集散控制系统DCS简介.doc

集散控制系统DCS简介 DCS是以微型计算机为基础，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。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，目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，又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po 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 由于DCS将系统控制功能分散在各台计算机上实现，系统结构采用容错设计，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，由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采用具有特定结构和软件的专用计算机，从而使系统中每台计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，几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情况下在线更换，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，整个系统信息共享，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，可由专用的管理计算机站、操作员站、工程师站、记录站、现场控制站和数据采集站等组成，也可由通用的服务器、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由分散的现场控制站、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，如各种优化计算、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，如计划调度、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。DCS一般由五部份组成：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。一、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，起着决定性的作用。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、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大若干倍。这样，一方面可以随时增加新的节点，另一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、一种完全对现场I/O处理并实现直接数字控制（DOS）功能的网络节点。1、现场I/O控制站。一般一套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一个站点失效造成整个系统的失效，提高系统可靠性，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的操作员站是处理一切与运行操作有关的人机界面（HMI-Human Machine Interface或operator interface）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、组态工作和在线的系统监督、控制、维护的网络节点，其主要功能是提供对DCS进行组态，配置工作的工具软件（即组态软件），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一些系统参数的设定，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DCS。三、DCS的发展状况1、DCS自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大改变，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、作为生产过程自动化领域的计算机控制系统，传统的DCS仅仅是一个狭义的概念。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被大大扩展了，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一部分的自动化，而工业自动化系统的概念，则应定位到企业全面解决方案，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是一种针对顺序逻辑控制发展起来的电子设备，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：基于现场总线的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： 19751980年代表产品：Honeywell，TDC2000 Foxboro，Spectrum Bailey，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5部分组成。（第一代）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；采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，PROVOX Tayler，MOD300 Westinghouse，WDPF第二代的主要特点是在原来产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；通信系统已采用局域网络（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，I/A SeriesHoneywell，TDC-3000UCN Bailey，INFI-90 Moore ，PACS Yokogawa，Centum-XL和XL（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靠的实时数据通信。控制站使用32位微处理器，控制功能更强，能方便使用更复杂和先进的控制算法；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（IEC 61131-3）；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。在基础的软硬件方面，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入了更高层次的阶段。开放系统开放系统是第三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计算机系统、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，I/AS 50/51系列控制系统 恒河，CENTUMCS ABB，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 PID自整定控制、智能人机接口，以至于智能 DCS。5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；高度重视系统的可靠性，在软/硬件的设计中采用容错技术；