新型DCS系统——JWXX-DCS柔性控制系统
(呼和浩特市科技信息中心，内蒙古 呼和浩特 010010)
摘 要：论述了新型DCS柔性控制系统在工业自动控制领域的应用，是一种独特的自动控制系统结构，可应用于乳品、淀粉、制酒、制糖、毛纺、饲料等行业。
关键词：DCS系统；过程控制；啤酒发酵
中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1007—6921(2008)08—0050—02
多年来，传统DCS系统在工业生产过程自动控制中发挥了巨大的作用，但也暴露出一些固有结构造成的问题。由于前控机一般控制着几个对象或一段工艺过程，当其发生问题时会造成较大面积的失控，故障恢复需要较长时间，给生产带来不便和损失。在由PLC与上位机构成的系统中，这一问题更加突出，虽然PLC可靠性很高，但万一CPU模块发生故障将导致整个系统瘫痪。此外，传统DCS系统还存在现场接线繁杂、维护较困难等问题。DCS系统的目的是实现一种全新DCS系统结构——不依赖上位机的柔性管控一体化控制系统，将自控系统的运行可靠性、软硬件组态灵活性、开放性提高到一个新的水平。同时造价降到同类系统的60%，运行费用降到同类系统的10%。
1 技术方案
系统实现由以下技术方案完成（见图1）：
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1.1 JWXX-DCS系统组成成员
组成系统的主要单元有：上位机（IPC）、前控机智能模块（JWDCS-ASM、JWDCS-AMM、JWDCS-DMM）、智能隔离变送模块（JWDCS-SCM）以及协议转换模块（JWDCS-ACM）等。
1.2 JWXX-DCS自控系统组态
1.2.1 系统总体结构及与传统DCS系统的比较：JWXX-DCS系统由上位机（IPC）、可编程控制器（PLC，可选项）及协议转换模块（JWDCS-ACM，可选项）、前控机智能模块（JWDCS-XXM）、智能变送模块通过自身的CAN工业现场总线接口连接在一起，构成完善的不依赖上位机的柔性管控一体化控制系统。
系统的智能模块通过自身输入隔离通道实时采集现场模拟量和开关量信号；通过自身输出隔离通道输出模拟量和开关量信号；通过自身隔离CAN总线与上位机交换信息；独立完成对某个过程变量的控制或某个控制对象工艺过程控制。
传统的DCS控制系统是由仪表控制发展起来的。一般由上位机与现场控制仪表或前控机（也由计算机担任）相连，现场仪表仅控制一个过程参数，而前控机则控制着生产线的某几段工艺过程或几个对象。前者如果脱离上位机难以对一个局部过程执行完善的控制，或对于一个对象的控制结构过于烦琐（如控制一个啤酒大罐时需要4～5块现场仪表）；后者由于控制范围较大，如果前控机一旦发生故障，将造成较大面积的失控。
JWXX-DCS系统与传统DCS系统结构的区别在于：①前控机智能模块可以与某一生产环节的必要的传感器、执行器相连，如乳粉干燥排风温度控制环节的主变量传感器（排风温度）、参变量传感器（进风温度、喷雾压力）、控制输出设备（高压泵变频器），独立完成该环节生产过程控制。②前控机智能模块还可以与某一控制对象的所有必要的传感器、执行器相连，如啤酒大罐的上、中、下冷带的温度传感器、冷带制冷控制调节阀或电磁阀、罐内压力传感器、CO2回收装置，独立完成一个大罐发酵过程的控制。③在存在严重干扰源的系统中，前控机智能模块可以与JWDCS-SCM智能变送模块相连，通过JWDCS-SCM采集传感器信号或输出控制信号，实现控制系统冗余输入输出连接。④在开关量控制点较多的系统中，前控机智能模块可以与协议转换模块JWDC-ACM连接实现CAN总线协议到PROFIBUS协议的转换，通过PROFIBUS总线与PLC相连，而PLC则同过PROFIBUS或MPI总线与上位机IPC相连，实现控制系统混合组态。
1.2.2 系统输出输入：模拟量输入通道：现场传感器产生的（压力、流量、温度、密度等）信号可通过两条途径输入：①连接到智能隔离变送模块（JWDCS-SCM）的万能输入端AI-101。该类模块本身具备对采样值显示、参数输入等功能，经内嵌智能单元转换、放大、非线性校正、隔离后变为标准输出信号AO-101（4-20mA或0-5V或0-10V等） 及CAN总线信号（输入冗余结构）。前者送入前控机模拟量智能模块JWDCS-ASM的输入端AI-201，后者通过自身的CAN接口送入系统总线（参见图1的虚线部分）。②直接连接到前控机模拟量智能模块JWDCS-AMM的万能输入端AI-202。前控机模拟量智能模块内嵌针对专门用途的控制软件，具备对输入参数变换、调理、运算、记录、显示等功能。经其处理的数据通过CAN接口将信号送入系统总线。
模拟量输出通道：前控机模拟量智能模块（JWDCS-ASM、JWDCS-AMM）产生总线通讯信号的同时也形成标准模拟量输出信号AO-201、AO-202（4～20mA或0～5V或0～10V）直接控制现场执行器（变频器、调节阀等）或送入智能隔离变送模块JWDCS-SCM（输出冗余结构）的AI-102端，再由该模块隔离后由AO-102输出，控制现场执行器产生控制动作。
开关量输入通道：现场设备（电机、泵、阀等）运行状态（位置）通过输入隔离单元进入前控机开关量智能模块JWDCS-DMM的输入端DI-201，该模块将各设备运行状态实时显示于液晶屏并通过模块自身的CAN接口将运行状态上传到总线。
开关量输出通道：前控机开关量智能模块JWDCS-DMM通过输出端DO-201连接到驱动部分（如继电器等），驱动现场设备（电机、泵、阀等）。依据控制、报警、互锁逻辑等工艺要求控制这些设备的运行，该模块将各设备控制状态实时显示于液晶屏通过模块自身的CAN接口将其上传到总线。
1.2.3 系统CAN总线：是系统各前控机模块与上位机IPC或PLC连接的纽带，上位机通过它与系统其他部分实现数据交换。
1.2.4 系统管理单元：上位机IPC是系统的管理单元，通过系统CAN总线与JWXX-DCS系统其他各部分相连，构成完整的自控系统。上位机一般由工业控制计算机（IPC）担任，在WINDOWS环境下运行自行设计的管理程序，完成与前控机（JWDCS-XXM智能模块）实时通讯，数据显示、记录、报表打印、支持对系统手动控制操作、LAN及INTERNET远程监测等。具有良好的人机界面。
1.2.5 系统控制组态变化：JWXX-DCS柔性控制系统在其总体结构不变的情况下，对于不同的应用场合，派生出以下3个具体组态变化，可满足中小型自动化生产线工艺过程控制的大部分要求。①冗余隔离输入输出组态：如前所述，工业现场信号既可以先经过智能变送模块隔离、调理后送入前控机智能模块，也可以直接送入前控机智能模块；输出控制信号也是如此。当系统中控制设备包含有变频器等强干扰源时，前一种连接可有效的克服其对输入信号的干扰及各信号通道间的互扰（如乳粉、淀粉生产线）。同时由于智能变送模块配备了LED显示器，在系统发生故障时，操作人员仍可根据其显示值进行手动模拟量控制操作。提高了系统的实用性。②高度可靠的一对一DCS监控组态：由于前控机智能模块内嵌专门控制软件、数据记录功能、独立输出输入通道，在控制过程中仅担任某一个环节的控制（如乳粉、淀粉等生产线）或一个对象的控制任务（如啤酒大罐发酵过程），因此，可以不依赖上位机独立完成控制，使系统总体可靠性得到很大提升。③包含PLC的低成本、高可靠性混合DCS监控组态。在某些应用场合（如开关量控制点较多而模拟量点数较少），利用PLC对开关量控制的优势同时最大限度降低控制系统成本而采用这种结构（见图1：当“组态开关”转向位置“2”时的情况），在此模式下，开关量控制由PLC完成，模拟量采样及控制由JWDCS-XXX模块完成。JWDCS-XXX模块通过协议转换模块（JWDCS-ACM）与具有其他协议（如PROFIBUS）的PLC通讯。
由以上叙述可以看出，根据不同需要，系统组态灵活多变，可大可小、可简可繁。系统上位机可由IPC担任。但IPC仅作为管理机完成实时数据及历史数据管理、参数及曲线显示、打印、屏幕操作等，不参与控制。前控
机模块本身具有数据连续记录功能，因此上位机可任意时刻在线或离线，也不需要双机冷备或热备。
2 具体应用
应用实例：JWPJ-DCS-II啤酒大罐发酵过程自动控制系统（见图2）。
JWPJ-DCS-II啤酒大罐发酵过程控制是本系统在工业控制中最为典型的应用。该过程基本是以一个大罐为一独立控制对象主体，因此特别适合采用本系统这种一对一的柔性结构。系统中每一个智能模块对应一个大罐的过程控制。模块分别对大罐的上、中、下三个冷带的温度及罐内压力进行实时采集、显示，按照工艺要求分阶段采用不同方式通过冷带调节阀（或电磁阀）对罐内温度、压力等参数进行控制。
工艺曲线可通过上位机下载或直接通过智能模块面板键入。
智能模块内部设有独立硬件实时时钟、能容纳一个生产周期历程数据的EEPROM。如前所述，智能模块可脱离上位机独立控制一个大罐的发酵全过程并记录历程数据。
当上位机在线时，可随时通过CAN总线要求任一模块上传实时数据和历史数据，实时监测各模块运行状态、记录历史数据、显示和打印实时数据、历史数据报表和曲线。
系统结构简单、造价低廉、可靠性高。当某一模块发生故障时，仅在短时间内影响对应大罐的工作。由于模块与现场连接简单、一步到位且互换性好，可在很短的时间内完成更换操作，将影响降为最低。
当需要扩展控制对象时，只须增加一个模块即可。
JWPJ-DCS-II啤酒大罐发酵过程控制系统达到的主要控制指标：
冷带温度控制精度：
±0.2% RANGE（量程 -50～+100℃）
罐内压力控制精度：
±2.0% RANGE（量程 0.0～+1.0MPa）
3 结束语
通过以上应用实例可以明显的看到，对于不同的工业生产过程控制需求，可以像搭积木一样将智能控制模块与上位机组成不同硬件形式，充分发挥系统的灵活性、开放性和“柔韧”性。