中，为了能够获得理想的实验效果，工作人员需要对诸多工业过程量进行合理控制，包括液位、流量、压力、温度等参数，进而充分发挥DCS控制系统的作用，并彰显现场总线冗余技术的价值。

参考文献：

[1]纪亚芳，张志刚.基于模糊PID的双容水箱液位控制系统设计[J].山西师范大学学报（自然科学版），2019（02）：37-40.

[2]黄海燕.基于S7-1200 PLC立体仓库码垛机控制系统设计[J].机电工程技术，2019（05）：37-41.

[3]张红春，刘涛，王一民.基于SNCR法的沥青拌和站脱硝装置控制系统设计[J].交通世界，2019（14）：153-155.