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集散控制系统综述 摘要集散控制系统（Distributed control system）是以微处理器为基础的对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的集中分散控制系统，简称DCS系统。该系统将若干台微机分散应用于过程控制，全部信息通过通信网络由上位管理计算机监控，实现最优化控制，整个装置继承了常规仪表分散控制和计算机集中控制的优点，克服了常规仪表功能单一，人-机联系差以及单台微型计算机控制系统危险性高度集中的缺点，既实现了在管理、操作和显示三方面集中，又实现了在功能、负荷和危险性三方面的分散。DCS系统在现代化生产过程控制中起着重要的作用。关键字：集散控制系统;DCS一、DCS系统的产生背景上世纪30年代40年代，工业自动化装置采用的是分散性控制系统。也就是所有设备都是独立运行，不联网控制。操作员根据生产需求进行计算后，将独立设备的特性调节到适合的程度，然后就开始工作。之后采用了气动、电动模拟仪表组成过程控制系统，实现了一定程度上的集中监视、操作和分散控制。较好的适应了工业生产的需求。可是，随着生产规模和复杂程度的不断提高，原有的控制系统显得滞后、笨重、繁冗、因为一台仪表只有一种控制规律，要实现某些复杂的控制就很困难。另外，控制仪表数量越来越多，用原来落后的仪表盘控制的话，控制盘越来越长，看得人眼睛都会花掉。最致命的就是老系统之间不便于实现通信，很难分级控制和综合管理。再一个就是它的系统变更比较麻烦，只有通过更换仪表和变更仪表连线才能实现。第三次科技革命开始后，随着计算机技术的发展，人们开始尝试将计算机用于过程控制。试图利用计算机所具有的功能特点，来克服常规模拟仪表的局限性。但当时采用的办法是用一台计算机控制几十甚至上百个回路，这样做的危险性很高，如果计算机出现故障，会导致很严重的后果，这就是所谓的“危险集中”。若采用双机双工系统，虽可以提高系统的可靠性，但成本太高，如果工厂的生产规模不大，则经济性很差，用户难以接受。直到上世纪70年代开始，随着计算机技术的日渐成熟，大规模集成电路及微处理器的诞生后，人们开始思考是否能将“危险分散”。就是原来靠一台大计算机完成的“艰巨”任务，能否用几十台微处理来完成？这样的话，即使某一处理器坏了，也不至于会“牵一发而动全身”，从而使危险系数大大降低。答案是肯定的。至此DCS就诞生了。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。二、集散控制系统的基本组成 2.1现场控制级又称数据采集装置，主要是将过程非控变量进行数据采集和预处理，而且对实时数据进一步加工处理，供CRT操作站显示和打印，从而实现开环监视，并将采集到的数据传输到监控计算机。输出装置在有上位机的情况下，能以开关量或者模拟量信号的方式，向终端元件输出计算机控制命令。这一个级别直接面对现场，跟现场过程相连。比如阀门、电机、各类传感器、变送器、执行机构等等。它们都是工业现场的基础设备、同样也是DCS的基础。在DCS系统中，这一级别的功能就是服从上位机发来的命令，同时向上位机反馈执行的情况。拿军队来举例的话，可以形容为最底层的士兵。它们只要能准确地服从命令，并且准确地向上级汇报情况即完成使命。至于它与上位机交流，就是通过模拟信号或者现场总线的数字信号。由于模拟信号在传递的过程或多或少存在一些失真或者受到干扰，所以目前流行的是通过现场总线来进行DCS信号的传递。 2.2 过程控制级又称现场控制单元或基本控制器，是DCS系统中的核心部分。生产工艺的调节都是靠它来实现。比如阀门的开闭调节、顺序控制、连续控制等等。上面说到现场控制级是“士兵”，那么给它发号施令的就是过程控制级了。它接受现场控制级传来的信号，按照工艺要求进行控制规律运算，然后将结果作为控制信号发给现场控制级的设备。所以，过程控制级要具备聪明的大脑，能将“士兵”反馈的军情进行分析，然后做出命令，以使“士兵”能打赢“战争”。这个级别不是最高的，相当于军队里的“中尉”。它也一样必须将现场的情况反馈给更高级别的“上校”也就是下面讲的过程管理级。 2.3 过程管理级DCS的人机接口装置，普遍配有高分辨率、大屏幕的色彩CRT、操作者键盘、打印机、大容量存储器等。操作员通过操作站选择各种操作和监视生产情况、这个级别是操作人员跟DCS交换信息的平台。是DCS的核心显示、操作跟管理装置。操作人员通过操作站来监视和控制生产过程，可以通过屏幕了解到生产运行情况，了解每个过程变量的数字跟状态。这一级别在军队中算是很高的“上校”了。它所掌握的“大权”可以根据需要随时进行手动自动切换、修改设定值，调整控制信号、操纵现场设备，以实现对生产过程的控制。 2.4 经营管理级又称上位机，功能强、速度快、容量大。通过专门的通信接口与高速数据通路相连，综合监视系统各单元，管理全系统的所有信息。这是全厂自动化系统的最高一层。只有大规模的集散控制系统才具备这一级。相当于军队中的“元帅”，他们所面向的使用者是厂长、经理、总工程师等行政管理或运行管理人员。它的权限很大，可以监视各部门的运行情况，利用历史数据和实时数据预测可能发生的各种情况，从企业全局利益出发，帮助企业管理人员进行决策，帮助企业实现其计划目标。 改善工业控制需要在不同生产设备之间实现高效、可靠、标准化的互连，使DSC在新的技术环境中发展。从现场应用来看，人机界面、控制器、I/0卡件三级硬件结构和现场总线、控制器与人机界面相连的两层网络还将维持较长的时间，有人称之为3+2结构。有关专家预言，在最近的20年内，不会改变DCS、PLC的这种结构，如图所示。三、集散控制系统的前沿应用3.1人机界面 人机界面包括操作站、工程师站、实时数据库等。操作站和控制器除操作系统外，主要有三种类型的软件，它们分别是人机界面的显示软件，标签数据库，由这两个软件和PC硬件构成操作站。标签数据库应该有优化软件的接口，如神经元网络的计算等。显示内容包括模拟量的趋势、报警综合、各种报表、动态流程图和各种标签。控制器的编程平台就是老DCS的工程师站。人机界面采用普通PC，Windows操作系统已经成为共识。监控软件完成显示，并和标签数据库交换数据。由驱动软件形成DCS的标签数据库，读取控制器中的数据，将运行人员的命令下传给控制器。为了能与第三方系统通讯，需增加OPC服务器，以便能读、写不同系统的数据。目前人机界面的监控软件有几十种，在我国应用比较多的如国外的lnTouch、iFIX、Citect、Cimplicy、WinCC和RSView等，国产的有组态王、力控等。采用这些软件作DCS的人机界面时，应该考查该软件有没有这种型号的驱动软件或OPC服务器。如果有，就可以考虑作操作站用，然后考虑原DCS的老操作站的文本和图形能否用软件转换。如果不能用软件转换，文本和图形必须手工制作，需要化费大量的时间和精力。比较新的软件应该文持VB、C+等语言，并支持ActiveX,DDE、OPC等，以便在软件转换和互连中起作用，并有实时数据库的功能，而且能利用微软的一些软件和控件。 人机界面的主要缺陷是目前还没有确立国际标准，各家的软件编制差别很大。即使同一个型号的软件，由于版本不同，相互也不能重复使用操作站的组态。使得用户在作操作站的技术改造时，都要花很多时间和精力来画图和建立标签数据库，而且，在同一个操作站内建立数据库、做趋势、报警时都要做一遍。如果大家都遵从一个标准来描述一件事物，就可以节省很多时间和精力，做到一次设计，多次使用。因为被控对象有相似的地方，尤其在做控制系统改造时，被控对象是不会改变的，阀门还是阀门、管道还是管道，只是人们在描述这些事物时，采用不同方法而造成很大的区别。在用户使用时，由于采用不同的监控软件，造成时间和精力的很大浪费。如果现场采用两种以上型号的监控软件，在转换时，也要花费很大的精力。笔者认为应该把XML的技术应用到监控软件的编制中。最新软件SL-GMS已经采用XML技术，并且具有动态图形的能力，另一个重要发展是把监控软件和微软的DNA技术结合在一起。意大利的Movicon软件与微软的技术结合很紧，它有许多系统的驱动软件，如Modbus、以太网等，但是它缺乏老系统的驱动软件。因为目前老系统和新老系统是并用的，并且老系统不会在短时间内退出市场，这样也影响Movicon的应用范围。3.2 I/O 原来各系统的I/0都是定制的，一种系统一套I/0卡件，与别的系统不能互换。各种型号的DCS由它们自已定制的AI卡接收现场来的420mA的信号，经过A/D转换后，作为控制器计算的原始数据。DI卡接收开关量信号。由AO卡经D/A转换后送420mA的信号给执行机构。DO卡送开关量给现场。目前在现场应用的变送器和阀门还是以模拟量的为主,数字的占很少部份。数字变送器和阀门的价格比较高，还没有达到人们能接受的程度。在相当一段时间内，控制器的定制I/0和现场总线并用。还有一种DCS的控制器就是采用PLC的I/0卡。控制器设计一种或几种PLC的I/0卡的接口，供用户选择，与人机界面、控制器集成以后成为DCS系统，如美国的UCOS系统;人机界面采用SL-GMS软件， 控制器的I/0采用AB的PLC的I/O,GE的PLC的I/0、施耐德的Quantum的I/0，西门子的PLC的I/0，大大减少产品的开发时间。3.3 现场总线 所谓现场总线是指现场仪表和数字控制系统输入/输出之间的全数字化、双向、多站的通信系统。 对于一些现场仪表，如秤量设备、荧光分析仪器等， 大都设计有HART总线、Modbus总线的接口。在控制器的I/0这一级现在应用的有40多种现场总线，其中有12种现 场总线已经成为国际标准，其余的也在使用。DCS的控制器应该有定制I/0卡件的接口和现场总线的接口，两者同时应用，效果更好。现场总线传输远程I/0信号，近程的I/0仍然可以采用定制I/0卡件。如果采用FF总线，因为FF总线本身有许多功能块，能完成以PID为主的控制任务，所以能减轻控制器的负担。艾默生的DeltaV系统采用FF总线和HART总线，作为控制器的I/0，控制器把它们用不同的驱动软件集中起来，一个控制器可以连接几条现场总线，扩大系统。DeltaV系统既可以接收模拟信号，也可以接收现场总线的信号，所以销路很好。又如SDS现场总线，它是霍尼韦尔的产品，用于管道和矿区的数据采集，作为远程的SCADDA/RTU系统，应用也很普遍。HART虽然不在IEC的标准内，但在仪表中的应用也不少。12种国际标准的现场总线的其中4种是在1999年投票前就已经成为标准的，如SDS,DeviceNet、CAN、ASI，后来投票通过的有FF,HSE、Profibus、PNet、ControlNet、SwiftNet、WorldFIP、Interbus这8种。只有FF和HSE是从DCS发展起来的，FF是低速总线，HSE是高速以太网总线。其它都是从可编程控制器发展起来的。PNet,SwiftNet是在专用领域内使用。其它9种总线的竞争是很激烈的，在近期内作为标准的总线和不作为标准的总线共存，随着时间的推移，市场竞争将会只有几种占主导地位。好几种总线都有国际化组织，各自都企图拓宽自己的应用领域，并极力开发与其它总线的接口。我国在1995年就积极参加国际标准化的工作，在产品设计时，尽量参照国际标准。日本承认国际标准是在21世纪，日本的总线开发比较晚，通常也不符合国际标准，在DCS开发方面，与欧美相比，尤其在通信方面，要晚一些。现场总线是由美国、欧洲发起的，国际标准化也是由它们主持的。 CC-link虽然没有成为国际标准，但它有国际化组织，通过500家会员公司销售、使用自己的产品，在我国也有40多家会员公司。3.4 工业以太网 以太网全面进入工业控制领域，不仅用在控制器和人机界面之间的连接网络，以太网现场总线正在蓬勃发展。以太网现场总线是值得关注的总线。把以太网作为现场总线，使得现场总线的竞争更加激烈。施耐德开发的设备能与多种总线相连接，它提出e网到底的总线方案，意思是在整个控制系统中，都采用以太网，它把Modbus协议嵌入到以太网中。以太网应用很广泛，因为Modbus协议的源代码是公开的，许多现场仪表和DCS的控制器都支持Modbus。有的DCS的控制器有硬件支持Modbus，有的有Modbus的驱动软件。 Modbus信号既可以通过RS485来传输，也可以通过以太网来传输。以太网接口卡和交换机很多，但目前都是在办公自动化中使用，如果成为工业产品在价格上会贵一些。总的来说，以太网应用比较多，比其它现场总线部件的价格低。工业以太网己经在许多地方得到应用。有的控制器和1/0卡都有以太网接口。如美国的SIXNET公司，它的产品一个部件有几个以太网口。虽然以太网的时间上的不确定性的问题现在基本都已经解决，但以太网的本质安全问题仍然存在。3.5 控制器 新DCS的控制器最多的是以PC机为基础的，插卡式安装和导轨式安装的结构应用都很普遍，通常称为软DCS或软PLC，如艾默生公司的OVATTION系统就是软DCS。 DCS的控制器采用如QNX、VxWorks、pSOS等实时操作系统，向下具有多种现场总线的接口，如Profibus-DP、ControlNet、HART等。在控制器中不需要预存很多常规的控制算法，可以存一些先进的控制算法。常规算法把它们存在安装编程软件的PC机中，该PC机相当于原来老DCS的工程师站。不过原来的工程师站只是控制器的组态工具，算法是存在控制器的ROM中的。这是因为原来DCS的控制器的CPU的运算速度不够快，存储器的容量小，为了合理利用CPU的运算能力和节省存储器的容量，工程师站只提供组态的工具。各家的控制器硬件为了节省运算时间和存储空间，设计了许多处理硬件的办法，如把算法存在控制器的ROM中，工程师站的组态方案存在NVRAM中，CPU根据组态的控制策咯调用ROM中的功能块和NVRAM中的参数。由于硬件处理方法不同，所以用于组态的工程师站也各不相同，可能差别很大，在做技术改造时，使得从事应用的技术人员将精力消耗在掌握使用工具和使用技巧上，而控制本身却无力过问。 由于PC机运算速度的提高、存储容量的增加，芯片的大幅度的降价，人们不用考虑在这方面的问题，如PCl04这样的机器就足以解决控制方面的运算和存储问题。因此，现在把算法存在工程师站中，组态后，下装到控制器，控制