DCS绪论集散控制系统原理及其应用[张德泉主编][电子教案]

1、绪绪 论论集散控制系统原理及其应用绪绪 论论绪绪 论论集散控制系统是 20 世纪 70 年代中期发展起来的、以微处理器为基础的、实行集中管理、分散控制的计算机控制系统。由于该系统在发展初期以实行分散控制为主，因此又称为分散型控制系统或分布式控制系统(Distributed Control System，DCS)，简称为集散系统或DCS。绪绪 论论集散控制系统是控制技术 (Control)、计算机技术 (Computer)、通信技术 (Communication)、阴极射线管(CRT)图形显示技术和网络技术(Network)相结合的产物，是一种操作显示集中、控制功能分散、采用分级分层体系结构、局

2、部网络通信的计算机综合控制系统，其目的在于控制或控制管理一个工业生产过程或工厂。绪绪 论论集散控制系统自问世以来，发展异常迅速 ,几经更新换代，技术性能日臻完善，并以其技术先进、性能可靠、构成灵活、操作简便和价格合理的特点，赢得了广大用户，巳被广泛应用于石油、化工、电力、冶金和轻工等工业领域。 绪绪 论论1集散控制系统产生的背景20 世纪 60 年代初，人们开始将电子计算机用于过程控制，试图利用计算机所具有的能执行复杂运算、处理速度快、集中显示操作、易于通信、易于实现多种控制算法、易于改变控制方案、控制精度高等特点，来克服常规模拟仪表的局限性。一台计算机控制着几十甚至几百个回路，整个生产过程的

3、监视、操作、报警、控制和管理等功能都集中在这台计算机上。一旦计算机的公共部分发生故障时，轻则造成装置或整个工厂停工，重则导致设备的损坏甚至发生火灾、爆炸等恶性事故，这就是所谓“危险集中”。 绪绪 论论而采用一台计算机工作、另一台计算机备用的双机双工系统，或采用常规仪表备用方式，虽可提高控制系统的可靠性，但成本太高，如果工厂的生产规模不大，则经济性更差，用户难以接受。因此，有必要吸收常规模拟仪表和计算机控制系统的优点，并且克服它们的弱点，利用各种新技术和新理论，研制出新型的控制系统。 绪绪 论论20 世纪 70 年代初，大规模集成电路的问世及微处理器的诞生，为新型控制系统的研制创造了物质条件。同

4、时，CRT 图形显示技术和数字通信技术的发展，为新型控制系统的研制提供了技术条件，现代控制理论的发展为新型控制系统的研制和开发提供了理论依据和技术指导。根据“危险分散”的设计思想，过去由一台大型计算机完成的功能，现在可以由几十台甚至几百台微处理机来完成。各微处理机之间可以用通信网络连接起来，从而构成一个完整的系统。绪绪 论论系统中的一台微处理机只需控制几个至几十个回路，即使某一微处理机发生故障，只影响它所控制的少数回路，而不会对整个系统造成严重影响，从而在很大程度上使危险分散。这种新型控制系统采用多台彩色图形显示器监视着过程和系统的运行，实现了操作和信息综合管理的集中，利用通信系统将各微机连接

5、起来，按控制功能或按区域将微处理机进行分散配置，实行分散控制，增强了全系统的安全可靠性。 绪绪 论论 1975 年 12 月，美国霍尼威尔 (Honeywell) 公司正式向市场推出了世界上第一套集散控制系统TDC-2000（Total Distributed Control 2000）系统，成为最早提出集散控制系统设计思想的开发商。 绪绪 论论2集散控制系统的基本构成综观各种集散控制系统，尽管其品种规格繁多，设计风格各异，但大多数都包含有分散过程控制装置、集中操作管理装置和通信系统等三大部分。分散过程控制装置是DCS与生产过程联系的接口，按其功能又可分为现场控制站（简称控制站）和数据采集站等

6、。 绪绪 论论集中操作管理装置是人与DCS联系的接口，按其功能又可分为操作员工作站（简称操作站）、工程师工作站（简称工程师站）和监控计算机（又称上位机）等。通信系统（又称通信网络）是DCS的中枢，它将DCS的各部分连接起来构成一个整体。因此，操作员站、工程师站、监控计算机、现场控制站、数据采集站和通信系统等是构成DCS的最基本部分，如图1 所示。 绪绪 论论图1 集散控制系统的基本构成 绪绪 论论(1)操作站操作站是操作人员对生产过程进行显示、监视、操作控制和管理的主要设备。操作站提供了良好的人机交互界面，用以实现集中监视、操作和信息管理等功能。在有的小DCS中，操作站兼有工程师站的功能，在操

7、作站上也可以进行系统组态和维护的部分或全部工作。 绪绪 论论(2)工程师站工程师站用于对DCS进行离线的组态工作和在线的系统监督、控制与维护。工程师能够借助于组态软件对系统进行离线组态，并在DCS在线运行时，可以实时地监视通信网络上各工作站的运行情况。绪绪 论论(3)监控计算机监控计算机通过网络收集系统中各单元的数据信息，根据数学模型和优化控制指标进行后台计算、优化控制等，它还用于全系统信息的综合管理。 绪绪 论论(4)现场控制站 现场控制站通过现场仪表直接与生产过程相连接，采集过程变量信息，并进行转换和运算等处理，产生控制信号以驱动现场的执行机构，实现对生产过程的控制。现场控制站可控制多个回

8、路，具有极强的运算和控制功能，能够自主地完成回路控制任务，实现反馈控制、逻辑控制、顺序控制和批量控制等功能。绪绪 论论(5)数据采集站数据采集站通过现场仪表直接与生产过程相连接，对过程非控制变量进行数据采集和预处理，并对实时数据进一步加工。为操作站提供数据，实现对过程的监视和信息存储；为控制回路的运算提供辅助数据和信息。 绪绪 论论(6)通信系统通信系统连接DCS的各操作站、工程师站、监控计算机、控制站、数据采集站等部分，传递各工作站之间的数据、指令及其他信息，使整个系统协调一致地工作，从而实现数据和信息资源的共享。 绪绪 论论综上所述，操作站、工程师站和监控计算机构成了DCS的人机接口，用以

9、完成集中监视、操作、组态和信息综合管理等任务。现场控制站和数据采集站构成DCS的过程接口，用以完成数据采集与处理和分散控制任务。通信系统是连接DCS各部分的纽带，是实现集中管理、分散控制目标的关键。绪绪 论论3集散控制系统的特点集散控制系统与常规模拟仪表及集中型计算机控制系统相比，具有十分显著的特点。 绪绪 论论(1)(1)系统构成灵活系统构成灵活从总体结构上看，DCS可以分为通信网络和工作站两大部分，各工作站通过通信网络互连起来，构成一个完整的系统。工作站采用标准化和系列化设计，硬件采用积木搭接方式进行配置，软件采用模块化设计，系统采用组态方法构成各种控制回路，很容易对方案进行修改。用户可根

10、据工程对象要求，灵活方便地扩大或缩小系统的规模。 绪绪 论论(2)(2)操作管理便捷操作管理便捷 DCS的集中监控管理装置无论采用专用人机接口系统还是通用PC机系统，操作人员都能通过高分辨率彩色显示器（CRT or LCD）和操作键盘及鼠标等，方便的监视生产装置乃至整个工厂的运行情况，快捷的操控各种机电设备；技术人员可按预定的控制策略组态不同的控制回路，并调整回路的某些常数；存储装置可以保存大量的过程历史信息和系统信息，打印机能打印出各种报告和报表，适应了现代化生产综合管理的要求。 绪绪 论论(3)(3)控制功能丰富控制功能丰富 DCS可以进行连续的反馈控制、间断的批量控制和顺序逻辑控制，可以

11、完成简单控制和复杂的多变量模型优化控制，可以执行 PID 运算和 Smith 预估补偿等多种控制运算，并具有多种信号报警、安全联锁保护和自动开停车等功能。 绪绪 论论(4)(4)信息资源共享信息资源共享 DCS采用局部区域网络 (Local Area Network，LAN) 把各工作站连接起来，实现数据、指令及其他信息的传输，使整个系统信息、资源共享。系统通信采用国际标准通信协议，便于系统间的互连，提高了系统的开放性。绪绪 论论(5)(5)安装调试简单安装调试简单 DCS的各单元都安装在标准机柜内，模件之间采用多芯电缆、标准化接插件相连；与过程连接时采用规格化端子板，到中控室操作站只需敷设同

12、轴电缆进行数据传递，所以布线量大为减少，便于装配和更换。系统采用专用软件进行调试，并具有强大的自诊断功能，为故障判别提供准确的指导，维修迅速。绪绪 论论(6)(6)安全可靠性高安全可靠性高 DCS在设计、制造时，采用了多种可靠性技术。系统采用了多微处理机分散控制结构，某一单元失效时，不会影响其他单元的工作。即使在全局性通信或管理站失效的情况下，局部站仍能维持工作。 系统硬件采用冗余技术，操作站、控制站和通信线路采用双重化等配置方式。软件采用程序分段、模块化设计和容错技术。系统各单元具有强有力的自诊断、自检查、故障报警和隔离等功能。系统具有抗干扰能力，对测量信号和控制信号要经过隔离处理，信号电缆

13、进行良好的屏蔽和接地。 绪绪 论论(7)(7)性能价格比高性能价格比高 DCS技术先进、功能齐全、可靠性高、适应能力强。规模越大，平均每个回路的投资费用越省，数据、资源的共享本身就意味着系统成本的降低。绪绪 论论4集散控制系统发展概况集散控制系统的发展，大致经历了四个时期。绪绪 论论(1)1975(1)1975年至年至19801980年为初创期年为初创期这个时期的DCS基本上由过程控制装置、数据采集装置、操作管理装置、监控计算机和数据传输通道等部分组成。这个时期DCS的技术重点是实现了分散控制，从而克服集中型计算机控制系统危险高度集中的致命弱点，加强了可靠性设计。初创期DCS的典型代表有：美国

14、霍尼威尔 (Honeywell) 公司的 TDC-2000，福克斯波罗 (Foxboro) 公司的 SPECTRUM，日本横河 (YOKOGAWA) 公司的 CENTUM 及德国西门子 (Siemens) 公司的 TELEPERM M 等。绪绪 论论(2)1980 (2)1980 年至年至 1985 1985 年为成熟期年为成熟期这一时期的DCS由局部网络、多功能过程控制站、增强型操作站、主计算机、系统管理站和网间连接器等部分组成。DCS的技术重点是实现全系统信息的综合管理，为此，必然要引入先进的局部网络技术，以加强通信系统。DCS的代表产品有：Honeywell 的 TDC-3000，YOK

15、OGAWA 的 CENTUM，Taylor 的 MOD-300 等。 绪绪 论论(3)1985 (3)1985 年至年至 1990 1990 年为扩展期年为扩展期扩展期DCS结构的主要变化是局部网络采用标准化开放型的通信协议。如采用以开放系统互连参考模型为基础的制造自动化协议（MAP），或与 MAP 兼容，或其本身就是实时 MAP 局部网络。其他单元无论是硬件还是软件都有较大改进，但系统的基本组成变化不大。扩展期DCS的另一种特点是系统的智能向现场延伸，系统中引入了智能变送器 (Smart Transmitters) 和现场总线 (Field Bus) 技术。绪绪 论论智能变送器具有数字通信能

16、力，通过现场总线与过程控制站或与局部网络节点相连接。在控制室或本节点工作站中便可对现场的智能变送器进行调零、调量程、组态、自动标定、自动诊断及自动排除故障等操作。扩展期DCS的代表产品有：Honeywell 的 TDC-3000/PM，YOKOGAWA 的 CENTUM-XL，Foxboro 的 I/A S，Bailey Control 的 INFI-90 等。绪绪 论论(4) 1990 (4) 1990 年后为新的发展期年后为新的发展期 20 世纪 90 年代以后，随着计算机技术、通信技术、控制技术特别是网络技术的快速发展，对控制和管理要求的不断提高，出现了以管控一体化为主要特点的新型集散控

17、制系统。它采用了客户机 / 服务器的结构，在网络结构上增加了工厂信息网 (Intranet)，并可与 Internet 连网，计算机集成过程系统 (CIPS) 也开始进行试点应用。DCS的典型产品有 Honeywell 公司的 TPS 系统、横河公司的 CENTUM CS 系统、 Foxboro 公司 I/A S 5051 系列控制系统等。 绪绪 论论从DCS三十多年的发展历史中可以清楚地看到，正是计算机技术、屏幕显示技术、控制技术、网络和通信技术的不断发展，才推动了DCS的不断更新换代。今后 DCS 的发展仍将继承集中监视管理和分散控制这一理念。向着更大范围的集中管理和更加彻底的分散控制两个

18、方向发展，即向着计算机集成制造系统 (Computer Integrated Manufacturing System，CIMS)、计算机集成过程系统 (Computer Integrated Proces System，CIPS) 方向和现场总线控制系统(Fieldbus Control System，FCS)方向发展。 绪绪 论论 FCS必将推动DCS的变革。新一代DCS都包含了各种形式的现场总线接口，可以支持多种标准的现场总线仪表和执行机构等，此外，DCS 产品还改变了相对集中的控制站结构，取而代之的是进一步分散的导轨式或现场安装的 I/O 模块。DCS 将吸收 FCS 的长处，不断发展

19、和完善。新型DCS的典型代表有Homywell 公司推出的新一代过程知识系统Experion PKS、Emerson 公司推出的 Delta V系统、中控科技自动化有限公司推出的 Web Field ECS-100系统等。 (5) (5) 我国我国DCSDCS的发展的发展绪绪 论论我国使用DCS是在20 世纪70 年代末、80 年代初。当时国家为了满足国内新建项目和老厂技术改造的需要，从国外引进的DCS多达几百套，主要用于化工、石化、炼油、冶金、电力、轻工等工业过程控制，取得了良好的技术经济效益。同时，坚持自力更生、自主开发与引进技术相结合的方针，把引进国外先进技术与对其及时消化、吸收与创新，