论文部分内容阅读
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.
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.