完整版第08章集散型控制系统DCS.docx
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完整版第08章集散型控制系统DCS
第8章集散型控制系统（DCS）
回顾自动化技术发展的历史，可以看到它与生产过程本身的发展密切相关，是一个从简单形式到复杂形式，从局部自动化到全局自动化，从低级智能到高级智能的发展过程。
20世纪70年代初，受生产过程控制和管理要求的驱动以及4C技术（Computer,Communication,ControlandCRT）的影响，过程控制系统由直接数字控制系统DDC（DirectDigitalControl）发展成为以“危险分散”为基本设计思想的集散型控制系统DCS（DistributedControlSystem），目前正向着现场总线控制系统FCS（FieldbusControlSystem）方向发展。
本章主要讲述集散控制系统的一些基本知识，重点介绍两种常用的分散型控制系统：
德国西门子（Siemens）公司的基于PLC（ProgrammableLogicController）的分散控制系统PCS7和北京和利时（Hollysys）公司的MACS系统。
8.1集散控制系统基础
集散控制系统又称多级计算机分布控制系统和分布式控制系统，它是以微处理器为基础的集中分散型控制系统，根据分级设计的基本思想，实现功能上分离，位置上分散，以达到“分散控制为主，集中管理为辅”的控制目的。
目前，集散控制系统已在工业控制领域得到了广泛应用，越来越多的仪表和控制工程师已经认识到集散控制系统必将成为过程工业自动控制的主流。
在计算机集成制造系CIMS（ComputerIntegratedManufacturingSystem）或计算机集成作业系统CIPS（ComputerIntegratedProductionSystem）中，集散控制系统将成为主角，发挥其优势。
随着计算机技术和网络技术的发展，系统的开放性不仅能使不同制造厂商的集散控制系统产品互联，方便地进行数据交换，而且也使得第三方的软件可以方便地在现有的集散控制系统上应用。
目前，我国已引进不同型号集散控制系统的数量多达几百套，同时也有自行研发的DCS系统，应用领域遍及石化、轻化、冶金、建材、纺织、制药等各行各业。
8.1.1集散控制系统的基本组成和特点
尽管集散控制系统的种类和制造厂商繁多（如Siemens、Honeywell、Tayler、Foxboro、Yokogawa、AB、ABB等），控制系统软、硬件功能不断完善和加强，但从系统的结构分析，它们都是由过程控制站、操作站和通信系统三部分组成。
这三部分之间的关系如图8-1-1所示。
（1）过程控制站
过程控制站由分散过程控制装置组成，是集散控制系统与生产过程之间的界面，它的主要功能是分散的过程控制，生产过程的各种过程变量通过分散过程控制装置转化为操作监视的数据，而操作的各种信息也通过分散过程控制装置送到执行机构。
在分散过程控制装置内，进行模拟量与数字量的相互转换，完成控制算法的各种运算，对输入与输出量进行有关的软件滤波及其它的一些运算。
其结构具有如下特征：
图8-1-1集散控制系统的基本组成
数据通信
操作人员、管理人员
集中操作和管理
分散过程控制装置
生产过程
人机界面
过程界面
集散系统
上位机
操作站
接口
接口
过程控制站
接口
···
子系统1
过程控制站
接口
···
子系统2
过程控制站
接口
···
子系统n
······
通信系统
数据通道
需适应恶劣的工业生产过程环境分散过程控制装置的一部分设备需安装在现场所处的环境差，因此，要求分散过程控制装置能适应环境的温、湿度变化；适应电网电压波动的变化；适应工业环境中的电磁干扰的影响；以及环境介质的影响。
分散控制分散过程控制装置体现了控制分散的系统构成。
它把地域分散的过程控制装置用分散的控制实现，它的控制功能也分为常规控制、顺序控制和批量控制等。
它把监视和控制分离，把危险分散。
使得系统的可靠性提高。
实时性分散过程控制装置直接与过程进行联系，为能准确反映过程参数的变化，它应具有实时性强的特点。
从装置来看，它要有快的时钟频率，足够的字长。
从软件来看，运算的程序应精练、实时和多任务作业。
独立性相对整个集散系统，分散过程装置具有较强的独立性。
在上一级设备出现故障或与上一级通信失败的情况下，它还能正常运行，从而使过程控制和操作得以进行。
因此，对它的可靠性要求也相对更高。
目前的分散过程控制装置由多回路控制器、多功能控制器、可编程序逻辑控制器及数据采集装置等组成。
它相当于现场控制级和过程控制装置级，实现与过程的连接。
（2）操作站
操作站由操作管理装置，如由操作台、管理机和外部设备（如打印机、拷贝机）等组成，是操作人员与集散控制系统之间的界面，相当于车间操作管理级和全厂优化和调度管理级，实现人机接口。
它的主要功能是集中各分散过程控制装置送来的信息，通过监视和操作，把操作和命令下送各分散控制装置。
信息用于分析、研究、打印、存储并作为确定生产计划、调度的依据。
其基本特征如下：
信息量大它需要汇总各分散过程控制装置的信息以及下送的信息，对此，从硬件来看，它具有较大的存储容量，允许有较多的显示画面。
从软件来看，应采用数据库、压缩技术、分布式数据库技术及并行处理技术等。
易操作性集中操作和管理部分的装置是操作人员、管理人员直接与系统联系的界面，它们通过CRT、打印机等装置了解过程运行情况并发出指令。
因此，除了部分现场手动操作设备外，操作人员和管理人员都通过装置提供的输入设备，如键盘、鼠标、跟踪球标等来操作设备的运行。
为此，对集中操作和管理部分的装置要有良好的操作性。
容错性好由于集中操作和管理部分是人和机器的联系界面，为防止操作人员的误操作，该部分装置应有良好的容错特性。
即只有相当权威的人员才能对它操作。
为此，要设置硬件密钥、软件加密，对误操作不予响应等安全措施。
（3）通信系统
集散控制系统要达到分散控制和集中操作管理的目的，就需要使下一层信息向上一层集中，上一层指令向下一层传送，级与级或层与层进行数据交换，这都靠计算机通信网络（即通信系统）来完成。
通信系统是过程控制站与操作站之间完成数据传递和交换的桥梁，是集散控制系统的中枢。
通信系统常采用总线型、环型等计算机网络结构，不同的装置有不同的要求。
有些集散控制系统在过程控制站内又增加了现场装置级的控制装置和现场总线的通信系统，有些集散控制系统产品则在操作站内增加了综合管理级的控制装置和相应的通信系统。
与一般的办公或商用通信网不同，计算机通信系统完成的是工业控制与管理，具有如下特点：
实时性好，动态响应快集散控制系统的应用对象是实际的工业生产过程。
它的主要数据通信的信息是实时的过程信息和操作管理信息。
所以网络要有良好的实时性和快速的响应性，一般响应时间在0.01—0.5s。
快速响应要求的开关、阀门或电机的运转都在毫秒级，高优先级信息对网络存取时间也不超过10ms。
可靠性高对于通信网络来说，任何暂时中断和故障都会造成巨大的损失，为此，相应的通信网络应该有极高的可靠性。
通常，集散控制系统是采用冗余技术，如双网备份方式，当发送站发出信息后的规定时间内未收到接收站的响应时，除了采用重发等差错控制外，也采用立即切入备用通信系统的方法，以提高可靠性。
适应恶劣的工业现场环境集散控制系统运行于工业环境中，必须能适应于各种电磁干扰、电源干扰、雷击干扰等；恶劣的工业现场环境。
现场总线更是直接敷设在工业现场，因此，集散控制系统采用的通信：
网络应该有强抗扰性，如采用宽带调制技术，减少低频干扰；采用光电隔离技术，减少电磁干扰；采用差错控制技术，降低数据传输的误码率等。
开放系统互连和互操作性大多数的集散控制系统的通信网络是有各自专利的，但为了便于用户的使用，能实现不同厂家的DCS互相通信（开放），对网络通信协议的标准化受到普遍重视，国际标准化组织（ISO）提出一个开放系统互连（OSI）体系结构，它定义异种计算机链接在一起的结构框架，采用网桥实现互连。
开放系统的互连，使其他网络的优级软件能够很方便地在系统所提供的平台上运行，能够在数据互通基础上协同工作，共享资源，使系统的互操作性、信息资源管理的灵活性和更大的可选择性得到增强。
自1975年美国Honeywell公司推出第一套集散控制系统TDC2000以来，集散控制系统已经经历了三代。
目前，散控制系统主要有以下特点：
标准化的通信网络作为开放系统网络，符合标准的通信协议和规程。
集散控制系统已采用的国际通信标准有：
IEEE802局部网络通信标准、PROWAY过程控制数据通信协议和MAP制造自动化协议。
这些标准使集散控制系统具有强的可操作性，可以互相联接，共享系统资源，运行第三方的软件等。
通用的软、硬件早期的集散控制系统厂家为了技术保密而自行设计开发生产，各集散控制系统间不能互联，用户需储备大量备品备件，极不方便。
目前，各集散控制系统厂家纷纷采用专业厂家的标准化、通用化、系列化、商品化的产品。
如在硬件方面，实现了机架、板件的标准化，降低了系统的价格，大大减轻了用户备品备件的压力和费用；在软件方面，集散控制系统已经被移植到WindowsNT网络平台，加速了集散控制系统功能软件的开发，使其功能更加完善和加强。
完善的控制功能集散控制系统依靠运算单元和控制单元的灵活组态，可实现多样化的控制策略，如PID系列算法、串级、比值、均匀、前馈、选择、解耦、Smith预估等常规控制以及状态反馈、预测控制、智能控制等高级控制算法。
安全性能进一步提高集散控制系统除采用高可靠性的软硬件以及通信网络、控制站等冗余措施外，还使用了故障检测与诊断工程软件，可对生产工况进行监测，从而及早发现故障，及时采取措施，进一步提高了生产的安全性。
8.1.2集散控制系统的发展概况
集散控制系统大体可分为三个发展阶段：
以分散控制为主的第一阶段、以全系统信息管理为主的第二阶段以及通信管理和控制软件更加丰富完善的第三阶段。
（1）第一阶段（1975年--1980年）
微处理器的发展导致第一代集散控制系统的产生，系统以实现分散控制为主，技术重点表现为：
1）采用以微处理器为基础的过程控制单元（ProcessControlUnit），实现了分散控制，有各种控制功能要求的算法，通过组态（Configuration）独立完成回路控制；具有自诊断功能，在硬件制造和软件设计中应用可靠性技术；在信号处理时，采取抗干扰措施，它的成功使分散控制系统在过程控制中确立了地位。
2）采用带CRT屏幕显示器的操作站与过程控制单元的分离，实现集中监视、集中操作，系统信息综合管理与现场控制相分离，这就是人们俗称的“集中分散综合控制系统”——集散控制系统的由来，这是集散控制系统的重要标志。
3）采用较先进的冗余通信系统，用同轴电缆作传输媒质，将过程控制单元的信息送到操作站和上位计算机，从而实现了分散控制和集中管理。
这一时期的典型产品有：
TDC2000（Honeywell公司）、MOD3（Taylor公司）、Spectrom（Froxboro公司）、Centum（Yokogawa公司）、TelepermM（Siemens公司）和P-4000（Kenter公司）等。
（2）第二阶段（1980年--1985年）
局域网络技术的发展导致以全系统信息管理为主的第二代集散控制系统的产生。
同第一代相比，一个显著变化是：
数据通信系统由主从式的星型网络通信转变为效率更高的对等式总线网络通信或环型网络通信。
其技术重点表现为：
1）随着世界市场需求量变化，畅销产品的换代周期愈来愈短，单纯以连续过程控制为主已不适应，而要求过程控制单元增加批量控制功能和顺序控制功能，从而推出多功能过程控制单元。
2）随着产品竞争愈来愈激烈，迫使生产厂必须提高产品质量、品种，降低成本，增强效益，故要求优化管理和质量管理。
在操作站及过程控制单元采用16位微处理器，使得系统性能增强，工厂级数据向过程级分散，高分辨率的CRT，更强的图面显示、报表生成和管理能力等，从而推出增强功能操作站。
3）随着生产过程要求控制系统的规模多样化，老企业的装置控制系统改造项目愈来愈多，要求强化系统的功能，通过软件扩展和组织规模不同的系统。
例如，TDC3000在其局部控制网络（LCN）上挂接了历史模块（HM）、应用模块（AM）和计算机模块（CM）等，使系统功能强化。
4）随着计算机局域网络（LocalAreaNetworkLAN）技术的发展，市场需求DCS系统强化全系统信息管理，加强通信系统，实现系统无主站的n:
n通信，网络上各设备处于“平等”的地位，由于通信系统的完善与进步，更有利于控制站、操作站、可编程逻辑控制器和计算机互连，便于多机资源共享和分散控制。
这一时期的典型产品有：
TDC3000（Honeywell公司）、MOD300（Taylor公司）、Network-90（Bailey公司）、WDPF（西屋公司）和Master（ABB公司）等。
（3）第三阶段（1985年以后）
开放系统的发展使集散控制系统进入了第三代。
采用局部网络技术和国际标准化组织（ISO）的开放系统互联（OSI）参考模型，克服了第二代集散控制系统在应用过程中因难于互联多种不同标准而形成的“自动化孤岛”。
通信管理和控制软件变得更加丰富和完善。
其技术重点表现为：
1）尽管第二代集散控制系统产品的技术水平已经相当高，但各厂商推出的产品为了竞争保护自身的利益，采用的是专用网络，亦可称为封闭系统。
对于大型工厂，企业采用多个厂家设备，多种系统，要实现全企业管理，必需使通信网络开放互连，采用局域网络标准化，第三代集散控制系统的主要改变是采用开放系统网络。
符合国际标准组织ISO的OSI开放系统互联的参考模型，如工厂自动化协议（ManufactureAutomationProtocal—MAP）即被这一代产品所接受。
例如，带有UCN网的TDC3000，Yokogawa公司的带有SV-NET网的Centum-XL，Bailey公司的INFI-90，Foxboro公司采用10兆位/秒宽带网与5兆位/秒载带网的I/AS系统。
2）为了满足不同用户要求，适应中、小规模的连续、间歇、批量操作的生产装置及电气传动控制的需要，各制造厂又开发了中、小规模的集散系统，受到用户欢迎。
3）操作站采用了32位微处理器。
信息处理量迅速扩大，处理加工信息的质量提高；采用触模式屏幕，转球式光标跟迹器及鼠标器；运用窗口技术及智能显示技术；操作完全图形化内容丰富、直观、画面显示的响应速度加快，画面上还开有各种超级窗口，便于操作和指导，完全实现CRT化操作。
4）操作系统软件通常采用实时多用户多任务的操作系统，符合国际上通用标准，操作系统可以支持Basic、Fortran、C语言、梯形逻辑语言和一些专用控制语言。
组态软件提供了输入输出、选择、计算、逻辑、转换、报警、限幅、顺序、控制等软件模块，利用这些模块可连成各种不同回路，组态采用方便的菜单或填空方式。
控制算法软件近百种，实现连续控制、顺序控制和梯形逻辑控制，还能实现PID参数自整定和自适应控制等。
操作站配有作图、数据库管理、表报生成、质量管理曲线生成、文件传递、文件变换，数字变换等软件。
系统软件更加丰富和完善。
可以说，集散控制系统是其他高新技术发展的产物，它的发展也推动了其他高新技术的发展。
展望将来，集散控制系统将向着两个方向发展，一个是向着大型化的CIMS、CIPS的方向发展。
一般的CIMS系统可划分为六级子系统：
第一级为现场级，包括各种现场设备，如传感器和执行机构；第二级为设备控制级，它接收各种参数的检测信号，按照要求的控制规律实现各种操作控制；第三级为过程控制级，完成各种数学模型的建立，过程数据的采集处理。
这三级属于生产控制级，也称为EIC综合控制系统（电气控制、仪表控制和计算机系统），是狭义上的集散控制系统。
由此向上的四、五、六级分别为在线作业管理级、计划和业务管理级和长期经营规划管理级，即常说的管理信息系统（MIS，ManagementInformationSystem）。
另一个方向是向着小型及微型化、现场变送器智能化、现场总线标准化的方向发展，也就是FCS。
系统的主机将采用开放结构的工作站，系统的通信网络将是开放系统的网络，系统的软件将引入应用专家系统与人工智能等方面会进一步完善，集散控制系统更加适应各种工业控制与管理的需要，将会取得更好的技术经济效益。
8.1.3集散控制系统的技术要点
集散控制系统因其一些优良特性而被广泛应用，成为过程控制的主流。
与常规模拟仪表相比，它具有连接方便，采用软连接方法进行连接，容易改变；显示方式灵活，显示内容多样；数据存储量大等优点。
与计算机集中控制系统比较，它具有操作监督方便、危险分散、功能分散等优点。
它始终围绕着功能结构灵活的分散性和安全运行维护的可靠性，紧跟时代的发展成为前沿技术。
其主要技术特征表现在分级递阶结构、分散控制、局域通信网络和高可靠性四个方面。
（1）分级递阶结构
采用这种结构是从系统工程出发，考虑系统的功能分散、危险分散，提高可靠性，强化系统应用灵活性，降低投资成本，便于维修和技术更新及系统最优化选择而得出的。
自组织层
自适应层
最优化层
直接控制层
辨识与估计
被控对象或过程
慢扰动V4
较慢扰动V3
较快扰动V2
输入
输出
第一层
第二层
第三层
第四层
总任务
X1
X2
X3
X4
（b）纵向分层的垂直分解图
（a）横向协调分工示意图
局部控制器
子对象1
局部控制器
局部控制器
子对象i
局部控制器
子对象n
···
···
···
···
总任务
第一级
第二级
图8-1-2集散控制系统的分级递阶结构示意图
分级递阶结构方案如图8-1-2所示。
它在垂直方向和水平方向都是分级的。
最简单的集散控制系统至少在垂直方向上分为二级：
操作管理级和过程控制级。
在水平方向上各过程控制级之间是相互协调的分级，它们把现场数据向上送达操作管理级，同时接受操作管理级的下发指令，各个水平级之间也进行数据交换。
集散控制系统的规模越大，系统的垂直和水平级的范围也越广。
常见的CIMS是集散控制系统的一种垂直方向和水平方向的扩展。
从广义的角度讲，CIMS是在管理级扩展的集散系统，它把操作的优化、自学习和自适应的各垂直级与集散控制系统集成起来，把计划、销售、管理和控制等各水平级综合在一起，因而有了新的内容和含义。
目前，大多集散控制系统的管理级仅限于操作管理。
但从系统构成来看，分级递阶是其基本特征。
分级递阶系统的优点是：
各个分级具有各自的分工范围，相互之间有协调。
通常，这种协调是通过上一分级来完成的（如图8-1-2（a）所示）。
上下各分级的关系通常是：
下面的分级把该级及其下层的分级数据送到上一级，由上一级根据生产的要求进行协调，并给出相应的指令（即数据），通过数据通信系统把数据送到下层的有关分级。
包括集散控制系统在内的CIMS或CIPS在垂直方向上可分为四层（见图8-1-2（b））。
第一层为过程控制级，根据上层决策直接控制过程或对象的状态，即DDC控制。
从高级控制出发的参数辨识与状态估计也属于第一层任务。
第二层为优化控制级，根据上层给定的目标函数与约束条件或依据系统辨识的数学模型得出的优化控制策略，对过程控制级的给定点进行设定或整定控制器（如PID）参数。
第三层为自适应控制级，根据运行经验补偿工况变化对控制规律的影响，以及元器件老化等因素的影响，始终维持系统处于最佳或最优运行状态。
第四层为自组织级或工厂管理级。
其任务是决策、计划管理、调度与协调，根据系统的总任务或总目标，规定各级任务并决策协调各级的任务。
（2）分散控制
分散的含义不单是分散控制，还包含了其它意义，如人员分散、地域分散、功能分散、危险分散和操作分散等。
分散的目的是克服计算机集中控制危险集中可靠性低的缺点。
分散的基础是被分散的系统是各自独立的自治系统。
分级递阶结构就是各自完成各自功能，相互协调，各种条件相互制约。
在集散系统中，分散内涵是十分广泛的，包括分散数据库、分散控制功能、分散通信、分散供电、分散负荷等。
但系统的分散是相互协调的分散，也称为分布。
因此，在分散中有集中的数据管理、集中的控制目标、集中的通信管理等等为分散作协调和管理。
各个分散的自治系统是在统一集中管理和协调下各自分散工作的。
集散控制系统的分散控制具有非常丰富的功能软件包，它能提供控制运算模块、控制程序软件包、过程监视软件包、显示程序包、信息检索和打印程序包等。
（3）局域通信网络
集散控制系统数据通信网络是典型的局域通信网络。
当今的集散控制系统都采用工业局域网络技术进行通信，传输实时控制信息，进行全系统信息综合管理，对分散的过程控制单元、人机接口单元进行控制、操作和管理。
信息传输速率可达5~10Mb/s，响应时间仅为数百微秒，误码率低于10-8~10-10。
大多数集散控制系统的通信网络采用光纤传输媒质，通信的可靠性和安全性大大提高。
通信协议向国际标准化方向前进，达到ISO开放系统互联模型标准。
采用先进局域网络技术是集散控制系统优于常规仪表控制系统和计算机集中控制系统的最大特点之一。
（4）高可靠性
可靠性一般是指系统的一部分（单机）发生故障时，能否继续维持系统全部或部分功能，即部分发生故障时，利用未发生故障部分仍可使系统运行继续下去，并且还能迅速地发现故障，立即或很快地修复。
它通常用平均无故障间隔时间MTBF（MeanTimeBetweenFailure）和平均故障修复时间MTTR（MeanTimetoRepair）来表征。
高可靠性是集散控制系统发展的关键，没有可靠性就没有集散控制系统。
目前，大多数集散控制系统的MTBF达5万小时，超过5.5年，而MTTR一般只有5分钟。
保证可靠性首先采用分散结构设计及硬件优化设计。
把系统整体设计分解为若干子系统模块，如控制器模块、历史数据模块、打印模块、报警模块等，软件设计各自独立，又资源共享。
电路优化设计采用大规模和超大规模的集成电路芯片，尽可能减少焊接点，还可以使系统发生局部故障时能降级控制，直到手动操作。
保证高可靠性，另一个不可缺少的技术就是冗余技术。
冗余技术也是表征集散控制系统的特点之一。
系统中各级人机接口、控制单元、过程接口、电源、I/O接口等等都采用冗余化配置，冗余度为双重冗余和多重化（n:
1）冗余。
信息处理器、通信接口、内部通信总线、系统通信网络都采用冗余化措施，保证高可靠性。
另外，系统内还设有故障诊断、自检专家系统。
一个简单的故障诊断专家系统流程图如图8-1-3所示。
子系统搜索
人—机接口
用户
子系统1
子系统i
子系统n
目标子系统
诊断结论
显示打印
推理机构
故障诊断
···
···
···
···
图8-1-3故障诊断专家流程图
故障自检、自诊断技术包括符号检测、动作间隔和响应时间的监视，微处理器及接口和通道的诊断。
故障信息的积累和故障判断技术将人工智能知识引入到系统故障识别，利用专家知识、经验和思维方式合理地做出各种判断和决策。
此外，采用标准化软件也可以提高软件运行的可靠性。
目前，新一代集散控制系统在硬件上大多采用32位CPU芯片，如Motorola公司的MC68020和MC68030、Intel公司的80386、80486，软件上则采用著名的多用户分时操作系统，如UNIX、XENIX、LINUX，采用Windows编辑技术软件和关系数据库等。
随着系统开放性的增强，还可以移置其它软件公司的优秀软件。
8.1.4集散控制系统的结构分类
根据分散过程控制装置、集中操作和管理装置以及通讯系统的不同结构，集散控制系统大致可分为下列几类：
（1）模块化控制站+与MAP兼
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