第8章集散控制系统#Word文件下载.docx

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各阶段测控仪表能力如图8-l所示<

能力指数在数值上并不精确，仅作示意）。

8.1.2DCS的发展简况

自20世纪70年代中期以后，世界各国也相继推出了自己的第一代集散控制系统．与Honeywell川公司的TDC-2000系统一样，这些系统已经包括了DCS的三大组成部分，即分散的过程控制设备、操作管理设备和数据通信系统，也具有了DCS的本质，即集中操作管

理、分散控制．当时比较著名的DCS产品有美国霍尼韦尔<

Honeywell）公司的TDC-2000、美国泰勒<

Taylor）公司的MOD3、美国福克斯波罗<

Foxboro）公司的SPEC-TRUM、美国贝利控制<

BailyControl）公司的NETWORK-90、英国肯特<

Kent）公司的P-4000、德国西门子<

Siemens）公司的TELEPERMM、日本东芝<

TOSHIBA）公司的TOSDIC、日本横河<

YOKOGAWA）公司的CENTUM等。

随着半导体技术、显示技术、控制技术、网络技术和软件技术等高新技术的发展，集散控制系统也得到了快速的发展。

第二代集散控制系统的主要特点是系统的功能扩大或增强，例如，控制算法的扩充；

常规控制与逻辑控制、批量<

Batch）控制相结合；

过程操作管理范围的延伸及功能增添，显示屏分辨率的提高及色彩的增加；

多微处理器的应用等。

而其中一个明显的变化是数据通信系统的发展，从主从式的星形网络通信转变为对等式的总线网络通信或环网通信，但通信系统随制造厂的不同而相异，相互通信困难，这个时期，各集散控制系统的产品有了较大的改进，应用也越来越多，也逐步为人们所认识和接受。

在第二代集散控制系统中，通信系统已采用局域网，不仅通信范围扩大，而且通信速率也大为提高。

比较典型的DCS产品有Honeywell公司的TDC-3000、Taylor公司的MOD300、Baily公司的NETWORK-90等。

1987年，美国福克斯波罗<

凡Foxboro）公司推出的I/AS系统标志着集散控制系统进人了第三代。

I/AS系统的主要改变在局域网上，它采用了10MbPs的宽带网和5Mbps的窄带网，符合国际标准化组织ISO的开放系统互连0S1（OpenSystemInterconnection）参考模型。

据此，凡遵从0SI标准的“开放”系统，不同的制造厂产品间可以相互连接、相互通信进行信息交互，第三方的应用软件也能在系统中应用，从而使集散控制系统进人了一个新的阶段。

紧随其后，各DCS制造厂也纷纷推出了各自的第三代DCS产品，例如Honeywell公司具有UCN网<

UniversalControlNetwork）的TDC-3000、横河<

YOKOGAWA>

公司具有v-NET网的CENTUM-XL、LEEDS&

-NORTHRUP公司的MAX-1000、Bailey公司的INFO-90等。

第三代集散控制系统由子系统网络通信功能的增强，各不同制造厂的产品可实现互相通信，克服了第二代集散控制系统在应用过程中出现的白动化信息孤岛等弱点。

此外，从系统的软件的控制功能来看，系统具备的控制功能得到增强，其控制功能不再仅仅是常规控制、逻辑控制和批量控制的综合，而是增加了各种诸如白适应或自整定等的复杂控制算法，用户可在对控制对象特性知之较少的情况下应用所提供的控制算法，由系统自动搜索或通过一定的运算获得较优的控制器参数。

另外，因为可采用第三方的应用软件，也为用户提供了更广阔的应用场所。

仪表、DCS及计算机系统的发展史见图8-2。

20供纪90年代初，随着对控制和管理要求的不断提高，第四代集散控制系统以竹控一体化的形式出现。

它在硬件上采用了开放的工作站，使用RISC替代CISC，采用了客户机／服务器<

Client/Server）的结构。

在网络结构上增加了工厂信息网<

Intranet>

，并可与国际信息网Internet网联网。

操作平台采用UNIX系统和X-WINDOWS的图形界面，系统软件更加丰富。

例如，一些优化和管理的界面友好的软件被开发并移植到集散控制系统中。

同时．在制造业，计算机集成制造系统<

CIMS）得到了应用，使人们见到了应用信息管理系统所产生的经济效益。

计算机集成作业系统也已开始进行试点应用。

第四代集散控制系统的典型产品有Honeywell公司TPS系统、横河公司的CENTUMCS系统、Foxboro公司的I/AS50/51系列系统、ABB公司Advant系列OCS开放控制系统、浙大中控公司的WebFieldECS-100系统等．这一代集散控制系统主要是为解决DCS系统的集中管理而研制，它在信息管理、通信等方面提供了综合的解决方案。

8.1.3DCS的主要特点

集散控制系统采用标准化、模块化和系列化设计，由过程控制级、控制管理级和生产管理级所组成的一个以通信网络为纽带的集中形式操作管理，控制相对分散，具有配置灵活、组态方便的多级计算机网络结构。

与传统的模拟电动仪表相比，具有连接便利、采用软连接的方法易于变更、显示方式灵活、显示内容丰富、数据存储量大等优点，与集中数字计算机系统相比，具有操作监视方便、控制回路分散<

危险分散）、功能分散等优点．其主要特点如下。

（1>

可靠性高可靠性、高效率和高可用性是集散控制系统的生命力所在，是适应长周期连续运行及保证生产过程安全生产的前提。

DCS制造厂在确定系统结构的同时，进行可靠性设计，采用可靠性保证技术．

a．系统结构采用容错设计．使得在任一单元失效的情况下，仍然保持系统的完整性．即使全局性通信或管理站<

操作站）失效，局部站仍能维持工作；

b．系统的所有硬件均可冗余配置。

电源、通信线路一般采用双重化<

l:

1冗余）．所有操作站一般可互为冗余，控制站可双重化<

l：

1冗余）；

输人／输出<

I/O）卡件可1：

1冗余，部分系统可做到3:

1或7：

1冗余；

c，为提高软件的可靠性，采用程序分段与模块化设计、积木式结构，采用程序卷回或指令复执的容错设计，

d．结构、组装工艺的可靠性设计。

严格筛选元器件，降额使用，加强质量控制，尽可能减少故障出现的概率。

新一代的DCS采用专用集成电路<

ASIC）和表面安装技术（SMT>

e.“电磁兼容性”设计。

电磁兼容性是指系统的抗干扰能力与系统内外的干扰相适应，并留有充分的余地，以保证系统的可靠性。

系统内外要采取各种抗干扰措施；

系统所处环境应远离电磁场、超声波等辐射源；

安装合适的接地系统，信号电缆、电源电缆等采用屏蔽并做好接地，采用双回路供电且配置不间断电源．输入／输出信号采用内外隔离及相互隔离等措施；

f．在线快速排除故障的设计。

采用硬件自诊断和故障部件的自动隔离、自动恢复与热插拔的技术。

系统内发生异常，通过硬件自诊断功能和测试功能检出后，汇总到操作站，然后通过显示器或声响报警或打印输出．将故障信息通知操作人员；

控制站各卡件上均有状态指示灯，可指示故障部件。

因为具有事故报等、冗余措施、在线故降处理、硬手操器备份等手段．提高了系统的可靠性和安全性。

平均故障间隔时间MTBF（MeanTimeBetweenFailure。

）和平均修复时间MTTR（MeanTimeToRepair）是衡量DCS系统可靠性的两各项重要指标。

当前，国际著名制造厂的DCS系统，其MTBF可高达百万小时以上，MTTR仅为几分钟<

如5min）。

（2）实时性通过人机接口和摘人／艳出<

I/O）接口，对过程对象数据进行实时采集、处理、分析、记录、监视、操作控制，包括对系统结构和组态回路的在线修改、局部故障的在线维护等。

（3>

适应性、灵活性和易扩展性硬件和软件采用开放式、标准化、模块化设计，系统采用积木式结构，具有灵活的配置，可适应不同用户各种大小不等的系统规模要求，也可根据生产要求，改变系统的配置规模。

配置规模和控制方案的改变，皆无需修改或重新开发软件，只是使用组态软件对组态进行修改即可。

（4）自治性和协调性集散控制系统的各组成部分是各自相对独立的自治系统，各自完成各自的功能，相互之间又有联系，即各站通过网络接口连接起来，相互交换数据信息，各种条件相互制约，在系统的协调下工作。

在集散控制系统中，相对分散的控制站是一个自治的系统，它完成数据的采集、信号处理、计算、控置及数据输出等功能。

操作站完成数据的显示、操作监视和操作信号的发送等功能。

通信系统则完成操作站、控制站等装置间的数据传送。

因为整个系统是一个相互协调的系统．各组成部分虽然是自治的，但是，任何一个部分的故障也会对其他部分产生影响。

例如，操作站的故障将使操作人员无法掌握生产过程的运行情况；

通信系统的故障会使数据传送出错等。

在集散控制系统中，分散的内涵是十分广泛的。

分散的数据库、分散的控制功能、分散数据显示、分散通信、分散供电、分散负荷等。

其分散是相互协调的分散，因此，在分散中有集中的数据管理、集中的控制目标、集中的显示屏幕、集中的通信管理等，在分散中协调和管理，各个分散的自治系统在统一集中管理和协调下各自分散地运作。

（5）界面友好性集散控制系统软件是面向工业控制技术人员、工艺技术人员和生产操作人员的，其使用界面就要与之相适应。

实用而简捷的人机会话系统，CRT彩色高分辨率交互图形显示，复合窗口技术，画面丰富，有总貌、控制面板、参数整定、趋势、流程图、回路一览、报警一览、批量控制、操作报表和操作指导等画面，菜单功能更具实时性．平面密封式薄膜操作员键盘、触摸式屏幕、鼠标或球标器等更便于操作。

语音输人／输出使操作员与系统对话更方便．

组态软件包括系统组态、过程控制组态、各种画面组态、报表生成组态等，使用方便，易于用户掌握，灵活应用。

8.1.4DCS的发展趋势

集散控制系统的问世标志着仪表计算机控制系统进人了一个新的历史时期。

在短短的二十几年中，集散控制系统已经经历了四代变迁，系统的功能不断完善，系统从简单的自动化信息孤岛发展成开放的、与外部系统相互连接的网络系统，可靠性、互操作性及其他性能皆得到不同程度的提高，被广泛应用于石化、化工、冶金、电力等行业。

集散控制系统的发展与科学技术的发展密切相关．集散控制系统是其他高新技术发展的产物，网时，它的发展也推动了其他高新技术的发展。

例如，局域网技术的发展产生了第二代集散控制系统，开放系统产生了第三代集散控制系统，而集散控制系统的发展也促进了控制技术的发展。

随着半导休技术、数据存储和压缩技术、网络和通信技术等高新技术的发展，集散控置系统也进人了新发展阶段。

现场总线的应用使集散控制系统以全数字化的崭新面貌出现在控制领域，是分散控制的最终体现。

而工厂信息网和互联网<

Internet）的应用使集散控制系统的集中操作、集中管理的功能有了用武之地，管控一体化将使用户的产品质量和产量提高、成本和能耗降低，经济效益提高。

集散控制系统将向综合化、开放化、人工智能化发展，一个发展趋势是向计算机集成制造系统<

CIMS）、计算机集成过程系统<

CIPS）发展，另一个发展趋势是向现场总线控制系统FCS（Fieldbus，,ControlSystem）发展。

（1>

信息化集成系统在第四代集散控制系统中，全厂的信息集成和管理已提到一定的高度。

DCS系统的功能已不再局限于生产过程的控制，整个工厂、集团公司的管理工作也将在以万系统中得到应有的位咒。

今后，DCS系统向CIMS、CIPS方向发展将是十分重要的。

其主要发展体现在硬件和软件两方面。

a．系统硬件在通信系统中，工厂或企业集团主干通信网采用传轴媒介为光纤的高速以太网或100Mbps快速以太网<

Ethernet）、交换局域网等标准通信网络．主机采用RISC工作站，其内存容量可高达几十Gb，带有海量存储器、可移动硬盘或其他多媒体存储装置，可配多种标准接口，能与一些著名厂商的计算机系统进行通信，也能采用微波电话或电话线与远端的总公司等部门进行通信。

系统采用客户机／服务器<

C/S,C1ient/Server）结构。

整个系统的控制级采用PentiumⅡ作为处理器．支持WindowsNT和其他的传输协议，有强有力的优化环境作为系统运行的支持，与主机可经路由器连接。

各部门的子系统根据本部门的情况可选用适当规模的通信系统和计算机，多数情况下可采用PC机或网络机NC。

在硬件方面，也采取了不少改善操作环境的举措。

例如，采用触摸屏、鼠标等光标定位装置，采用根据人机项目学设计的易于操作的操作管理站，采用手握式编程器或手提PC机对现场设备进行调校．采用多媒体技术改善操作环境。

b．系统软件系统软件中，网络软件的选用通常遵循标准化、主流产品、实用性、安全性和性价比最优等原则。

防火墙<

Firewal1）是最普遍采用的安全措施。

己被广泛采用并证明是有效的WebServer软件可为用户提供良好和开放的应用环境。

以Window:

NT/Win-dows2000为操作平台，提供的多任务、多线程和可扩展性，使系统能支持网络内数千用户的使用，并提供大最事务管理的可伸缩性。

系统内信息数据的共享是CIMS系统的特点之一，它在系统软件上要求将大型的关系数据库管理系统和与控制系统的实时数据库管理系统相结合。

系统软件将改善操作环境。

对操作员、维护人员、项目师、管理人员和决策人员将有不同的操作环境并提供不同的权限，操作的方式将使各类使用人员皆容易掌握，例如，图标、下拉式菜单、多窗口显示、拖曳式操作等。

此外，多媒体技术也将在系统中被广泛采用。

用户的应用软件将根据应用规模、生产过程特点、企业的使用要求等性能条件进行开发。

例如，对大中小型的应用规模、对制造工业和流程工业、对企业的供销、计划、生产调度、过程控制等都会有不同的应用软件。

人工智能、计算机技术和通信技术的应用，使过程仪表从模拟信号<

如4-20mADC>

发展到全数字化信号，使得智能仪表、现场总线设备被大最引进到DCS系统中，各种智能的控制算法、综合控制、管理和优化软件包被开发，并在系统中得到应用。

（2）现场总线控制系统

现场总线控制系统FCS（FieldbusControlSystem）是采用现场总线作为通信系统的控制系统。

现场总线控制系统因为采用了智能现场设备，能够把原先DCS系统中处于控制室的控制单元、输人／愉出<

1/0）卡件置人现场设备，加上现场设备具有通信能力，现场的侧量变送仪表可以与阀门等执行机构直接传送信号，因而控制系统功能能够不依赖控制室的计算机或控制仪表，直接在现场完成，实现了彻底的分散，

现场执行控置系统具有以下优点。

①系统的开放性开放是指对相关标准的一致性、公开性，强调对标准的共识与遵循。

一个开放系统，是指它可以与世界上任何地方遵守相同标准的其他系统或设备连接。

通信协议一致公开，各不同厂家的设备之间可实现信息交互。

现场总线是采用统一的工厂底层网络的开放系统。

用户可依据自己的需要，把来自不同厂家的产品组成任意规模的系统。

通过现场总线构筑自动化领域的开放互连系统。

②互可操作性与互用性互可操作性，是指实现互连设备之间、系统之问的信息交互；

互用性则意味着不同厂家的性能类似的设备可实现相互替换，使用户在选择设备上拥有高度的自主权。

③现场设备的智能化与功能的自治性采用现场总线智能仪表后，一方面，原DCS系统控制站的功能在现场仪表上实现仅靠现场仪表即可控制的基本功能，另一方面，智能仪表可向系统提供过程数据外，还提供大量的管理信息，如设备自诊断信息等。

操作人员在控制室可方便地对生产过程进行监视、操作和控制。

④系统结构的高度分散性现场总线构成一种新的全分散的体系结构，从根本上改变了DCS系统集中与分散相结合的结构体系，简化了控制系统的结构，提高了可靠性。

⑤对环境的适应性作为工厂网络底层的现场总线，是专为现场环境设计的，传输介质可采用双绞线、同轴电缆、光缆、射颇、红外线等．具有较强的抗干扰能力；

供电与通信共用线路，并可满足防爆、防水等要求。

⑥提高系统的检测精度与可靠性因为现场总线设备的智能化、数字化．信号的传输误差减少，同时，因为系统结构简化，设备与连线减少，也提高了系统的可靠性。

⑦节省用户的费用现场总线控制系统把控制功能移至现场，相比DCS系统，系统结构简化，设备与连线减少，机柜室空间减少，节省了用户的设备、安装及维护的费用。

因为现场总线的研究和开发工作尚在进行中，部分相应的硬件系列不齐全、功能有待完善，一些高级控制功能块、应用工具和软件尚需开发。

8.2DCS的构成

集散控制系统<

DCS）的突出优点是系统的硬件和软件都具有灵活的组态和配置能力。

DCS的硬件系统通过网络系统将不同数目的项目师站、操作<

员）站、<

现场）控制站连接起来，完成数据采集、控制、显示、操作和管理功能。

自第一台DCS问世以来，仅历时不到30年的发展，已成为工业生产过程自动控制的主。

随着半导体技术、计算机技术、控制技术、软件技术及网络技术等多种技术的发展和应,DCS也不断发展和更新，各制造用厂相继推出和更新各自的DCS产品。

目前，世界上著名的DCS厂家达近百家，已推出的DCS产品达百种以上。

所有DCS的硬件和软件千差万别，但从其基本构成方式和基本组成来分析，则具有相同或相似的特性。

8.2.1DCS的构成方式

DCS的功能分层是其体系特征，它体现了DCS加分散控制、集中管理的特点。

按照功能分层的方法．DCS可分为四级，即现场控制级、过程控制级、过程管理级、工厂总体管理级。

如图8-3所示。

（l）现场控制级，因为现场总线的应用．在DCS的最低层，出现了现场控制级。

故将其作为一级进行介绍。

（2）过程控制级，在这一级，过程控制计算机通过1/0卡件与现场各类设备<

如变送签、执行机构等）相连，对生产过程实行数据采集、控制，同时还通过网络把实时过程信息传送到上、下级。

（3）过程管理级．以中央控制室的操作站为主，配以项目师站、打印机等计算机外部设备。

它综合监视过程各站的所有信息，集中显示操作，控置回路组态和参数修改，优化过程处理等。

（4）工厂总体管理级，可实行全厂的优化和调度管理，并与办公自动化连接起来，担负全厂的总体调度管理，包括各类经营活动、生产决策、资源配置及人事管理等。

8.2.2DCS各层的功能

从图8-3可以看出，新一代的DCS是开放的体系结构，可方便地与生产管理的上位计算机相互交换信息，形成管控一体化，实现工厂的控侧、信息管理一休化．

（l）现场控制级现场总线的应用，形成了现场控制级．现场总线设备组成的网络，其拓扑结构有星形、树形和总线形等。

现场控制级的特性与现场总线设备的特性相关．随着控制器与传感器、变送器、执行机构的整体安装式智能仪表的出现，现场控制级可具有部分或全部过程控制级的功能．现场控制级的主要功能有：

a．采集过程数据，对数据进行处理、转换．

b．输出过程操纵命令．

c，进行直接数字控制，

d．承担与过程控制级的数据通信；

e．对现场控制级的设备进行监测和诊断。

（2）过程控制级大部分DCS都采用分散的控制站和1/O卡件组成过程控制级，通过通信网络把过程信息向上、下级传送，其特点是：

a．高可靠性，

b．实时性．

c．控制功能强；

d．通信速度快、信息量大。

过程控制级是DCS的核心，其性能好坏直接影响到信息的实时性、控制质量的好坏及管理决策的正确性．其主要功能如下：

a．采集过程数据，进行数据转换和处理；

b．数据的监视和存储；

c．实行连续、批量或顺序控制的运算和输出控制作用，

d．设备的自诊断；

e．数据通信，

f．实行安全性、冗余方面的措施．

（3）过程管理级过程管理级以装置<

一个或数个）或车间为单元，以控制室操作站为中心，是与生产过程直接对话的关键的人机界面。

其主要功能如下：

a．数据实时显示，历史数据的存档、状态及故障信息存档、报表输出等；

b．过程操作<

包括组态、维护）。

c．报普、事件的诊断和处理；

d．系统组态，优化过程控制；

e．数据通信．

<

4）工厂总体管理级本级处于工厂自动化系统的最高层，其管理范围很广，包括项目技术方面、经济方面、商务及人享方面等。

其主要功能为：

a．优化控制，

b．协调和调度各车间生产计划和各部门的关系；

c．主要数据的显示、存储和输出。

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