分散控制應(yīng)用技術(shù)分析論文

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摘要：文章分析了DCS系統(tǒng)在現(xiàn)階段火力發(fā)電廠過程控制領(lǐng)域扮演重要角色的原因，闡述了DCS系統(tǒng)在過程控制實(shí)際應(yīng)用中存在的一些主要問題。并對在浙江省內(nèi)發(fā)電廠中應(yīng)用的幾種DCS系統(tǒng)在一些方面作了比較。

關(guān)鍵詞：分散控制系統(tǒng)DCS應(yīng)用技術(shù)故障分散

1引言

DCS（DistributedControlSystem）系統(tǒng)在火電廠發(fā)電機(jī)組過程控制中的應(yīng)用已有十多年的歷史了，而且正在越來越多地得到應(yīng)用。當(dāng)今流行的DCS系統(tǒng)有C＆E的MOD－300，HONEYWELL的TDC－3000，F(xiàn)OXBORO的I／AS，日本橫河的CENTUMXL，WESTINGHOUSE的WDPF，BAILEY的INFI－90，SIEMANS的TELEPERMME／XP。就目前這幾家主要DCS廠商所提供的系統(tǒng)來看，在應(yīng)用上均不同程度地存在一些問題，例如系統(tǒng)可靠性，實(shí)時性，系統(tǒng)組態(tài)的靈活便捷性等都有待進(jìn)一步突破。本文對DCS系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中存在的一些問題加以分析探討。

2DCS系統(tǒng)推出的初衷

DCS系統(tǒng)的推出并逐步發(fā)展成為過程控制領(lǐng)域的主角是由于以下一些原因：

（1）現(xiàn)代化的生產(chǎn)工藝系統(tǒng)日趨大型化，復(fù)雜化，需要檢測和控制的參數(shù)大量增加，使得傳統(tǒng)的儀表控制系統(tǒng)顯得難以勝任，勢必得另辟蹊徑。

（2）傳統(tǒng)的儀表控制系統(tǒng)通常使用多個生產(chǎn)廠家提供的產(chǎn)品，使得工藝生產(chǎn)所需的備品備件品種繁多，為此而化費(fèi)大量人力物力，并且工藝生產(chǎn)在相當(dāng)程度上依賴這些儀表生產(chǎn)廠商。這一狀況也希望有所改變。

（3）數(shù)字電路技術(shù)的迅猛發(fā)展，尤其是大規(guī)模集成電路技術(shù)的應(yīng)用，集成度以及成品率大幅度提高，使得在過程控制中大量使用微處理器在成本上成為可能。

（4）自動化控制理論的發(fā)展，特別是連續(xù)系統(tǒng)離散化理論，采樣理論，這些理論大大地推進(jìn)了過程控制從傳統(tǒng)的儀表控制系統(tǒng)向DCS系統(tǒng)變革的進(jìn)程。

（5）通訊理論和技術(shù)的發(fā)展，在對局域網(wǎng)（LAN）的大量研究過程中，通訊理論和技術(shù)得到了極大的發(fā)展和完善，這方面對DCS系統(tǒng)發(fā)展的影響是舉足輕重的。

（6）計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，尤其是微軟公司的WINDOWS－95這樣的操作系統(tǒng)軟件的推出，為計算機(jī)在過程控制系統(tǒng)中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，計算機(jī)和操作人員之間有了良好的界面，使不具備計算機(jī)專門知識的操作人員樂于接受。

（7）計算機(jī)集中控制系統(tǒng)存在固有的一些缺陷如故障集中，因此為了提高可靠性而需要巨大的費(fèi)用，集中控制系統(tǒng)需要較大規(guī)模的計算機(jī)，價錢昂貴。相對來說DCS系統(tǒng)所用的微處理器和微機(jī)要便宜得多，故障相對分散，并且DCS系統(tǒng)中的微機(jī)或微處理器是并行運(yùn)行的，相對于集中控制系統(tǒng)計算機(jī)的串行運(yùn)行來說處理速度也大大提高，因此具有更高的實(shí)時性指標(biāo)，這些是DCS系統(tǒng)優(yōu)于集中控制系統(tǒng)而得到迅速發(fā)展的關(guān)鍵所在。

以上列舉了足以說明為什么DCS系統(tǒng)會在過程控制領(lǐng)域一顯身手的主要原因。現(xiàn)在來看看最初推出DCS系統(tǒng)的一些初衷。

DCS系統(tǒng)是相對于計算機(jī)集中控制系統(tǒng)而言的計算機(jī)（或微機(jī)）控制系統(tǒng)，它是在對計算機(jī)局域網(wǎng)的研究基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是過程控制專家們借用計算機(jī)局域網(wǎng)的研究成果，把局域網(wǎng)變成一個實(shí)時性、可靠性要求很高的網(wǎng)絡(luò)型控制系統(tǒng)，運(yùn)用于過程控制領(lǐng)域。專家們把這樣的一個網(wǎng)絡(luò)型控制系統(tǒng)稱之為DCS。專家們的初衷應(yīng)該是，這樣的控制系統(tǒng)至少帶來以下一些好處：

（1）故障分散。這是推出DCS系統(tǒng)的最大理由，DCS系統(tǒng)就是要解決集中控制系統(tǒng)致命的弱點(diǎn)，“故障集中”。故障分散的理由是DCS系統(tǒng)采用了大量的微處理器，各個微處理器承擔(dān)一個范圍較小的（地域上）控制任務(wù)，某個微處理器故障不會影響整個系統(tǒng)的正常工作。

（2）縮小控制室尺寸或控制表盤的長度。

（3）大量縮減控制系統(tǒng)所需的電纜。

（4）大量減少控制系統(tǒng)所需的備品備件種類及數(shù)量。

（5）減少工藝生產(chǎn)的運(yùn)行對儀表控制設(shè)備廠商的依賴，減少儀控人員培訓(xùn)所需的費(fèi)用。

（6）提供了控制系統(tǒng)構(gòu)成的靈活性，具有組態(tài)便利和可擴(kuò)展性。

（7）實(shí)現(xiàn)過程實(shí)時參數(shù)和歷史數(shù)據(jù)的管理，提供性能計算，設(shè)備壽命計算功能。這一點(diǎn)是傳統(tǒng)的儀表控制系統(tǒng)所望塵莫及的。

3目前階段市場能提供的DCS系統(tǒng)的實(shí)際能力

從在浙江省電力系統(tǒng)發(fā)電廠中應(yīng)用的BAILEY的INFI－90，C＆E的MOD－300以及SIEMENSR的TELEPERM－ME／XP等DCS系統(tǒng)來考察，筆者的見解如下：

（1）關(guān)于故障分散。相信大多數(shù)DCS系統(tǒng)生產(chǎn)廠商現(xiàn)階段所提供的系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中并非想象的那么“故障分散”。事實(shí)上，由于DCS系統(tǒng)在應(yīng)用技術(shù)方面尚存在一些問題，1臺由DCS系統(tǒng)控制的火電廠單元發(fā)電機(jī)組，因DCS系統(tǒng)的某些故障而被迫停運(yùn)的情況時有發(fā)生。這一點(diǎn)與傳統(tǒng)的儀表控制系統(tǒng)相比后者似乎要優(yōu)于前者。正因為這樣，DCS系統(tǒng)的構(gòu)成越接近傳統(tǒng)的儀表控制系統(tǒng)，即微處理器或多功能控制器所承擔(dān)的控制任務(wù)從地域上越分散，越能做到故障分散。從這一點(diǎn)上看，SIEMAMS的系統(tǒng)做得較好，它的一塊控制卡件（帶有微處理器，可與其他卡件或通過通訊總線與其他子系統(tǒng)如操作員站工程師工作站等通訊）只承擔(dān)2～4個電動機(jī)或電動門的開環(huán)控制回路，或1～2個閉環(huán)控制回路，并且這塊卡件既承擔(dān)邏輯控制功能，又承擔(dān)與這些邏輯控制有關(guān)的I／O功能。這樣做對故障分散是十分有利的。然而，其它的系統(tǒng)通常把許多過程控制任務(wù)集中在少數(shù)多功能控制卡件或微處理器身上，把過程控制的輸入輸出即I／O功能集中在I／O卡件上。這些系統(tǒng)客觀上是把過程控制的故障集中起來而不是把它們分散，似乎有悖于“DCS”這個名稱。不過SIE－MANS的系統(tǒng)也有問題，它的ETHERNET與ME系統(tǒng)的通訊還有些問題需要解決。SIEMANS的TELEPERM－ME系統(tǒng)是一個非常成熟的系統(tǒng)，ME系統(tǒng)加上ETHERNET網(wǎng)絡(luò)就是最新推出的TELEPERM－EM／XP系統(tǒng)（浙江臺州發(fā)電廠四期兩臺330MW機(jī)組中應(yīng)用），因為是新的系統(tǒng)，相信許多應(yīng)用軟件（尤其是那些有關(guān)通訊的軟件）還得經(jīng)歷時間的考驗。如果這些問題得到了解決，則無論從故障分散這個角度還是其它方面例如制造工藝來看，它都占有一定程度的優(yōu)勢。DCS，故障分散，似乎SIEMANS的路子是走對了，因為他們的系統(tǒng)最接近傳統(tǒng)的儀表控制系統(tǒng)，控制功能比較分散，要做到故障分散，一定得把控制功能分散。

（2）關(guān)于控制室的尺寸和表盤長度。這一點(diǎn)所有的DCS系統(tǒng)都做得到。不過與傳統(tǒng)的儀表控制系統(tǒng)相比，電子室的尺寸和設(shè)備相對增加，這一點(diǎn)DCS系統(tǒng)給我們帶來的實(shí)際利益并不顯著。

（3）關(guān)于節(jié)約電纜。由于DCS系統(tǒng)所采用的設(shè)備器件在現(xiàn)階段來說仍然是比較嬌貴，對現(xiàn)場環(huán)境的要求比較高，例如需要防塵和空調(diào)，REMOTEI／O還不能大量使用，因此，DCS系統(tǒng)的主要設(shè)備都需要安置在條件比較好的電子室，大量的現(xiàn)場信號仍然需用電纜接到電子室。所以說，與傳統(tǒng)的儀表控制系統(tǒng)相比，電纜有所縮減，但效益有限。

（4）關(guān)于減少備品備件的種類和數(shù)量。備品備件的種類和數(shù)量有所減少，并且需要與之打交道的儀表控制設(shè)備制造廠商也有所減少。

（5）關(guān)于減少機(jī)組運(yùn)行對儀表控制設(shè)備制造廠商的依賴，減少儀控人員技術(shù)培訓(xùn)所需的費(fèi)用。由于DCS系統(tǒng)在應(yīng)用技術(shù)方面還不能盡如人意，因此，機(jī)組運(yùn)行對DCS系統(tǒng)生產(chǎn)廠商的依賴不但沒減少反而有所增加，尤其在機(jī)組新建成投產(chǎn)期間，DCS生產(chǎn)廠家派往工地的專家服務(wù)似乎成了機(jī)組投產(chǎn)調(diào)試期間必不可少的了。為了用好DCS系統(tǒng)需要培訓(xùn)的工程技術(shù)人員也有所增加，因此培訓(xùn)所需費(fèi)用也有所增加。

（6）關(guān)于控制系統(tǒng)構(gòu)成的靈活性，組態(tài)的便捷性和系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。系統(tǒng)構(gòu)成的靈活性以及系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，這一點(diǎn)確實(shí)是傳統(tǒng)的儀表控制系統(tǒng)無法與之相比的。大多數(shù)DCS系統(tǒng)的組態(tài)也是比較方便的。不過多數(shù)系統(tǒng)在在線組態(tài)功能方面尚有許多工作可做，好多系統(tǒng)為離線組態(tài)，在工程師站編程，然后編譯，再下載。并且有些系統(tǒng)這一過程比較費(fèi)時，在調(diào)試期間這一問題尤其突出。關(guān)于這個問題，SIEMANS的系統(tǒng)較有特色，它不但在線組態(tài)，而且設(shè)計有仿真功能，這給調(diào)試工作帶來極大的方便。

（7）關(guān)于DCS系統(tǒng)提供了一些獨(dú)特的控制功能，如歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時數(shù)據(jù)的管理，性能計算等等。這一點(diǎn)是傳統(tǒng)的儀表控制系統(tǒng)所無可比擬的，正是由于DCS的這些優(yōu)勢，把過程控制推向一個新的更高層次的領(lǐng)域。

綜上所述，現(xiàn)階段市場所能提供的DCS系統(tǒng)在應(yīng)用中帶來的益處遠(yuǎn)沒有象我們想象的那么多。當(dāng)然，DCS系統(tǒng)解決了現(xiàn)代化大生產(chǎn)中過程控制傳統(tǒng)的儀表控制系統(tǒng)難以勝任這一問題，而相對于計算機(jī)集中控制來說故障還是分散的，在許多方面有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，是傳統(tǒng)的儀表控制系統(tǒng)和計算機(jī)集中控制系統(tǒng)所無法比擬的。

4應(yīng)用中存在的一些問題

現(xiàn)在的DCS系統(tǒng)在應(yīng)用技術(shù)方面尚有以下一些問題：

（1）故障分散。目前的DCS系統(tǒng)還沒有做到真正意義上的故障分散，這一方面是由于目前的器件仍然比較嬌貴，因此控制系統(tǒng)在地域上做到分散還不能實(shí)現(xiàn)（盡量接近傳統(tǒng)的儀表控制系統(tǒng)）。工業(yè)控制的現(xiàn)場條件一般是比較惡劣的，粉塵，溫度，濕度對現(xiàn)階段廠商所能提供的遠(yuǎn)程I／O卡來說仍然難以適應(yīng)。如北侖電廠1號機(jī)有些I／O卡只能相對集中放置在現(xiàn)場，在調(diào)試期間也曾經(jīng)發(fā)生過因為這些I／O柜進(jìn)水而影響整個系統(tǒng)的正常運(yùn)行。再如北侖電廠3號機(jī)在循泵房設(shè)置了遠(yuǎn)方I／O柜，電纜當(dāng)然是節(jié)約一些，但I(xiàn)／O柜上設(shè)置了小空調(diào)，費(fèi)用仍然省不了多少。另一方面，設(shè)計上控制功能還不夠分散，包括DCS系統(tǒng)本身的設(shè)計和工程設(shè)計兩方面。如MOD－300系統(tǒng)，它的I／O太集中，I／O卡的故障會影響系統(tǒng)的正常工作。另外，機(jī)組的輔機(jī)控制是由可編程邏輯控制器即PLC系統(tǒng)完成的，它與MOD－300系統(tǒng)之間通訊用了一個GATEWAY，這個GATEWAY成了整個控制系統(tǒng)的一個瓶頸，一旦它發(fā)生故障，就會影響機(jī)組的正常運(yùn)行。再如北侖電廠3號機(jī)的系統(tǒng)，機(jī)組的輔機(jī)控制由它的SCS子系統(tǒng)完成，SCS子系統(tǒng)的一個MFP設(shè)計了300點(diǎn)左右的I／O卡，并且一塊I／O卡16點(diǎn)又設(shè)計成用于不同的控制對象，即一個被控對象要用到好幾塊I／O卡。因此，一塊I／O卡故障，要影響好幾個控制對象的正常工作，一個控制對象要檢修，要牽涉到好幾塊I／O卡。另外，一個MFP所包含的被控對象也太多，一塊MFP卡的故障會影響好些控制回路的正常工作。象這樣設(shè)計的控制系統(tǒng)，勢必對卡件或者系統(tǒng)的可靠性要求很高。

文獻(xiàn)［1］和文獻(xiàn)［3］都談到了目前已有一些廠商在研究或已推出一種稱為FCS的系統(tǒng)，即現(xiàn)場智能儀表結(jié)合現(xiàn)場總線技術(shù)構(gòu)成的過程控制系統(tǒng)。顯然，這樣的系統(tǒng)十分接近傳統(tǒng)的儀表控制系統(tǒng)。從理論上講，智能化的控制儀表就放置在被控設(shè)備附近，控制功能在地域上可以徹底分散，因此，故障也可以徹底分散。但是，實(shí)際上就目前的元器件生產(chǎn)技術(shù)水平以及計算機(jī)技術(shù)通訊技術(shù)現(xiàn)狀來說，F(xiàn)CS也許同樣得面臨DCS所面臨的困難。首先，F(xiàn)CS得解決工業(yè)控制現(xiàn)場環(huán)境十分惡劣的問題。其次，現(xiàn)場控制設(shè)備空間分布，地域上十分分散，現(xiàn)場總線的連接不是一件易事，通訊上也將面臨節(jié)點(diǎn)太多的困難。

（2）實(shí)時性。過程控制要求控制系統(tǒng)有很高的實(shí)時性。目前的系統(tǒng)由于通訊技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的限制，在實(shí)時性方面仍然有待提高，如早期的MOD－300系統(tǒng)，操作一個閥門，從操作員按鍵發(fā)出命令到在屏幕上看到反饋信號要十幾秒時間。后來經(jīng)過硬件升級，更換成新一代芯片，問題才得以解決。有些系統(tǒng)因為畫面打開速度慢，操作一個設(shè)備要切換好幾幅畫面，使得在緊急情況下，操作人員感到很不方便；另外，通訊所需的時間（或者DCS系統(tǒng)響應(yīng)的時間）惡化了控制對象的特性，使閉環(huán)控制系統(tǒng)的過渡過程品質(zhì)指標(biāo)下降。

（3）組態(tài)的便捷性以及必要的權(quán)限保護(hù)。關(guān)于系統(tǒng)組態(tài)，現(xiàn)在的DCS系統(tǒng)大都采用計算機(jī)窗口技術(shù)，一般來說是方便的，但在在線組態(tài)方面仍然有需要研究的地方。多數(shù)系統(tǒng)在工程師站進(jìn)行組態(tài)，然后下載到控制子系統(tǒng)或者說控制卡件中去，而一般這個過程是十分費(fèi)時的，尤其在調(diào)試過程中，組態(tài)的修改是經(jīng)常性的事，需要尋求一種既方便又安全的在線組態(tài)方法。

（4）制造工藝和安裝工藝。影響DCS系統(tǒng)正常使用的很重要的一個因素是制造工藝和安裝工藝。有時就是因為一個小小的插件質(zhì)量不好，接觸不良而釀成了重大的故障或事故。有些系統(tǒng)提供的硬件制造工藝不能令人滿意，提供的卡件、接插件做得不夠可靠，一些卡件故障，有時去拔一下，插一下，或者搖幾下故障就消失了。這方面是DCS生產(chǎn)廠商必須引起高度重視的一個問題。如果所提供的系統(tǒng)在工藝上都不能滿足可靠性的要求，那么原理上再吸引人也難以令人接受。另一方面是安裝工藝，這也是DCS系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)要加以研究的一個方面。

（5）應(yīng)用軟件的可靠性、成熟性。DCS系統(tǒng)由于應(yīng)用的實(shí)踐還處在不斷的積累過程中，許多應(yīng)用軟件還不是很成熟，它的可靠性還有待時間的考驗。這方面DCS系統(tǒng)生產(chǎn)廠商應(yīng)加強(qiáng)研究，使已付諸使用或即將付諸使用的DCS系統(tǒng)軟件具有足夠的可靠性。

5結(jié)論

以上從推出DCS的理由以及DCS為什么會成為過程控制領(lǐng)域的主流的原因出發(fā)，進(jìn)而提出了現(xiàn)階段市場能夠提供的DCS系統(tǒng)在應(yīng)用技術(shù)方面尚存在的一些問題，這些問題有：（1）有關(guān)故障分散方面的；（2）有關(guān)實(shí)時性方面；（3）有關(guān)組態(tài)的便捷性以及必要的權(quán)限保護(hù)；（4）有關(guān)制造工藝和安裝工藝方面的；（5）有關(guān)應(yīng)用軟件的可靠性方面的。可歸納為設(shè)計的問題，元器件生產(chǎn)技術(shù)的問題，工藝的問題。DCS系統(tǒng)應(yīng)從過程控制的實(shí)際需要出發(fā)，針對自身的不足，無論在結(jié)構(gòu)上、所采用的器件上，還是所采用的技術(shù)上，不斷地提高和發(fā)展。使DCS系統(tǒng)在應(yīng)用技術(shù)方面有新的突破。

參考文獻(xiàn)：

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［2］WanyH．Smeallie．Microprocessor－BasedDistributedControlSystemsintheModernPowerPlant．Babcock＆WilcoxOperat－ing＆MaintenanceExperienceConference，Oct．1983．

［3］王金全，方忠華，仲未央．工業(yè)控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀與展望．中國電力，1998（4）．