基于DCS控制的过程分析仪表系统设计

基于DCS控制的过程分析仪表系统设计

章其产

（浙江诚信人才资源交流服务有限公司浙江省杭州市310006）

摘要：随着中央集散控制系统技术的迅猛发展，传统的过程分析仪表系统技术受到了严重挑战，取而代之的将是基于DCS的过程分析仪表设计系统，DCS以其精确性、可靠性、方便性和可维护性在工业控制领域得到了广泛的应用。

关键词：DCS；系统设计；分析仪表；

1DCS系统结构设计

1.1系统现场控制站设计

现场控制站的运行主要通过计算机来实现，计算机对现场进行监控和测量。现场控制站主要由两个部分组成，分别是机柜和电源、输入和输出通道。

现场控制站内部设有很多的机柜、电源和相应的模件。电源的外部通常都用金属材料包裹起来，并与正常运行的电气相连接。机柜和电源主要用于为电子设备提供电源屏障。为了确保现场工作人员的人身安全以及电磁屏蔽的效果，机柜必须接地，并且使其电阻尽量保持在4Ω以内。

通常，在机柜内部会安装风扇以起到良好的散热作用。除了这种散热方式之外，还可以通过加强机柜内部与外部空气的气流交换来进行散热，与此同时还能防止灰尘进入机柜内部。机柜一般采用正压送风的方式将外部的低温气体输送近机柜内部。当外部环境过热或过冷时，则需要将空调装置设置在机柜的内部，并最好选用封闭式的机柜，这样就能保证机柜内部温度能够保持在一个相对恒定的范围内。此外，要想确保控制站的正常有效运行，需要有较为稳定高效的交流电源。双相交流电源是较为理想的选择，当控制站中有大功率电器时，可以采用个别变压器先对线圈进行一定的接地处理，这样能够提高供电的稳定性。一些化工厂对供电的稳定性和连续性要求很高，这时可以采用可以不间断供电的UPS电源。UPS电源主要有两种类型，分别是后备式和在线式。

1.2主控单元

DCS系统中的主控单元主要由两个部分组成，分别是CPU和储存器。当前，DCS系统中使用的CPU一般是16位的微处理器，有的系统也会使用32位的处理器。现在已经有一些新的系统开始采用浮点预算协处理器来代替传统的处理器，从而进一步提高了处理器的运行效率，缩短了运算的时间。存储器由两个部分组成，分别是ROM和RAM。计算机中有固定的程序控制着存储器的运行，并保障其运行过程中的安全性。在DCS系统的设计过程中，组态结构的复杂性会更高，相应的其运行会更加的稳定和可靠。

2基于DCS控制的过程分析技术系统结构图

如图1所示，过程分析仪表系统中分析仪表的测量值、流量、压力、温度、阀门、电加热等参数通过西门子ET200模拟量数字量输入输出模拟采集，然后通过PROFIBUS与EMERSON的DCS通信，将现场监测到的参数显现在DCS的人机界面中，同时通过DCS的程序软件发命令给样品预处理系统的相关阀门进行动作，也可以与上位机进行通信。通过DCS控制的过程分析仪表系统可与其他装置的过程分析仪表系统及上位机组成一个网络系统，在这个系统中，上位计算机功能强大，可以实时地控制各个过程分析仪表子系统。DCS作为现场设备级的通信时，其通信距离远、通信速率高，具有很高的可靠性和性能价格比，在工业测量和控制领域应用越来越广。

图1基于DCS控制的过程分析仪表系统结构图

3硬件系统的整体设计

基于DCS控制的过程分析仪表系统的硬件系统主要由分析仪表及样品预处理系统、模拟量和数字量输入输出模块、控制器及处理器、上位机、DCS通信等模块组成，如图2所示。

图2基于DCS控制的过程分析仪表系统硬件结构图

其中DCS的控制模块是整个仪表的控制核心，它主要完成系统的输入/输出、人机接口控制、数字信事情的控制以及接入PROFIBUS总线的数据传输控制，并负责系统中各电路的协调和管理、数据的处理、软/硬件的协调等。

3.1DCS通信的设计

在本设计中，DCS通过PROFIBUS的通信完成下位机各部分之间的通信以及下位机与上位机之间的通信。以控制器EMERSONDELTAVCONTROLL为核心，上位机由PC机构。为了进一步提高系统的抗干扰能力，在控制器和收发器之间并不是直接相连，而是通过高速不纤相连，这样就可以很好地实现总线上各节点之间的长距离通信，如图3所示。

下面基于图4和图5的设计思路结合起来谈如何实现气密性测试检查、仪表零点和量程校验、在线测量。

（1）手动状态

程序获得各设备的控制权，将所有阀门置于关闭的状态，即关闭图5中的阀门AB0013/AB0007/AB0012/AB0014/AB0015，同时将阀门AB0031的开度置为0%，然后程序释放设备的控制权，确保安全的状态下手动开关阀门。

（2）自动测量状态

程序获得各设备的控制权，打开进样阀门AB0007/AB0013，关闭阀门标气阀门组AB0012/AB0014/AB0015，启动阀门AB0031的P＆ID控制，关闭流量压力等报警信号，待流量、压力稳定后（60s），激活流量、压力报警，进行样品吹扫，同时输出测量值。

（3）气密性测试

启动气密性测试程序，系统提示功能检测状态，同时关闭流量和压力等报警，关闭阀门AB0007，通过压力变送器PT0001查看压力是否稳定，关闭AB0014，若PT0001高高报警加压失财，目的保活系统超压；若压力稳定性测试通过，泄压，打开AB0007；若压力稳定性不通过，提示阀门有泄露，同时在系统提示请求维护。

（4）仪表零点和量程校验

开始零点校验，将系统状态置于功能检查，打开AB0007/AB0012/AB0014，关闭AB0013/AB0015，检查流量是否报警，若流量低低报警，结束零点检验，系统提示请求维护；若正常，等待流量调节，进行零点吹扫自动零点校验，发送自动标定零点信号，测量零点气，自动标定零点信号复位校验值更新，零点校验结束。

量程校验流程基本同零点，只是阀门动作不同，不逐一展开。整个上位机监控界面的设计是在WindowsXP的操作系统下，当监控上位机启动并进行响应初始化后进入监控状态。上位机向PROFIBUS总线发送一人请求数据包，告知PROFIBUS总线上各节点上位机已经启动，各节点可以向上位机发送其测量值和状态信息。监控界面如图6所示，从菜单的设置可以看出，该上位机功能要求基本上已经包括在内，而且仪表的测量数据等内容在监控界面中可以看到。界面中显示四个分析小屋里的各仪表的状态，并且可以判断是否有报警（显示红色），点击进去还可以看到更多帮助现场维护，分析故障原因的信息，用户可以从图6监控界面中清晰地看到各仪表的状态。

图6监控界面图

5结语

本文的主要工作是完成基于DCS控制的过程分析仪表的设计，包括其硬件设计和软件设计。此过程分析仪表可以通过上位机构杨一个网络。在网络中，上位机可以管理整个系统，实现对各在线分析仪表的控制。各在线分析仪表在系统中作为节点，实现在线分析测量，显示与上位机通信等功能。

参考文献：

[1]金玉.一种DCS系统I/O模块自动化测试的设计与实现[J].上海交通大学，2012，（10）：157-158.

[2]孙洪涛，侯余生，刘静波.核电站安全级DCS系统接地设计研究[J].微型机与应用，2012，（2）：126-127.