1 引言
　　 在工業過程計算機控制系統中，集散控制系統（DCS）已經成為一種主流控制系統，隨著DCS應用的深入，對DCS組態工作也由制造商轉向用戶完成。即通常所說的用戶組態。目前業內人士對DCS用戶組態工作的研究還局限于對DCS操作畫面組態的研究。本文介紹DCS在我廠雙氧水生產中的成功應用及本人在實踐中的體會，對DCS用戶組態提出一些看法。
　　
2 系統工藝流程
　　 本生產裝置包括新、舊兩個生產線。均包含五個工序：氫化工序、氧化工序、萃取凈化工序、后處理工序、工作液配制及回收工序
　　 氫化工序把蒽醌轉化蒽氫醌或四氫化蒽醌。氧化工序用空氣中的氧直接氧化蒽氫醌和四氫化蒽氫醌，并轉化為蒽醌、四氫化蒽醌，同時生成雙氧水。萃取的作用是用無離子水從氧化液中萃取回收雙氧水，生產一定濃度的雙氧水溶液，該溶液再經過凈化處理后，不僅降低有機碳的含量，而且生產27.5~35%的產品出售市場。來自萃取的萃余液經過后處理再生處理后進入下一個使用循環過程。其生產過程如下:

2.1 工藝對控制系統的要求
　　 2.1.1實現各個單元操作的集中監控，包括：溫度、壓力、流量、液位等物理量的監測與控制。動態參數檢測、控制必須準確、可靠。
　　 2.1.2必要的遙控措施,對突發事件如停電等，系統應采取相應的保護措施，確保在緊急情況下或需要的時候對一些關鍵的控制點（閥門、馬達等）實施遙控。
　　 2.1.3配置必要的報警和聯鎖。
　　 2.1.4重要參數的記錄和方便地查閱其實時趨勢和歷史趨勢。
　　 2.1.5可隨時監測有關單元的有關參數或重要設備的運行情況。
　　 2.1.6控制系統操作簡單，參數設置、調整方便，便于操作，人性化的操作界面。
　　 2.1.7操作員站顯示整個生產工藝流程，修改和打印各種有關參數。
　　
　　 2.2 系統控制檢測點
　　 本系統溫度、液位等模擬量檢測點較多，熱電阻39個，4~20mA模擬量輸入98個，4~20mA模擬量輸出 48個,控制回路48個，開關量輸入26個。
　　
3 硬件配置
　　 在系統硬件配置時要縱覽全局,從滿足生產過程對控制的要求，現場變送器和執行機構等部件特點,傳輸信號電纜和DCS輸入/輸出卡件等方面全面考慮，從工藝的合理性、投資的經濟性、運行的可靠性、維修的方便性等進行綜合分析。我做如下配置，系統結構圖如附圖1
　　 3.1冗余的系統服務器/操作站，配置1臺工程師站和1臺操作站，并預留PC接口，滿足了系統的操作需要，在工程師站上安裝操作站軟件，系統運行時可作為一臺操作站使用，系統開車時2個操作站同時參與操作。系統正常時將2個操作站分別用于新、舊系統的操作管理。
　　 3.2冗余的高性能混合型控制器，兩個控制器之間熱備份，同時接受網絡數據，其中之一的控制器發生故障，備份控制器自動進入工作狀態。完成調節控制、數據處理、邏輯聯鎖、設備控制等功能。
　　 3.3冗余的以太網和控制網，系統配置了2條網絡，監控層要求開放。數據通訊系統是將分散處理單元、輸入/輸出處理系統及工程師站和操作站聯接起來，以保證可靠和高效的系統通訊。因此采用冗余的以態網配置，通訊協議為TCP/IP標準協議，控制網要求安全。
　　 3.4在I/O卡件配置上，采用預留出大于15%的擴展空間，卡件的類型盡量少，整個系統僅有5種I/O模件，從而減少了備件的種類和費用。在測溫模件選型時，考慮系統溫度測點較多，測溫元件類型相同，均為鉑電阻，因此采用RTD輸入模件，節省了變送器的投資費用。
　　 3.5所有電源設備和部件冗余。

4 系統功能
　　 4.1工程師站功能
　　 4.1.1用于程序開發、系統診斷、控制系統組態、數據庫和畫面的編輯及修改。
　　 4.1.2生成任何顯示畫面和趨勢圖等，并能通過通訊總線加載到操作員站,能調出系統中任一已定義的系統顯示畫面進行修改等工作。
　　 4.1.3通過通訊總線，可調出系統內任一分散處理單元的系統組態信息和有關數據。可將組態數據從工程師站上下載到各個分散單元的操作站。此外，重新組態的數據被確認后，系統能自動刷新其內存。
　　 4.1.4具有離線和在線全代碼下載功能，不影響專置安全正常運轉，可以在線加入或摘除網絡設備而不影響其它網絡設備正常運轉。
　　 4.1.5具有對DCS系統的運行狀態進行監控的功能。包括對各控制站的運行狀態、各操作站的運行狀態、各級網絡通訊狀態等方面的監控。
　　 4.1.6具有在線組態功能。如：量程上下限的改變、控制參數的調整等。
　　 4.1.7具有在線顯示組態圖上所有輸入/輸出、中間量的數值。
　　 4.1.8工程師站設置操作保護密碼，以防擅自改變控制策略、應用程序、系統數據庫。
　　 4.2操作員站功能
　　 操作站是人機對話的界面，幾乎所有的控制指令和狀態參數都在此交換。在操作站上可以分別顯示各個流程圖上現場的各種工藝參數，控制驅動裝置、切換控制方式、調整過程設定值等，監控系統內每一個模擬量和數字量，顯示并確認報警、操作指導、記錄操作日志、記錄操作信息如改變設定值、手/自動切換以及時間等，顯示歷史趨勢圖，定時打印報表。操作簡單，滿足操作控制和生產管理的要求。
　　
5、系統組態設計
　　 一套用戶組態的DCS能否被成功應用，提高控制品質，使因其故障而造成的影響減小，方便監控和操作，其關鍵是組態設計的質量。DCS用戶組態是指在DCS中，按照其廠商提供的功能部件的特點、數量和性能，根據工藝設計要求，設計、實現并確定有關排列。DCS用戶組態工作是一件十分細致的工作，在組態過程中，既要了解生產過程對控制的要求，熟悉生產過程，深刻認識各種設備和過程的生產順序，明確生產過程和儀表的相互關系；還要熟練掌握DCS所提供的各個控制算法或模塊功能，以及各功能模塊提供的各參數的相互影響，從深度和廣度上對DCS、工藝生產過程以及控制要求有了足夠清楚的認識，完成組態工作。
　　 5.1硬件排列組態
　　 DCS硬件排列是指DCS輸入/輸出設備上的接線位置與外部生產過程參數位置之間的分配，DCS的設計思路之一是分散控制，合理的輸入/輸出信號組合可以使負荷分散。
　　 硬件要均衡配置:將空槽位和預留I/O通分散安排,同時盡量使各控制站之間的負荷相對平衡。避免集中配置易造成局部信息流過于擁擠產生瓶頸，從而降低了DCS的整體性能，不利于I/O信號的合理調整，增加今后系統改造的難度。同時每個卡件將信號按照實際變化和重要性設置不同的執行周期，將不同執行周期的信號按物理位置合理的組合。如：LIC101、LIC102、LIC203、LIC206、LIC403，在生產過程中是重要的控制點，執行周期設置為50ms，而LI201、LI202、LI204、LI205等相對參數變化慢，因而執行周期設置為100ms，這樣同一卡件執行周期快慢搭配在一起，使輸入/輸出部件微處理單元的負荷較均勻，減少硬件因負荷過大而發生故障。同時對工藝操作相關的參數，如：氫化液儲槽液位LIC102，其泵出口流量FIC104，氧化液儲槽液位LIC206，其泵出口流量FIC204，再生液儲槽液位LIC403，流量FIC401。本裝置生產過程中氫化液、氧化液、再生液是循環的，為保持液位穩定必須流量平衡，將這些相互關聯的參數分配在不同的卡件，當某一卡件發生故障時，可以從相關參數來判斷，避免造成大范圍的控制癱瘓，將風險降到最低。硬件排列設計如附圖2
　　 5.2應用軟件組態
　　 應用軟件組態在工程師站完成，下載到DCS的控制器執行，控制器主要由CPU、ROM、RAM、E2PROM、地址設定開關等組成。CPU完成運算，ROM用來存操作系統、功能塊庫，功能塊在ROM中的排列是確定的，用戶是不能改變的。RAM用來存CPU的運算結果和I/O信號。E2PROM存用功能塊連成的控制方案。下電時，控制方案是不會丟失的。不僅如此，控制方案不合適，還可以修改。控制器在網絡中應該有地址，由這些地址開關來設定。功能塊在ROM中的排列有相應的地址。在運用這些功能塊時，應該標明該功能塊輸入輸出之間運算的關系，還有運算所需要的許多參數。在根據被控對象，確定控制策略形成控制方案時，在功能塊庫中選擇控制所需要的功能塊，弄清各功能塊之間的聯接關系，并首先定義它在E2PROM中的地址，并且和其它功能塊的聯系也都是用地址來表示的，同時填入所需參數，畫出每一個控制回路所需的功能塊以及它們之間的連接關系，這些工作稱為組態。
　　 功能塊庫中最重要的功能塊是PID功能塊，它的輸出Y(t)和輸入X(t)的關系是比例-積分-微分關系，它在過程控制中有極其重要的作用。在完成閉環控制時一定要用到PID功能塊。閉環控制的單回路控制和串級控制回路的方框圖如圖一、圖二所示：

含PV-SP的PID功能塊是實現過程變量（PV）和設定值（SP）之差進行比例-積分-微分運算，它的參數有設定、過程變量、比例-積分-微分的系數。它的輸出通常送到輸出板的端子板的地址。最后輸送給閥門。一般情況下，PID功能塊中包括PV-SP的運算。同時在PID之前還可以加入其它運算，如加死區。DCS的PID功能塊幾乎是包羅萬象的，有100多個參數。1，首先問PV從那里來，要填入PV的地址；PV值來自一塊模擬輸入模件或端子板；2，SP的地址，SP的地址通常是站的地址；3，有沒有死區，沒有死區，這一項就不用管了，有死區，要寫入死區的寬度和高度；4，要不要積分，要積分，積分常數是多少，5，要不要微分，要微分，微分常數是多少；6，比例是多少；7，要不要死區，如果要，需輸入死區寬度，死區的高度。8， PID功能塊的輸出到那里，如輸到模擬輸出模件或端子板的功能塊。其輸出到閥門。也可以到存儲器中，但要規定一個地址。這時PID功能塊的輸出成為另一塊功能塊的輸入。如串級控制，第一個PID的輸出是第二個PID的設定，這時PV有二個，也用二個站功能塊，但只有一個站功能塊有手/自切換關系。
　　 在功能塊庫中另外一個重要功能塊是站功能塊，它不能用數學公式表示輸入和輸出的直接關系，它是實現人機交流的功能塊，把由人決定的設定值送給控制回路，并送進控制回路何時接入的條件和實現手/自動切換的條件等。
　　 其他功能塊如算術運算加、減、乘、除，平方、開方等是必不可少的。其次是函數運算，三角幾何運算，矩陣運算，C語言接口和Basic語言接口功能塊等。與硬件連接的功能塊，如讀取模擬和開關輸入的功能塊，模擬和開關輸出的功能塊，從網上讀取模擬量和開關量的功能塊，送到網上的模擬量和開關量的功能塊。
　　 ⑴　I/O與CM相應的儀表位號、量程、單位等要一致。⑵充分利用DCS所提供的各種控制算法或模塊。
　　 在雙氧水生產裝置中幾種典型的控制策略組態：
　　 5.2.1氫化塔壓力最大值與進氣流量串級調節控制策略組態

如圖所示，PIC102、PIC103、PIC104分別為氫化塔上、中、下塔塔頂壓力，工藝操作過程為每兩節塔串聯使用，要求三節塔的壓力最大值與進氫化塔氫氣流量FT101串聯調節。針對工藝的特點，引入SWITCH功能模塊，利用DCS所提供的功能模塊軟連接等優點，這樣很容易實現在不同情況下對調節閥FN101的控制。
　　 5.2.2萃取塔界面液位與進水流量串級調節控制策略組態
　　 在本裝置中共投運了五套串級調節系統，在組態中運用DCS軟連接的優點，使手動—自動—串級自由切換，開車時運用單回路調節，生產穩定后操作工可以很容易切換為串級調節，在操作站操作MAN—AUTO—CAS，方便地將軟連接切換，調節質量高，操作簡單，組態方案如下圖：

5.2.3參數累積，溫度壓力被償計算
　　 如蒸汽流量FI—107，部門考核需要要求累積,在組態時加入模塊
　　 狀“TOTALIZER ”累積計算模塊，FIC201、FIC202、FIC20為空氣流量，測量用孔板，因此應用DCS軟連接引入壓力補償（溫度較穩定）。
　　 5.2.4閥位設置
　　 因工藝安全需要，調節閥有氣開式和氣閉式，使用時發現，操作工和儀表工必須要清楚每臺閥門作用方式氣開或氣閉，才能進行手動操作的設置，這給操作增加了難度，后來在控制組態中引入而在AUXCALC6功能塊，如LIC—401，LV—401閥門為氣閉式。

加入AUXCALC6功能塊，寫入表達式，OP=100—PIDA.OP氣閉式閥門100%輸出信號時，閥位全關，組態后在操作上與氣開式閥門相同，操作信號為0%時為全關，100%時為全開，使操作方便簡單，同時調節的正反作用設置也無須改慮閥門的正反作用，又能保證系統在氣源故障時在安全閥位。同時利用功能塊設置停車操作按鈕，在電源設備突發事故時，操作工只要點擊停車按鈕，所有調節閥將按工藝要求設置的安全閥位上，保障生產安全。而且當控制點為回路故障，如現場變送器故障、線路斷路時，提供了安全保障，可設置控制輸出進行保持、全開輸出、全關輸出、安全值輸出等；而且可設置對過程變化異常的報警；對控制輸出的微小抖動的限制，從而可以消除調節閥在一個位置上的劇烈抖動，提高控制品質，延長調節閥的壽命。
　　
6 操作界面組態
　　 PlantScape的Display Builder采用基于對象的集成化的圖形開發工具來生成特定的用戶應用流程畫面，通過簡單的填表式操作來組態畫面上的顯示點并采用點擊式操作就可迅速完成圖形對象動畫組態。流程圖的開發在操作上應該盡量做到畫面簡潔，功能強大，盡量使操作員只通過流程圖就能對所有過程進行監控。
　　 系統本身提供真實的三維工具設備圖庫存，采用這一工具可快速地生成用戶動態圖形畫面并將動態數據連接到畫面中，采用Visual Basic腳本和Actiex組件可生成特定的動態效果，實現功能包括：氫化液工序流程圖等生產過程工藝流程圖畫面，在線PID整定，修改動態趨勢圖，歷史趨勢圖，生產報表，事件報表，操作日志，設備管理，工藝參數設定和使用權限功能等，實時的掌握現場設備的運行狀況及參數變化，以圖形形式提供歷史和實時的毫秒趨勢圖，用趨勢和數據記錄PID整定時監視執行情況和效果，由于系統中檢測變量多，有時會出現報警，如不及時診斷排除，勢必會影響正常生產，為此，在實際組態過程中，采用多點多預警系統，并在畫面上以顏色加以區分，重要參數報警可實現畫面鎖定，使操作員提前做好準備工作，便于正確操作。
　　
7 總結：
　　 本系統自投運以來，無故障發生，系統運行良好，控制準確可靠，操作簡單，維護方便，達到節約勞動力，提高產品質量，降低消耗的目的，為企業創造了可觀的經濟效益和社會效益。
　　
　　
參考文獻
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　　 ⑵ 楊獻勇.熱工過程自動控制[M].北京:清華大學出版社,2000年10月
　　 ⑶ PlantScape Process/C200集散控制系統.Honeywe