第 8 章集散控制系统

1、第 8 章集散控制系统（ DCS )8 . 1 概述8 . 1 . 1 DCS 的概念集散控制系统 DCS ( Distributed Computer System ）是以应用微处理器为基础，结合计算机技术、信号处理技术、测量控制技术、通信网络和人机接口技术，实现过程控制和工厂管理的控制系统：其实质是利用计算机技术对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制。这是继基地式气动仪表控制系统、电动单元组合式摸拟仪表控制系统（ DDZ -11 、 DDZ-）、直接数字控制系统DDC（ Direct Digital Control ）后的新一代控制系统。 20 世纪 50 年代以前，由于当时的生产规

2、模较小，检测控制仪表尚处于发展的初级阶段，所采用的仪表仅仅是安装在生产现场、只具备简单测控功能的基地式气动仪表，其信号局限于本仪表内起作用，一般不能传送给别的仪表或系统，即各测控点只能成为封闭状态，无法与外界沟通信息，操作人员只能通过生产现场巡视，才能了解生产过程的状况。随着生产规模的扩大，操作人员需要综合掌握多点的运行参数与信息，需要同时按多点的信息实行操作控制，于是出现了气动、电动系动的单元组合式仪表，出现了集中控制室生产现场各处的参数通过统一的模拟信号（如 0 . 02 - 0 . 1 MPa 的气压信号， O-10 mA 、 4 20mA 的直流电流信号， 1 -5V 的直流电压信号等

3、）引至集中控制室。操作人员可以在控制室全面监视和掌握生产流程的状况，也可以把各单元仪表的信号按需要组合成复杂控制回路。由于模拟信号的传递需要一对一的物理连接，要实现复杂的控制，难度大、费用高且计算速度与精度也不高，加上模拟信号传输的抗干扰能力较弱，人们开始寻求用数字信号替代模拟信号，出现了直接数字控制系统。因当时的数字计算机技术尚不发达，价格昂贵，出现了用一台计算机取代控制室内几乎所有的仪表的直接数字控制系统（DDC ）。但由于当时数字计算机的可靠性低，一旦计算机出现故障，就会造成所有控制回路瘫痪、生产装置停运的严重局面，这种系统结构所决定的危险集中性难为生产过程所接受。随着计算机技术的发展，

4、其可靠性的提高和价格的下降，出现了数字调节器、可编程控制器 PLC（ Programmable Logic Controller ）以及由多个计算机递阶构成的集中与分散相结合的集散控制系统（DCS ）。 DCS 系统中，测量变送仪表一般仍为模拟仪表故它是模拟数字混合系统。这种系统在功能、性能及可靠性方面较以往的模拟仪表、集中式数字控制系统等有了很大的进步，可实现装置级、车间级的优化控制。各阶段测控仪表能力如图 8 - l 所示（能力指数在数值上并不精确，仅作示意）。8 . 1 . 2 DCS的发展概况自 20 世纪 70 年代中期以后，世界各国也相继推出了自己的第一代集散控制系统与 Honey

5、well 川公司的 TDC - 2000 系统一样，这些系统已经包括了 DCS 的三大组成部分，即分散的过程控制设备、操作管理设备和数据通信系统，也具有了 DCS 的本质，即集中操作管理、分散控制当时比较著名的 DCS 产品有美国霍尼韦尔（ Honeywell ）公司的 TDC - 2000 、美国泰勒（ Taylor ）公司的 MOD3 、美国福克斯波罗（ Foxboro ）公司的 SPEC - TRUM 、美国贝利控制（ Baily Control ）公司的 NETWORK -90 、英国肯特（ Kent ）公司的 P - 4000 、德国西门子（ Siemens ）公司的TELEPERM

6、M 、日本东芝（ TOSHIBA ）公司的 TOSDIC 、日本横河（ YOKOGAWA ）公司的 CENTUM 等。随着半导体技术、显示技术、控制技术、网络技术和软件技术等高新技术的发展，集散控制系统也得到了快速的发展。第二代集散控制系统的主要特点是系统的功能扩大或增强，例如，控制算法的扩充；常规控制与逻辑控制、批量（ Batch ）控制相结合；过程操作管理范围的延伸及功能增添，显示屏分辨率的提高及色彩的增加；多微处理器的应用等。而其中一个明显的变化是数据通信系统的发展，从主从式的星形网络通信转变为对等式的总线网络通信或环网通信，但通信系统随制造厂的不同而相异，相互通信困难，这个时期，各集散

7、控制系统的产品有了较大的改进，应用也越来越多，也逐步为人们所认识和接受。在第二代集散控制系统中，通信系统已采用局域网，不仅通信范围扩大，而且通信速率也大为提高。比较典型的 DCS 产品有 Honeywell 公司的TDC-3000 、 Taylor 公司的 MOD300、 Baily 公司的 NETWORK - 90 等。 1987 年，美国福克斯波罗（凡 Foxboro ）公司推出的 I / AS 系统标志着集散控制系统进人了第三代。 I / AS 系统的主要改变在局域网上，它采用了 10 MbPs 的宽带网和 5 Mbps的窄带网，符合国际标准化组织 ISO 的开放系统互连 0S1 ( O

8、pen System Interconnection ）参考模型。据此，凡遵从 0SI 标准的“开放”系统，不同的制造厂产品间可以相互连接、相互通信进行信息交互，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人了一个新的阶段。紧随其后，各 DCS 制造厂也纷纷推出了各自的第三代 DCS 产品，例如 Honey well 公司具有 UCN 网（ Universal Control Network ）的 TDC - 3000 、横河（ YOKOGAWA ) 公司具有 v- NET 网的 CENTUM -XL 、 LEEDS& -NORTHRUP 公司的 MAX- 1000 、 Bailey

9、 公司的 INFO- 90 等。第三代集散控制系统由子系统网络通信功能的增强，各不同制造厂的产品可实现互相通信，克服了第二代集散控制系统在应用过程中出现的白动化信息孤岛等弱点。此外，从系统的软件的控制功能来看，系统具备的控制功能得到增强，其控制功能不再仅仅是常规控制、逻辑控制和批量控制的综合，而是增加了各种诸如白适应或自整定等的复杂控制算法，用户可在对控制对象特性知之较少的情况下应用所提供的控制算法，由系统自动搜索或通过一定的运算获得较优的控制器参数。另外，由于可采用第三方的应用软件，也为用户提供了更广阔的应用场所。仪表、 DCS 及计算机系统的发展史见图 8 -2 。20 供纪 90 年代初

10、，随着对控制和管理要求的不断提高，第四代集散控制系统以竹控一体化的形式出现。它在硬件上采用了开放的工作站，使用 RISC 替代 CISC ，采用了客户机服务器（ Client / Server ）的结构。在网络结构上增加了工厂信息网（ Intranet ) ，并可与国际信息网 Internet 网联网。操作平台采用 UNIX 系统和 X - WINDOWS 的图形界面，系统软件更加丰富。例如，一些优化和管理的界面友好的软件被开发并移植到集散控制系统中。同时在制造业，计算机集成制造系统（ CIMS）得到了应用，使人们见到了应用信息管理系统所产生的经济效益。计算机集成作业系统也已开始进行试点应用。

11、第四代集散控制系统的典型产品有 Honeywell 公司 TPS 系统、横河公司的 CENTUMCS 系统、 Foxboro 公司的 I / AS 50 / 51 系列系统、 ABB 公司 Advant 系列OCS 开放控制系统、浙大中控公司的 WebField ECS-100 系统等这一代集散控制系统主要是为解决DCS 系统的集中管理而研制，它在信息管理、通信等方面提供了综合的解决方案。 8 . 1 . 3 DCS 的主要特点集散控制系统采用标准化、模块化和系列化设计，由过程控制级、控制管理级和生产管理级所组成的一个以通信网络为纽带的集中形式操作管理，控制相对分散，具有配置灵活、组态方便的多

12、级计算机网络结构。与传统的模拟电动仪表相比，具有连接便利、采用软连接的方法易于变更、显示方式灵活、显示内容丰富、数据存储量大等优点，与集中数字计算机系统相比，具有操作监视方便、控制 回路分散（危险分散）、功能分散等优点其主要特点如下。( 1)可靠性高可靠性、高效率和高可用性是集散控制系统的生命力所在，是适应长周期连续运行及保证生产过程安全生产的前提。 DCS 制造厂在确定系统结构的同时，进行可靠性设计，采用可靠性保证技术 a 系统结构采用容错设计使得在任一单元失效的情况下，仍然保持系统的完整性即使全局性通信或管理站（操作站）失效，局部站仍能维持工作； b 系统的所有硬件均可冗余配置。电源、通信

13、线路一般采用双重化（ l : 1 冗余）所有操作站一般可互为冗余，控制站可双重化（ l：1 冗余）；输人输出（ I / O ）卡件可 1： 1 冗余，部分系统可做到 3 : 1 或 7 ：1 冗余； c ，为提高软件的可靠性，采用程序分段与模块化设计、积木式结构，采用程序卷回或指令复执的容错设计， d 结构、组装工艺的可靠性设计。严格筛选元器件，降额使用，加强质量控制，尽可能减少故障出现的概率。新一代的 DCS 采用专用集成电路（ ASIC ）和表面安装技术 ( SMT ) , e . “电磁兼容性”设计。电磁兼容性是指系统的抗干扰能力与系统内外的干扰相适应，并留有充分的余地，以保证系统的可靠

14、性。系统内外要采取各种抗干扰措施；系统所处环境应远离电磁场、超声波等辐射源；安装合适的接地系统，信号电缆、电源电缆等采用屏蔽并做好接地，采用双回路供电且配置不间断电源输入输出信号采用内外隔离及相互隔离等措施； f 在线快速排除故障的设计。采用硬件自诊断和故障部件的自动隔离、自动恢复与热插拔的技术。系统内发生异常，通过硬件自诊断功能和测试功能检出后，汇总到操作站，然后通过显示器或声响报警或打印输出将故障信息通知操作人员；控制站各卡件上均有状态指示灯，可指示故障部件。由于具有事故报等、冗余措施、在线故降处理、硬手操器备份等手段提高了系统的可靠性和安全性。平均故障间隔时间 MTBF ( Mean T

15、ime Between Failure 。）和平均修复时间 MTTR ( Mean Time To Repair ）是衡量 DCS 系统可靠性的两各项重要指标。当前，国际著名制造厂的 DCS 系统，其 MTBF 可高达百万小时以上， MTTR 仅为几分钟（如 5 min ）。 ( 2 ）实时性通过人机接口和摘人艳出（ I / O ）接口，对过程对象数据进行实时采集、处理、分析、记录、监视、操作控制，包括对系统结构和组态回路的在线修改、局部故障的在线维护等。 ( 3 ) 适应性、灵活性和易扩展性硬件和软件采用开放式、标准化、模块化设计，系统采用积木式结构，具有灵活的配置，可适应不同用户各种大小不

16、等的系统规模要求，也可根据生产要求，改变系统的配置规模。配置规模和控制方案的改变，皆无需修改或重新开发软件，只是使用组态软件对组态进行修改即可。 ( 4 ）自治性和协调性集散控制系统的各组成部分是各自相对独立的自治系统，各自完成各自的功能，相互之间又有联系，即各站通过网络接口连接起来，相互交换数据信息，各种条件相互制约，在系统的协调下工作。在集散控制系统中，相对分散的控制站是一个自治的系统，它完成数据的采集、信号处理、计算、控置及数据输出等功能。操作站完成数据的显示、操作监视和操作信号的发送等功能。通信系统则完成操作站、控制站等装置间的数据传送。由于整个系统是一个相互协调的系统各组成部分虽然是

17、自治的，但是，任何一个部分的故障也会对其他部分产生影响。例如，操作站的故障将使操作人员无法掌握生产过程的运行情况；通信系统的故障会使数据传送出错等。在集散控制系统中，分散的内涵是十分广泛的。分散的数据库、分散的控制功能、分散数据显示、分散通信、分散供电、分散负荷等。其分散是相互协调的分散，因此，在分散中有集中的数据管理、集中的控制目标、集中的显示屏幕、集中的通信管理等，在分散中协调和管理，各个分散的自治系统在统一集中管理和协调下各自分散地运作。 ( 5 ）界面友好性集散控制系统软件是面向工业控制技术人员、工艺技术人员和生产操作人员的，其使用界面就要与之相适应。实用而简捷的人机会话系统， CRT

18、 彩色高分辨率交互图形显示，复合窗口技术，画面丰富，有总貌、控制面板、参数整定、趋势、流程图、回路一览、报警一览、批量控制、操作报表和操作指导等画面，菜单功能更具实时性平面密封式薄膜操作员键盘、触摸式屏幕、鼠标或球标器等更便于操作。语音输人输出使操作员与系统对话更方便组态软件包括系统组态、过程控制组态、各种画面组态、报表生成组态等，使用方便，易于用户掌握，灵活应用。 8 . 1 . 4 DCS 的发展趋势集散控制系统的问世标志着仪表计算机控制系统进人了一个新的历史时期。在短短的二十几年中，集散控制系统已经经历了四代变迁，系统的功能不断完善，系统从简单的自动化信息孤岛发展成开放的、与外部系统相互

19、连接的网络系统，可靠性、互操作性及其他性能皆得到不同程度的提高，被广泛应用于石化、化工、冶金、电力等行业。集散控制系统的发展与科学技术的发展密切相关集散控制系统是其他高新技术发展的产物，网时，它的发展也推动了其他高新技术的发展。例如，局域网技术的发展产生了第二代集散控制系统，开放系统产生了第三代集散控制系统，而集散控制系统的发展也促进了控制技术的发展。随着半导休技术、数据存储和压缩技术、网络和通信技术等高新技术的发展，集散控置系统也进人了新发展阶段。现场总线的应用使集散控制系统以全数字化的崭新面貌出现在控制领域，是分散控制的最终体现。而工厂信息网和互联网（ Internet ）的应用使集散控制

20、系统的集中操作、集中管理的功能有了用武之地，管控一体化将使用户的产品质量和产量提高、成本和能耗降低，经济效益提高。集散控制系统将向综合化、开放化、人工智能化发展，一个发展趋势是向计算机集成制造系统（ CIMS ）、计算机集成过程系统（ CIPS ）发展，另一个发展趋势是向现场总线控制系统 FCS ( Fieldbus， , Control System ）发展。 ( 1)信息化集成系统在第四代集散控制系统中，全厂的信息集成和管理已提到一定的高度。 DCS 系统的功能已不再局限于生产过程的控制，整个工厂、集团公司的管理工作也将在以万系统中得到应有的位咒。今后， DCS 系统向 CIMS 、 CI

21、PS 方向发展将是十分重要的。其主要发展体现在硬件和软件两方面。 a 系统硬件 在通信系统中，工厂或企业集团主干通信网采用传轴媒介为光纤的高速以太网或 100 Mbps 快速以太网（ Ethernet ）、交换局域网等标准通信网络主机采用 RISC 工作站，其内存容量可高达几十 Gb ，带有海量存储器、可移动硬盘或其他多媒体存储装置，可配多种标准接口，能与一些著名厂商的计算机系统进行通信，也能采用微波电话或电话线与远端的总公司等部门进行通信。系统采用客户机服务器（ C / S , C1ient / Server ）结构。整个系统的控制级采用 Pentium作为处理器支持 Windows NT

22、和其他的传输协议，有强有力的优化环境作为系统运行的支持，与主机可经路由器连接。各部门的子系统根据本部门的情况可选用适当规模的通信系统和计算机，多数情况下可采用 PC 机或网络机 NC 。在硬件方面，也采取了不少改善操作环境的举措。例如，采用触摸屏、鼠标等光标定位装置，采用根据人机工程学设计的易于操作的操作管理站，采用手握式编程器或手提 PC 机对现场设备进行调校采用多媒体技术改善操作环境。 b 系统软件 系统软件中，网络软件的选用通常遵循标准化、主流产品、实用性、安全性和性价比最优等原则。防火墙（ Firewal1） 是最普遍采用的安全措施。己被广泛采用并证明是有效的 Web Server 软

23、件可为用户提供良好和开放的应用环境。以 Window : NT/Win - dows2000为操作平台，提供的多任务、多线程和可扩展性，使系统能支持网络内数千用户的使用，并提供大最事务管理的可伸缩性。系统内信息数据的共享是 CIMS 系统的特点之一，它在系统软件上要求将大型的关系数据库管理系统和与控制系统的实时数据库管理系统相结合。系统软件将改善操作环境。对操作员、维护人员、工程师、管理人员和决策人员将有不同的操作环境并提供不同的权限，操作的方式将使各类使用人员皆容易掌握，例如，图标、下拉式菜单、多窗口显示、拖曳式操作等。此外，多媒体技术也将在系统中被广泛采用。 用户的应用软件将根据应用规模、

24、生产过程特点、企业的使用要求等性能条件进行开发。例如，对大中小型的应用规模、对制造工业和流程工业、对企业的供销、计划、生产调度、过程控制等都会有不同的应用软件。人工智能、计算机技术和通信技术的应用，使过程仪表从模拟信号（如 4 - 20 mA DC ) 发展到全数字化信号，使得智能仪表、现场总线设备被大最引进到 DCS 系统中，各种智能的控制算法、综合控制、管理和优化软件包被开发，并在系统中得到应用。 ( 2 ）现场总线控制系统现场总线控制系统 FCS ( Fieldbus Control System ）是采用现场总线作为通信系统的控制系统。现场总线控制系统由于采用了智能现场设备，能够把原先

25、 DCS 系统中处于控制室的控 制单元、输人愉出（ 1 / 0 ）卡件置人现场设备，加上现场设备具有通信能力，现场的侧量变送仪表可以与阀门等执行机构直接传送信号，因而控制系统功能能够不依赖控制室的计算机或控制仪表，直接在现场完成，实现了彻底的分散，现场执行控置系统具有以下优点。 系统的开放性开放是指对相关标准的一致性、公开性，强调对标准的共识与遵循。一个开放系统，是指它可以与世界上任何地方遵守相同标准的其他系统或设备连接。通信协议一致公开，各不同厂家的设备之间可实现信息交互。现场总线是采用统一的工厂底层网络的开放系统。用户可依据自己的需要，把来自不同厂家的产品组成任意规模的系统。通过现场总线构

26、筑自动化领域的开放互连系统。 互可操作性与互用性 互可操作性，是指实现互连设备之间、系统之问的信息交互；互用性则意味着不同厂家的性能类似的设备可实现相互替换，使用户在选择设备上拥有高度的自主权。 现场设备的智能化与功能的自治性 采用现场总线智能仪表后，一方面，原DCS 系统控制站的功能在现场仪表上实现仅靠现场仪表即可控制的基本功能，另一方面，智能仪表可向系统提供过程数据外，还提供大量的管理信息，如设备自诊断信息等。操作人员在控制室可方便地对生产过程进行监视、操作和控制。 系统结构的高度分散性现场总线构成一种新的全分散的体系结构，从根本上改变了 DCS 系统集中与分散相结合的结构体系，简化了控制

27、系统的结构，提高了可靠性。 对环境的适应性作为工厂网络底层的现场总线，是专为现场环境设计的，传输介质可采用双绞线、同轴电缆、光缆、射颇、红外线等具有较强的抗干扰能力；供电与通信共用线路，并可满足防爆、防水等要求。 提高系统的检测精度与可靠性由于现场总线设备的智能化、数字化信号的传输误差减少，同时，由于系统结构简化，设备与连线减少，也提高了系统的可靠性。 节省用户的费用现场总线控制系统把控制功能移至现场，相比 DCS 系统，系统结构简化，设备与连线减少，机柜室空间减少，节省了用户的设备、安装及维护的费用。由于现场总线的研究和开发工作尚在进行中，部分相应的硬件系列不齐全、功能有待完善，一些高级控制

28、功能块、应用工具和软件尚需开发。 8 . 2 DCS 的构成集散控制系统（ DCS ）的突出优点是系统的硬件和软件都具有灵活的组态和配置能力。 DCS 的硬件系统通过网络系统将不同数目的工程师站、操作（员）站、（现场）控制站连接起来，完成数据采集、控制、显示、操作和管理功能。自第一台 DCS 问世以来，仅历时不到 30 年的发展，已成为工业生产过程自动控制的主。随着半导体技术、计算机技术、控制技术、软件技术及网络技术等多种技术的发展和应, DCS 也不断发展和更新，各制造用厂相继推出和更新各自的 DCS 产品。目前，世界上著名的 DCS 厂家达近百家，已推出的 DCS 产品达百种以上。所有 D

29、CS 的硬件和软件千差万别，但从其基本构成方式和基本组成来分析，则具有相同或相似的特性。 8 . 2 . 1 DCS 的构成方式 DCS 的功能分层是其体系特征，它体现了 DCS 加分散控制、集中管理的特点。按照功能分层的方法DCS可分为四级，即现场控制级、过程控制级、过程管理级、工厂总体管理级。如图 8 -3 所示。 ( l ）现场控制级，由于现场总线的应用在 DCS 的最低层，出现了现场控制级。故将其作为一级进行介绍。 ( 2 ）过程控制级，在这一级，过程控制计算机通过 1 / 0 卡件与现场各类设备（如变送签、执行机构等）相连，对生产过程实施数据采集、控制，同时还通过网络把实时过程信息传

30、送到上、下级。 ( 3 ）过程管理级以中央控制室的操作站为主，配以工程师站、打印机等计算机外部设备。它综合监视过程各站的所有信息，集中显示操作，控置回路组态和参数修改，优化过程处理等。 ( 4 ）工厂总体管理级，可实施全厂的优化和调度管理，并与办公自动化连接起来，担负全厂的总体调度管理，包括各类经营活动、生产决策、资源配置及人事管理等。 8 . 2 . 2 DCS 各层的功能从图 8 - 3 可以看出，新一代的DCS是开放的体系结构，可方便地与生产管理的上位计算机相互交换信息，形成管控一体化，实现工厂的控侧、信息管理一休化 ( l ）现场控制级现场总线的应用，形成了现场控制级现场总线设备组成的

31、网络，其拓扑结构有星形、树形和总线形等。现场控制级的特性与现场总线设备的特性相关随着控制器与传感器、变送器、执行机构的整体安装式智能仪表的出现，现场控制级可具有部分或全部过程控制级的功能现场控制级的主要功能有： a 采集过程数据，对数据进行处理、转换 b 输出过程操纵命令 c ，进行直接数字控制， d 承担与过程控制级的数据通信； e 对现场控制级的设备进行监测和诊断。 ( 2 ）过程控制级大部分 DCS 都采用分散的控制站和 1 / O 卡件组成过程控制级，通过通信网络把过程信息向上、下级传送，其特点是： a 高可靠性， b 实时性 c 控制功能强； d 通信速度快、信息量大。过程控制级是

32、DCS 的核心，其性能好坏直接影响到信息的实时性、控制质量的好坏及管理决策的正确性其主要功能如下： a 采集过程数据，进行数据转换和处理； b 数据的监视和存储； c 实施连续、批量或顺序控制的运算和输出控制作用， d 设备的自诊断； e 数据通信， f 实施安全性、冗余方面的措施 ( 3 ）过程管理级过程管理级以装置（一个或数个）或车间为单元，以控制室操作站为中心，是与生产过程直接对话的关键的人机界面。其主要功能如下： a 数据实时显示，历史数据的存档、状态及故障信息存档、报表输出等； b 过程操作（包括组态、维护） ; c 报普、事件的诊断和处理； d 系统组态，优化过程控制； e 数据通

33、信 （4）工厂总体管理级本级处于工厂自动化系统的最高层，其管理范围很广，包括工程技术方面、经济方面、商务及人享方面等。其主要功能为： a 优化控制，b 协调和调度各车间生产计划和各部门的关系； c 主要数据的显示、存储和输出。 8 . 3 DCS 的硬件结构DCS的产品众多，但从系统结构分析， DCS 都由三大基本部分组成，分别是分散的过程控制装且（简称控制站）、集中操作和管理系统（包括工程师站、操作站、打印机等）、通信系统。 8 . 3 . 1 DCS的结构分虽然 DCS 都由三大基本部分组成。各厂家发布的 DCS 产品，皆具有完整的体系结构，而提供给用户的系统，根据用户的要求和过程特点都有

34、不同的硬件组合，所以依据不同的组成方式可大致分为以下几类。 ( 1 ）体系式的产品结构类型 模块化控制站与 MAP 兼容的宽带、窄带局域网信息综合管理系统 MAP : Manufactoring Automation Protocol （制造自动化协议） . 这是最新结构的 DCS 。作为大系统，通过宽带和窄带网络，可覆盖很广的区域。通过现场总线，可与现场智能设备通信和操作。这是开放的、系统互连的、具有互可操作性的系统，将成为 DCS 的主流结构，是第三代DCS 的典型结构。 控制站局域网信息管理系统这是第二代 DCS 的典型结构因采用局域网，增强了系统的通信和联网能力 控制站高速数据公路十操

35、作站上位机这是第一代以万的典型结构。目前，经过对控制站、操作站及通信系统性能的改进和扩展，系统的性能已大为提高。 可编程逻辑控制器（ PLC ) 通信系统操作管理站这种结构的 DCS 在制造业被广泛应用，尤其适用于顺序控制（大量的数字信号）的工业过程 DCS 厂家为适应顺序控制实时性强的特点，已推出许多可下挂各种型号 PLC的系统 单回路控制器通信系统操作管理站这是一种适用于中、小企业的小型 DCS 采用单（或双）回路控制器作为盘装仪表，信息的监视操作在操作管理站或仪表上实现，有较大的灵活性和较高的性价比。 ( 2 ）实际应用中的结构类型 工业级微机通信系统操作管理机工业级微机作为多功能多回路

36、的控制站，相应的软件也已由软件厂商开发 单回路控制器通信系统工业级徽机工业级微机作为操作站使用，其通用性较强，软件可自行开发，相应的管理、操作软件也可外购。 PLC 通信系统工业级微机适用于顺序控制为主的场合。其特点与 类相似。 工业级微机通信系统工业级微机控制、操作管理均采用工业级微机，相应的机型、容量等可有所不同。 智能前端通信系统工业级微机这是一种结构简易的小型 DCS系统，应用范围不广。综上所述，前五类是 DCS 厂家的专利产品，后五类大多由通用的产品组合而成。但所有类型均具有 DCS 的三大基本组成，这是区别于微机控制系统的关键。 8 . 3 . 2 DCS 控制站的组成控制站（分散

37、的过程控制装置）包含在过程控制级（ DCS 划分成四层的第二级），是过程控制级乃至整个 DCS 的核心。主要功能是分散的过程控制，也是系统与过程之间的接口（其功能描述详见 9 . 2 . 2 ）。当前，除了不同厂家的以DCS所配置控制站系统不相同外，同一厂家针对不同的应用场所、不同的用户也会有相异的配置。可配置的控制站系统有单片机组成的采集装置、可编程序控制器（ PLC）、 STD 等工业总线、工业 PC 、 16 和 32 位总线型工业控制计算机系统、智能仪表控制系统、交流变频调速器（ VVVF ）等。本节就典型的DCS 控制站进行介绍控制站是一个可独立运行的计算机监测和控制系统，由于是专为

38、过程测控而设计的通用型设备，所以其机柜、电深、输人输出（ 1 / 0 ）通道和控制计算机等有别于一般的计算机系统相应部分。 ( 1 )机柜控制站机柜用于安装控制站的所有硬件设备，一般采用国际通行的尺寸，即可安装多个 19 英寸的机笼（ Cage ）。锥体依据通风散热、防潮湿、防腐蚀及安全保护的原则专门设计制造，具有完善的接地装盆及防静电措施，一般内装风扇（侧或顶部），可调尺寸的电缆进线口。 ( 2 ）电源电裸采用冗余配置，它是具有效率高、稳定性好、无干扰的交流供电系统根据生产过程的重要程度，一般设里不间断电源（ UPS ）对其供电柜内直流稳压电源的输出的直流电压一般有 SV 、土 15V （士

39、 12V ）、 24V 等 ( 3 ）控制计算机作为控制站核心部件的控制计算机，由 CPU 、存储签、总线、 1 / 0 通道等篆本单元组成。 CPU 目前各厂家生产的兀 X 万控制站已普遥采用了高性能的 16 位微处理器，有的已使用准 32 或 32 位的徽处理器，多为美国 MOtorola 公司生产的 68000 系列 CPU 和美国 Intel 公司生产的 80X86 系列的 CPU ，时钟频率已达 25 ? 33 MH : ，很多系统还配有浮点运算协处理器，数据处理能力大为提高，工作周期可缩短至 0 . 2 ? 0 . 15 ，并可执行更为复杂先进的控制算法如自植定、预测控制、模枷控制

40、等。安装 CPU 的卡件称为控制卡（ Control processor ) ，有些 DCS 的控制卡采用双处理器结构，并采取双 CPU 协同处理控制站的任务；另外，控制卡也可冗余配且（部分产品可实现相互热备份）。 存储器一般分为只读存储器（ ROM ）和随机存储器（ RAM ）两大部分。由于控制计算机在正常运行中运行的是一套固定程序，为了运行的安全可靠，大多采用程序固化的办法，不仅将系统启动、自检及基本的 1 / 0 驭动程序写人 ROM 中，而且将各种控制及检测功能模块、所有固定参数和系统通信、系统管理模块固化，因此，在控制计算机的存储器中， RoM 占有较大比例（一般有几百 Kb ）。有

41、的系统将用户组态的应用程序也固化在 ROM 中，只要系统一通电，控制站即可输出运行，使用更加方便，运行更可靠，但修改组态要复杂一些。随机存储器（ RAM ）为程序运行提供了存储实时数据与中间变量的空间，用户在线修改的参数（如设定值、手动操作值、 PID 参数、报苦设定值等），也需存人 RAM 中。当前，有些 DCS 具备在线修改组态的功能，显然，相应的组态应用程序也必须存在 RAM 中方可运行。由于控制站基本不设置磁盘、磁带机，上述两部分内容一般存人具有电池后备的 SRAM 中，系统一旦掉电，可保证其中的数据、程序在数十天以上不丢失，利于事故的分析和快速恢复运行。 RAM 的空问一般为数百 K

42、b 至数 Mb 。有些采用冗余 CPU 的系统中，还专门设有双端口随机存储器，其中存放过程翰人、输出数据及设定值、 PID 参数等，两块 CPU 可分别对其进行读写，从而实现了双 CPU 间运行数据的同步，当双 CPU 相互接替工作时，不会对生产过程产生任何扰动。 总线控制计算机中所使用的总线也采用最流行的几种微机总线，常见的有 Int 目公司的系统总线（ MULTIBUS ）、“ E ( ) R （兄 ARD ”标准的 VME 总线（ IEEE1014 标准），这些都是支持多种 CPU 的 16 位 32 位总线， VME 总线采用了针式插座，抗振性好，更适合工业环境使用。国内开放的部分小狱

43、 DCS ，采用价格低、工作可靠的 STD 总线，因其是一种 8 位数据线的总线，不适用于大规模的 16 位以上的系统。随着 PC 在过程控制领域中的广泛应用， Pcl 总线和 IsA 总线在中规模的 （ S 控制站也得到了应用。 1 / 0 通道从广义上来说，控制站的 1 / 0 接口，除过程 1 / 0 外，还应包括与高速数据公路的接口、与现场总线（ Ficldbus ）网的接口。在此，仅介绍过程 1 / 0 通道。数量不等（有 1 、 4 、 8 、 16 、 32 等）的过程 1 / 0 通道组合在一起，设计成卡件形式，称为 1 / 0 卡。一般 DCS 中的过程 1 / 0 通道，有

44、模拟量 1 / 0 通道、开关里（或称数字最） 1 / 0 通道及脉冲址输人通道等几种。 a 模拟盆输人通道（ AI ）生产过程中各种连续的物理量（如温度、压力、压差、力、位移、速度、加速度及电流、电压等）和分析物理童（如 pH 值、浓度等），只要由在线的检测仪表将其变送成相应的电消耗，均可接人模拟兰愉人通道。输人的电信号一般有：毫伏级电压信号，如热电偶、热电阻及应变式传感所产生的信号电流信号，一般指 4 ? 20 mA 的标准信号，也有 O ? 10 mA 标准范围的，也有采用 O ? 5 / 1 OV 的直流电压信号。模拟量输人通道一般由端子板、信号调理器、 A / D 模板及柜内连接电缆

45、等构成。 b 模拟量输出通道（ AO ）模拟量输出通道一般输出连续的 4 ? 20 mA 直流电流信号，用来控制各种电动执行机构的行程，或通过调速装置（如变频调速器）控制电机的转速、也可通过电一气（或液）转换器来控制各种气动（或液压）执行机构，如控制气动阀门的开度等。根据执行机构的不同，也有输出 O ? 10 mA 及 1 ? SV 的 AO 卡件 模拟量输出通道一般由 D / A 模板、输出端子板及柜内连接电缆等构成。 c 开关量输入通道（ Dl ）用于输人各种限位（限值）开关、继电器或电磁阀联动触点的开关状态；输人信号可以是交流电压信号、直流电压信号或无源触点（ Dry contact )

46、 . 开关量输人通道一般由端子板、 Dl 模板及柜内连接电缆等构成。 d 开关量输出通道（ l 洲 J ）用于控制电磁阀、继电器、指示灯、报警恭等仅仅具有开、关两种状态的设备。它由端子板、 DO 模板及柜内连接电缆等构成。 e 脉冲量输人通道（ PI ）现场仪表如转速表、祸轮流量计及一些机械技术等装置的输出信号为电脉冲信号脉冲量输人通道就是为这类设备而设置的。它由端子板、 PI 模板及柜内连接电缆等构成。当前， 1 / 0 通道模板的发展趋势是更为钾能化，通过在 1 / 0 模板内配置单片机，使其成为一个叮独立运行的钾能化数据采集和处理单元，可自动对各路输人信号巡回检测、非线性校正及补偿运算等

47、，而组合装有 AI 和 AO 的卡件，其功能相当于一个多回路的数字调节器。如此，使原来由控制站 CPU 承担的工作进一步分散，不仅节省主 CPU 的机时而提高了工作速度，使其有更多的时间进行更为复杂的控制运算，系统的可靠性亦进一步提高。 8 . 3 . 3 】 X 万操作站和工程师站 ( 1 ）仁 S 的集中操作和管理系统 DCS 的集中操作和管理系统主要组成部分是操作站，不同厂家的系统也有不同的命名，如横河公司 CENTUM 系统中称为操作员站（ opcrator Station ) , BBC 公司的 PROCON - TROLI 系统中称为过程操作站（ Process operator

48、Sta : ion ) , Foxboro 公司的 I / AS 系统中称为控制中心（ Command Centcr ）等通常操作站由一至两个监视器（ CRT ）、一台控制计算机以及一个操作员键盘组成。一套以二 S 系统常配登两个及以上的操作站且相互冗余。有些系统还专门配置工程师站（ Engincer 、 Consol 曰，用于系统的生成、组态等工作，为节省投资，很多系统的工程师站可以用一个操作站来代替。此外， S 集中操作和管理系统还可配置网关（ Gat 亡 way ) 使 DCS 系统与一个功能强大的计算机系统相连，以实现高级的控制和管理功能。DCS 集中操作和管理系统的荃本功能有过程显示

49、和控制、现场数据的收集和恢复显示、级间通信、系统诊断、系统配置和组态、仿真调试等。为此，需配备以下工具软件拓操作系统通常是一个驻留内存的实时多任务操作系统。它支持优先级中断式和或时间片进程调度，以及硬件资源的管理，如外设、实时时钟、电源故障等， b 系统工具软件，如编辑器、调试程序、连接器、装载程序等； c 高级语言（实时的），如 FORTRAN 、 BASIC 、 C 语言等； d 通信软件用于实现与各控制站的通信； e 应用软件。 ( 2 ）操作站的功能 ocs 是基于 4C 技术而发展起来的， CRT 显示器是其中之一在以 3 中， CRT 显示器些本上可以取代以往的仪表显示和半模拟盘显

50、示系统。通常， DCS 操作站上应该显示以下几个方面的内容：总貌和流程图显示、过程状态、特殊数据记录、趋势显示、统计结果显示、历史数据显示、生产状态显示等。 DCS 操作站需配置打印机、磁带或磁盘等输出设备，可完成生产过程记录报表、生产统计报表、报誉信息的打印、系统运行状态信息打印等功能。 操作站的显示管理功能操作站的显示昔理功能可以分为两大类：标准显示和用户自定义显示。标准显示是 DCS 厂家的工程师根据自身的经验，在系统中设定的显示功能，通常有记录详细显示、报替详细显示、控制回路或回路组显示、趋势显示等。用户自定义显示是指与用户特定应用有关的、由用户根据自身需要产生的显示功能。 r ( S

51、 一般提供一个方便的功能库供用户使用。例如，许多系统提供了方便的数据库生成软件、图形生成软件、报表生成软件以及控制回路生成软件等。 a 标准显示功能标准显示功能在不同厂家的 DCS 中试别很大，但大多数的 DCS般具有以下几种标准功能。系统总貌显示这是系统中最高一层的显示。它主要用来显示系统的主要结构和整个被控对象。同时，总貌显示一般提供操作指导作用，即操作员可以在总貌显示下切换到任一组要观察的画面。分组显示功能单个的模拟量、控制回路，以类似仪表盘面的方式显示，通常 8 个仪表位号为一组同时在屏幕上显示。其目的是为操作员提供某组相关部分的详细信息，以便监视和控制调节。基于分组显示，操作员可以进

52、行下列操作：设置给定值、控制模式切换（自动、手动、串级等）、手动模式下的调节输出、启动或停止一个控制开关、显示一个网路的详细信息。整定显示画面该画面显示一个控制回路的三个相关值（给定、侧量值和控制输出值）的棒图、数值、趋势曲线以及各控制参数（如 P 、 I 、 D 等）。该画而主要用于控制网路的参数整定。报警显示功能在仁 S 中，不但系统对报瞥作出反应，并且可以根据用户要求进行即时打印或存盘记录。操作记录和事件记录趋势显示功能 DCS 的一个突出特点是计算机系统可以存储历史数据，并可以以曲线的形式进行显示。趋势显示一般有两种一种是跟踪趋势显示，即操作站上周期性地从数据库中取出当前的值，并画出曲

53、线。这种趋势显示又称为实时趋势。实时趋势曲线一般较短，通常每个点记录儿百个数据，这些数据以循环存储区的形式存在内存中，并周期地更新。刷新周期也较短，从几秒钟到几分钟。实时趋势通常用来观察某点的近期变化情况，另一类趋势显示为长趋势显示，通常用米保存几天或数月的数据。系统状态显示妓示系统的组成结构和各站及网络的状态信息。 b 用户自定义显示功能 1 兀 S 通常是面向一类用户系统而设计的，尽管已经提供了丰富的标准显示功能，但面对千万用户不可能满足特定用户的所有显示要求。为此， DCS 会配备一些软件，使用户可以自己生成自己特定的显示画面。流程图模拟显示所有 DCS 的应用系统都有此要求，而且是主要

54、的显示功能。大多数的生产模拟流程不可能在一幅画面上显示出来，故常有分级分层显示和分块显示的功能，分级分层显示是将一个大的流程图由粗到细形成有层次的画面结构，这样，操作员可以调出整个立场的初始画面，然后配合提示菜单应用相应的按键或光标点击选择下一层的画面。分块显示是将一幅大的流程图画面分成若干幅相连的画页，然后部分地进行显示。常见的是翻页显示。也有用转动球标或拖动鼠标实现屏幕连续滚动显示的系统，如 Siemen ，公司的 TEI , EPERMM 系统、 Rosemount 公司的 RS3 系统等。批处理控制流程图此类画面应用于设计、监视或执行时间或事件驱动的顺序控制过程，某些系统应用梯形（ L

55、adder ）图来表示。 操作站打印功能 DCS 操作站常配置一台或一台以上的打印机，用于打印各种记录或屏幕信息复制。其主要打印信息有操作信息、报等记录、系统状态信息、生产记录和统计报表等。 组态功能几乎所有的 Ix 汽都支持多种组态功能，包括数据库的生成、历史记录的创建、流程图画面的生成、生产记录和统计报表的生成、控制回路的组态、顺序控制的组态等。组态通常在工程师站上完成有的系统用操作站代替工程师站进行组态。 8 . 3 . 4L S 的通信系统通信系统实现 DCS 系统中工程师站、操作站、控制站等设备之间信息、控制命令的传输与发送，以及与外部系统的信息交互。 DCS 中通信系统是采用计算机

56、网络中的局域网 ( LAN ）实现的。然而 DCS 所完成的是工业控制，因此其通信系统与一般办公室用局域网有所不同，具有以下特点。 ( l ）快速实时的响应能力 DCS 的应用对象是工业生产过程，其主要通信信息为实时的过程和操作管理信息。一般办公室自动化计算机局域网响应时间可在几秒范田内，而工业计算机网的响应时间应在 0 . 01 ? 0 . 55 ，高优先级信息对网络存取的时何则小于 10 ms 。 ( 2 ）高可靠性 DCS 的通信系统必须适应生产过程连续运行的要求，通信系统的中断皆可引起生产的停产，甚至引起安全事故。 DCS 通信系统采用 1 , 1 冗余方式，以提高可靠性。 ( 3 ）

57、适应恶劣的工业现场环境 DCS 的通信系统必须在恶劣的工业环境中正常工作，工业现场存在各种于扰，这些千扰一般可分为四类，即电源干扰、雷击干扰、电磁千扰、地电位差干扰。为增强抗干扰能力，通信系统采用了各种措施，如各种信号调制技术、光电隔离技术等 ( 4 ）开放系统互连和互可操作性为使不同厂家的以二 S 能够互相连接，进行通信， DCS 采用的网络应该符合开放系统互连的标准。随着现场总线的应用，各厂家生产的 DCS , 其现场总线应该能与不同厂家的符合现场总线标准的钾能变送器、执行器和其他仪表进行通信，实现互操作性。 1 义 S 系统的通信网络一般分为三层，第一层为信息管理层，一般采用通用的以太网 ( Ethernet ）技术，用于厂级的信息传送和综合管理，并将工厂自动化和办公室自动化融为一体；第二层为过程控制层，连接控制站及操作站的网络，采用的通信协议因不同的 DCS 厂家而异，用于工程师站、操作站及控制站等之间的实时数据交换；第三层为输人输出 ( I / 0 ）层，用于控制站中的控制单元与远程 1 / 0 中现场信号的文互，部分 DCS 系统已将其发展成基于现场总线技术的 UO 总线。 r ( S 通信网络在结构上多种多样，目