《国产DCS系统》

1、：Dcs绪论本论题共有17人回复。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TCP/IP协议，有的开始采用以太网。总的来看，变化主要体现在板、操作站和通讯网络。控制器相对来讲变化要小一些。操作站主要表现在由专用机变化到通用机，如PC机和小型机的应用。但是目前它的操作系统一般采用UNIX，也有小系统采用NT，相比较来看UNIX的稳定性要好一些，NT则有死机现象

2、。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AILEY的产品则在电力行业应用比较普遍。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

3、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。由于资金投入太多，软件的

4、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。几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。几个技术人员是没有力量来支撑的。许多技术人员只能望DCS兴叹。许多单位如几个大钢铁公司的自动化部也由于资金不足退出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。由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，每年在国内达到几亿的销售量（与现在国产的DCS销量相当）。

5、由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。又一次浪潮涉及开发DCS，各种牌号的DCS纷纷出笼，大约有上百种系统推向市场。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目都大力支持，所以得到蓬勃发展。如北京和利时、上海新华和浙大中控。他们都有几百套的销量，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。

6、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。功能块的数量几乎是无限的。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。一个单位很难集中有如此多的优秀的技术人员。我国软件开发人员不仅数

7、量少，而且习惯于自己独立编程，不能很好的与现场技术人员交流，所以开发的功能块就会出现不如人意的地方。国产DCS不仅功能块的数量少，而且据用户反映，如顺序控制器功能块，其真值表不象国外的那样好用。又如自调整功能块，现场一般都不用，即使用也不好用。总之，由于销售量还是比较小，跟踪用户的反应还不够，所以我国还缺少一套千锤百炼有自主产权的功能码。这套软件是没有卖的。一定要自己开发，在不同的操作系统下，编的程序就不一样。这与要不要控制器这个硬件没有关系。使用现场总线系统也需要算法，用PC作为既控制又显示同样需要算法。用于控制策略的组态软件目前还没有发现问题。另外一个问题是控制器的电源系统，我国基本都采用

8、整体式电源。由于我国的DCS系统价格很低，利润也很低，DCS制造厂家没有资金投入来开发电源系统。国外DCS系统的电源冗余见下图。在即将把两台电源安装到柜子上时，需分别带负载调整。调整时，两台电源的负载一定是相同的，要调整到相同的输出，然后安装到机柜上。电源系统中有一块电源检测板，能显示两台电源的输出情况。两台能同时给负载供电。最好工作在平衡电压的状态。经20年的运行证明电源系统是良好的。国产DCS两台电源冗余运行，一用一备。其中一台的交流输入电源阶跃下降，能切换到备用电源。如果斜坡下降，就不能切换到备用电源。这是电源系统的缺点之一。N+1的电源方案没有进入到我国的DCS系统。进口DCS采用N+

9、1电源，问题也很多。N+1电源的意思是只要知道每一个所插模件的功率，把所有模件所需功率求和，而每个模件电源的功率是一定的，所需总功率除以模件电源的功率，就得到电源数。有小数位，都要进一位成为整数，这个整数为N，然后再加一，称为N+1。第三个问题是由于销量小。很少有第三方帮助完善系统，比如专家系统，实时数据库，与数字仪表及PLC的接口等。本讲座撰写人李尔钢先生，重庆工业自动化仪表研究所所长助理；汪仁智先生，技术市场管理部部长。关键词：分布式I/O系统解决方案柔性化模件过程控制器一 前言当今的分布式I/O系统解决方案为工业用户提供了广泛的系统连通性选择，并且这种解决方案能够实实在在地被分解到任何实

10、际的过程控制应用系统中去。许多工业用户已经具有选择分布式I/O系统的丰富经验，包括事先设计好的模拟量和数字量I/O，所选择的I/O系统即使是在最恶劣的工业环境中也能可靠地运行，其连通性选择能够满足大多数工业过程控制级或生产企业级设备的需要，分布式I/O系统所提供的宽范围可选择性地允许将I/O分解到基本的点对点环境，同时还具备了较容易的可扩展性能。随着计算机网络技术和微处理器硬件技术的进一步发展，分布式I/O系统的市场份额正得到逐步地扩大和增长；同样随着新一代分布式I/O系统产品及其解决方案的开发和应用，分布式I/O系统将会成为与分散控制系统(DCS)、可编程控制器(PLC)和基于PC控制系统并

11、驾齐驱的另一类大众化产品，也必将得到工业用户的认可。许多新的分布式I/O系统采用了完全模块化设计选型方案，因为模块化设计能够进一步满足工业用户对过程控制系统高度柔性化的系统选型要求。模块化设计也有助于满足工业用户对于各种类型I/O模件的需求，因为大多数控制系统都具有数字量和模拟量混合控制的要求。只有采取数字量和模拟量混合型模块化设计方案，才能进一步满足这种过程控制系统非常柔性化的要求。本文将重点介绍目前市场上最新的分布式I/O系统产品，并进一步讨论各种不同类型的分布式I/O系统在工业和过程控制领域内的应用情况，仅供从事分布式I/O系统解决方案应用的同仁参考。二 网络连接性能分布式I/O系统制造

12、商正计划通过提供最好的产品支持并满足工业用户的各种需求，他们为其分布式I/O产品增加了许多连通性选择功能，且成为了他们在市场上通行的商业运作模式。一些分布式I/O系统制造商正在设法至少能够支持两种或者3种类型以上的网络连接特性选项。最近，Rockwell自动化公司已经为其Allen-Bradley FLEX I/O系列产品扩展了网络连接性能，同时增加了FLEX系列EtherNet/IP适配器1794-AENT。该适配器与DeviceNet和ControlNet采用了相同的控制与信息传输协议(CIP)，而且进一步整合了Ethernet TCP/IP和CIP网络协议体系结构。1794-AENT适配

13、器能够为工业用户提供巨大的使用价值，因为只要通过现有的Ethernet媒体就能够运行远程I/O数据信息，并具备连接到高速网络系统的能力，以便处理大量的I/O数据信息，也能够非常容易地从远程站点上监控网络系统和I/O设备的运行情况。与当前分布式I/O系统朝着能够具备Web地址的性能方向发展趋势相一致，这种新型适配器内藏Web页面，同时还具有I/O模件和网络系统的诊断数据信息，以及I/O模件组态参数和TCP/IP配置参数等。这种适配器还能够作为分布式I/O模件与网络系统之间的网桥，极大地提高了网络系统的通信功能度。Phoenix Contact公司也已经进一步扩展了其现场总线I/O系列产品，并提供

14、了新一代FL IL 24 BK Ethernet总线终端器产品，该产品允许在线安装系统(IIS)能够利用基于Ethernet TCP/IP技术协议的网络系统解决方案。整个系统允许不超过63个I/O模件，包括标准的模拟量和数字量I/O模件、热电偶(T/C)和热电阻(RTD)模件、安保型继电器模件、气动调节阀、机械装配式I/O设备等，也能够完全集成到Ethernet TCP/IP网络系统中去。FL IL 24 BK终端器还包括了一个Web服务器，能够充分满足基于Web管理对页面的需求。Scanimation公司是Phoenix Contact公司的一个客户，该公司在其高速扫描系统中采用了带有Dev

15、iceNet I/O BK模件的Inline型分布式I/O系统，这个系统的应用对象为木材加工制造工业的一条自动化生产线。该公司的意图是希望能够从传统的点到点I/O布线方式改变到分布式远程I/O系统的运行方式上，以便减少生产成本和增强系统的可靠性。Phoenix Contact公司为Scanimation公司提供了一种能够容纳不同总线系统的分布式I/O解决方案，可以随意选择诸如Interbus、Profibus、DeviceNet等现场总线标准。这一系统解决方案的确定对于该公司下一步的工作起到了非常重要的作用。Entrelec公司最新推出了内藏Device Net现场总线模件的RIO系列化产品，

16、RIO产品包含了一个终端模块的基本模件和一个内藏通信的模件。每个终端模块包括8通道数字量输入和8通道数字量输出。另外的I/O还可以通过模拟量和数字量扩展模件来完成。内藏模件的使用允许总线系统不需要再连接终端模块，基本模件就能够容易改变。Siemens电力与自动化公司的SIMATIC ET200S分布式I/O机架能够处理不超过64个模件，包括Profibus接口模件、数字量和模拟量I/O模件、用于计算和定位任务并面向过程控制的模件，以及一体化电动机起动器。I/O模件能够被增加到机械式终端模件中，而且还能够实现无扰动热交换。Wago公司最近已经推出了基于Ethernet的可编程现场总线控制器(PF

17、C)产品，该产品能够在线支持大多数工业通信协议标准，包括Profibus、Interbus、DeviceNet、CANopen、Modbus和Modbus Ethernet等。该公司的传感器I/O接口现已超过90多种类型，包括低和高电压控制、模拟量、计数器、条形码阅读器、RFID阅读器和编码器等。Wieland电气公司为基于现场总线技术的Ricos系列远程接口系统增加了一种热电偶(T/C)模件。该模件能够接受不超过4种类型的J或者K分度热电偶输入信号，其接口直接为基于现场总线系统提供了一个面向总线型的连接器模件，该连接器能够支持Ethernet、ProfibusDP、DeviceNet、CAN

18、open或者Interbus。该模件的一个关键性特点是具备自动感觉功能，即能够自动识别所连接的热电偶分度的类型，免除了人为手动设置的工作。利用Beckhoff公司的FM3300型现场总线模件能够将12或者32通道的热电偶信号直接连接到一个Profibus现场总线网络系统中去。所有必需的电气参数被隐藏到一个符合IP65等级规范的紧凑型工业插件式连接器内。 三 无线网络 网络系统的连通性不仅仅意味着硬件方面。无线通信网络产品的应用正在得到进一步的增长，因为这些产品能够继续增强系统的通信容量，并将为工业用户提供更加诱人的网络系统通信解决方案，其应用范围逐渐涉及到各个领域。Omron公司已向工业用户提

19、供了无线DeviceNet产品。该产品能够连接到任何兼容DeviceNet的过程控制设备，并允许相应的子网可以向任何方面扩展到500m以外。该产品结合了无线通信传输频谱、频率跳变和天线多样性中3种关键性技术，因为无线通信关注的重点在于所传输信号的可靠性和正确度。借助于无线DeviceNet，一个过程控制系统能够容纳32个无线主工作站，而每个主工作站还可以带32个从工作站，对于可以建立不超过1024个子网的性能完全能够满足工业用户的需求，其应用领域包括原材料处理、传动系统，以及集装箱生产线等。四 Ethernet的选择与应用在分布式I/O网络系统中，Ethernet已经变得愈加重要，越来越多的公

20、司已经决定充分利用这种发展趋势。A公司推出了Ethernet远程主控制器模件H2-ERM产品，该模件能够被应用到其D2-240和D2-250型PLC系统中，连同基于Windows CE平台的WinPLC型嵌入式CPU模件一起组成新的过程控制系统。通过高速Ethernet链路，H2-ERM模件能够将本地主CPU基件连接到远程从I/O控制器。每个模件能够支持不超过16个额外的DL205基件、16个终结器I/O系统、4个全扩展DL405系统、或者这3种类型的任意组合型系统。Linear公司是A公司的一个长期客户，它最近发现了采用Ethernet远程I/O所带来的好处。该公司利用A公司的DL05、DL

21、105和DL205系列PLC系统为医药制造设备行业提供自动化和半自动化人工助推器装配生产线解决方案。就先前的I/O系统而言，该公司已经安装了两三个配线安装支架，每个安装支架不超过37条信号电缆线。他们希望利用Ethernet来改进I/O信号的传输，将DL250与H2-EBC(基于Ethernet过程控制器)和T1H-EBC(终结器I/O Ethernet接口模件)结合起来；在每台机器上，他们已经戏剧性地取得了降低配线数量和设计时间的功效。因此，他们不再必须安装配线的安装支架，所有I/O系统仅仅通过一条5类或者超5类双绞线就能够进行数据信息的传输和处理。这种简单的配线方式和网络系统连通性为OEM

22、制造商提供了具有重要性的额外好处。Linear公司为利用基于Ethernet I/O系统出具了应用报告，允许进一步采用标准控制箱设计方案，并且还可以应用于个别特殊机器的控制。要是在过去，该公司还不得不为多机器系统中的每台机器设计特殊的控制箱。Intelligent Instrumentation公司正在计划将Ethernet技术应用到其EDAS产品系列。该公司还推出了iFactory监控软件包，该软件包通过标准的Web浏览器能够将EDAS单元的数据信息发布到Internet上。Intelligent Instrumentation公司的EDAS CE开放型结构体系工业分布式I/O系统提供了隔离

23、数字量和模拟量I/O、10/100Base-T Ethernet，以及基于Windows CE平台的开发工具。其设计主要应用于分布式监控和过程控制任务，可以允许有不超过8个I/O模件能够被增加到其基本单元，同时提供了不超过128通道的I/O能够满足各种类型的I/O需求。Comark为工业用户提供了ADS(增强型分布式系统)，ADS是人们期待已久的一种高度柔性化过程控制系统。其I/O模件产品可以通过直接或者分布式Ethernet I/O的形式加以应用，对于直接型I/O能够容纳不超过32768个I/O测点，而对于网络型I/O则是没有限制的。ADS的I/O模件包括了模拟量、数字量、热电偶、热电阻、定

24、时器/计数器和通信等类型。OPTO 22公司已经将开发重点完全转移到Ethernet，并取得了巨大的成功。该公司前不久推出了SNAP系列分布式Ethernet I/O系统，系统刚推出就获得了大量的订单。在该系统内部存储了为工业用户开发的Web页面和系统组态参数。SNAP系列分布式Ethernet I/O系统内藏了基于Web的人机界面，用于诊断信息显示、组态参数配置和设备维护与故障处理信息显示，这些信息为工业用户提供了截然不同的好处。现在，在这种分布式I/O系统内，工业用户可以通过内藏的Web服务器建立他们自己的Web页面，可为分布式I/O系统建立高度用户化和特殊图形化应用的人机界面。OPTO

25、22公司还推出了基于其SNAP Ethernet I/O系统的SNAP Ultimate I/O模件，该模件充分结合了当前分布式I/O发展趋势的一些关键性特点，以及一般情况下自动化应用领域的特性，包括本地、分布式智能控制，编程能力和网络系统连通性等。SNAP Ultimate I/O模件合并了一个10/100Mb/s自适应Ethernet接口，并采用纯粹的TCP/IP数据传输协议，同时支持多种应用级数据传输协议，包括Modbus TCP、XML、用于网络管理的SNMP、用于电子邮件传输的SMTP，以及该公司的开放型IEEE 1394等协议。通过将这些数据传输协议嵌入到相应的控制系统产品中去，S

26、NAP Ultimate I/O能够直接与生产企业管理系统通信，排除了对于复杂软件接口的要求。OPTO 22公司的ioControl软件内藏了SNAP Ultimate I/O模件的组态功能，该软件是基于流程图的控制软件解决方案，其脚本语言开发工具能够应用于像数学计算、控制回路和字符处理等复杂功能，进一步结合了SNAP Ultimate I/O的附加内存(8MB)。现在，先前需要通过PLC、PC或者其他过程控制器完成的功能，在I/O级就能够被独立地执行。Nematron公司的一个全资子公司Optimation也正在努力将Ethernet技术融入到自己的控制系统产品中。Optimation公司正

27、好推出了两种新的基于Ethernet I/O模件的OptiLogic系列产品OL2258和OL2304。OL2258是一个具有双通道高速脉冲计数器模件，该模件包含了在板智能化处理和计算脉冲信息，它能够应用于诸如运动控制、仪器仪表和速度测量等监控与过程控制。OL2304模件具有4通道模拟量电压输出，每个通道能够被允许编程的4种电压范围为：05V DC、010V DC、1 5V DC和110V DC。该模件能够应用于以4或者8通道为基础的其他模拟量和数字量模件的任意组合。Optimation公司所提供的OptiLogic型分布式Ethernet I/O产品系列已经得到了进一步扩展，其扩展包括了OL

28、2602型双通道RS-232C接口模件。OptiLogic提高了该公司的模拟量和数字量I/O模件的应用范围，也能够与OptiLogic型RTU单元并行工作，利用10Base-T Ethernet还能够与分布式I/O进行通信连接。在某示波镜装配厂的一条生产线上应用了OptiLogic系列产品，其结构紧凑，Ethernet的采用和串行通信能力是其关键性特点之一。该生产线使用了2台PC机用于控制和28个OptiLogic远程终端单元(RTU)，并采用了标准的10Base-T Ethernet接口部件。系统总共有825个分布式I/O测点，包括39个RFID读/写头和12个条形码阅读器，它们通过RTU连

29、接在一起形成网络。基于PC控制方案用于连接装配线的运行监控，一套生产执行系统(MES)用于跟踪和区分每个独立装配线单元的执行顺序。Sixnet公司提供了一种EtherTRAK型产品ET-8INS，ET-8INS是一种能够连接热电偶、热电阻、毫伏(mV)、电压(V)和电流等输入信号的通用输入模件，这些信号可以直接通过Ethernet网络进行传输。该模件具有高精确度的16位信号输入通道，对于降低电气噪声和接地信号回馈提供了真正意义上的差分信号输入特性。此外，该模件还具有线性化和热电偶冷端补偿功能，允许工业用户混合输入各种类型的信号，每个通道的信号可以通过软件进行组态设置，以适应各种不同类型的信号输

30、入范围，而且通道之间是完全隔离的。Sixnet公司为其SiteTRAK型远程终端单元提供了Ethernet连接能力。Site TRAK具有6通道模拟量输入和4通道数字量输入，但通过RemoteTRAK I/O可以进行扩展。Sixnet公司的客户正在将SiteTRAK系统应用于电厂的监控、化学容器罐的液位控制，以及临界压缩机和泵等生产设备的运行监视与过程控制。不久前，Advantech公司推出了其ADAM-5000/TCP产品，该产品是一种基于Ethernet I/O的解决方案，并广泛应用于数据采集和过程控制系统。ADAM-5000/TCP提供了一个10/100Base-T Ethernet自适

31、应通信接口，通信距离不超过100m。它支持Modbus TCP技术协议，并允许工业用户通过Ethernet进行远程组态。来自于Schneider自动化公司的Momentum平台利用Ethernet作为其通信的中枢，并用于完成数据信息采集、对等通信和I/O信息采样。在其内部还提供了5种嵌入式Web页面，允许利用标准的浏览器就可以访问控制设备的运行状态和设备故障诊断信息。A公司提供了基于Ethernet技术的基本控制器模件H2-EBC，该模件可以嵌入到任何Direct LOGIC 205型PLC I/O机架中的CPU插槽内，通过一般的PC机还能够进行远程I/O控制。每个基件所提供的10Base-T

32、 Ethernet通信接口具有小于1ms的I/O刷新速率，而PC机与I/O模件之间的通信传输速率为10Mb/s。该公司还提供了用于DeviceNet现场总线网络的低价格I/O部件(F2-DEVNETS)和SDS(F2-SDS-1)网络连接器。所有3种网络模件均可以广泛支持该公司的DL205系列数字量和模拟量I/O信号。National Instruments公司为其FieldPoint型智能化分布式I/O系统开发了一种新的高速Ethernet接口模件。该模件采用了TCP/IP兼容的数据传输协议，通信速率为10/100Mb/s，利用其FP-1600模件能够将FieldPoint型I/O模件直接连

33、接到标准的Ethernet和快速Ethernet网络系统。在每个Ethernet网络节点上，开发商可以利用单个网络模件与不超过9个FieldPoint型I/O模件进行接口连接。National Instruments公司另外还推出了一种SRM6000型无线调制解调器模件，该模件采用了频率跳变和频谱扩展技术，利用具有特殊特性的天线能够传输20英里以内的数据信息。在制造业的许多应用领域，安装电缆是非常昂贵的，也是存在许多问题或者不太可能的事情。而SRM6000正好能够克服这方面所存在的具体问题，因为SRM6000使用了902928MHz的扩展频谱带宽，工业用户并不需要任何FCC或者DOC站点许可证

34、就能够运行操作。除能够作为一种远程调制解调器与FieldPoint通信以外，它还能够被组态作为一种基本单元，从现场控制设备接收数据信息，并直接将数据信息转发到PC机上。Foxboro公司的I/A系列自动化控制系统也已经采用了数字化现场总线技术。该公司最近推出了几个增强型平台，包括一种新的高性能Ethernet现场总线网络和增强型现场总线I/O模件。该Ethernet网络模件的开发为安装于生产现场的智能化现场总线模件与遍布整个工厂范围内的分散型过程控制系统之间提供了一种安全和低价格的数字化通信链路。该模件利用10Mb/s技术通过Foxboro公司原来的IEEE 1118数字化现场总线进一步提高了

35、现场总线网络的性能特性。这种总线型设计方式用于扩展到远程现场控制设备，作为一条公共干线而提供服务，统一所有输入和输出现场数据信息，而不管这些数据信息的来源或者传输协议。经过重新设计的现场总线模件几乎能够与各种类型的任何工程应用相匹配，从基本数据采集应用的整体隔离I/O模件到通道隔离的I/O模件，以及应用于临界控制任务的冗余I/O模件。其设计符合Divi2、Zone 2危险应用领域规范，还能够通过标准DIN导轨安装于控制现场的公共接线盒内，更加接近于现场传感器和执行机构。Comark公司的增强型分布式I/O (ADS)系统通过10Base-T Ethernet技术已经进行了网络化设计更改。该系统

36、为工业用户提供了较宽范围内隔离模件的选择机会，包括数字量、模拟量、运动部件、定时器和通信等模件。小牛张新薇教授：关于DCS的回顾与展望(转载)本论题共有8人回复。本文作者卞正岗先生，北京市自动化系统成套工程公司暨北京清大同飞优化控制技术有限公司副总工程师、教授级高工。关键词：DCS过程工业控制站操作站数据通信产品生命周期集成技术一 DCS的发展历程1975年前后，大规模集成电路由4位微处理器发展成8位，在形成单板机产品投入工业应用的同时，自动化仪表行业在原来采用中小规模集成电路而形成的直接数字控制器(DDC)的自控和计算机技术的基础上，结合阴极射线管(CRT)、数据通信技术，开发出了以集中显示

37、操作、分散控制为特征的集散系统，后来逐渐统一称为分散型控制系统(DCS)。在以后的20多年中，DCS产品虽然在原理上并没有多少突破，但由于技术的进步、外界环境变化和需求的改变，设计思想发展了，共出现了3代DCS产品。1975年至80年代前期为第一代产品，80年代中期至90年代前期为第二代产品，90年代中期至21世纪初为第三代产品。3代产品的区别，可从DCS的三大部分，即控制站、操作站和通信网络的发展来判断。当然，由于产品生命周期是个复杂的问题，加之各DCS生产厂家情况不同、产品换型年代不同及划分产品年代(三四代)的观点也不同，所以这有待进一步商榷。关于控制站、操作站、通信网络的情况，留待下述几

38、节论述。现先就应用和市场情况作一分析。70年代中期，过程工业发展很快，但由于设备大型化、工艺流程连续性要求高、要控制的工艺参数增多，而且条件苛刻，要求显示操作集中等，使已经普及的电动单元组合仪表不能完全满足要求，在此情况下，业内厂商经过市场调查，确定开发的DCS产品应以模拟量反馈控制为主，辅以开关量的顺序控制和模拟量开关量混合型的批量控制(针对精细化工等行业的批量生产方式)，这们可以覆盖炼油、石化、化工、冶金、电力、轻工及市政工程等大部分行业。由于当时计算机并不普及，人们已习惯于常规自动化仪表的显示操作，所以开发DCS应强调用户可以不懂计算机就能使用DCS；同时，用户已习惯于在购置系统的同时配

39、置自动化仪表，所以开发DCS还应强调向用户提供整个系统。此外，开发的DCS应做到与中控室的常规仪表具有相同的技术条件，以保证可靠性、安全性。由此可见，当时DCS是与常规仪表中的二次仪表(控制室仪表)共同分享市场份额的。DCS先与成套设备配套，而后逐步扩大到工艺装置改造上，与此同时，也分成大型DCS和中小型DCS两类产品，使其性能价格比更具有竞争力。目前，世界上有数十家生产DCS的厂家，据ARC (Automation Research Corporation)1996年统计，下述排名前10家的公司占到80%以上的市场份额：Honeywell(21.6%)、Elsag Bailay (12.6%

40、，包括H&B公司)、ABB(9.7%)、Yokogawa (9.6%)、Foxboro-Eckardt (9.3%)、Fisher- Rosemount(6.0%)、Yamatake Honeywell(4.6%)、Siemens (4.0%)、Cegelec/AEG Automation system(ATT)(3.2%)、Westinghouse(3.1%)。ARC把世界市场分成四大区，即北美、EMA(欧洲、中东、非洲)、日本、亚洲(日本以外)，其中亚洲(日本以外)的市场份额为：Honeywell(27.4%)、Yokogawa(12.6%)、Foxboro-Eckardt (11

41、.4%)、ABB(8.1%)、Elsag Bailay (6.4%)、Cegelec/ATT(5.5%)、Fisher-Rosemount(4.8%)、Yamatake Honeywell (4.2%)、其他公司19.6%。世界市场的DCS分析如表所示。 ARC还对19972000年的市场进行了统计，如图1所示(其中，一套小型DCS为10万美元，30回路以下；一套中型DCS为50万美元，150回路以下)。1996年整个DCS世界市场为70.08亿美元，而2000年为96.37亿美元；按地区分，北美占29%，EMA占31%，日本占14.5%，拉丁美洲占4%，亚洲(日本以外)占21.5%。1996

42、年亚洲市场为11.388亿美元，2000年为20.67亿美元。其中小型DCS市场，1996年为0.64亿美元，2000年为3.18亿美元；中型DCS市场，1996年为2.94亿美元，2000年为6.17亿美元。由上可知，亚洲DCS市场的增长是较快的，2000年约为1996年的1.8倍以上。 关于DCS应用行业的分布，以日本国内CENTUM系统应用实践为例(如图2所示)：化工(含石油化工)占50.74%，石油和天然气占15.73%，钢铁占7.72%，水处理(自来水厂等)占4.81%，有色金属占4.24%，纸浆和造纸占8.25%，其他占8.4%。当然这个比例与日本国情有关，如其中未计入电力。一方面

43、是横河公司虽然在锅炉控制方面的应用实例很多，但总体而言，其产品并未进入火力发电行业。实际上日本电力行业应用DCS是比较多的，日本东芝、富士、三菱、日立等公司火力发电设备均由本公司产的DCS配套；日本贝利公司的DCS，在日本电力市场中占有率也较高。日本是比较重视DCS发展的国家，横河公司在推出CS1000和CS3000之前，共生产1万多套DCS，其中CENTUM约为4000套，其余为uXl和YEWPACK、YEWPACK MARKII中、小型DCS，仅uXl就向中国销售2000多套。正是由于DCS产品的发展，带动了整个日本自动化仪表行业的发展，日本内需与出口之比约为3:1(大型DCS)或3:2(

44、中小型DCS)。我国从70年代中后期起，首先由大型进口设备成套中引入国外的DCS，首批有化纤、乙烯、化肥等进口项目。同时国内开始自己研制和设计选用国外的DCS，经过20多年的努力，国内已有多家生产DCS的厂家，其产品应用于大中小各类过程工业企业，其中和利时、浙大中控、上海新华3家已具有相当规模。目前国外DCS产品在国内市场中占有率还较高，其中以采用Honeywell、横河两公司产品为多。国内应用DCS的行业以炼油、石化、化纤为多，已使用了700多套DCS，其他还有化工、冶金、电力、轻工等行业。我国石化行业应用水平较高，自动投运率在90%以上，维护水平也较高，目前正向充分发挥DCS性能和开展先进

45、控制和优化的方向发展。我国DCS的市场增长率高，年增长率约为20%，据有关部门估计，DCS的年市场需求为3035亿元，由于DCS在石化行业大型自控装置中近5年内没有可替代产品，所以今后几年其市场增长率不会下降。据估计，到2005年，我国石化行业有1000多套装置需要应用DCS控制；电力系统每年新装1000多万千瓦发电机组，需要DCS实现监控；并且不少企业已使用DCS近1520年，需要改造和设备更新。所以，今后5年内，DCS作为自动化仪表行业主要产品的地位不容置疑，但必须进一步改善其功能，并兼容各种新技术，降低价格，提高应用水平。二 DCS控制站DCS系统中，控制站继承了DDC技术，它是一个完整

46、的计算机，实际运行中可以在不与操作站及网络相连的情况下，完成过程控制策略，保证生产装置正常运行。从计算机系统结构来说，控制站属于过程控制专用计算机，其特点是第一代采用8位微处理器，第二代采用16位微处理器，第三代采用32位微处理器，这对于中小型DCS控制器来说比较确切。大型DCS控制站对中央处理器要求较高，必须为专用的处理器，准16位和准32位运算方式；第二代DCS控制站采用精减指令系统(Reduced Instruction Set Computer, RISC)；第三代DCS控制站采用多CPU分别用于控制运算、冗余切换、通信等操作。控制站作为一个完整的计算机，它的主要I/O设备为现场的输入

47、、输出处理设备，以及过程输入/输出(P I/O)，包括信号变换与信号调理，A/D、D/A转换。它在第二代和第三代产品中已陆续采用了嵌入式技术，并采用单片机等完成量程调整、远程I/O数据传输、小型化、减少P I/O卡硬件规格等功能，直至连接智能化的现场变送器或接受采用现场总线技术的数字信号。在信号变换过程中采用隔离技术以防止来自现场的干扰信号，这是至关重要的；与现场连接的端子及输入、输出信号的物理位置的方便确认也是用户非常关心的。这些在DCS控制站的更新换代中，都有很大改进。在这方面，原来生产自动化仪表的厂家表现尤佳，所以说DCS是继承了自动化仪表技术的计算机系统。关于DCS控制站的系统软件，原

48、则上也有实时操作系统、编程语言及编译系统、数据库系统、自诊断系统等，只是完善程度不同而已。第一代DCS控制站的功能更近似于多回路调节器，而且每个控制站都可以配置人机界面和备用操作器；第二代DCS控制站的实时操作系统及程序编译系统比较完整，编程语言有面向过程语言和高级语言，控制策略的组态由操作站或工作站在与控制站联机的情况下，完成编译和下装；第三代DCS控制站的系统软件齐全，操作站或工程师站可以完成离线组态及在线修改控制策略。为了完成控制策略，实现对应功能模块及模块之间连接的功能，可构成反馈控制回路，这在3代DCS控制站中变化不大，而且是不断积累完善的过程，如PID算法等典型的数值计算就是如此。

49、目前典型的功能模块有50多种，这是DCS 厂家的专有技术。对于顺序控制和批量控制组态编程，各种DCS控制站采用不同的方法，直到近年来才向IEC 61131-3编程语言标准靠拢。DCS系统的数据主要来自现场的信号和各种变量，在控制站中表现为与工位号对应的相关测量值(PV)、设定值(SV)、操作输出值(MV)及回路状态等。这些数据被采集到DCS控制站相应的存储器里，构成实时数据。其他属于与工位号有关的组态信息，如量程、工程单位、回路连接信息、顺序控制信息等，也在控制站中存储，但同时必须在操作站或工程师站中存储，而且有映像关系。至于历史数据存储，一般不是在DCS控制站完成。在完善DDC直接数字控制技

50、术中，对A/D、D/A转换及控制算法，分别引入扫描周期和控制周期概念，在第二代、第三代DCS控制站中，扫描周期可以比缺省值的1s更短，如可以选用0.2 0.5s，以满足少数快速反应的控制对象的要求。对于第一代、第二代DCS控制站，为了完成回路控制以外的顺序控制、批量控制及数据采集，分别开发了不同型号、规格的控制站产品；而第三代控制站因为其功能很强大，对开关量和模拟量处理能力很强，所以一般不做区分。大型DCS的一台控制站可以完成上百个回路的控制，其容错技术完善，可靠性、安全性强，所以“分散控制以消除危险”的初衷已很难体现。当然，对于一个有多套工艺装置和一个中控室的工厂，每套装置就近安装一台控制站

51、的大系统来说，这也是一种分散型控制，只是对控制站的可靠性要求更高了。中小型DCS控制站，以控制1632回路为限，分散性较易为人们所接受。目前小型DCS所占有的市场，已逐步与PLC、IPC、FCS共享，今后小型DCS可能首先与这3种系统融合，而且“软DCS”技术将首先在小型DCS中得到发展。控制站是整个DCS的基础，它的可靠性和安全性最为重要，死机和控制失灵的现象是绝对不允许的，而且冗余、掉电保护、抗干扰、构成防爆系统等方面都应很有效而可靠，才能满足用户要求。多年的实践经验证明，绝大多数厂家的DCS控制站是能够胜任用户要求的。三 DCS操作站DCS操作站具有操作员功能、工程师功能、通信功能和高级

52、语言功能等，其中工程师功能中包括系统组态、系统维护、系统通用(Utility)功能。实际的DCS操作站是典型的计算机，它与控制站不同，有着丰富的外围设备和人机界面。70年代中期，CRT显示器技术已成熟，以外部存储器温氏硬盘为特征，第二代DCS操作站还具有如下特点：操作站和工程师站(或称工作站)分开，也有公司将操作站的历史数据存储用硬盘(历史模件)和高级语言应用站(应用模件)分别独立挂在通信网络上；操作系统除采用DOS系统以外，有的产品采用Unix等操作系统；实时数据库储存性能逐渐完善；在人机界面方面，逐渐过渡为以GUI图形用户界面为平台并采用鼠标，组态时制作流程图和控制回路图等采用菜单、窗口、

53、CAD技术等，使人机界面友好。第三代DCS操作站是在个人计算机(PC)及Windows操作系统普及和通用监控图形软件已商品化的基础上诞生的，面对用户要求的DCS系统应具有开放性、便于系统集成和操作、与Windows一致等。目前大多数DCS操作站已采用高档PC机或工控机，Windows NT(或Windows 98)操作系统，客户机/服务器(C/S)结构，DDE(动态数据交换)或OPC(用于过程控制对象链接嵌入)接口技术，以太网接口与管理网络相连。在采用通用监控图形软件(如iFIX、Intouch等)这一点上，各DCS厂家做法不一，有的以此为平台，形成“软DCS”操作站，这多用于中小型DCS，或

54、以此类软件为核心，进行二次开发；大多数DCS厂家对原来的组态软件进行改造，使之符合上述特点，满足系统开放要求。操作站要实现其多项功能，必须完成数据组织和存储两方面任务，如与工位号相关的一些数据，在操作站中要对由控制站某端与现场仪表相连的、由物理位置而决定的工位规定工位号(即特征号或标签Tag)和工位说明(可以用汉字)，使之与工艺对象一致，以保证工艺操作人员的操作。工位号可以在整个DCS系统中通用。其他还有系统配置、操作标记、趋势记录、历史数据管理、总貌画面组态、控制站组态、工艺单元或区域组态等，这些均组织成文件，最终形成数据库，存储在硬盘的相应区域，使数据具有独立性和共享性，保证数据的完整性和

55、安全性。DCS系统组态、操作站组态、控制站组态均有相应软件，为DCS用户的工程设计人员提供人机界面。在工程设计中，第一代、第二代DCS均采用先让DCS用户的工程设计人员填写工作单或绘制组态图(或称SAMA图)，再在操作站或工程师站上键入生成，形成应用软件，同时拷贝出软盘的方式。在第三代DCS中，逐步向无纸化和在PC机上完成工程设计的方式过渡。操作员的操作主要依靠流程图画面和标准的总貌画面、分组画面等，采用标准键盘、鼠标和操作员专用键盘，这是DCS的特点，要经过专门培训才能被工艺操作人员接受。在多屏幕的情况下，操作的最后有效原则、各屏幕画面等同化显示及按工位号调用或按专用键调出画面的速度或画面定

56、时刷新问题，报警按时序显示记录问题，都陆续得到解决。操作站死机现象时有发生，当然这与DCS制造工艺、用户使用操作等都有关系，但从操作站的操作系统上解决问题才是彻底的方法。目前，这个问题已经不严重，但要彻底解决，还有待时日。四 数据通信及网络在DCS系统诞生时，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的问题，这是总的设计思想。在实际应用中，如石化行业，DCS一直多用在一个生产装置范围内的多机通信系统中，而且控制站和操作站均集中放置在控制室内。电力行业、冶金行

57、业、自来水行业则将控制站分散放在楼上、楼下、生产线上或分散的地域处，与集中放置操作站的控制室总距离一般也多在1km以内。由于计算机网络系统技术的发展，全厂各生产车间用DCS 的通信总线相连的实例较少，所以在第三代DCS中DCS通信功能的发展是与全厂管理网络(以太网)技术相融合，逐渐实现通信网络由多重结构向扁平化过渡，所以，第三代DCS的通信系统特点是具有开放性。DCS系统的规模与通信能力有关系，但是用这作为划分第一、二代DCS的方法还不妥，应该说第一、二代DCS的信道和传输速率有变化，即第一代DCS采用双绞线信道或同轴电缆，速率在1Mb/s以下，第二代DCS采用同轴电缆或光纤，通信速率为110Mb/s。也有人认为，第一代DCS通信为数据高速公路，第二代DCS通信为局域网。有些DCS厂家还把DCS系统构成多种总线互联的结构，如Honeywell公司把70年代的DHW(Data High Way)总线