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[摘 要]随着计算机技术的发展和电子技术的进步，一种集中管理、分散控制的控制系统DCS问世，并不断发展。基于此，本文简单描述了新型DCS系统的定义，并详细讨论了现场控制站主控模块控制策略的实现及现场控制站主控模块的容错技术。
[关键词]新型DCS控制系统；现场控制站；PID控制算法
中图分类号：TP273.5 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）41-0378-01
引言
控制系统的现场控制站作为控制系统的核心，决定了系统的性能和可靠性。主控模块又是现场控制站的核心，包括嵌入式主板为主的硬件部分和实时操作系统组成的软件部分。主控模块实现控制策略，主要采用功能块图作为控制算法，通过控制算法功能模块实现控制算法组态。
1 新型DCS的定义
DCS即分布式控制系统，或集散控制系统，是在集中式控制系统基础上研发出的一种新型计算机控制系统，是继DDC系统和SCC系统后又一新兴的自动化控制系统。新型DCS系统使用多台计算机同时保证控制的功能和范围，满足被控过程的层次性和可分割性，提高了控制系统的处理能力，保证了控制站的稳定性和可靠性。
2 现场控制站主控模块控制策略的实现
2.1 基本控制算法功能模块
基本控制算法功能模块包含：输入模块、输出模块、常量模块、算术运算模块、数学函数模块、逻辑运算模块、触发器模块和延时模块等，常量模块、算术运算模块和数学函数模块可以用八字节双精度表示无符号字符、无符号整数、无符号长整数、单精度浮点数、双精度浮点数来作为变量。每个控制算法功能模块都有一个函数与之相对应，所有控制算法功能都包含相同的数据结构，该模块在控制算法功能模块表里规定的顺序号表示内存控制块数据结构中的模块功能号，该模块在上位机组态控制算法时控制算法回路中的位置表示模块流水号。主控模块的控制算法运行任务在执行回路时以流水号为依据，而回路又按照模塊的流水号顺序执行模块，所谓执行模块，即调用与该模块相对应的函数。为了方便下一个模块使用，除最后一个模块外，每一个模块在执行完毕后都会把运算结果存入内存单元。
2.2 常用PID控制算法功能模块
PID控制是较早发展起来的控制策略，其算法简单，在异常情况下更稳定，在难以建立精确数学模型的控制系统中也更适用，因此PID控制被大量使用在工业过程控制中。根据控制规律可将PID调节分为比例调节、比例积分调节以及比例积分微分调节，其中比例调节的调节规律最为简单，但也存在静差，属于有差调节；比例积分调节不仅克服了这种静差，同时摒弃了单纯积分调节响应慢的缺点，目前应用较为广泛；比例积分微分调节是在比例积分调节的基础上加入微分调节，这种调节可以在偏差刚出现时立刻做出调节，消除偏差，改善调节品质。PID控制功能模块分为位置式PID功能模块、增量式PID功能模块、积分分离PID功能模块。
2.3 串及PID控制算法
串级控制系统以单回路PID控制系统为基础，由两个拥有各自回路的PID控制器组成，分别为内环PID和外环PID，内环PID控制器的回路为副回路，外环PID控制器的回路为主回路，主回路根据主对象提供给定值，副回路根据给定值对副对象进行输出，从而控制主对象。串及控制系统先计算主回路，再计算副回路，因为串级控制系统中主对象的响应速度比副对象的相应速度慢，所以可以分为两种控制方式：异步采样控制和同步采样控制。异步采样控制即主回路采样周期为副回路采样周期的倍数；同步采样控制即主回路与副回路的采样周期相同。
2.4 PID控制算法的切换
在实际操作中，PID控制算法的手自动调节切换和无扰动切换会影响整个系统过程控制。当PID控制算法从自动调节转换为手动调节时，上位机会先取得PID控制算法当前的运算结果，然后由操作人员根据显示的运算结果进行手动调节。当PID控制算法从手动调节转换为自动调节时，PID控制算法会根据手动调节的最终值累计加量。在切换过程中，控制卡不将PID控制算法的运算结果输出给智能测控模板，所以智能测控模板的输出不受影响，执行机构的位置也不会发生变化。
3 现场控制站主控模块的容错技术
3.1 主控模塊的冗余部分
主控模块连接上位机和智能测控模板，是现场控制站的中心，可以直接影响整个系统的性能。冗余是将几个功能相同的子系统并联，只要任何一个子系统可以正常工作，系统就可以正常运行，为主控模块增加冗余的部分可以满足在主控制卡发生故障时，作为冗余部分的从控制卡进行工作，从而提高整个系统的可靠性，实现系统稳定运行。在安装冗余时，要注意两个问题，一个是主控制卡和从控制卡的CAN总线接收数据的同步，另一个是主控制卡和从控制卡的双机冗余热备用。
3.2 现场控制站的故障检测
在系统运行中，主控制卡和从控制卡只能有一个可以执行全部功能。在主控制卡出现故障时，系统必须将主控制卡切除，并运行从控制卡代替主控制卡。主控制卡和从控制卡能彼此检测状态，如果主控制卡检测出从控制卡存在故障，主控制卡会连接上位机发出警报，当从控制卡恢复正常后，主控制卡会再次连接上位机撤销警报。若从控制卡检测到主控制卡存在故障，从控制卡会主动获取主控制权，并连接上位机发出警报，在主控制卡恢复正常后，从控制卡会再次连接上位机撤销警报，同时释放主控制权。
3.3 现场控制站的故障警报
在主控模块需要连接上位机发布警报时，主控模块成为网络客户端，上位机成为网络服务器。主控模块发送SYN段启动自动连接，当上位机的SYN段和确认反馈给主控模块时，主控模块会对上位机的SYN段再进行反馈，此时的连接状态为连接已建立。当主控模块想要终止连接时，它会发送FIN段，当上位机对FIN段的确认反馈给主控模块时，主控模块改为等待连接中断状态，在主控模块接收到上位机发送的FIN段后，主控模块终止连接。主控模块对上位机FIN段的确认期限为两分钟，两分钟内主控模块对上位机的FIN段进行反馈，连接将被中断，如果超出两分钟，连接也会自动终止。
3.4 现场控制站的可靠性分析
可靠性代表着系统的在特定条件下的性能。要保持系统的可靠性最重要是进行可靠性设计。新型DCS的嵌入式主板结构紧凑、稳定性良好，实时操作系统经美国联邦航空管理局认证，拥有相当强大的安全性个稳定性。在主控模块各个应用任务的编程结束后，要对系统严格拷机。启动系统后，对主控模块的各个应用进行测试，保证主控模块的所有功能均正常。
总结
综上所述，新型DCS现场控制站的控制策略与容错技术影响着控制系统的性能，但目前现场控制站的控制策略和容错技术还有待完善。由分析可得，利用基本控制算法功能模块，PID控制策略，串及PID控制算法并注意PID算法的切换，实现了控制系统稳定，调节偏差迅速。在主控模块增加冗余部分，利用主控制卡和从控制卡互相检测，建立合理的故障警报网络，加大了控制系统发生故障的容错率，提高了控制系统的可靠性。
参考文献
[1] 翟万清.新型DCS现场控制站的控制策略与容错技术研究[D].山东大学，2009.
[2] 陈斌.新型DCS现场控制站的设计与开发[D].山东大学，2011.
作者简介
姓名：李邵鹏（1986.11--）；性别：男，籍贯：辽宁省抚顺市，学历：硕士研究生，毕业于辽宁石油化工大学；现有职称：中级工程师；研究方向：工业过程的先进控制与优化。
[关键词]新型DCS控制系统；现场控制站；PID控制算法
中图分类号：TP273.5 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）41-0378-01
引言
控制系统的现场控制站作为控制系统的核心，决定了系统的性能和可靠性。主控模块又是现场控制站的核心，包括嵌入式主板为主的硬件部分和实时操作系统组成的软件部分。主控模块实现控制策略，主要采用功能块图作为控制算法，通过控制算法功能模块实现控制算法组态。
1 新型DCS的定义
DCS即分布式控制系统，或集散控制系统，是在集中式控制系统基础上研发出的一种新型计算机控制系统，是继DDC系统和SCC系统后又一新兴的自动化控制系统。新型DCS系统使用多台计算机同时保证控制的功能和范围，满足被控过程的层次性和可分割性，提高了控制系统的处理能力，保证了控制站的稳定性和可靠性。
2 现场控制站主控模块控制策略的实现
2.1 基本控制算法功能模块
基本控制算法功能模块包含：输入模块、输出模块、常量模块、算术运算模块、数学函数模块、逻辑运算模块、触发器模块和延时模块等，常量模块、算术运算模块和数学函数模块可以用八字节双精度表示无符号字符、无符号整数、无符号长整数、单精度浮点数、双精度浮点数来作为变量。每个控制算法功能模块都有一个函数与之相对应，所有控制算法功能都包含相同的数据结构，该模块在控制算法功能模块表里规定的顺序号表示内存控制块数据结构中的模块功能号，该模块在上位机组态控制算法时控制算法回路中的位置表示模块流水号。主控模块的控制算法运行任务在执行回路时以流水号为依据，而回路又按照模塊的流水号顺序执行模块，所谓执行模块，即调用与该模块相对应的函数。为了方便下一个模块使用，除最后一个模块外，每一个模块在执行完毕后都会把运算结果存入内存单元。
2.2 常用PID控制算法功能模块
PID控制是较早发展起来的控制策略，其算法简单，在异常情况下更稳定，在难以建立精确数学模型的控制系统中也更适用，因此PID控制被大量使用在工业过程控制中。根据控制规律可将PID调节分为比例调节、比例积分调节以及比例积分微分调节，其中比例调节的调节规律最为简单，但也存在静差，属于有差调节；比例积分调节不仅克服了这种静差，同时摒弃了单纯积分调节响应慢的缺点，目前应用较为广泛；比例积分微分调节是在比例积分调节的基础上加入微分调节，这种调节可以在偏差刚出现时立刻做出调节，消除偏差，改善调节品质。PID控制功能模块分为位置式PID功能模块、增量式PID功能模块、积分分离PID功能模块。
2.3 串及PID控制算法
串级控制系统以单回路PID控制系统为基础，由两个拥有各自回路的PID控制器组成，分别为内环PID和外环PID，内环PID控制器的回路为副回路，外环PID控制器的回路为主回路，主回路根据主对象提供给定值，副回路根据给定值对副对象进行输出，从而控制主对象。串及控制系统先计算主回路，再计算副回路，因为串级控制系统中主对象的响应速度比副对象的相应速度慢，所以可以分为两种控制方式：异步采样控制和同步采样控制。异步采样控制即主回路采样周期为副回路采样周期的倍数；同步采样控制即主回路与副回路的采样周期相同。
2.4 PID控制算法的切换
在实际操作中，PID控制算法的手自动调节切换和无扰动切换会影响整个系统过程控制。当PID控制算法从自动调节转换为手动调节时，上位机会先取得PID控制算法当前的运算结果，然后由操作人员根据显示的运算结果进行手动调节。当PID控制算法从手动调节转换为自动调节时，PID控制算法会根据手动调节的最终值累计加量。在切换过程中，控制卡不将PID控制算法的运算结果输出给智能测控模板，所以智能测控模板的输出不受影响，执行机构的位置也不会发生变化。
3 现场控制站主控模块的容错技术
3.1 主控模塊的冗余部分
主控模块连接上位机和智能测控模板，是现场控制站的中心，可以直接影响整个系统的性能。冗余是将几个功能相同的子系统并联，只要任何一个子系统可以正常工作，系统就可以正常运行，为主控模块增加冗余的部分可以满足在主控制卡发生故障时，作为冗余部分的从控制卡进行工作，从而提高整个系统的可靠性，实现系统稳定运行。在安装冗余时，要注意两个问题，一个是主控制卡和从控制卡的CAN总线接收数据的同步，另一个是主控制卡和从控制卡的双机冗余热备用。
3.2 现场控制站的故障检测
在系统运行中，主控制卡和从控制卡只能有一个可以执行全部功能。在主控制卡出现故障时，系统必须将主控制卡切除，并运行从控制卡代替主控制卡。主控制卡和从控制卡能彼此检测状态，如果主控制卡检测出从控制卡存在故障，主控制卡会连接上位机发出警报，当从控制卡恢复正常后，主控制卡会再次连接上位机撤销警报。若从控制卡检测到主控制卡存在故障，从控制卡会主动获取主控制权，并连接上位机发出警报，在主控制卡恢复正常后，从控制卡会再次连接上位机撤销警报，同时释放主控制权。
3.3 现场控制站的故障警报
在主控模块需要连接上位机发布警报时，主控模块成为网络客户端，上位机成为网络服务器。主控模块发送SYN段启动自动连接，当上位机的SYN段和确认反馈给主控模块时，主控模块会对上位机的SYN段再进行反馈，此时的连接状态为连接已建立。当主控模块想要终止连接时，它会发送FIN段，当上位机对FIN段的确认反馈给主控模块时，主控模块改为等待连接中断状态，在主控模块接收到上位机发送的FIN段后，主控模块终止连接。主控模块对上位机FIN段的确认期限为两分钟，两分钟内主控模块对上位机的FIN段进行反馈，连接将被中断，如果超出两分钟，连接也会自动终止。
3.4 现场控制站的可靠性分析
可靠性代表着系统的在特定条件下的性能。要保持系统的可靠性最重要是进行可靠性设计。新型DCS的嵌入式主板结构紧凑、稳定性良好，实时操作系统经美国联邦航空管理局认证，拥有相当强大的安全性个稳定性。在主控模块各个应用任务的编程结束后，要对系统严格拷机。启动系统后，对主控模块的各个应用进行测试，保证主控模块的所有功能均正常。
总结
综上所述，新型DCS现场控制站的控制策略与容错技术影响着控制系统的性能，但目前现场控制站的控制策略和容错技术还有待完善。由分析可得，利用基本控制算法功能模块，PID控制策略，串及PID控制算法并注意PID算法的切换，实现了控制系统稳定，调节偏差迅速。在主控模块增加冗余部分，利用主控制卡和从控制卡互相检测，建立合理的故障警报网络，加大了控制系统发生故障的容错率，提高了控制系统的可靠性。
参考文献
[1] 翟万清.新型DCS现场控制站的控制策略与容错技术研究[D].山东大学，2009.
[2] 陈斌.新型DCS现场控制站的设计与开发[D].山东大学，2011.
作者简介
姓名：李邵鹏（1986.11--）；性别：男，籍贯：辽宁省抚顺市，学历：硕士研究生，毕业于辽宁石油化工大学；现有职称：中级工程师；研究方向：工业过程的先进控制与优化。