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DCS系统设计及先进控制应用探讨

2019-10-21王兴勤

中国电气工程学报 2019年6期
关键词:DCS控制系统控制算法

王兴勤

摘  要:DCS系统广泛应用于工业控制领域,随着工业控制对象的日益复杂,对控制技术提出了更高的要求。本文对DCS 系统结构设计进行深入的分析,并对如何把先进控制技术应用到DCS系统展开了探讨。

关键词:DCS控制系统;先进控制技术;控制算法

DCS是分布式控制系统的英语简称,结合计算机控制技术和通信技術,可以对生产装置进行分散式控制和集中管理,最早由美国在上世纪70年代提出。随着控制技术的不断发展,数字化仪表得到了广泛的应用,可以采用现场总线技术进行互联通信,控制主站功能控制模块分布于每个数字仪表中,通过组态而形成完整的控制回路,可以更好地实现分散控制。随着DCS控制系统的不断应用,需要把先进控制技术应用到DCS系统中来,从而对控制功能进行完善,建立起PID自整定控制模块,充分发挥出DCS控制系统的作用。

1 DCS 系统结构设计

1.1现场控制站设计

现场控制站是可以独立实现控制功能的计算机控制系统 ,可以实现过程控制,现场控制场主要由机柜、供电电源、模拟量通道及主控单元构成。

现场站的机柜采用多层机架结构方式,可以用来安装电源和控制模块,柜体外壳体采用金属材料制成,柜体需要具备良好的接地,从而保证柜体内设备可以避免受到外部电磁干扰,机柜的接地电阻不得于大于4欧。柜体的设备运行功率较大, 需要进行通风散热设计,为了避免灰尘进入,需要采用正压送风方式。

供电电源可能保证现场控制站正常运行,需要要用冗余设计,采用双相交流电进行供电,如果附近有大功率用电设备,还应该应用隔离变压器,避免出现共模干扰问题。如果电压波动较大,可以配置电子调压器,如果对于供电可靠性要求较高,可以采用不间断供电电源。

输入输出接口需要控制系统建立起模拟量、开关量和脉冲信号的通道。模拟量输入通道可以把生产装置的运行信号,比如,温度、压力、流量和液位等信号采集进行来,通过模拟量处理之后转变为控制系统可以识别的数字信号。输入的模拟量信号有0-5V、0-10V电压、0-20mA、4-20mA电流信号。模拟量输入通道主要由接线端子、信号调理单元、模数转换模块等构成,具体的原理见图1所示。

模拟量输出通道,根据设计要求来选择输出信号的种类,从而控制执行机构的动作。输入出信号有4-20mA、0-5V和0-10V等。输入的信号用来驱动电机转速、执行机构的行程或运转角度,模拟量输出模块的原理如图2所示。

现场控制总站的模拟量输出通道主要数模转换模块、输出接电端子等构成,随着集成电子技术的发展,输出模块通道通过集成电路来形成控制信号,利用数字锁存的方式来保证输出值,避免随着时间的变化而出现衰减。

而开关量输入通道主要用来监测限位开关、继电器触点的开断状态,输入的开关量信号会存储到数字寄存器内,控制系统通过数据采集程序来获取到具体的开关状态。输出信号主要用于控制启动、停止,驱动阀门进行动作,或者生成报警信号。

1.2主控单元

现场控制器的主控单元主要由CPU控制器和数据存储器构成,CPU控制器可以根据控制规模的大小和精度要求来选择位数,现在最高的CPU位数达到64位,可以有效地提升运算速度和处理效率,可以把各种控制程序下载到存储器中,通过CPU运算输入控制信号。存储器主要用于保存生产现场的运行数据,RAM存储器可以为实时数据存储和计算的中间变量提供空间,用户在组态界面中修改的参数出存储于RAM中。

2先进控制技术在DCS中的应用

先进控制技术把数学分析模型作为基础,充分利用微处理器的运算能力,是一种比传统PID控制效果好的技术,可以提高企业的生产效率,可以用来处理复杂的工业控制要求。

2.1传统PID控制方法和结构

PID控制器是工控领域应用最为可靠的技术,数字技术的不断发展,很多控制程序和算法都离不开PID控制技术,还具备着较高的生命力。为了取得理想的控制效果,需要设定好比例常数、微分和积分时间,根据控制对象的特性,使控制性能和控制对象实现很好的配合,从而实现最优的控制效果。但控制参数设定的不合理,处理器性能无论怎样先进,也无法达到理想的控制效果。工业控制过程中存在着很多不确定性,可能使控制模型产生变化,原来所设定的参数无法满足控制要求,这就需要PID控制具备在线自整定能力,这是PID控制技术的发展方向和需要解决的问题。把BP神经网络技术与PID控制技术进行结合,可以发挥出BP网络非线性映射的能力,可以实现自学习和整定,实现并行分布处理,并具备很好的容错特性,可用到复杂非线性系统的数学模型组建及控制。

2. 2基于BP神经网络的控制技术

上世纪90年代提出了多层前向的网络反向算法,人们把其称之为BP网络算法,具有一个输入层、一个输出层以及多个隐含层,相同层的神经元并没有太多关联,不同的层级神经元会向前国,具备非线性活动函数的三层神经网络,可以实现输入到输出空间的函数映射。神经网络具备自学习能力,可以在离线条件下实现对控制对象的识别,建立起神经网络识别器来不断修正权值,从而适应识别对象的特征,达到与被控对象相同时,神经网络控制器便可以进行在线控制。通过神经元自学习能力的不断调整,可以实现在线自适应整定,从而提高了控制精度,与传统的PID控制方法进行比较来看,可以起到更好的控制效果。

3结束语

综上所述,DCS控制系统设计应该结合工业控制的具体需要,来对不同的功能单元进行设计,选用技术经济性高的元器件,还需要把先进控制技术引入到DCS系统中来,采用BP神经网络的控制技术与PID控制进行结合,使控制系统具备自学习能力,可以实现控制参数的在线自修正,从而达到理想的控制效果。

参考文献:

[1]闵红利. DCS系统设计及先进控制在DCS系统中运用[J]. 电子技术与软件工程,2015(24):158.

[2]田运良. DCS系统维护的若干常见问题[J]. 石化技术,2018,25(04):225.

[3]陈峰. 火电厂热工自动化DCS控制系统的应用及发展分析[J]. 电子技术与软件工程,2018(22):99.

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