2第二篇 DCS概述.docx

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2第二篇DCS概述

第二篇DCS概述

DCS是继1969年PLC问世后，由HONEYWELL公司在1975年首先推出的系统。

即：

TDC2000，它只有模拟量控制。

随后，相继有几十家美国仪表公司也推出自己的系统。

从不同方向发展起来的DCS在结构上、软件方面有些区别。

仪表公司开发的DCS的控制器的软件部分比较符合仪表工程人员应用的习惯，特别是组态方式比较方便。

传动公司设计的PLC部分比较好。

计算机公司设计的DCS的人机界面比较友好。

相继出现的DCS有MAX-1、RS3、MODⅢ、N-90、D/3、WDPF、MICRO、ECS-1200；日本横河的YEPARKMARKⅡ、东芝的TOSDIC；，英国的P4000；德国的TELEPERM、PROCONTROLP、瑞典的AC210等。

从理论上讲，一个DCS系统可以应用于各种行业。

但由于各行业有它的特殊性，所以DCS也就出现了型号与应用行业是否匹配的问题。

有时也由于DCS厂家和用户的技术人员的工艺知识的局限性而引起的。

例如：

HONEYWELL公司对石化行业比较熟悉，其产品在石化行业应用较多，它缺少其它行业的特殊模块，如事件记录的快速模块。

而ＢAILEY的产品则在电力行业应用比较普遍，这些特殊模块都已经有了。

用户在选择DCS的时候主要是要注意其技术人员对自己生产工艺的熟悉程度，然后选择符合自己要求的DCS。

并应注意行业应用的特殊性，如电厂的SOE、水泥厂的大纯滞后，造纸厂的横向水分控制等。

DCS系统适用于多大规模，比如使用NT操作系统的就适应于中、小规模的系统（标签量在10000点以下），最后才考虑价格因素。

各DCS厂家开发有不同类型硬件的操作站，它和控制器的不同组合会有不同的价格，其差异很大。

在作系统配置时，即使是同一个系统的不同组合，价格也不一样。

专用操作站也是可改变的。

以前是因为计算机技术不够发达、没有合适的软、硬件供选择，所以DCS厂家只能自己开发自己的专用操作站，因而造成封闭局面。

后来则是由于DCS厂家为了保证其利益造成的，因为采用专用部件，在备件方面可以有很高的利润。

但这种封闭局面总会被打破，DCS的用户只要及时了解技术的发展情况，就能选出合适的系统。

国产的DCS系统在技术上可能不如进口的，但也能满足基本要求。

其价格比进口的DCS至少要低一半，算上备品备件、现场服务费用，它的成本则要低很多。

DCS的各部件的寿命与平常的维护水平有关。

在投运初期，容易损坏的概率比较大，一旦投入运行，几乎是不坏的。

从检修的经验来看，经检修过的模件，已修复的部分一般不会重复损坏。

从部件故障概率来看，电源的损坏概率最大。

由于DCS不仅具有连续控制和逻辑控制能力，而且具有顺序控制和批量控制的功能。

因此，DCS既可用于连续过程工业，也可用于连续和离散混合的间隙过程工业。

总之，DCS已经在过程控制领域得到了广泛的应用，不仅用于分散控制，而且向着集成管理的方向发展。

在计算机集成制造系统（computer-integratedmanufacturingsystem,CIMS）或计算机集成过程系统（computerintegratedprocesssystem,CIPS）中，DCS是基础，通过其开放式网络与上层管理网络相连，实现控制与管理的信息集成，进而实现企业的生产、控制和管理的集成，以求得企业的全局优化。

本章概述DCS的产生过程、发展历程、特点和优点，其目的是首先让读者建立DCS的基本概念。

2.1DCS的产生过程

在连续过程控制中,常规模拟仪表控制和早期的计算机控制可归纳为仪表分散控制系统、仪表集中控制系统和计算机集中控制系统3种类型。

人们分析比较了常规模拟仪表控制和计算机集中控制的优缺点之后，研制出计算机集散控制系统（DCS）。

2.1.1　仪表分散控制系统

众所周知，一个控制回路的构成需要有传感器、控制器和执行器，俗称控制三要素，如图2.1所示。

20世纪50年代前的基地式气动仪表就是把控制三要素就地安装在生产装置上，在结构上形成一种地理位置分散的控制系统，如图2.2所示。

该图中孔板（传感器）将检测到的反映流体流量的差压信号送到气动控制器，气动控制器输出气动信号控制气动调节阀（执行器），实现单回路控制。

这类控制系统按地理位置分散于生产现场，自成体系，实现一种自治式的彻底分散控制。

其优点是危险分散，一台仪表故障只影响一个控制点；其缺点是只能实现简单的控制，操作工奔跑于生产现场巡回检查，不便于集中操作管理，而且只适用于几个控制回路的小型系统。

图2.1控制回路

图2.2仪表分散控制

2.1.2　仪表集中控制系统

20世纪50年代后出现了气动单元组合仪表，随着晶体管和集成电路技术的发展，又出现了电动单元组合仪表（0~10mADC和4mA~20mADC信号）和组件组装式仪表。

这一阶段控制器、指示器、记录仪等集中安装于中央控制室，传感器和执行器分散安装于生产现场，实现了控制三要素的分离，如图2.3所示。

图2.3仪表集中控制

这类控制系统目前仍在使用，其优点是便于集中控制、监视、操作和管理，而且危险分散，一台仪表故障只影响到一个控制回路。

其缺点是由于控制三要素的分离带来安装成本高，要消耗大量的管线和电线，调试麻烦，维护困难，只适用于中小型系统。

几十年来，世界各国的仪表制造厂，尽管不断采用新技术对仪表性能及结构进行改进，但要满足现代化生产过程控制的要求仍然存在一些难以克服的问题。

比如，在控制功能方面，由于一台常规模拟仪表只能执行单一功能，为了适应不同的控制要求，往往需要配置多种型号的仪表。

对于某些工艺过程复杂，需要采用复杂控制方案，常规模拟仪表由于受到其功能方面的限制，而难以满足要求。

在操作监视方面，现代化大型装置如果采用常规模拟仪表进行集中控制，那么在中央控制室内仪表盘上将安装成百上千台仪表，致使仪表盘很长，控制室面积很大。

而且生产规模越大，需要协调的环节就越多，关联因素也就越复杂。

这就要求操作人员必须从仪表盘上，逐台读取各类仪表显示的数据，才能了解生产的全过程，经过分析和判断后，再去操作有关仪表，以便保证生产稳定。

显然，这样的监视与操作是相当困难的，而且有局限性，难以满足现代化大生产的控制要求。

2.1.3计算机集中控制系统

为了弥补常规模拟仪表的不足，并适应现代化大生产的控制要求，20世纪60年代人们开始将计算机用于生产过程控制。

由于当时计算机价格昂贵，为了充分发挥计算机的功能，一台计算机承担一套或多套生产装置的信号输入和输出，运算和控制，操作监视和打印制表等多项任务，实现几十个或上百个控制回路，并包括全厂的信息管理，如图2.4所示。

图2.4计算机集中控制

计算机用于生产过程控制可分为操作指导控制、设定值控制（set-pointcontrol,SPC）、直接数字控制（directdigitalcontrol,DDC）、监督计算机控制（supervisorycomputercontrol,SCC）4种类型，如图2.5所示。

前2种属于计算机与仪表的混合系统，直接参与控制的仍然是仪表，计算机只起操作指导和改变设定值（SV）的作用，后2种计算机承担全部任务，而且SCC属于2级计算机控制。

图2.5计算机集中控制的4种类型

计算机集中控制的优点是便于集中监视、操作和管理，既可以实现简单控制和复杂控制，也可以实现优化控制，适用于现代化生产过程的控制。

其缺点是危险集中，一旦计算机发生故障，影响面比较广，轻者波及1台或几台生产设备，重者使全厂瘫痪。

如果采用双机冗余，则可提高可靠性，但成本太高，难以推广应用。

至此，我们讨论了3种控制系统，可归纳为分散型和集中型2类，其优缺点可总结为以下4条：

1分散型控制的危险分散，安全性好，但不便于集中监视、操作和管理；

2集中型控制的危险集中，安全性差，但便于集中监视、操作和管理；

3模拟仪表仅实现简单控制，各控制回路之间无法协调，难以实现中、大型系统的集中监视、操作和管理；

4计算机可实现简单及复杂控制，各控制回路之间统一协调，便于集中监视、操作和管理。

2.1.4　计算机集散控制系统

人们分析比较了分散型控制和集中型控制的优缺点之后，认为有必要吸取两者的优点，并将两者结合起来，即采用分散控制和集中控制的设计思想，分而自治和综合协调的设计原则。

所谓分散控制是用多台微型计算机,分散应用于生产过程控制。

每台计算独立完成信号输入输出和运算控制,并可实现几个或几十个控制回路。

这样,一套生产装置需要1台或几台计算机协调工作,从而解决了原有计算机集中控制带来的危险集中,以及常规模拟仪表控制功能单一的局限性。

这是一种将控制功能分散，即“危险分散”的设计思想。

所谓集中管理是用通信网络技术把多台计算机构成网络系统，除了控制计算机之外，还包括操作管理计算机，形成了全系统信息的集中管理和数据共享，实现控制与管理的信息集成，同时在多台计算机上集中监视，操作和管理。

计算机集散控制系统采用了网络技术和数据库技术，一方面每台计算机自成体系，独立完成一部分工作；另一方面各台计算机之间又相互协调，综合完成复杂的工作，从而实现了分而自治和综合协调的设计原则。

20世纪70年代初期，大规模集成电路技术的发展，微型计算机的出现，其性能和价格的优势，为研制DCS创造了条件；通信网络技术的发展，也为多台计算机互连创造了条件；CRT屏幕显示技术可为人们提供完善的人机界面，进行集中监视、操作和管理。

这3条为研制DCS提供了外部环境。

另外，随着生产规模不断扩大，生产工艺日趋复杂，对生产过程控制不断提出新要求，常规模拟仪表控制和计算机集中控制系统已不能满足现代化生产的需要，这些是促使人们研制DCS的内部动力。

经过数年的努力，于20世纪70年代中期研制出DCS，成功地应用于连续过程控制。

DCS的结构原形如图2.6所示。

其中控制站（controlstation,CS）进行过程信号输入输出和运算控制，实现DDC功能；操作员站（operatorstation,OS）供工艺操作员对生产过程进行监视、操作和管理；工程师站（engineerstation,ES）供控制工程师按工艺要求设计控制系统，按操作要求设计人机界面（man-machineinterface,MMI），并对DCS硬件和软件进行维护和管理；监视计算机站（supervisorycomputerstation,SCS）实现优化控制、自适应控制和预测控制等一系列先进控制算法，完成SCC功能；计算机网关（computergateway,CG）完成DCS网络（CNET）与其他网络的连接，实现网络互连与开放。

图2.6DCS结构原型

2.2DCS的发展历程

DCS综合了计算机（computer）、通信（communication）、屏幕显示（CRT,cathoderaytube）和控制（control）技术，简称“4C”技术。

DCS的发展与“4C”技术的发展密切相关，自从20世纪70年代中期诞生DCS至今，已更新换代了3代DCS，目前正酝酿着新一代DCS，即FCS（fieldbuscontrolsystem,现场总线控制系统）。

本节概述第一代、第二代、第三代和新一代DCS，其目的是让读者从了解DCS演变史来认识DCS，对DCS的体系结构和本质含义有个基本的概念。

2.2.1　第一代DCS

1975年Honeywell公司生产出TDC2000（totaldistributedcontrol）,这是一种具有多微处理器的集中分散控制系统，实现了集中监视、操作和管理，以及分散输入、输出、运算和控制，从而分散危险，克服了计算机集中控制系统的一个致命弱点。

TDC2000标志着DCS的诞生，让人们看到计算机用于生产过程进行分散控制和集中管理的前景。

第一代DCS的基本结构如图2.7所示，主要由以下四部分组成。

图2.7第一代DCS基本结构

1．过程控制单元（PCU）

过程控制单元（processcontrolunit,PCU）是由8位微处理器（CPU）、存储器（RAM,ROM）、输入/输出、通信接口和电源等组成,以连续控制为主,允许组成4或8个PID控制回路,控制周期为1s~2s,可自主地完成PID控制功能,实现分散控制。

PCU内部有多种软功能模块供用户组成控制回路，常用的有输入模块、输出模块、PID控制模块、运算模块和报警模块等。

这些软功能模块也被称为内部仪表，如调节器、指示器、手动操作器和运算器等内部仪表。

由于沿用了人们早已习惯了的模拟仪表的名称，这样既照顾了人们的传统习惯，又便于用户掌握新技术。

2．数据采集单元（DAU）

数据采集单元（dataacquisitionunit,DAU）的组成类似于PCU,但无控制和输出功能，其主要功能是采集非控制变量，进行数据处理后送往数据高速通路（datahighway,DHW）,以便在操作员站（operatorstation,OS）上显示。

3．操作员站（OS）

操作员站是由16位处理器、存储器、CRT,键盘、打印机、磁盘或磁带、通信接口和电源等组成,供工艺操作员对生产过程进行集中监视、操作和管理,供控制工程师进行控制系统组态（configuration）。

所谓组态，就是按控制要求选择软功能模块组成控制回路，俗称软接线或填表。

若要组成一个PID控制回路，则需选择输入模块，PID控制模块和输出模块，再按要求依次连接，并填写有关参数即可构成。

第一代DCS只能离线组态，所谓离线组态，就是先在OS上进行控制系统组态，再向PCU下装组态文件，此时PCU必须停止正常的工作，待下装完毕重新启动才能正常运行。

这种离线组态，不利于现场调试和在线修改。

4．数据高速通路（DHW）

数据高速通路是串行通信线，是连接PCU，DAU和OS的纽带，是实现分散控制和集中管理的关键。

DHW由通信电缆和通信软件所组成，采用DCS生产厂自定义的通信协议（即专用协议），传输介质为双绞线，传输速率为几十Kbps（kilobitspersecond）,传输距离为几十米。

在20世纪70年代，继TDC2000之后，世界上一些公司也相继推出了自己的第一代DCS，例如Yokogawa（横河）公司的CENTUM，Foxboro公司的SPECTRUM，Bailey公司的NETWORK-90，等等。

20世纪70年代为DCS的初创期。

尽管第一代DCS在技术性能上尚有明显的局限性，还是推动了DCS的发展，让人们看到了DCS用于过程控制的曙光。

2.2.2　第二代DCS

20时节80年代,由于大规模集成电路技术的发展,16位、32位微处理机技术的成熟,特别是局域网（localareanetwork,LAN）技术用于DCS,给DCS带来新的面貌，形成了第二代DCS。

第二代DCS的基本结构如图2.8所示，主要由以下6部分组成。

图2.8第二代DCS基本结构

1．过程控制站（PCS）

过程控制站（processcontrolstation,PCS）为16位微处理机，其性能和功能比第一代DCS的过程控制单元（PCU）有了很大的提高和扩展。

不仅有连续控制功能，可以组成16个或32个PID控制回路；而且有逻辑控制、顺序控制和批量控制功能，这4类控制功能完全满足了过程控制的需要。

由于计算机运算速度和数据采集速度加快，从而使周期缩短为0.5s~1s;另外，计算机处理量加大，也使软功能模块的种类和数量都有所增加，进一步提高了控制水平。

为了提高可靠性，采用冗余CPU和冗余电源，在线热备份。

２．操作员站（OS）

操作员站为16位或32位微处理机或小型机，配置彩色CRT、拷贝机和打印机、专用操作员键盘。

图文并茂形象逼真的彩色画面、图表和声光报警等丰富的人机界面，使操作员对生产过程的监视、操作和管理有如身临其境之感。

3．工程师站（ES）

工程师站为16位或32位微处理机，供计算机工程师生成DCS，维护和诊断DCS；供控制工程师进行控制系统组态，制作人机界面，特殊应用软件编程。

某些DCS，用操作员站兼作工程师站。

第二代DCS的工程师站既可用作离线组态，也可用作在线组态。

所谓在线组态就是物理上构成如图2.8所示的完整系统，并处于正常运行状态，此时可在ES上进行控制系统组态，组态完毕再向PCS下装组态文件，并不影响PCS的正常运行。

4．监控计算机站（SCS）

监控计算机站为16位或32位微处理机，作为过程控制站（PCS）的上位机，除了进行各PCS之间的协调之外，还可实现PCS无法完成的复杂控制算法，提高控制性能。

5．局域网（LAN）

第二代DCS采用局域网（LAN），传输介质为同轴电缆，传输速率为1Mbps~5Mbps（megabitspersecond），从而提高了DCS的整体性能，扩展了集中管理的功能，LAN是第二代DCS的最大进步。

6．网间连接器（GW）

第一代DCS通过网间连接器（gateway,GW）连接在LAN上，成为LAN的一个节点。

另外，由可编程逻辑控制器（programmablelogiccontroller,PLC）组成的子系统也可通过GW挂在LAN上。

这样，不仅扩展了DCS的性能，也提高了兼容性。

20世纪80年代为DCS的成熟期。

第二代DCS的代表产品有Honeywell公司的TDC3000，Yokogawa（横河）公司的CENTUM-XL，Foxboro公司的I/AS，Bailey公司的INFI-90，等等。

2.2.3　第三代DCS

20世纪90年代为DCS的发展期,无论是硬件还是软件,都采用了一系列高新技术,几乎与“4C”技术的发展同步，使DCS向更高层次发展，出现了第三代DCS。

第三代DCS的基本结构如图2.9所示，类似于第二代DCS，但其硬件和软件作了多项革新，采用了20世纪90年代最新的计算机技术。

图2.9第三代DCS基本结构

1．过程控制站（PCS）

过程控制站（PCS）分为两极，第一级为过程控制单元（PCU），采用32位微处理机；第二级为输入输出单元（IOU），每块I/O板采用8位或16位单片机；PCU与IOU之间通过输入输出总线（IOBUS）连接，每块I/O板为IOBUS上的一个节点，并可以将IOU直接安装在生产现场。

IOBUS传输介质为双绞线或同轴电缆，传输距离为100m~1000m,传输速率为100Kbps~1000Kbps。

为了提高可靠性，采用冗余的PCU，I/O板，IOBUS和电源。

另外，PCS不仅扩展了功能，而且增加了先进控制算法，并采用PID参数自整定技术。

2．操作员站（OS）

操作员站采用32位高档微处理机、高分辨率彩色CRT、触摸屏幕和多窗口显示，并采用语音合成和工业电视（industrytelevision,ITV）等多媒体技术。

使其操作更为简单，响应速度加快，更具现场效应。

3．工程师站（ES）

工程师站的组态一改传统的填表方式，而采用形象直观的结构图连接方式和多窗口技术，并采用CAD和仿真调试技术，使其组态更为简便，更为形象直观，提高了设计效率。

4．监控计算机站（SCS）

监控计算机站为32位或64位小型计算机，除了作为PCS的上位机进行各PCS之间的协调之外，还用来建立生产过程数学模型和专家系统，实现自适应控制、预测控制、推理控制、故障诊断和生产过程优化控制等。

5．开放式系统

第一，二代DCS基本上为封闭系统，不同系统之间无法互连。

第三代DCS局域网（LAN）遵循开放系统互连（opensysteminterconnection,OSI）参考模型的7层通信协议，符合国际标准。

向上与生产管理网络（manufactorymanagementnetwork,MNET）互连；生产管理计算机（manufactorymanagementcomputer,MMC）再通过MNET互连；向下支持现场总线，即现场总线仪表可与PCS或IOBUS互连。

第三代DCS已成为CIMS或CIPS的基础层，很容易构成信息集成系统。

2.2.4　新一代DCS

DCS发展到第三代,尽管采用了一系列新技术,但是生产现场层仍然没有摆脱沿用了几十年的常规模拟仪表。

DCS从输入输出单元（IOU）以上各层均采用了计算机和数字通信技术，惟有生产现成层的常规模拟仪表仍然是一对一模拟信号（4mA~20mADC）传输,多台模拟仪表集中接于IOU。

生产现场层的模拟仪表与DCS各层形成极大的反差和不协调，并制约了DCS的发展。

因此，人们要变革现场模拟仪表，改为现场数字仪表，并用现场总线（fieldbus）互连。

由此带来DCS控制站的变革，即将控制站内的软功能模块分散地分布在各台现场数字仪表中，并可统一组态构成控制回路，实现彻底的分散控制，也就是说，由多台现场数字仪表在生产现场构成虚拟控制站（virtualcontrolstation,VCS）。

这两项变革的核心是现场总线。

20世纪90年代现场总线技术有了重大突破，公布了现场总线的国际标准并生产出现场总线数字仪表。

现场总线为变革DCS带来希望和可能，标志着新一代DCS的产生，取名为现场总线控制系统（fieldbuscontrolsystem,FCS），其结构原形如图2.10所示。

该图中流量变送器（FT）、温度变送器（TT）、压力变送器（PT）分别含有对应的输入模块FI-121，TI-122，PI-123，调节阀（V）中含有PID控制模块（PID-124）和输出模块（FO-125），用这些功能模块就可以在现场总线上构成PID控制回路。

现场总线接口（fieldbusinterfacs,FBI）下接现场总线，上接局域网（LAN），即FBI作为现场总线与局域网之间的网络接口。

将图2.9和图2.10比较可知，FCS革新了DCS的现场控制站及现场模拟仪表，用现场总线将现场数字仪表互连在一起，构成控制回路，形成现场控制层。

即FCS用现场控制层取代了DCS的直接控制层，操作监控层及其以上各层仍然同DCS，图2.10仅画到操作监控层为止，省略了生产管理层。

图2.10新一代DCS（FCS）结构原型

2．3DCS的特点和优点

DCS自问世以来，随着计算机、控制、通信和屏幕显示技术的发展而发展，一直处于上升发展状态，广泛地应用于工业控制的各个领域。

究其原因是DCS有一系列特点和优点，主要表现在以下6个方面：

分散性和集中性，自治性和协调性，灵活性和扩展性，先进性和继承性，可靠性和适应性，友好性和新颖性。

2.3.1　分散性和集中性

DCS分散性的含义是广义的，不单是分散控制，还有地域分散、设备分散、功能分散和危险分散的含义。

分散的目的是为了使危险分散，进而提高系统的可靠性和安全性。

DCS硬件积木化和软件模块化是分散性的具体体现。

因此，可以因地制宜地分散配置系统。

DCS纵向分层次结构，可分为直接控制层、操作监控层和生产管理层，如图2.9所示。

DCS横向分子系统结构，如直接控制层中一台过程控制站（PCS）可看作一个子系统；操作监控层中的一台操作员站（OS）也可看作一个子系统。

DCS的集中性是指集中监控、集中操作和集中管理。

DCS通信网络和分布式数据库是集中性的具体表现，用通信网络把物理分散的设备构成统一的整体，用分布式数据库实现全系统的信息集成，进而达到信息共享。

因此，可以同时在多台操作员站上实现集中监控、集中操作和集中管理。

当然，操作员站的地理位置不必强求集中。

2.3.2　自治性和协调性

DCS的自治性是指系统中的各台计算机均可独立地工作，例如，过程控制站能自主地进行信号输入、运算、控制和输出；操作员站能自主地实现监控、操作和管理；工程师站的组态功能更为独立，既可在线组态，也可离线组态，甚至可以在与组态软件兼容的其他计算机上组态，形成组态文件后再装