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DCS在制造业工业中的自动控制应用

制出自化

DCS在制造业工业中的自动控制应用

DCS in the manufacturing industry automatic control system

李明 LI Ming

（重庆工程职业技术学院，重庆 400052）

摘要： DCS 结构是分布式系统，利用计算机对生产过程进行集中监视、分散控制的一项新技术。集散控制系统是对生产自动化控制的主流技术。文章介绍了 SUPCON JX-300X 的 DCS 系统和监控软件为 SCKey 组态软件，系统结构和工作原理等。该系统具有自动化、结构简单、控制灵活、危险性低、管理性强等优点。

关键词： DCS;电气系统；制造；控制系统

中图分类号：TP273 文献标识码：B 文章编号：1009-0134(2012)10(上)-0097-03

Doi: 10.3969/j.issn.1009-0134.2012.10(上).31

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

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

收稿日期：2012-08-06

作者简介：李明（1960－），男，广东中山人，副教授，高级工程师，主要从事煤矿电气技术与电气安全的教学和技术服务。

第34卷第10期 2012-10(上) 【97】

制出自化

工程师站组态

画面组态

算法组态

数据库组态

其他

现场控制站

实时数据库、控制算法等

I/O接口驱动

I/O设备

图1 DCS系统结构图

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。

操作站

SCnetⅡ 网卡

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：

主控制卡组态

总体信息组态

数据转发卡组态

控制站组态

信号点组态

操作站组态操作小组组态

控制分组面面组制/组态

逻辑控制方案绘制/组态

编译

组态下载

组态传递

运行

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

【98】第34卷第10期 2012-10(上)

制出自化

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。