集散控制系统DCS简介

1、集散控制系统DCS简介DCS是以微型汁算机为基础，将分散型控制装置，通信系统，集中操作与 信息管理系统综合在一起的新型过程控制系统。它是一个山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，综合了讣算机(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。采用了多层分级的结构，适用现代化生产的控制与管理需求，LI前已 成为工业过程控制的主流系统。集散控制系统把计算机、仪表和电控技术融合在一起，结合相应的软件，可以实 现数据自动采集、处理、工艺画面显示、参数超限

2、报警、设备故障报警和报表打 印等功能，并对主要工艺参数形成了历史趋势记录，随时查看，并设置了安全操 作级别，既方便了管理，乂使系统运行更加安全可靠。其特点有：1、基于现场总线思想的I/O总线技术2、先进的冗余技术、带电插拔技术p。3、完备的I/O信号处理4、基于客户/服务器应用结构5、WindowsNT平台，以太网，TCP/IP协议6、OPC服务器提供互连7、Web浏览器风格,ActiveX控件支持8、ODBC, OLE技术，实现信息，资源共享9、高性能的过程控制单元。10、支持标准现场总线11、Internet/Intranet 应用支持(1) 高可靠性山于DCS将系统控制功能分散在各台讣算

3、机上实现，系统结构采用容错设讣， 因此某一台计算机出现的故障不会导致系统其它功能的丧失。此外，山于系统中 各台计算机所承担的任务比较单一，可以针对需要实现的功能釆用具有特定结构 和软件的专用讣算机，从而使系统中每台讣算机的可靠性也得到提高。(2) 开放性DCS采用开放式、标准化、模块化和系列化设计，系统中各台计算机 采用局域网方式通信，实现信息传输，当需要改变或扩充系统功能时，可将新增 计算机方便地连入系统通信网络或从网络中卸下，儿乎不影响系统其他计算机的 工作。(3) 灵活性通过组态软件根据不同的流程应用对象进行软硬件组态，即确定测量与控制信号 及相互间连接关系、从控制算法库选择适用的控制规

4、律以及从图形库调用基本图 形组成所需的各种监控和报警画面，从而方便地构成所需的控制系统。(4) 易于维护功能单一的小型或微型专用计算机，具有维护简单、方便的特点，当某一局部或 某个计算机出现故障时，可以在不影响整个系统运行的悄况下在线更换，迅速排 除故障。(5) 协调性各工作站之间通过通信网络传送各种数据，整个系统信息共方，协调工作，以完 成控制系统的总体功能和优化处理。(6) 控制功能齐全控制算法丰富，集连续控制、顺序控制和批处理控制于一体，可实现串级、前馈、 解耦、自适应和预测控制等先进控制，并可方便地加入所需的特殊控制算法。DCS的构成方式十分灵活，可山专用的管理计算机站、操作员站、工程

5、师站、 记录站、现场控制站和数据采集站等组成，也可山通用的服务器、工业控制计算 机和可编程控制器构成。处于底层的过程控制级一般山分散的现场控制站、数据采集站等就地实现数据采 集和控制，并通过数据通信网络传送到生产监控级计算机。生产监控级对来自过 程控制级的数据进行集中操作管理，如各种优化讣算、统计报表、故障诊断、显 示报警等。随着计算机技术的发展，DCS可以按照需要与更高性能的计算机设 备通过网络连接来实现更高级的集中管理功能，如汁划调度、仓储管理、能源管 理等。DCS可以解释为在模拟量回路控制较多的行业中广泛使用的，尽量将控制 所造成的危险性分散，而将管理和显示功能集中的一种自动化高技术产品

6、。DCS-般由五部份组成：1、控制器；2、I/O板;3、操作站；4、通讯网络；5、图形及遍程软件。、DCS的骨架系统网络，它是DCS的基础和核心。网络对于DCS整个系统的实时性、可靠性和扩充性，起若决定性的作用。1、实时性。对于DCS的系统网络来说，它必须满足实时性的要求，即在确定的时间限度 内完成信息的传送。这里所说的确定的时间限度，是指在无论何种情况下，信息传送都能在这 个时间限度内完成，而这个时间限度则是根据被控制过程的实时性要求确定的。因此，衡量系统 网络性能的指标并不是网络的速率，即通常所说的每秒比特数（bps）,而是系统网络的实时性, 即能在多长的时间内确保所需信息的传输完成。2、

7、可靠性。系统网络还必须非常可靠，无论在任何情况下，网络通信都不能中断，因此多 数厂家的DCS均采用双总线、环形或双重星形的网络拓扑结构。3、扩充性。为了满足系统扩充性的要求，系统网络上可接入的最大节点数量应比实际使用 的节点数量人若干倍。这样，方面可以随时增加新的节点，另方面也可以使系统网络运行于 较轻的通信负荷状态，以确保系统的实时性和可靠性。在系统实际运行过程中，各个节点的上网 和下网是随时可能发生的，特别是操作员站，这样，网络重构会经常进行，而这种操作绝对不能 影响系统的正常运行，因此，系统网络应该具有很强在线网络重构功能。二、-种完全对现场I/O处理并实现宜接数字控制（DOS）功能的网

8、络节点。1、现场I/O控制站。般套DCS中要设置现场I/O控制站，用以分担整个系统的I/O 和控制功能。这样既可以避免由于个站点失效造成整个系统的失效，捉高系统可靠性，也可以 使各站点分担数据采集和控制功能，有利于提高整个系统的性能。2, DCS的操作员站。DCS的操作员站是处理切与运行操作有关的人机界面（HMI-HumanMachine Interface 或 operator interlace）功能的网络节点。3、系统网络是DCS的工程师站。它是对DCS进行离线的配置、组态匸作和在线的系统 监替、控制、维护的网络节点，其主要功能是捉供对DCS进行组态，配置匸作的工具软件（即 组态软件），

9、并在DCS在线运行时实时地监视DCS网络上各个节点的运行情况，使系统工程 师可以通过工程师站及时调整系统配置及些系统参数的设定，使DCS随时处在最佳的工作状 态之下。与集中式控制系统不同，所有的DCS都要求有系统组态功能，可以说，没有系统组态 功能的系统就不能称其为DCSo三、DCS的发展状况1、DCS M 1975年问世以来，已经经历了二十多年的发展历程。在这二十多年中，DCS 虽然在系统的体系结构上没有发生重人改变，但是经过不断的发展和完善，其功能和性能都得到 了巨大的提高。总的来说，DCS正在向着更加开放，更加标准化，更加产品化的方向发展。2、作为生产过程动化领域的计算机控制系统，传统的

10、DCS仅仅是个狭义的槪念。如 果以为DCS只是生产过程的自动化系统，那就会引出错误的结论，因为现在的计算机控制系统 的含义已彼大人扩展了，它不仅包括过去DCS中所包含的各种内容，还向下深入到了现场的每 台测量设备、执行机构，向上发展到了生产管理，企业经营的方方面面。传统意义上的DCS现 在仅仅是指生产过程控制这部分的自动化，而工业自动化系统的槪念，则应定位到企业全血解 决方案，即total solution的层次。只有从这个角度上提出问题并解决问题，才能使计算机自动 化真正起到其应有的作用。3、进入九十年代以后，计算机技术突飞猛进，更多新的技术被应用到了 DCS之中。PLC 是种针对顺序逻辑控

11、制发展起来的电/设备，它主要用于代替不灵活而且笨重的继电器逻辑。 现场总线技术在进入九十年代中期以后发展十分迅猛，以至于有些人已做出预测：展于现场总线的FCS将取代DCS成为控制系统的主角。DCS产品的发展已经历了三代，并且第四代正在发展中。开创期：1975-1980年代表产品：Honeywell, TDC2000Foxboro, SpectrumBailey, Network-90 Yokogawa（恒河），Yawpark第一代DCS都以Honeywell公司推出的TDC-2000系统为模型。由数据采集 单元、过程控制单元、CRT操作站、上位管理计算机及连接各个单元和计算机 的高速数据通道这

12、5部分组成。（笫一代）以微处理器为基础的过程控制单元, 实现多种控制功能算法，并实现分散控制；采用带显示器的操作站，与过程控制 单元分离，实现集中监视、集中操作、信息综合管理；釆用较先进的冗余通信系 统、用同轴电缆作为传输媒质，实现控制单元、操作站和上位机之间的通信。已 具有DCS的基本特点（即分散控制，集中管理），DCS的雏形。各个厂家使用专用软、硬件产品，价格昂贵；DCS没有统一标准，开放性差。成长过渡期：19801985年代表产品：Honeywell, TDC-3000 Fisher, PROVOXTayler, MOD300Westinghouse, WDPF第二代的主要特点是在原来产

13、品的基础上进行改进，进一步提高可靠性并扩展和 增强了功能。其特点是采用模块化、标准化设计，数据通信向标准化迁移，板级 模块化，单元结构化，使之具有更强的适应性和可扩充性；新开发的多功能过程 控制站、增强型操作站采用了 16位CPU及高分辩率CRT技术，图形用户界面 也逐步丰富；通信系统已釆用局域网络（从主从式的星形变为总线网络或环网通 信）作为系统骨干，按照网络节点的概念组织过程控制站、中央操作站、系统管 理站和网关，使得系统规模、容量扩大，同时数据传输速率也大大提高；控制功 能更加完善，它能实现数据采集、过程控制、顺序控制和逻辑控制等功能。其基 本结构由六部分组成，即局域网络、多功能现场控制

14、站、增强型操作站、系统管 理站、主计算机和网络连接器等。完善期：80年代中后期代表产品：Foxboro, l/A SeriesHoneywell, TDC-3000UCNBailey, INFI-90Moore , PACSYokogawa, Centum-XL 和µXL(第三代)这阶段的特点是向开放式、标准化方向发展：实现了开放式的系统通 信，向上能与MAP和Ethernet接口，或者通过网间连接器与其它网络联系，以构 成复合管理系统，或与其它制造商的产品进行数据通信；向下支持现场总线，它 使得过程控制或车间的智能变送器、执行器和本地控制器之间能实现可黑的实时 数据通信。控制站使

15、用32位微处理器，控制功能更强，能方便使用更复朵和先进的控制算 法；采用专用集成电路和表面安装技术，使电路板上的元件数更少，体积更小， 可靠性更高。操作站采用32位高档微机，具有增强图形显示功能，采用多窗口技术和触摸屏, 使其操作简单，响应速度更快。从控制功能来看，系统提供的控制功能增强，过程控制组态方面实现了标准化 (IEC61131-3)；并在常规控制基础上增加了各种自适应或自整定的控制算法, 为用户提供了更广阔的应用领域。在基础的软硕件方面，如操作系统、数据库和工作站大都采用通用产品，另外笫 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入了更高层次的阶 段。开放系统开放系统是第三

16、代集散控制系统主要特征。根据X/OPEN协会的定义，以规范 化与实际存在的接口标准为依据而建立的讣算机系统、网络系统及相关的通信系 统，这些标准可为各种应用系统的标准平台提供软件的可移植性、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。开放系统的基本特征如下：1)可移植性(portability)2)互操作性(interoperability)3)可适宜性(scalability)4)可得到性(availability)管控一体化时期：90年代初代表产品：Honeywell, TPS 系统(Total Plant System) Foxboro, l/AS 50/51 系列控制系统恒

17、河，CENTUM-CSABB, ADVANT系统OCS开放控制系统(第四代)当今的DCS是生产过程控制系统与信息管理系统紧密结合的管控一 体化的新一代集散型控制系统。1. 向综合化、开放化发展90年代工厂自动化要求各种设备(计算机、DCS、单回路调节器、PLC等)之 间的通信能力更强，以便构成大系统。DCS的通信趋势是向开放系统互连(OSI)的方向发展，各制造厂商都在“开放 性”上下功夫，将自己的专用网络改造成符合国际标准，或给自己的专用网络加 上网关，使其与以太网、MAP网互连。新一代集散型控制系统的开放型结构，便于将生产过程控制系统与工厂管理系统 联结在一起，从而形成管控一体化的系统。2.

18、 引入先进的控制理论在控制功能中，不断引进各种先进控制理论，以提高系统的控制性能，如自整定、 自适应、最优、模糊控制等。3. 形成系列产品在大型DCS进一步完善和提高的同时，发展小型集散控制系统，在系统规模和 结构上形成由小到大的产品系列，以适应不同规模的需求4. 采用人工智能技术 人工智能特别是知识库系统(KBS)和专家系统(ES)在过程控制中应用(自 整定和自适应控制器、实时数据采集、故障诊断、生产计划和调度、过程优化、 控制系统的计算机辅助设计、仿真培训等)。随着电子技术的发展，结合现代控制理论，应用人工智能技术，以微处理器为基 础的智能设备相继出现，如智能变送器、可编程调节器、智能PI

19、D自整定控制、 智能人机接口，以至于智能DCSo5. 先进的软硬件技术 专用集成电路(ASIC)和表面安装技术(SMT)在硬件上使用； 硬件采用客户机/服务机的结构(Client/server)； 软件采用UNIX系统和X-WINDOWS的图形用户界面； 高度重视系统的可黑性，在软/硬件的设计中采用容错技术；DCS从1975年问世以来，大约有三次比较大的变革，七十年代操作站的硬 件、操作系统、监视软件都是专用的，由各DCS厂家自己开发的，也没有动态 流程图，通讯网络基本上都是轮询方式的；八十年代就不一样了，通讯网络较多 使用令牌方式；九十年代操作站出现了通用系统，九十年代末通讯网络有部份遵 守

20、TCP/IP协议，有的开始釆用以太网。总的来看，变化主要体现在I /0板、 操作站和通讯网络。控制器相对来讲变化要小一些。操作站主要表现在山专用机 变化到通用机，如PC机和小型机的应用。但是D前它的操作系统一般采用 UNIX,也有小系统釆用NT,相比较来看UNIX的稳定性要好一些，NT则有死 机现象。I/O板主要体现在现场总线的引入DCS系统。从理论上讲，一个DCS系统可以应用于各种行业，但是各行业有它的特殊性， 所以DCS也就出现了不同的分支，有时也由于DCS厂家技术人员工艺知识的 局限性而引起，如HONEYWELL公司对石化比较熟悉，其产品在石化行业应用 较多，而BAILE丫的产品则在电力

21、行业应用比较普遍。用户在选择DCS的时候 主要是要注意其技术人员是否对该生产工艺比较熟悉；然后要看该系统适用于多 大规模，比如NT操作系统的就适应于较小规模的系统；最后是价格，不同的组 合价格会有较大的差异，而国产的DCS系统价格比进口的DCS至少要低一半, 算上备品备件则要低得更多。DCS由四部份组成：I/O板、控制器、操作站、通讯网络。I/O板和控制器国际 上各DCS厂家的技术水平都相差不远，如果说有些差别的话是控制器内的算法 有多有少，算法的组合有些不一样，I/O板的差别在于有的有智能，有些没有， 但是控制器读取所有I/O数据必须在一秒钟内完成一个循环:操作站差别比较大, 主要差别是选用

22、PC机还是选用小型机、采用UNIX还是采用NT操作系统、采 用专用的还是通用的监视软件,操作系统和监视软件配合比较好时可以减少死机 现象；差别最大的是通讯网络，最差的是轮询方式，最好的是例外报告方式，根 据我们的实验，其速度要相差七八倍。80年代中期，许多单位和个体技术人员都想涉及DCS的开发和生产。山于资 金投入太多，软件的工程量太大，需要软件开发人员、硬件人员和工程人员协调 工作，另外DCS的开发毕竟太复杂了，它涉及到计算机技术、通讯技术、控制 技术和显示技术。儿个技术人员不可能掌握那样多的技术，同时也没有那样多的 资金投入，并且不可能在短时间内就有产出。儿个技术人员是没有力量来支撑的。

23、许多技术人员只能望DCS兴叹。许多单位如儿个大钢铁公司的自动化部也山于 资金不足退出DCS的开发。如阿城继电器厂从1984年就开始DCS的开发，并 取得很好的成绩。山于资金不足和管理混乱，也无奈的基本退出DCS的角逐。 STD总线的产品是控制系统的中间产品，90年代初期生产厂家很多，每年在国 内达到儿亿的销售量（与现在国产的DCS销量相肖）。山于最终用户的工作量 很大，也正在退出市场。90年代中期，DCS的部件除功能块以外，在市场上都能买到。如控制器可以用 PC机主板，DCS网络也可以用以太网。人机界面可用通用监控软件，如组态王 等。市场形势比80年代有很大改变。乂一次浪潮涉及开发DCS,各种

24、牌号的 DCS纷纷出笼，大约有上口种系统推向市场。仔细分析，都在较低层次上重复, 功能单一，形不成规模。由于政府有关部门的界入，开始有新的单位进入DCS的开发。政府的有关部门 无论从资金还是项LI都大力支持，所以得到蓬勃发展。如北京和利时、上海新华 和浙大中控。他们都有儿白套的销量，基本形成规模生产。他们虽然一时还达不 到进口的水平，但控制的基本要求还能满足。从系统的结构和I/O板的生产来看, 已经有相当高的水平，和国际上的水平已相差不远。如无锡生产的I/O板就很美 观。人机界面的软件国内已有开发，如组态王，每年有2000套的销售量，经使 用情况也是良好的。开发DCS最难的是控制器的开发问题，一是硬件，用的是PC机卡，操作系统 也是通用型的，如微软的NT、加拿大开发的QNX等，价格高，使得利润减低。 二是功能块的开发。这是最难的。功能块的数量儿乎是无限的。它的工作量很大, 不仅要有软件人员，还要有工程人员的配合，才能编出好用的功能块。由于我国 以前实行计划经济，对技术人才一是不重视，二是各单位私有。一个单位很难