DCS控制系统讲解计算机控制系统.docx
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DCS控制系统讲解计算机控制系统
DCS控制系统
第一章自控仪表工基础识图
在讲DCS系统系统之前,先和大家一起回顾一下仪表工的基础识图，对今后大家日后的学习，仪表、控制系统检修维护都会有一定的意义。
1.1仪表功能标志
1.1.1仪表功能标志组成
仪表的功能标志由一个首位字母及一个或多个后继字母组成。
示例如下:
例1PI——功能标志
P——首位字母（表示被测变量）
I——后继字母（表示功能）
例2TIC——功能标志
T——首位字母（表示被测变量）
IC——后继字母（表示功能）
表示连锁功能）
1.1.2仪表功能字母代号
仪表功能标志的字母代号见表1.1
表1.1常用仪表功能字母代号
首字母
后继字母
被测变量
修饰词
读出功能
输出功能
修饰词
A
分析
报警
C
电导率
控制
F
流量
I
电流
指示
H
手动
高
L
物位
灯
低
P
压力
R
HFS
记录、DCS趋势
S
速度、频率
开关、连锁
T
温度
1.2仪表检测流程图常见图形符号
1.2.1常用仪表流程图符号及其含义
a）常规仪表
b）引入计算机或DCS控制系统仪表
H
L
1.3仪表检测流程图识图
图1.1工艺检测控制流程图
1.4仪表接线图识图（略）
第二章计算机控制系统及DCS基础知识
集散控制系统（DistributedControlSystem,DCS）是计算机控制系统的一种结构形式。
计算机控制是以自动控制理论和计算机技术为基础的，自动控制理论是计算机控制的理论支柱，计算机技术的发展又促进了自动控制理论的发展与应用。
计算机控制系统有多种结构形式，DCS就是其中的一种。
2.1计算机控制系统基础知识
2.1.1计算机控制系统的一般概念
计算机控制是关于计算机技术如何应用于工业生产过程自动化的一门综合性学问。
计算机控制的应用领域是非常广泛的，从计算机应用的角度出发，工业自动化是其重要的一个领域；而从自动化的领域来看，计算机控制系统又是其主要的实现手段。
可以说，计算机控制系统与用于科学计算及数据处理的一般计算机是两类不同用途、不同结构组成的计算机系统。
计算机控制系统是融计算机技术与工业过程控制于一体的综合性技术，它是在常规仪表控制系统的基础上发展起来的。
例如：
液位控制系统是一个基本的常规控制系统，结构组成如图2.1所示。
系统中的测量变送器对被控对象进行检测，把被控量（如温度、压力、流量、液位、转速、位移等物理量）转换成电信号（电流或电压）再反馈到控制器中。
控制器将此测量值与给定值进行比较，并按照一定的控制规律产生相应的控制信号驱动执行器工作，使被控量跟踪给定值，从而实现自动控制的目的，原理如图2.2所示。
图2.1储液罐液位控制系统
图2.2常规仪表控制系统原理框图
把图2.2中的控制器用控制计算机即计算机及其输入/输出通道来代替就构成了计算机控制系统。
这里，计算机采用的是数字信号传递，而一次仪表多采用模拟信号传递。
因此，系统中需要有将模拟信号转换为数字信号的模/数（A/D）转换器和将数字信号转换为模拟信号的数/模（D/A）转换器。
图2.3中的A/D转换器与D/A转换器就表征了计算机控制系统这种典型的输入/输出通道一个完整的计算机控制系统是由硬件和软件两大部分组成的。
图2.3计算机控制系统原理框图
2.1.1.1硬件
组成计算机控制系统的硬件一般由主机、常规外部设备、过程输入/输出设备、操作台和通信设备等组成，如图2.4所示。
图2.4计算机控制系统硬件组成框图
1）主机
由中央处理器（CPU）、内存储器（RAM、ROM）和系统总线构成的主机是控制系统的核心。
主机根据过程输入通道发送来的实时反映生产过程工况的各种信息，以及预定的控制算法，作出相应的控制决策，并通过过程输出通道向生产过程发送控制命令。
主机所产生的各种控制是按照人们事先安排好的程序进行的。
这里，实现信号输入、运算控制和命令输出等功能的程序已预先存入内存，当系统启动后，CPU就从内存中逐条取出指令并执行，以达到控制目的。
2）常规外部设备
常规外部设备由输入设备、输出设备和外存储器等组成。
常规的输入设备有键盘、光电输入机等，主要用来输入程序、数据和操作命令。
常规的输出设备有打印机、绘图机、显示器（CRT显示器或数码显示器）等，主要用来把各种信息和数据提供给操作者。
外存储器有磁盘装置（软盘、硬盘和半导体盘）、磁带装置，兼有输入/输出两种功能，主要用于存储系统程序和数据。
外部设备与主机组成的计算机基本系统（即通常所言的计算机），用于一般的科学计算和管理是可以满足要求的，但是用于工业过程控制，则必须增加过程输入/输出设备。
3）过程输入/输出设备（I/O设备）
过程输入/输出设备是在计算机与工业对象之间起着信息传递和转换作用的装置，除了其中的测量变送单元和信号驱动单元属于自动化仪表的范畴外，主要是指过程输入/输出通道（简称过程通道）。
过程输入通道包括模拟量输入通道（简称A/D通道）和数字量输入通道（简称DI通道），分别用来输入模拟量信号（如温度、压力、流量、液位等）和开关量信号（继电器触点、行程开关、按钮等）或数字量信号（如转速、流量脉冲、BCD码等）。
过程输出通道包括模拟量输出通道（简称D/A通道）和数字量输出通道（简称DO通道），D/A通道把数字信号转换成模拟信号后再输出，DO通道则直接输出开关量信号或数字量信号。
4）操作台
操作台是操作员与系统之间进行人机对话的信息交换工具，一般由显示器（或LED等其他显示器）、键盘、开关和指示灯等构成。
操作员通过操作台可以了解与控制整个系统的运行状态。
操作员分为系统操作员与生产操作员两种。
系统操作员负责建立和修改控制系统，如编制程序和系统组态；生产操作员负责与生产过程运行有关的操作。
为了安全和方便，系统操作员和生产操作员的操作设备一般是分开的。
5）接口电路
主机与外围设备（包括常规外部设备和过程通道）之间，因为外设结构、信息种类、传送方式、传送速度的不同而不能直接通过总线相连，必须通过其间的桥梁——接口电路来传送信息和命令。
计算机控制系统有各种不同的接口电路，一般分为并行接口、串行接口、管理接口和专用接口等几类。
6）通信设备
现代化工业生产过程的规模一般比较大，其控制与管理也很复杂，往往需要几台或几十台计算机才能分级完成控制和管理任务。
这样，在不同地理位置、不同功能的计算机之间就需要通过通信设备连接成网络，以进行信息交换。
2.1.1.2软件
上述硬件只能构成计算机控制系统的躯体。
要使计算机正确地运行以解决各种问题，必须为它编制各种程序。
软件是各种程序的统称，是控制系统的灵魂。
因此，软件的优劣直接关系到计算机的正常运行、硬件功能的充分发挥及其推广应用。
软件通常分为系统软件和应用软件两大类。
系统软件是一组支持系统开发、测试、运行和维护的工具软件，核心是操作系统，还有编程语言等辅助工具。
在计算机控制系统中，为了满足实时处理的要求，通常采用实时多任务操作系统。
在这种操作环境下，要求将应用系统中的各种功能划成若干任务，并按其重要性赋予不同的优先级，各任务的运行进程及相互间的信息交换由实时多任务操作系统协调控制。
另外系统提供的编程语言一般为面向过程或对象的专用语言或编译类语言。
系统软件一般由计算机厂商以产品形式向用户提供。
应用软件是系统设计人员利用编程语言或开发工具编制的可执行程序。
对于不同的控制对象，控制和管理软件的复杂程度差别很大。
但在一般的计算机控制系统中，以下几类功能模块是必不可少的：
过程输入模块、基本运算模块、控制算法模块、报警限幅模块、过程输出模块、数据管理模块等。
作为系统设计人员只有首先了解并会使用系统软件，才能编制出较好的应用软件。
而设计开发应用软件，已成为当前计算机控制应用领域中最重要的一个方面。
2.1.2计算机控制系统的分类
计算机控制系统与所控制的生产过程密切相关，根据生产过程的复杂程度和工艺要求的不同，系统设计者可采用不同的控制方案。
现从控制目的、系统构成的角度介绍几种不同类型的计算机控制系统。
2.1.2.1数据采集系统（DAS）
数据采集系统（DataAcquisitionSystem，DAS）是计算机应用于生产过程控制最早、也是最基本的一种类型，如图2.5所示。
图2.5数据采集系统
2.1.2.2操作指导控制系统（OGC）
操作指导控制（OperationGuideControl，OGC）系统是基于数据采集系统的一种开环系统，如图2.6所示。
计算机根据采集到的数据以及工艺要求进行最优化计算，计算出的最优操作条件，并不直接输出控制生产过程，而是显示或打印出来，操作人员据此去改变各个控制器的给定值或操作执行器，如此达到操作指导的作用。
显然，这属于计算机离线最优控制的一种形式。
图2.16操作指导控制系统
2.1.2.3直接数字控制系统（DDC）
直接数字控制（DirectDigitalControl，DDC）系统是用一台计算机不仅完成对多个被控参数的数据采集，而且能按一定的控制规律进行实时决策，并通过过程输出通道发出控制信号，实现对生产过程的闭环控制，如图2.7所示。
为了操作方便，DDC系统还配置一个包括给定、显示、报警等功能的操作控制台。
图2.7直接数字控制系统
2.1.2.4分散控制系统（DCS）
随着生产规模的扩大，信息量的增多，控制和管理的关系日趋密切。
对于大型企业生产的控制和管理，不可能只用一台计算机来完成。
于是，人们研制出以多台微型计算机为基础的分散控制系统（DistributedControlSystem，DCS）。
DCS采用分散控制、集中操作、分级管理、分而自治和综合协调的设计原则，自下而上可以分为若干级，如过程控制级、控制管理级、生产管理级和经营管理级等。
DCS又称分布式或集散式控制系统。
2.1.2.5其他计算机控制系统
如：
可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicalController，PLC）、可编程调节器（ProgrammableController，PC）、现场总线控制系统（FieldbusControlSystem。
FCS）等。
2.2集散控制系统（DCS）
2.2.1概念
DDC将所有控制回路的计算都集中在主CPU中，这引起了可靠性问题和实时性问题，上节对此已有论述。
随着系统功能要求的不断增加，性能要求的不断提高和系统规模的不断扩大，这两个问题更加突出。
经过多年的探索，在1975年出现了DCS，这是一种结合了仪表控制系统和DDC两者的优势而出现的全新控制系统，它很好地解决了DDC存在的两个问题。
如果说，DDC是计算机进入控制领域后出现的新型控制系统，那么DCS则是网络进入控制领域后出现的新型控制系统。
DCS是集散控制系统（DistributedControlSystem）的简称，国内一般又习惯称为分散控制系统、分布式控制系统。
它是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机（Computer）、通讯（Communication）、显示（CRT）和控制（Control）等4C技术，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活、组态方便。
2.2.2DCS的结构形式
从结构上划分，DCS包括过程级、操作级和。
过程级主要由过程控制站、I/O单元组成，是系统控制功能的主要实施部分。
操作级包括：
操作员站和工程师站等，完成系统的操作和组态。
管理级主要是指工厂管理信息系统（MIS系统），作为DCS更高层次的应用。
过程级
图2.8DCS控制系统结构
过程级在现场的表现形式多为过程控制站，过程控制站是DCS系统的核心
DCS的过程控制站是一个完整的计算机系统，主要由电源、CPU（中央处理器）、网络接口和I/O组成
I（Input输入）/O（Output输出）：
控制系统需要建立信号的输入和输出通道，这就是I/O。
DCS中的I/O一般是模块化的，一个I/O模块上有一个或多个I/O通道，用来连接传感器和执行器（调节阀）。
I/O单元：
通常，一个过程控制站是有几个机架组成，每个机架可以摆放一定数量的模块。
CPU所在的机架被称为CPU单元，同一个过程站中只能有一套CPU单元，其用来摆放I/O模块的机架就是I/O单元。
2.2.3DCS的特点
A）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视、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体现，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视、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。
B）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视、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入DCS运行。
DCS的协调性是指系统中的各台计算机用通信网络互联在一起，相互传送信息，相互协调工作，以实现系统的总体功能。
DCS的分散和集中、自治和协调不是互相对立，而是互相补充。
DCS的分散是相互协调的分散，各台分散的自主设备是在统一集中管理和协调下各自分散独立地工作，构成统一的有机整体。
正因为有了这种分散和集中的设计思想，自治和协调的设计原则，才使DCS获得进一步发展，并得到广泛地应用。
C）灵活性和扩展性
DCS硬件采用积木式结构，类似儿童搭积木那样，可灵活地配置成小、中、大各类系统。
另外，还可根据企业的财力或生产要求，逐步扩展系统，改变系统的配置。
DCS软件采用模块式结构，提供各类功能模块，可灵活地组态构成简单、复杂各类控制系统。
另外，还可根据生产工艺和流程的改变，随时修改控制方案，在系统容量允许范
围内，只需通过组态就可以构成新的控制方案，而不需要改变硬件配置。
D）先进性和继承性
DCS综合了“4C”（计算机、控制、通信和屏幕显示）技术，随着这“4C”技术的发展而发展。
也就是说，DCS硬件上采用先进的计算机、通信网络和屏幕显示；软件上采用先进的操作系统、数据库、网络管理和算法语言；算法上采用自适应、预测、推理、优化等先进控制算法，建立生产过程数学模型和专家系统。
DCS自问世以来，更新换代比较快。
当出现新型DCS时，老DCS作为新DCS的一个子系统继续工作，新、老DCS之间还可互相传递信息。
这种DCS的继承性，给用户消除了后顾之忧，不会因为新、老DCS之间的不兼容，给用户带来经济上的损失。
E）可靠性和适应性
DCS的分散性带来系统的危险分散，提高了系统的可靠性。
DCS采用了一系列冗余技术，如控制站主机、I/O板、通信网络和电源等均可双重化，而且采用热备份工作方式，自动检查故障，一旦出现故障立即自动切换。
DCS安装了一系列故障诊断与维护软件，实时检查系统的硬件和软件故障，并采用故障屏蔽技术，使故障影响尽可能地小。
DCS采用高性能的电子元器件、先进的生产工艺和各项抗干扰技术，可使DCS能够适应恶劣的工作环境。
DCS设备的安装位置可适应生产装置的地理位置，尽可能满足生产的需要。
DCS的各项功能可适应现代化大生产的控制和管理需求。
F）友好性和新颖性
DCS为操作人员提供了友好的人机界面（HMI）。
操作员站采用彩色显示器和交互式图形画面，常用的画面有总貌、组、点、趋势、报警、操作指导和流程图画面等。
由于采用图形窗口、专用键盘、鼠标或球标器等，使得操作简便。
DCS的新颖性主要表现在人机界面，采用动态画面、工业电视、合成语音等多媒体技术，图文并茂，形象直观，使操作人员有如身临其境之感。
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