dcs的实现及案例分析.docx

一、DCS的实现1、前言分散型控制系统（DCS）是以微处理机为基础，以危险分散控制，操作和管理集中为特性，集先进的计算机技术、通讯技术、CRT技术和控制技术即4C技术于一体的新型控制系统。随着现代计算机和通讯网络技术的高速发展，DCS正向着多元化、网络化、开放化、集成管理方向发展，使得不同型号的DCS可以互连，进行数据交换，并可通过以太网将DCS系统和工厂管理网相连，实现实时数据上网，成为过程工业自动控制的主流。 2、DCS的结构组成 DCS主要分为三大部分：带I/O部件的控制器、通讯网络和人机接口（HMI）。控制器I/O部件直接与生产过程相连，接收现场设备送来的信号；人机接口是操作人员与DCS相互交换信息的设备；通讯网络将控制器和人机接口联系起来，形成一个有机的整体。从某种意义上说，控制器是“心脏”；人机接口是“眼睛”；通讯网络则是“神经网络”。DCS的典型结构如图一：图一 DCS的典型结构 3、DCS的通讯网络 3.1 发展历程 随着计算机技术、网络技术和控制技术的不断发展，DCS自20世纪70年代问世以来，先后经历了四个发展时期，具体划分为： (1) 19751980 初创期。此时的DCS通讯系统只是一种初级局部网络，全系统由一个通讯指挥器指挥，对各单元的访问是轮流询问方式。如TDC-2000、MOD-3等。 (2) 19801985 成熟期。采用局域网络，由主从式星型网络转变成对等式的总线网络通信或环网通信，扩大了通信范围，提高了传输速率。如TDC-3000、MOD-300等。 (3) 19851990 扩展期。在局域网络方面采用国际标准组织ISO的OSI开放系统互联的参考模型，使符合开放系统的各制造厂的产品可以互连，互通信以及进行数据交换，第三方软件以可以应用。改变了过去DCS各厂自成系统的封闭结构，DCS由原来的仅能应用发展到不仅能应用而且能开发。TDC-3000（带UCN网）Centum XL等。 (4) 90年代以后，网络开放期。采用符合国际标准的通信协议和规程，即IEE802（以太网）、IEE802.4（令牌总线）、EEFDDI（光纤分布数据界面）、TCP/IP（传输控制协议/互联协议）或MAP（制造自动化协议）等，使不同厂家型号、不同操作系统的计算机可共存一个网络标准，达到产品互换、资源共享的目的。如Centum CS-3000、Advant-500等。3.2 通讯网络的特点 通讯网络是DCS的重要支柱，执行分散控制的各单元以及各级人机接口要靠通讯系统连成一体，这种在局部区域内使用各种数据通讯的设备互连的通讯网络称为局域网（LAN）。它是一个高通讯速率，低误码率，快速响应的局部网络，具有组织灵活，易于扩展，资源共享的特点，然而DCS完成的是工业控制，因此它与一般的办公室用局部网络有所不同，具有如下的特点：(1) 具有快速的实时响应能力，一般办公室自动化计算机局部网络响应时间为2-6s，而它0.01-0.5s(2) 具有极高的可靠性，必须连续、准确运行，数据传送误码率低于10-810-11，系统利用率在99.999%以上(3) 适合于在恶劣环境下工作，能抗电源干扰、雷击干扰、电磁干扰和低电位差干扰。 (4) 分层结构，为适应DCS的分层结构，其通讯网络也必须具有分层结构，如分为现场总线，车间级网络系统，工厂级网络系统等不同层次。 3.3 通讯网络的分级体系 早期的DCS系统的通讯网络都是专用的，DCS有几级网络，完成不同模件之间的通讯。从目前的情况来看，DCS的最多网络级有四级，它们分别是I/O总线、现场总线、控制总线和DCS网络。其网络结构图如图二：图二 DCS网络结构图(1) I/O总线 它把多种I/O信号送到控制器，由控制器读取I/O信号，I/O模件之间并不交换数据。I/O总线包括并行总线和串行总线。I/O总线的传输速率是不高的，从几十K到几兆不等，为了快速，最好是并行总线。采用并行总线，其I/O模件必须与控制器模件相邻。若采用串行总线，I/O模件和控制器之间的距离也要比较近才行。通常把控制器模件和I/O模件装在一个机柜内或相邻的机柜内。 (2) 现场总线 现场总线是90年代初发展起来的，远程I/O应该采用现场总线，如CAN、LONWORKS、HART总线等。在DCS系统中，远程I/O采用HART总线比较多。比如现场的变送器，距离控制器机柜比较远，常把16个变送器来的信号编成一组，用HART总线把信号送到控制器，控制器同时读进16个变送器来的信号。采用现场总线，控制器和变送器两者距离可达1公里以上。(3) 控制总线 把完成不同任务的三种控制器连在一条总线上，实现控制器之间的通讯，称为控制总线。在控制总线上的不同控制器的数量不受限制，在这一条总线上除三种不同的控制器模件以外，还有DCS网络的接口模件。在控制总线上，控制器之间可以调用数据，使得模拟量和开关量之间的结合很好。控制总线不是DCS系统都具有，可以把各种控制器分别连到DCS网络上，控制器之间的数据调用通过DCS网络。控制总线的传输速率与I/O总线的传输速率相类似。通常是几十K到几兆之间。当CPU和存储器的能力比较强时，把开关量的逻辑运算和模拟量的采集功能都在一个控制器中完成，这样在控制总线上就只有一种形式的控制器。其通讯协议类似以太网，采用载波监听，令牌广播发送。 (4) DCS网络 它把现场控制器和人机界面连成一个系统。为了确保通讯可靠，DCS生产厂家无论是电缆，还是通讯接口，都作成冗余的，一条网络发生故障，另一条备用网络立即投入运行。连在DCS通讯网络上的部件称为结点（节点）。在地理位置上，结点可以分散配置，各结点的距离各DCS系统不同，有的可达几百米。DCS网络的传输速率在几百K至一百兆之间，网络的总长度可几公里，最短也有几百米，网络不够长时需加中继器。 4、DCS的通讯网络特性 DCS中参与网络通讯的最小单位为结点，发送信号的源结点把信号进行编码，然后送到传输介质（通讯电缆），最后被接收这一信号的目的结点接收，而要保证在众多结点之间数据合理传送，还必须将通讯系统构成一定网络，并且遵循一定的网络控制方法才能实现，因此说通讯络结构和通讯协议是DCS通讯网络特性4.1 通讯介质 通讯介质又称为传输介质或信道，它是连接网上站或结点的物理信号通路，主要有双绞线、同轴电缆、光导纤维三种。最早的DCS采用双绞线或同轴电缆，传输速率在1Mbps以下，目前的DCS主要采用同轴电缆或光纤，通信速率为1-10Mbps。(1) 双绞线 把两根平行导线按一定节距绞合在一起的信号线。双绞线最大带宽为100KHz1MHz,，其传输速率低于2Mbps，传输距离可达15Km或更长。这种把多股导线封装在屏蔽护套内构成一根电缆的结构，能较好地抑制电磁感应干扰，但由于双绞线有较大的分布电容，故不宜传输高频信号。 (2) 同轴电缆 由中心导体，固定中心导体的电介质绝缘层，外屏蔽层导体和外绝缘层构成，它又分基带同轴电缆和宽带同轴电缆两种，它们的传输速率可分别达到10Mbps和50Mbps，传输距离为几公里和数十公里，同轴电缆的抗干扰性较双绞线好，它可传输高频和中频信号。 (3) 光导纤维 网络信息经光电转换器变换成光信号，在光缆中进行传输，光信号在光纤中的传输速率大约是电信号在铜导线中传输速率的2/3，因此光纤缆传输的延迟就大些，但光导纤维不受电磁场的影响，适用于特别恶劣的环境，由于造价昂贵，目前尚未被广泛采用。 4.2 网络结构形式 网络结构又称网络拓扑，它是指网络结点的互连方式，在DCS中通常有总线型、环型、星型三种。总线型在逻辑上也是环型的，星型通常只用于小系统。 (1) 总线型网络 总线型网络结构如图三示。所有结点都挂接在总线上，为控制通讯，有的设有通讯控制器，采取集中控制方式；有的把通讯控制功能分设在各通讯接口中，称为发散控制方式。总线型通讯网络的性能主要取决于总线的“带宽”，挂接设备的数目及总线访问规程。总线型网络结构简单，系统可大可小，扩展方便，易设置备用部件，安装费用低，某设备故障不会威胁整个系统，是目前广泛采用的一种网络结构。如TDC-3000、Centum CS-3000等为双总线型网络。图三 总线型网络 (2) 环型网络 环型网络结构如图四示。网上所有结点都通过点对点链路连接，并构成一封闭环，工作站通过结点接口单元与环相连，数据沿环单向或双向传输，当然在双向传输时须考虑路径控制问题。环型结构的突出优点是结构简单，控制逻辑简单，挂接或摘除结点也比较容易，系统的初始开发成本以及修改费用较低，环型结构的主要问题是可靠性较差，当结点处理机或数据通道出现故障时，会给整个系统带来威胁，虽可通过增设“旁路通道”或采用双向环形数据通道等措施加以克服，但增加了系统的复杂性。如Advant-500、MOD-300、INFI-90等采用双环冗余网络。图四 环型网络 (3) 星型网络 星型网络结构如图五示。星的中心为主结点，其他为从结点，网上各从站间交换信息都要通过主站，这种拓扑结构体现了一种集中式通讯控制策略，主结点负责全部信息的协调和传输，一旦发生故障，殃及整个网络。为了提高可靠性，主结点采用冗余结构，使系统投资较大。如JX-300等采用星型网络。图五 星型网络 4.3 通讯网络的通讯协议 当结点连到DCS的通讯网络上时，通常有一个网络接口，控制器把数据送到接口，人机界面从网络接口读取数据，读取数据时应遵循网络通讯协议，常用的DCS的通讯控制方式分为令牌广播式、问询式和存储转发式三种，通讯协议是由各DCS生产厂家自行开发的，一般不公开。它们各有特点，应用都较为广泛。 (1) 令牌广播式协议 令牌广播式由一个结点发出一个令牌（令牌是特别的比特组，比特组内无源地址和目的地址），令牌沿环绕行。拿到这个令牌的结点就改变令牌中一个特定位，将令牌变成一信息帧的帧起始定界符，加挂上构成一帧所需要的其余字段以发送信息，网络上的其他结点都在收听信息。当本站检测到帧的目的地址与本站地址相符时，就接收该信息帧（目的结点）。同时转发该帧，直到该帧回到发送站（源结点），才把该帧释放。再发送新令牌。在同一时间内只有一个结点在发送信息，其他都在收听。这种协议的特点是只有持有令牌的结点才能发送信息。令牌广播式协议的网络中，可以连接多个人机界面的结点，在网络上的结点都是平等的，每一个结点都有机会发送信息。在环型和总线型网络中用得较多，如Beiley INFI-90、Advant-500系统等。 (2) 问询式 问询式协议的网络设有交通指挥器，当人机界面向控制器请求数据时，必须通过交通指挥器，由交通指挥器来向控制器请求数据，控制器才能发送信息给人机界面。如Honeywell的TDC-2000，Fisher的Provox，都有交通指挥器。在星型网络中，人机界面（操作站）可以作为交通指挥器，但它只能连接一个人机界面的结点。由一些回路控制器组成的系统通常都连成星型网络。 (3) 存储转发式 存储转发式协议是一个结点发出信息，传给下一个，这个结点接到信息，必须先存下来，如果自己要，就可以接收下来，如果不需要，就把它转发出去。直到需要这个信息的结点为止。然后信息再返回到源结点，才释放这个信息。这种协议主要用于环型网络中，如Beiley NETWORK-90系统等。 5、DCS通讯网络发展方向 从DCS系统诞生至今，DCS系统通讯网络历经几代，第一代主要解决一个生产装置中几个控制站和一个或几个操作站之间的数据通信问题；第二代DCS则解决多个装置的DCS互联问题；第三代DCS则解决一个工厂的多个车间互联及与全厂计算机管理网络互联问题。因此可以预见，未来的DCS系统通讯网络将向以下方向发展： (1) DCS系统的通信功能发展与全厂管理网络技术向融合，逐渐实现通信网络由多重化结构向扁平化过渡。 (2) 实现完整的统一的数据通信标准，国际标准化组织（ISO）提出的开放系统互联（OSI）参考模型即ISO/OSI 7层模型，规定了通信过程分段和网络功能分层，DCS通信标准化或开放性。 (3) 采用数字通信技术，控制站内采用站内通信总线及远程I/O总线，以及控制站内增加PLC、分析仪表及现场智能仪表的接口卡，使DCS与现场仪表之间的接线减少，并对现场仪表进行设备管理，这为DCS的向下兼容并与现场总线通信技术融合。 (4) 系统的开放性加强，使DCS与CIPS系统的调度层、管理层、决策层进行无缝连接，将DCS的相关信息上传，使其实时数据库、历史数据库为上述三层所共用，避免重复建库，为先进控制和优化控制建好平台，与上层的关系数据库共享数据，真正实现管控一体化。 6、结束语 在21世纪的信息时代，DCS即将迎来一个崭新的未来，从而使企业实现真正意义上的管控一体化，为建立现代化企业打下坚实的基础。二、PLC、DCS、FCS三大控制系统的特点 1.前言 上世纪九十年代走向实用化的现场总线控制系统，正以迅猛的势头快速发展，是目前世界上最新型的控制系统。现场总线控制系统是目前自动化技术中的一个热点，正受到国内外自动化设备制造商与用户越来越强烈的关注。现场总线控制系统的出现，将给自动化领域带来又一次革命，其深度和广度将超过历史的任何一次，从而开创自动化的新纪元。 在有些行业，FCS是由PLC发展而来的；而在另一些行业，FCS又是由DCS发展而来的，所以FCS与PLC及DCS之间有着千丝万缕的联系，又存在着本质的差异。本文试就PLC、DCS、FCS三大控制系统的特点和差异作一分析，指出它们之间的渊源及发展方向。 2PLC、DCS、FCS三大控制系统的基本特点 目前，在连续型流程生产自动控制（PA）或习惯称之谓工业过程控制中，有三大控制系统，即PLC、DCS和FCS。它们各自的基本特点如下： 21PLC （1）从开关量控制发展到顺序控制、运送处理，是从下往上的。 （2）连续PID控制等多功能，PID在中断站中。 （3）可用一台PC机为主站，多台同型PLC为从站。 （4）也可一台PLC为主站，多台同型PLC为从站，构成PLC网络。这比用PC机作主站方便之处是：有用户编程时，不必知道通信协议，只要按说明书格式写就行。 （5）PLC网格既可作为独立DCS/TDCS，也可作为DCS/TDCS的子系统。 （6）大系统同DCS/TDCS，如TDC3000、CENTUMCS、WDPFI、MOD300。 （7）PLC网络如Siemens公司的SINECL1、SINECH1、S4、S5、S6、S7等，GE公司的GENET、三菱公司的MELSECNET、MELSECNET/MINI。 （8）主要用于工业过程中的顺序控制，新型PLC也兼有闭环控制功能。 （9）制造商：GOULD（美）、AB（美）、GE（美）、OMRON（日）、MITSUBISHI（日）、Siemens（德）等。 22DCS或TDCS （1）分散控制系统DCS与集散控制系统TDCS是集4C（Communication，Computer，Control、CRT）技术于一身的监控技术。 （2）从上到下的树状拓扑大系统，其中通信（Communication）是关键。 （3）PID在中断站中，中断站联接计算机与现场仪器仪表与控制装置。 （4）是树状拓扑和并行连续的链路结构，也有大量电缆从中继站并行到现场仪器仪表。 （5）模拟信号，A/DD/A、带微处理器的混合。 （6）一台仪表一对线接到I/O，由控制站挂到局域网LAN。 （7）DCS是控制（工程师站）、操作（操作员站）、现场仪表（现场测控站）的3级结构。 （8）缺点是成本高，各公司产品不能互换，不能互操作，大DCS系统是各家不同的。 （9）用于大规模的连续过程控制，如石化等。 （10）制造商：Bailey（美）、Westinghouse（美）、HITACH（日）、LEEDS&NORTHRMP（美）、SIEMENS（德）、Foxboro（美）、ABB（瑞士）、Hartmann&Braun（德）、Yokogawa（日）、Honeywell（美国）、Taylor（美）等。 23FCS （1）基本任务是：本质（本征）安全、危险区域、易变过程、难于对付的非常环境。 （2）全数字化、智能、多功能取代模拟式单功能仪器、仪表、控制装置。 （3）用两根线联接分散的现场仪表、控制装置、PID与控制中心，取代每台仪器两根线。 （4）在总线上PID与仪器、仪表、控制装置都是平等的。 （5）多变量、多节点、串行、数字通信系统取代单变量、单点、并行、模拟系统。 （6）是互联的、双向的、开放的取代单向的、封闭的。 （7）用分散的虚拟控制站取代集中的控制站。 （8）由现场电脑操纵，还可挂到上位机，接同一总线的上一级计算机。 （9）局域网，再可与internet相通。 （10）改变传统的信号标准、通信标准和系统标准入企业管理网。 （11）制造商：美Honeywell、Smar、FisherRosemount、AB/Rockwell、ElsagBailey、Foxboro、Yamatake、日Yokogawa、欧Siemens、GECAlsthom、Schneider、processData、ABB等。 （12）3类FCS的典型 1）连续的工艺过程自动控制如石油化工，其中“本安防爆”技术是绝对重要的，典型产品是FF、WorldFIP、ProfibusPA； 2）分立的工艺动作自动控制如汽车制造机器人、汽车，典型产品是ProfibusDP、CANbus； 3）多点控制如楼宇自动化，典型产品是LONWork、ProfibusFMS。 从上述基本要点的描述中，我们是否注意到一点，用于过程控制的三大系统，没有一个是针对电站而开发的，或者说，在他们开发的初期，都并非以电站做系统的首选控制对象。而在这些系统的使用说明中也绝不把电站做为首选适用范围，有的在适用范围中根本就不提电站。现在奇怪的是，这三大控制系统，尤其是DCS、PLC，都在电站得到了广泛应用，而且效果也非常好。 3三大控制系统之间的差异 我们已经知道，FCS是由DCS与PLC发展而来，FCS不仅具备DCS与PLC的特点，而且跨出了革命性的一步。而目前，新型的DCS与新型的PLC，都有向对方靠拢的趋势。新型的DCS已有很强的顺序控制功能；而新型的PLC，在处理闭环控制方面也不差，并且两者都能组成大型网络，DCS与PLC的适用范围，已有很大的交叉。下一节就仅以DCS与FCS进行比较。在前面的章节中，实际上已涉及到DCS与FCS的差异，下面将就体系结构、投资、设计、使用等方面进行叙述。三、设计案例分析集散控制系统是具体应用时，必须对系统进行适应性的设计和开发，这种设计和开发式与被控对象密切关系的，任何一套DCS，不论其设计如何先进，性能如何优越，如果没有很好的工程设计和应用开发，都不可能达到理想的控制效果，甚至会出现这样或那样的问题故障。1、 DCS的工程设计方案论证方案论证也就是可行性研究设计（或简称可研设计）的主要任务是明确具体项目的规模、成立条件和可行性；确定项目的主要工艺、主要设备和项目投资具体数额。对于DCS的建设，可行性研究设计师必须进行的的第一步工作，它涉及 到经济发展、投资、效益、环境、技术路线等大的方面的问题。由于这步工作与具体技术内容关系不大，因此这里不再详细描述。 2、方案设计DCS的基本任务方案设计的开始阶段，首先熬明确DCS的基本任务，包括以下几方面：DCS的控制范围DCS是通过对各主要设备的控制来控制工艺过程。设备的形式、作用、复杂程度、决定了该设备是否适用于用DCS去控制。有些设备，如运料车，就不能由DCS控制，DCS只能监视料库的料位；而另一些设备，如送风机，就可由DCS完全控制其启动、停止，改变负荷。那么在全厂的设备中，哪些由DCS控制，哪些不由DCS控制，要在总体设计中提出要求。考虑的原则有很多方面，如资金、人员、重要性，从控制上讲，以下设备宜采用DCS控制。（1） 工作规律性强的设备（2） 重复性大的设备（3） 在主生产线上的设备（4） 属于机组工艺系统中的设备，包括公用系统。DCS通过对这些设备的控制实现对工艺过程的总体控制。除此以外，工艺线上的很多独立的阀门、电动机等设备也往往是DCS的控制对象DCS控制深度几乎任何一台主要设备是部分地由DCS控制。DCS有时可以控制这些设备的起停和运行过程中的调节，但不能控制一些间歇性的辅助操作， 如有些刮板门等。而对有的设备，DCS只能监视其运行状态，不能控制这些就是DCS的控制深度问题。DCS的控制深度越深，就要求设备的机械与电气化程度越高，从而设备的造价越高。在总体设计中，要决定DCS控制与监视的深度，使后续设计是可以实现的。DCS的设计方案硬件设计硬件初步设计的结果应可以基本确定工程队DCS硬件的要求及DCS对相关接口的要求，主要是对现场接口和通信接口的要求。确定系统I/O点。根据控制范围及控制对象决定I/O点哦数量、类型和分布。确定DCS硬件。这里的硬件主要是指DCS对外部接口的硬件，根据I/O点的要求决定DCS的I/O卡；根据控制任务确定DCS控制器的数量与等级；根据工艺过程的分布确定DCS控制柜的数量与分布，同事确定DCS的网络系统；根据运行方式的要求，确定人机接口设备、工程师站及辅助设备；根据与其他设备的接口要求，确定DCS于其他设备的通信接口的数量与形式。软件设计 软件设计的结果使工程师将来可以在此基础上编写用户控制程序，需要做以下工作。根据顺序控制要求设计逻辑框图或写出控制说明，这些要求用于组态的指导。根据调节系统要求设计调节系统框图，它描述的是控制回路的调节量、被调量、扰动量、连锁原则等信息。根据工艺要求提出连锁保护的要求。针对应控制的设备，提出控制要求，如启、停、开、关的条件与注意事项。做出典型的组态用于说明通用功能的实现方式，如单回路调节、多选一的选择逻辑、设备驱动控制、顺序控制等，这些逻辑与方案规定了今后详细设计的基本模式。规定报警、归档等方面的原则。人机接口的设计人机接口的初步设计规定了今后设计的风格，这一点在人机接口设计方面表现得非常明显，如颜色的约定、字体的形式、报警的原则等。良好的初步设计能保持今后详细设计的一致性，这对于系统今后的使用非常重要，人机接口的初步设计内容与DCS的人机接口形式有关，这里所指出的只是一些最基本的内容。画面的类型与结构，这些画面包括工艺流程画面、过程控制画面（如趋势图、面板图等）、系统监视画面等，