集散控制系統(tǒng)講義

1、共享知識分享快樂盛年不重來，一日難再晨。及時宜自勉，歲月不待人。DCS教程DCS從1975年問世以來，大約有三次比較大的變革，七十年代操作站的硬件、操作系統(tǒng)、監(jiān)視軟件都是專用的，由各DCS廠家自己幵發(fā)的，也沒有動態(tài)流程圖，通訊網(wǎng)絡(luò)基本上都是輪詢方式的； 八十年代就不一樣了，通訊網(wǎng)絡(luò)較多使用令牌方式；九十年代操作站出現(xiàn)了通用系統(tǒng)，九十年代 末通訊網(wǎng)絡(luò)有部份遵守 TCP/IP協(xié)議，有的幵始采用以太網(wǎng)?？偟膩砜?，變化主要體現(xiàn)在I/O板、 操作站和通訊網(wǎng)絡(luò)。控制器相對來講變化要小一些。操作站主要表現(xiàn)在由專用機變化到通用機， 如PC機和小型機的應(yīng)用。但是目前它的操作系統(tǒng)一般采用UNIX，也有小系統(tǒng)采用

2、NT，相比較來看UNIX的穩(wěn)定性要好一些，NT則有死機現(xiàn)象。I/O板主要體現(xiàn)在現(xiàn)場總線的引入 DCS系統(tǒng)。從理論上講，一個 DCS系統(tǒng)可以應(yīng)用于各種行業(yè)，但是各行業(yè)有它的特殊性，所以DCS也就出現(xiàn)了不同的分支，有時也由于DCS廠家技術(shù)人員工藝知識的局限性而引起，如HONEYWELL公司對石化比較熟悉，其產(chǎn)品在石化行業(yè)應(yīng)用較多，而EAILEY的產(chǎn)品則在電力行業(yè)應(yīng)用比較普遍。用戶在選擇DCS的時候主要是要注意其技術(shù)人員是否對該生產(chǎn)工藝比較熟悉；然后要看該系 統(tǒng)適用于多大規(guī)模，比如 NT操作系統(tǒng)的就適應(yīng)于較小規(guī)模的系統(tǒng)；最后是價格，不同的組合價 格會有較大的差異，而國產(chǎn)的 DCS系統(tǒng)價格比進口的DC

3、S至少要低一半，算上備品備件則要低 得更多。DCS由四部份組成：I/O板、控制器、操作站、通訊網(wǎng)絡(luò)。I/O板和控制器國際上各 DCS 廠家的技術(shù)水平都相差不遠(yuǎn)，如果說有些差別的話是控制器內(nèi)的算法有多有少，算法的組合有些 不一樣，I/O板的差別在于有的有智能，有些沒有，但是控制器讀取所有I/O數(shù)據(jù)必須在一秒鐘內(nèi)完成一個循環(huán)；操作站差別比較大，主要差別是選用PC機還是選用小型機、采用UNIX還是采用 NT操作系統(tǒng)、采用專用的還是通用的監(jiān)視軟件，操作系統(tǒng)和監(jiān)視軟件配合比較好時可以減少死機現(xiàn)象；差別最大的是通訊網(wǎng)絡(luò)，最差的是輪詢方式，最好的是例外報告方式，根據(jù)我們的實驗， 其速度要相差七八倍。DCS系

4、統(tǒng)包括三大部分：帶I/O部件的控制器、通訊網(wǎng)絡(luò)和人機接口。人機接口包括操作站、工 程師站和歷史站。控制器I/O部件和生產(chǎn)過程相聯(lián)接，操作站和人相聯(lián)系，通訊網(wǎng)絡(luò)把這兩部分 聯(lián)成系統(tǒng)。所以操作站是 DCS的重要組成部分，工程師站給控制器和操作站組態(tài)，歷史站記錄生 產(chǎn)過程的歷史數(shù)據(jù)。最近幾年幵發(fā)的人機界面還有動態(tài)數(shù)據(jù)服務(wù)器。一個DCS系統(tǒng)控制器和I/O部件通?？梢赃\行16-20年，而操作站因為有活動部件，所以比較容 易損壞，如：硬盤、鍵盤、 CRT、軟驅(qū)等，運行6-8年后出現(xiàn)故障的概率就比較大，所以在 DCS 運行過程中，操作站更新的情況比較多。DCS的控制器的變化較小。其變化表現(xiàn)在控制算法的安排、

5、控制算法的多少，存取的I/O點數(shù)的多少和內(nèi)存的大小等，操作系統(tǒng)一般都是專用的。操作站的變化就很大，八十年代以前的操作站， 一般沒有硬盤及動態(tài)流程圖，能顯示的標(biāo)簽數(shù)比較少，例如500個標(biāo)簽（標(biāo)簽指的是 AI、DI、回路、幵關(guān)量的邏輯關(guān)系等），八十年代出現(xiàn)了能顯示 5000個標(biāo)簽的操作站，九十年代出現(xiàn)了能顯 示30000個標(biāo)簽的操作站。同時，也出現(xiàn)了在微軟的NT通用平臺上運行的通用顯示軟件。幵始，通用軟件只在PLC的操作站上使用，后來也逐漸應(yīng)用在DCS上。它的標(biāo)簽量可以達(dá)到 10000個，甚至更多。DCS操作站發(fā)展的過程（以 BAILEY的操作站為例）如下： 一.八十年代初，N90的操作站是OIU

6、系列，當(dāng)時是無硬盤、無動態(tài)流程圖的，標(biāo)簽量500。后來增加了硬盤和流程圖，標(biāo)簽量1400-5000點。八十年代中期推出了 MCS系列，標(biāo)簽量10000，特別是MCS PULS，它是SCSI接口，可以有30000個標(biāo)簽點，當(dāng)時在DCS市場上處于領(lǐng)先地位。 1986年，BAILEY產(chǎn)品占世界DCS市場的1/3。至U 1988年，共有8500套在世界各國運轉(zhuǎn)。到了 90年代，DCS市場爭奪激烈，BAILEY無論在技術(shù)上還是在銷售方面都不象80年代那樣光輝。于是BAILEY 公司欲通過購買 FISCHER&PORTER、HARTMANN&BRAUN 等公司銷售他們的系 統(tǒng)來重鑄輝煌。BAILEY的控制

7、器和通訊網(wǎng)絡(luò)都比較好，但在操作站上面，不能與競爭者相比，BAILEY最新 的操作站是以 WINDOWS NT 、通用微機為基礎(chǔ)的 Conductor NT 。實際上，該操作站不是為 INFI-90 開發(fā)的，它是 FISCHER-PORTER 的系統(tǒng) 6 的操作站， 用它的監(jiān)控軟件嵌入和 INFI-90 通訊的驅(qū)動 軟件而成。由于銷售量不大，磨合的機會少，問題比較多，死機現(xiàn)象嚴(yán)重。 OIS40 系列的操作站 運行在 DEC 的 VMS 平臺上。實際上，它仍然是在 MCS 操作站的 MTOS 操作系統(tǒng)平臺上，開發(fā) 了一個與VMS通訊的驅(qū)動軟件，因為80年代的OIU和MCS在80年代末都已經(jīng)停止銷售

8、。BAILEY 只賣 OIS20 系列和 OIS40 系列。OIS20系列是90年代初推向市場的，它本質(zhì)上是 MCS，但它們能與INFI-90通訊.它的幵發(fā)、制 造成本都比較低，性能也比較好。 OIS20 系列的輔站不是用網(wǎng)絡(luò)來傳輸信息的，只是在主站上多 加了 1 塊顯卡來實現(xiàn)輔站。后來因維護成本很高，硬盤和軟驅(qū)都難以買到，用戶反映不好。繼OIS20系列，BAILEY公司推出了 0IS41、OIS42，在操作站之間增加了以太網(wǎng)卡，組成后門網(wǎng) 絡(luò)，可以實現(xiàn)打印機共享。把圖形傳給不同主站的能力也有所增強，也給用戶提供了開發(fā)打印系 統(tǒng)的空間，這是后話。 由于 OIS40、 OIS41、 OIS42

9、主機性能較差， 所以操作站的性能提高不明顯。 直到OIS43 Alpha芯片的出現(xiàn)，性能才得到提高。同時，加拿大BAILEY公司幵發(fā)了 PCV，它是以 PC 為基礎(chǔ)的操作站，采用 QNX 操作系統(tǒng)。因為它的標(biāo)簽量較少，價格低廉，運行穩(wěn)定，故適 用于小系統(tǒng)的使用，這就是 BAILEY 的 OIS10 系列，版本 5 以前，只有文本沒有圖形。版本 5 以 后既有文本也有圖形。 OIS11 操作站后門之間用 ARCNET 聯(lián)網(wǎng)。 OIS12 既可用 ARCNET 也可用以 太網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)。由于 OIS40 系列軟件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故價格較高，更重要的一點是 DEC 公司被 COMPAQ 公司兼并， Alpha

10、機 255/233 停止生產(chǎn)，這給 BAILEY 公司和用戶無疑是雪上加霜。二.八十年代中期，因為 PLC 操作站的開發(fā)都不太成功，一些軟件公司就開發(fā)了通用的監(jiān)控軟件， 且很快就被PLC制造廠家所采用。如：FIX、INTOUCH、ONSPEC等（一共有上百種），由于市 場前景較好，所以軟件開發(fā)商又開發(fā)了許多PLC 的驅(qū)動軟件。到了九十年代，又開發(fā)了 DCS 的驅(qū)動軟件。最早采用通用工控監(jiān)控軟件的是MOORE 公司的 APEC 系統(tǒng)，它既可以用 INTOUCH也可用FIX。由于INFI-90系統(tǒng)在九十年代一直沒有推出比較優(yōu)秀的操作站，故PREVISE公司推出了 OPsCon 操作站。OPsCon

11、操作站運行在PC硬件平臺，NT操作系統(tǒng)下，把FIX作為監(jiān)控軟件，并幵發(fā)了能與多種 DCS 通訊的對應(yīng)驅(qū)動軟件，標(biāo)簽量為 10000個。因為 FIX 軟件在世界各地已經(jīng)銷售了 90000 套， 它與各種 PLC、 DCS 和 NT 系統(tǒng)磨合較好，這種操作站可以運用在多種 PLC、 DCS 操作站上。在 INFI-90 系統(tǒng)上應(yīng)用已經(jīng)有幾千臺。如：新西蘭的一家造紙廠，原來已經(jīng)運行有CONDUCT NT ，后來還是改用 OPsCon。通用操作站的出現(xiàn)，給 DCS 用戶帶來了以下方便：1、不必再為原DCS生產(chǎn)廠家是否倒閉、兼并，該型產(chǎn)品是否已經(jīng)停產(chǎn)、備件是否能夠找到 而操心。2、由于通用操作站的適用面

12、廣，相對生產(chǎn)量大，成本下降，因而可以節(jié)省用戶的經(jīng)費。維護 費用也比較少。3、采用通用系統(tǒng)要比使用各種不同的專用系統(tǒng)更為簡單，用戶也可減少人員培訓(xùn)的費用。4、更新和升級容易。5、幵放性能好，很容易建立生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)。 因此，通用操作站是 DCS 的發(fā)展方向。 被控制對象確定以后，選用什么樣的控制系統(tǒng)就成為重要問題。主要是根據(jù)項目規(guī)模和投資預(yù)算 來考慮的，以數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)的 DCS 系統(tǒng)和早期的模擬儀表組成的控制系統(tǒng)，從工程項目的實施 來看，本質(zhì)差別不大，主要考慮項目規(guī)模和投資預(yù)算，但 DCS 與模擬儀表相比，它更為復(fù)雜，技 術(shù)性要求更高， 下面我來談?wù)?DCS 系統(tǒng)選型中的幾個問題。 從理論上

13、來講， DCS 可以用與不同的 工藝過程，它是通用的，但是， DCS 的制造廠家專長與某一領(lǐng)域。如： HOMEYWELL 主要用于 石化部門，BAILEY 公司的N90、INFI90主要用于電力系統(tǒng)，ROSEMOUNT的RS3、AV大多用 于化工系統(tǒng)。 但也不能否認(rèn)不同工藝過程會有一些特殊要求， 如：電廠一定要有電調(diào)設(shè)備和 SOE， 石化部門一定要有選擇性控制，水泥行業(yè)一定要有大純滯后控制補償?shù)龋x型時也要考慮這些因素。第二點就是經(jīng)濟性， 應(yīng)該從 DCS 本身價格和預(yù)計所創(chuàng)效益角度考慮。 DCS 有國產(chǎn)的和進口的， 對相同檔次而言，進口的控制功能強一些，有一些先進的控制算法，如 Smith 預(yù)

14、估、三維矩陣運 算等，國產(chǎn) DCS 價格要比進口的低很多，也能滿足技術(shù)要求。從結(jié)構(gòu)上來看，國外DCS 的控制器各廠家差別不太遠(yuǎn)，控制器的預(yù)置算法稍有差別，控制器與 I/O 板的連接方式也有所不同。而 操作站區(qū)別較大。有以 PC 機為基礎(chǔ)的，有以小型機為基礎(chǔ)的，操作系統(tǒng)一般選用 UNIX 類系統(tǒng)。 小型機的價格要比 PC 機高很多，進口小型機操作站的價格要高于四萬美金， 而且許多機型已經(jīng)停 產(chǎn)（如DEC公司的VAX機和a機）。PC機的操作站不到三萬美金，它的操作系統(tǒng)采用NT,其穩(wěn)定性沒有UNIX好。小型機的接口采用 SCSI，傳輸速率是串行的8倍之多。以NT操作系統(tǒng)作為 操作站的，點數(shù)要少一些，

15、不然會頻繁死機，國產(chǎn)的PC機更便宜得多，采用 PC機操作站，可以采用最新的機型，操作人員對軟件的安裝、調(diào)試、聯(lián)網(wǎng)和開發(fā)也要熟悉得多。監(jiān)視軟件有專用的 也可以用通用的，通用的監(jiān)視軟件開放性要好一些，用戶應(yīng)按照項目的規(guī)模大小和預(yù)算資金來選 擇使用。 DCS 比較貴的原因，除了上述理由外，還有控制器的電源系統(tǒng)，通常采用冗余供電，電 源的引入和散熱是價格貴的主要原因，各個 DCS 系統(tǒng)在這方面差別比較大。把控制器和操作站聯(lián)系起來的通訊網(wǎng)絡(luò)也要考慮， 如果采用通用的以太網(wǎng)， 則網(wǎng)卡等價格很低， 專用的網(wǎng)絡(luò)接口很貴，最貴可以達(dá)到 20000美金。因此，經(jīng)濟性與很多因素有關(guān)，有時外商給你 報價降下來，實際是

16、改變了一些結(jié)構(gòu)而已，并沒有給你什么優(yōu)惠，甚至他的利潤還增加了。這時 可取的辦法是聯(lián)系國內(nèi)類似的單位和請教有經(jīng)驗的專家。第三點就是承包方的技術(shù)力量，也就是 承包方對哪一工藝過程和 DCS 本身比較熟悉。 如經(jīng)常做化工控制系統(tǒng)的承包商來做軋制的控制系 統(tǒng)，他對活套的控制、卷曲的控制和張力的控制等就不太熟悉，做的工程就不會太好。如果承包 方對DCS本身不熟悉，控制器做的太大時會產(chǎn)生死機。不少工廠都購買了不同廠家的DCS系統(tǒng)，我們稱之為 “八國聯(lián)軍 ”狀態(tài)，此時更要選擇技術(shù)力量比較強的單位抓總，而不宜選擇某一個國外 廠商作為承包商。第四點是售后服務(wù)，國外廠商通常情況下配品、備件供應(yīng)價格高，且不能及時

17、提供。 DCS 用戶應(yīng)選擇廠商實力雄厚的，技術(shù)力量強的、境內(nèi)技術(shù)支持好的廠家。計算機技術(shù)發(fā) 展很快， DCS 廠家也會不斷更新它的產(chǎn)品， 新舊產(chǎn)品兼容性要好才行， 個別廠家新舊系統(tǒng)不兼容， 系統(tǒng)升級時造成很大損失。國內(nèi)的 DCS廠家配品、備件供應(yīng)比較及時，售后服務(wù)方面做的也比較 好。第五點是關(guān)于 DCS 的技術(shù)先進性，指系統(tǒng)采用了經(jīng)過驗證的最新技術(shù)，并有發(fā)展前途和生命 力，包括 DCS 系統(tǒng)的開放和互聯(lián)， 現(xiàn)場總線的應(yīng)用， 第三方軟件的支持等。 這里要注意的一點是： 有些廠家為了占領(lǐng)市場，把一些不成熟的產(chǎn)品推到第三世界，如五、六年前DCS 缺少小型系統(tǒng)，有的廠家把不太成熟的小型系統(tǒng)推到用戶，結(jié)

18、果這 270 多套系統(tǒng)基本都已經(jīng)提前退役。早在 1983 年，某外國公司推銷的 DCS，在電源出現(xiàn)故障并復(fù)電后，控制器的輸出是任意的，此時閥門的位 置就很危險，這種產(chǎn)品本不能出廠，但還是賣給了我們國家，結(jié)果購買單位基本上沒有運行。總之， DCS 從七五年到現(xiàn)在已經(jīng)有二十多年的應(yīng)用歷史了，可靠性方面基本都能達(dá)到要求，建 立系統(tǒng)時選型是一個非常重要的環(huán)節(jié)，我們不但主要考慮項目規(guī)模和投資預(yù)算，還要考慮到一系 列其它的因素，選型是否恰當(dāng)往往從一開始就決定了該系統(tǒng)今后的命運，萬萬不可掉以輕心。 DCS 動態(tài)數(shù)據(jù)服務(wù)器 :DCS 系統(tǒng)屬于基礎(chǔ)自動化， MIS 系統(tǒng)側(cè)重于辦公自動化。 這兩者在反映速 度上的

19、區(qū)別很大，DCS是屬于秒級的，而 MIS是以小時或更長時間為單位的。所以這兩者之間必 須要有隔離設(shè)備，這個隔離設(shè)備就是動態(tài)數(shù)據(jù)服務(wù)器。它的功能是生產(chǎn)過程監(jiān)控；歷史數(shù)據(jù)的存 儲及管理；統(tǒng)計質(zhì)量控制；設(shè)備預(yù)防性維護；設(shè)備故障診斷；生產(chǎn)優(yōu)化等。DCS、 PLC 采集現(xiàn)場的生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)通過通訊網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)傳給操作站和動態(tài)數(shù)據(jù)服務(wù)器。動態(tài)數(shù) 據(jù)服務(wù)器是采集生產(chǎn)全過程的模擬信號或邏輯信號，所以它的采集速度是海量的。要經(jīng)過數(shù)據(jù)淘 金，將信號送到生產(chǎn)管理部門。通常情況下，一個企業(yè)往往有幾種不同牌號的DCS、PLC，要把這幾種信號都集中到動態(tài)數(shù)據(jù)服務(wù)器中，最好要選擇一個通用顯示平臺。在這個平臺上來顯示不同型號的D

20、CS、 PLC 的信號。通用顯示平臺可采用 FIX、INTOUCH、組態(tài)王、Synall等軟件，幵發(fā)各種 DCS和PLC的驅(qū)動軟件。 最近出廠的DCS采用通用操作站，它采用 NT操作系統(tǒng)，監(jiān)控軟件就是 FIX、INTOUCH.不同 DCS型號采用不同的驅(qū)動軟件。各種 DCS之間信號傳輸采用 OPC服務(wù)器聯(lián)接，也可以把少量的 信號送到 MIS 系統(tǒng)的服務(wù)器中。 FIX、 INTOUCH 等軟件都能存儲歷史數(shù)據(jù)，幾十個信號可存儲280 天之多。如要存儲更多的歷史數(shù)據(jù)，可以采用OSI 歷史數(shù)據(jù)庫，它可以存儲三年以上。這些通用監(jiān)控軟件都有 OSI 的接口。老一代的 DCS 系統(tǒng)的操作站無論操作系統(tǒng)還是

21、監(jiān)控軟件都是專用 的，和其它系統(tǒng)通訊都非常困難。如要建立系統(tǒng)間的互聯(lián)，通過計算機接口單元建立動態(tài)數(shù)據(jù)服 務(wù)器，監(jiān)控軟件仍然可以使用通用的，在 NT 平臺上運行，但它的數(shù)據(jù)只能上行，不能下行。在 設(shè)計 MIS 系統(tǒng)過程中，最好使用動態(tài)數(shù)據(jù)服務(wù)器，不要把 DCS 和 PLC 數(shù)據(jù)直接送到 Web 否則會 影響到 DCS、PLC 的正常運行。至于究竟需要建立多少個動態(tài)數(shù)據(jù)服務(wù)器，由所需采集的數(shù)據(jù)量 和數(shù)據(jù)安全決定。一般情況下，可達(dá) 10000 點。多屏操作站和操作站的后門網(wǎng)絡(luò) 一個 DCS 系統(tǒng)可以有好幾臺操作站， 每一臺操作站可以顯示一 樣的內(nèi)容， 也可以是不一樣的內(nèi)容。 對于電廠來說， 一臺 3

22、00MV 的發(fā)電機組， 工藝過程比較集中， 通常采用 2 臺操作站冗余運行認(rèn)為是比較合適的。但對于大型機組，由于它的輸入、輸出點數(shù)較 多，一個顯示器不夠用，最好有多個顯示器。這時的監(jiān)控軟件應(yīng)該能支持多屏幕。早期的 DCS 都 采用在操作站的主機上加分屏卡， 如加 2 分屏，4分屏的分屏卡，分別可連接 2臺 CRT 或 4 臺 CRT。 用這種方法以增加人機界面。對于除電廠以外的生產(chǎn)工藝，如水泥廠，鋼鐵廠，一個生產(chǎn)工藝很 長，地域比較分散，并由一套 DCS 系統(tǒng)控制，它的輸入、輸出點數(shù)較多，為了節(jié)省投資，一臺操 作站往往和一部分生產(chǎn)工藝相對應(yīng)。比如水泥廠的回轉(zhuǎn)窯和磨機相隔距離很遠(yuǎn)，操作站可以安裝

23、 在兩個地方。這時一臺操作站配置一臺打印機。如果其中一臺操作站的主機壞了，這臺操作站顯 示的內(nèi)容就沒有了。為了系統(tǒng)的安全運行，采用標(biāo)簽的重疊組態(tài)來實現(xiàn)的。如該系統(tǒng)有兩臺操作 站，分別為 A 站和 B 站，該系統(tǒng)有 2000個標(biāo)簽， A、B 操作站要分別組態(tài) 1300 個標(biāo)簽，其中 300 個標(biāo)簽是重疊的。即使 A 操作站發(fā)生故障，只用要 B 操作站正常運行，系統(tǒng)照常工作。因為重要 的標(biāo)簽在 B 操作站上都有了。值得注意的是，由于重疊組態(tài)也會帶來負(fù)面影響。會使得A 、B 操作站的管理人員責(zé)任不明確。 由于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展，人機界面的數(shù)量可以不限。操作站分為主站和從站。主站連在 DCS 網(wǎng) 絡(luò)上

24、。通過 DCS 網(wǎng)絡(luò)接口，直接從 DCS 網(wǎng)絡(luò)上讀取控制器數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)。主站的數(shù)量是由接 口的數(shù)量決定的。從站則與主站相連。它沒有數(shù)據(jù)庫，在顯示流程圖畫面時，由主站顯示完整的 工藝畫面，而從站就顯示主站的工藝畫面。從站的數(shù)量是不限的。不論是主站，還是從站，都用 后門網(wǎng)絡(luò)連接起來。有了后門網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)維護時，各操作站之間可作文本拷貝。系統(tǒng)運行時，即 使其中一臺主操作站發(fā)生故障，它的從站可作為另一臺主站的從站。在網(wǎng)絡(luò)中，接進打印服務(wù)器， 服務(wù)器有許多通道，幾臺操作站共用一臺或幾臺打印機。連接主站和從站的這個網(wǎng)絡(luò)與 DCS 網(wǎng)絡(luò) 沒有關(guān)系。 所以就稱為后門網(wǎng)絡(luò)。 早期的后門網(wǎng)絡(luò)采用 ARCNET ，

25、后來由于有的 DCS 系統(tǒng)的操作 站主機采用 DEC 的小型機，后門網(wǎng)絡(luò)就采用 DECNET 或以太網(wǎng)。在操作站作標(biāo)簽組態(tài)時，是否 要把重要的 I/O 點重疊組態(tài)要由用戶確定。 采用通用操作站以后，系統(tǒng)就成為開放的，各主站和各從站之間用以太網(wǎng)連接，從站的數(shù)量不限。 為了提高后門網(wǎng)絡(luò)的可靠性，以太網(wǎng)的低廉，通常采用雙網(wǎng)?？梢宰龅竭h(yuǎn)程操作。 在局部的地域 用網(wǎng)絡(luò)，會帶來很大的方便。如果過程控制與 INTERNET 網(wǎng)絡(luò)相連，會受到病毒或黑客的侵入。 一定要加安全級別、數(shù)據(jù)單向傳輸和加防火墻。以太網(wǎng)之間的協(xié)議遵從 OSI模型（Open System Interconnection）的七層協(xié)議。七層協(xié)

26、議分別是物 理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會話層、表示層和應(yīng)用層。物理層描述傳輸介質(zhì)、連接器和信號脈沖標(biāo)準(zhǔn)。中繼器或集線器（hub）也是物理層的設(shè)備，它與傳輸?shù)男畔木唧w內(nèi)容無關(guān)。幀是發(fā)送到介質(zhì)上的一組數(shù)字脈沖。用以傳輸信息。幀的大小為 64-1518字節(jié)。幀包括預(yù)同步信號，消息頭、數(shù)據(jù)信息和幀校驗序列。中繼器或集線器（hub）僅僅放大導(dǎo)線中的電信號，并繼續(xù)向前傳送。 數(shù)據(jù)鏈路層描述本地系統(tǒng)之間的拓?fù)浜屯ㄐ艠?biāo)準(zhǔn)。以太網(wǎng)能與多個物理層標(biāo)準(zhǔn)（雙絞線線纜、光 纜）和多個網(wǎng)絡(luò)層標(biāo)準(zhǔn)一起工作。將網(wǎng)絡(luò)的物理方面（線纜和數(shù)字脈沖）與軟件和數(shù)據(jù)流的抽象 世界連接起來。在網(wǎng)絡(luò)里傳的信息是以幀的格式傳輸?shù)摹?/p>

27、在幀中有消息頭和尾，數(shù)據(jù)報包到幀里。 檢測錯誤，調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)流量。幀消息由源和目標(biāo)介質(zhì)訪問控制（ media access control ） MAC 地址組 成，并利用該信息和數(shù)據(jù)區(qū)的內(nèi)容建立 CRC 尾。數(shù)據(jù)鏈路層根據(jù)網(wǎng)絡(luò)采用拓?fù)湟?guī)則，發(fā)送幀，把 幀發(fā)到物理層（網(wǎng)絡(luò)線纜） 。網(wǎng)橋和交換器是數(shù)據(jù)鏈路層的設(shè)備。因為它們是支持幀的。兩者都利 用幀消息頭中的信息調(diào)節(jié)交通。幀消息頭負(fù)責(zé)識別是誰發(fā)送的信息，信息發(fā)送到哪里。幀消息頭 包含兩個區(qū)域，用以識別傳輸?shù)脑春湍繕?biāo)，是源和目標(biāo)系統(tǒng)的節(jié)點地址。幀消息頭的大小總是 14 字節(jié)。網(wǎng)絡(luò)層描述在不同網(wǎng)段上的系統(tǒng)如何彼此尋找，也定義了網(wǎng)址。網(wǎng)址是指定給一組物理連接

28、的系 統(tǒng)名字或號碼。是所有上層的基石，單位是數(shù)據(jù)報（datagram）單位如網(wǎng)絡(luò)的IP數(shù)據(jù)報傳遞協(xié)議是網(wǎng)絡(luò)層功能的例子。網(wǎng)址這一術(shù)語，根據(jù)采用的協(xié)議不同，叫法也不同。采用IP，叫做子網(wǎng)（ subnet）。 傳輸層處理數(shù)據(jù)的實際操作，并準(zhǔn)備通過網(wǎng)絡(luò)傳送。如果數(shù)據(jù)太大而不能作為一個幀，傳輸層 將其分解為更小的部分， 并編制序號， 序號允許其它系統(tǒng)上的傳輸層重新將數(shù)據(jù)組合為最初內(nèi)容。 幀的 CRC 校驗是在數(shù)據(jù)鏈路層進行的，傳輸層能夠起到備用效驗的作用。傳輸層的功能如IP 的傳輸協(xié)議（TCP）、單位是段（segment）。 會話層處理兩個或多個系統(tǒng)之間連接的建立和維護。它保證正確完成具體的服務(wù)請求。

29、 如果系統(tǒng)正在運行多個網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序，會話層負(fù)責(zé)保持正確通信順序，保證進入的數(shù)據(jù)引到正確 的應(yīng)用程序。表示層保證數(shù)據(jù)可以用于應(yīng)用程序的形式接收。它的任務(wù)是編碼和解碼。應(yīng)用層的 任務(wù)是確定何時要求訪問網(wǎng)絡(luò)資源。異種系統(tǒng)的互聯(lián) ,時間同步和 SDSL 技術(shù) : 一個企業(yè)特別是大中型企業(yè)有許多工藝過程，每一個工藝過程都有相對獨立性。在不同時期建設(shè) 或不同時間進行技術(shù)改造，一定會采用不同型號的 DCS 系統(tǒng)，設(shè)備連鎖和控制等會采用幾種不同 型號的 PLC 系統(tǒng)。為了在企業(yè)內(nèi)建立綜合管理信息系統(tǒng)，異種系統(tǒng)的互聯(lián)和時間同步就成為很重 要的問題。早期 DCS 和 PLC 的互連是采用把 PLC 作為 DCS

30、的一個輸入板， DCS 專們設(shè)計一塊 與 PLC 的接口板，與 DCS 的本身的 I/O 板連在同一條 I/O 總線上?？刂破髯x入 PLC 來的信號， 通過 DCS 的網(wǎng)絡(luò)把 PLC 的信號送到 DCS 操作站上。這樣互連的辦法有一個大的缺點是： PLC 的 快速信號在慢速反應(yīng)的 DCS 的操作站上顯示。經(jīng)測定，一個微動開關(guān)的動作要經(jīng)過幾秒以上的時 間才能在DCS的操作站上表現(xiàn)出來。有的 DCS甚至需要8秒。另一個互聯(lián)辦法是把 PLC的個別 信號用硬線連到 DCS 的輸入板上，這樣輸入的點數(shù)很少，成本比較高。有的 DCS 在 DCS 網(wǎng)絡(luò)上 設(shè)計一個結(jié)點， 該結(jié)點專門用來讀取 PLC 的信號。

31、 把 PLC 的信號送入 DCS 的網(wǎng)絡(luò)是比較困難的。 缺點是開發(fā)接口的費用很高。即使開發(fā)成功，接口也經(jīng)常發(fā)生故障。一個典型例子是燃汽輪機和 鍋爐聯(lián)合發(fā)電的電廠，燃汽輪機從美國或其它國家進口，燃汽輪機的控制系統(tǒng)（PLC ）和主設(shè)備一起配成，而鍋爐的控制系統(tǒng)由用戶自己選配，用戶很想把兩者的信息在一個操作站上顯示。為 開發(fā)這個操作站，開發(fā)費用在幾萬美金以上。即使開發(fā)成功，也經(jīng)常發(fā)生故障。對于 PLC 來說， 70 年代中期曾經(jīng)開發(fā)過專用操作站，但不太成功。后來它就沒有開發(fā)專 用操作站，當(dāng)時， PLC 只處理開關(guān)量，在控制器上的數(shù)碼顯示作為人機界面也能滿足要求。PLC的控制器和I/O之間用網(wǎng)絡(luò)連接。

32、至V 80年代末和90年代，模擬量控制進入 PLC，。用戶感到?jīng)]有 以 CRT 為基礎(chǔ)的人機界面很不方便，用戶選用通用監(jiān)控軟件，運行在NT 平臺上，采用普通微機作為硬件平臺，編出各個 PLC 的驅(qū)動軟件，這樣 PLC 也有了操作站。因為商業(yè)原因，一些 PLC 廠家在 90 年代也開發(fā)了監(jiān)控軟件。并企圖成為工控通用監(jiān)控軟件。由于開發(fā)時間很晚，不僅各個 PLC 的驅(qū)動軟件太少，而且市場也被其他軟件占據(jù)。對于通用監(jiān)控軟件來說，微軟開發(fā)的通訊協(xié)議 DDE（DYNAMIC DATA EXCHANGE ）、 快速 DDE 、網(wǎng)絡(luò) DDE 等都支持。u DDE 允許 Windows 環(huán)境下各使用的機器建立客

33、戶機 /服務(wù)器關(guān)系， 發(fā)送和接收數(shù)據(jù)， 彼 次發(fā)送指令。由服務(wù)器提供數(shù)據(jù)和接收從其它使用的機器發(fā)來的感興趣的數(shù)據(jù)請求。發(fā)請求的機 器就是客戶機，送數(shù)據(jù)的是服務(wù)器。u 快速 DDE 提供許多 DDE 的信息打包到單個 DDE 信息中。打包提高效率，減少服務(wù) 器和客戶機之間傳送的 DDE 數(shù)據(jù)。u 網(wǎng)絡(luò) DDE 延伸了標(biāo)準(zhǔn) DDE 功能，其中包括了局域網(wǎng)通過串行口的通訊。網(wǎng)絡(luò)的延伸 允許連在網(wǎng)上的不同計算機作為服務(wù)器、客戶機應(yīng)用運行的 DDE 連接。比如，網(wǎng)絡(luò) DDE 支持連 到 LAN ，或 modem 上的 IBM 兼容計算機和諸如在 VMS、 UNIX 等操作環(huán)境下的非 PC 為基礎(chǔ)的 平臺

34、之間的 DDE 。u SuitLinkK 用于 TCP/IP 為基礎(chǔ)的協(xié)議、 被設(shè)計成滿足工業(yè)需要， 如數(shù)據(jù)完整性、 高吞吐 量和容易診斷。此協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)只適用于 Windows NT4.0 以上。u OPC（ OBJACT LINK EMBED PROCESS CONTROL ）客戶機，可以從服務(wù)器取數(shù)據(jù)。 遵守 TCP/IP 協(xié)議。由于市場需要監(jiān)控軟件，因此，通用監(jiān)控軟件有許多廠商開發(fā)，在 90 年代，有如 FIX、 INTOUCH 、PARAGON、ONSPEC、CIMPLICITY 等 100多種。國內(nèi)有組態(tài)王、 SYNALL 等。對 于監(jiān)控軟件如果開發(fā)了許多 DCS 和 PLC 的驅(qū)動軟

35、件，在聯(lián)網(wǎng)時有許多網(wǎng)絡(luò)套件，它就成為通用 監(jiān)控軟件。其中驅(qū)動軟件最多的是 FIX 和 INTOUCH 。在 NT 平臺上，如果采用 FIX 、INTOUCH 等軟件，彼此可作為服務(wù)器，也可作為客戶機，彼此可以交換數(shù)據(jù)。DCS 在 70 年代問世時，計算機技術(shù)水平還比較低，市場上可以選用的零部件比較少。 DCS 生產(chǎn)廠家自己開發(fā)的操作站有專用的操作系統(tǒng)、專用的監(jiān)控軟件、專用的接口硬件和CRT、專用的打印機、專用硬盤和軟驅(qū)。甚至連接用的電纜和插頭、插座也是專用的。當(dāng)然，這樣作也 不能排除是 DCS 廠家為了獲取最大的商業(yè)利益而考慮的。由于計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，而DCS的發(fā)展沒有計算機快，它處在相對

36、穩(wěn)定的發(fā)展階段。后來市場上的各種微機零部件很多，但 DCS 都連接不上，異種系統(tǒng)更沒有辦法互連， DCS 廠家又都沒有按照市場變化修改自己的軟件，所以 DCS成為名符其實的自動化 孤島” DCS的用戶感到十分不方便，另外操作站比控制器更容易損 壞。其壽命大約 7-8 年左右。操作站由于買不到如硬盤、軟驅(qū)等，許多用戶決定在更換操作站時， 不再采用原DCS廠家的操作站，因為它價格昂貴、備件難賣。采用PC機和NT平臺，安裝通用監(jiān)控軟件，并開發(fā)和某一具體 DCS 的驅(qū)動軟件，做成通用操作站，代替原來的專用操作站。有的 DCS 廠家索性把專用操作站去掉，配以通用操作站。如 MOORE 公司的 APACS

37、 系 統(tǒng)，在1996年采用INTOUCH軟件（FIX也可以），MOORE公司只提供APACS的驅(qū)動軟件和提 硬件的配置要求，硬件由用戶自己選配。經(jīng)使用，運行很好。比 MOORE 公司自己開發(fā)的監(jiān)控軟 件要好用一些。這也許是 DCS 廠家軟件開發(fā)人員比通用軟件開發(fā)公司的軟件開發(fā)人員少有關(guān)。又 如 MEASUREX 的操作站也采用通用監(jiān)控軟件。 目前最多的替代操作站是 FIX、 INTOUCH 兩大類 型的通用替代操作站。早期的DCS，廠家分別都自己幵發(fā)專用監(jiān)控軟件。編寫程序時，控制器的驅(qū)動軟件和顯 示軟件不是分開來編寫。如果采用通用微機和 NT 平臺，它們與通用軟件相比， CPU 的開銷要小 一

38、些，對硬件的要求比通用的要低一些，但由于是和系統(tǒng)一起銷售，銷售量很小，軟件本身的問 題沒有得到充分暴露。如果硬件都能滿足通用、專用要求，專用監(jiān)控軟件的操作站死機現(xiàn)象比通 用的嚴(yán)重一些。據(jù)了解，某一套 DCS系統(tǒng)，硬件為PC機，操作系統(tǒng)為NT,專用監(jiān)控軟件裝配 成的操作站，一天內(nèi)死機幾次。隨著軟件版本升級，死機現(xiàn)象有增無減。一年內(nèi)打幾次補釘，死 機現(xiàn)象仍然存在。專用、通用兩種軟件相比，專用的目前還是比通用的要封閉一些。在網(wǎng)絡(luò)中使 用，還沒有網(wǎng)絡(luò)套件軟件。如采用通用監(jiān)控軟件， DCS 和 DCS 之間， DCS 和 PLC 之間， PLC 和 PLC 之間，各自的人機界面可以互連。只要是微軟的 W

39、INDOWS 界面，都能作為客戶機，采用 DDE、快速DDE和Suitelink讀取數(shù)據(jù)。它們既可以作為服務(wù)器， 也可以作為客戶機。在企業(yè)內(nèi)可 組成綜合管理信息系統(tǒng)。為了保證操作站的安全運行，可以單獨用一個 HMI 用于互連。通用監(jiān)控 軟件通常有網(wǎng)絡(luò)版的軟件，經(jīng)組態(tài)后，能通過網(wǎng)絡(luò)，組成服務(wù)器/客戶機格式，把實時信息傳到遠(yuǎn)方。在客戶機中，可以實時查看通用軟件做成的動態(tài)數(shù)據(jù)服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)。也能把信息送 入MIS系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫中（如 SQL、SY BASE、ORACLE ）。通用監(jiān)控軟件在它們的套件軟件 中，也有 Web軟件，安裝成 Web服務(wù)器，通過 Web服務(wù)器。瀏覽動態(tài)數(shù)據(jù)服務(wù)器中的數(shù)

40、據(jù)。它 不是實時數(shù)據(jù)。同時，通過微軟的 GLANZE 軟件，也可以接 Web。 瀏覽 MIS 數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)。 采用Web服務(wù)器，瀏覽數(shù)據(jù)，都比服務(wù)器/客戶機的方式要慢。采用通用操作站優(yōu)點歸納如下：價格低廉 DCS功能擴展用戶熟息各個系統(tǒng)的時間同步也是很重要的問題。網(wǎng)絡(luò)時間服務(wù)器是用于所有網(wǎng)上工作站的高品 質(zhì)時間同步的設(shè)備。一般情況下， DCS 系統(tǒng)的絕對時間是在操作站上 （人機界面 ）形成的，控制器 中只有相對時間。為了時間同步，可以把衛(wèi)星時間 GPS（GLOBAL POSITION SYSTEM） 作為基準(zhǔn)， 來校對 DCS 的時間。具體實現(xiàn)辦法如下：通過衛(wèi)星接收天線，時間服務(wù)器接收GPS

41、 系統(tǒng)中各個衛(wèi)星的原子鐘，再把時間信號送給動態(tài)數(shù)據(jù)服務(wù)器或 DCS 的操作站。通過動態(tài)數(shù)據(jù)服務(wù)器或操作 站的 DCS 的驅(qū)動軟件，把時間信號送到 DCS 的網(wǎng)絡(luò)上。原來以太網(wǎng)在 DCS 網(wǎng)絡(luò)中比較少用，但 現(xiàn)在也有用的。因為它比較廉價。它廣泛用于管理信息網(wǎng)（ MIS ），以太網(wǎng)也采用廣播式協(xié)議，但 與令牌網(wǎng)有區(qū)別。它采用隨機訪問的鏈路控制。在以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)中，各結(jié)點可以隨機的發(fā)送數(shù)據(jù)。 但當(dāng)兩個或更多的結(jié)點同時發(fā)送數(shù)據(jù)時，就產(chǎn)生數(shù)據(jù)發(fā)送沖突。發(fā)生沖突的結(jié)點都退回去，用一 個隨機延時的算法后再繼續(xù)發(fā)送。即采用載波監(jiān)聽多路訪問技術(shù)。隨機延時的算法有很多種，目 前都應(yīng)用于以太網(wǎng)。目前 MIS 系統(tǒng)已經(jīng)

42、與 DCS、PLC 連接成一個系統(tǒng)， DCS、PLC 數(shù)據(jù)通過動態(tài)數(shù)據(jù)服務(wù)器， 送到以太網(wǎng)，它的傳輸載體大都采用光纖。調(diào)度室通常是中心區(qū)域，以它為基點，連成星形網(wǎng)絡(luò) 結(jié)構(gòu)。中心區(qū)域配置有服務(wù)器。如 ORACLE 、SYBASE 、SQL 等。在服務(wù)器中存有軟件，把軟件 編制成子模塊形式。如財務(wù)管理子模塊、人事管理子模塊、原材料子模塊等。把DCS、 PLC 來的信號放在生產(chǎn)實時子系統(tǒng)模塊內(nèi)。生產(chǎn)實時的數(shù)據(jù)是海量的，既有實時的，又有歷史的。對于通用監(jiān)控軟件都有歷史數(shù)據(jù) 平臺。設(shè)服務(wù)器，它可以自成系統(tǒng)。最后再與 MIS 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫相連，為數(shù)據(jù)安全，還應(yīng)該有防 火墻。目前傳輸載體也大都是光纖。敷設(shè)光

43、纖的費用比較高（大約2 萬元人民幣 /公里）。在用光纖作為載體的 MIS 系統(tǒng)中，有些地方可能遠(yuǎn)離中心區(qū)域，但有少數(shù)數(shù)據(jù)也希望送到中心來顯示， 這時不一定用光纖，可以采用電話線。像地衡、輸煤、水處理等地方的數(shù)據(jù)，數(shù)量很少。只要在 電話總機的交換機接入特殊的路由器，它有以太網(wǎng)的接口。在信息源加貓（ MODEM ），布線中要 稍加調(diào)整就可以了。路由器、 MODEM 費用不很高。這時，光纖和電話線可以同時用于以太網(wǎng)。 這就是 SDSL（ Symmetric Digital Subscriber Line ）技術(shù)。 SDSL 技術(shù)的特點是同時既能通電話，又 能傳輸網(wǎng)絡(luò)。只要電話通了，網(wǎng)絡(luò)也就通了。這種

44、技術(shù)應(yīng)用于已經(jīng)有電話線的廠礦，并有電話總 機的情況?，F(xiàn)在國外已廣泛用于工廠網(wǎng)。如果企業(yè)比較小，可以不用光纖，全部用電話線，通訊 速率為 2.3M 。無論從信息端讀取數(shù)據(jù)還是傳到信息端的指令，速率是一樣的。路由器、MODEM之間的距離可以 7000 英尺。在使用時，不同時使用電話，距離還能延長。具體應(yīng)用接線見下圖。 DCS 的基本結(jié)構(gòu)和 PLC 的區(qū)別 :DCS 為分散控制系統(tǒng)的英文（ TOTAL DISTRIBUTED CONTROL SYSTEM ）簡稱。指的是控制危險分散、管理和顯示集中。 60 年代末有人研制了作邏 輯運算的可編程序控制器（ Programmable Logic Cont

45、roller ）。簡稱 PLC 。主要應(yīng)用于汽車制造業(yè)。 70年代中期以完成模擬量控制的 DCS 推向市場，代替以 PID 運算為主的模擬儀表控制。首先提 出 DCS 這樣一種思想的是原制造儀表的廠商，當(dāng)時主要應(yīng)用于化工行業(yè)。后又有計算機行業(yè)從事 DCS 的開發(fā)。70 年代微機技術(shù)還不成熟，計算機技術(shù)還不夠發(fā)達(dá)。操作站、控制器、 I/O 板和網(wǎng)絡(luò)接 口板等都是 DCS 生產(chǎn)廠家自行開發(fā)的，也就是所有部件都是專用的。70年代初，有人用如 PDP/1124這樣的小型機代替原來的集中安裝的模擬儀表控制。連 接到中央控制室的電纜很多。如用小型機既作為控制器、同時把連接小型機的 CRT 又作為顯示設(shè) 備

46、（即人機界面） 。一臺小型機需接收幾千臺變送器或別的傳感器來的信號，完成幾百個回路的運 算。很顯然其危險有點集中。和模擬儀表連接的電纜一樣多，并且一旦小型機壞了，控制和顯示 都沒有了。數(shù)字控制沒有達(dá)到預(yù)期的目的。后有人提出把控制和顯示分開。一臺計算機完成控制計算任務(wù)，另一臺計算機完成顯示 任務(wù)。另外，一個工藝過程作為被控對象可能需要顯示和控制的點很多，其中有一些還需要閉環(huán) 控制或邏輯運算，工藝過程作為被控對象的各個部分會有相對獨立性，可以分成若干個獨立的工 序，再把在計算機控制系統(tǒng)中獨立的工序上需要顯示和控制的輸入、輸出的點分配到數(shù)臺計算機 中去，把原來由一臺小型機完成的運算任務(wù)由幾臺或幾十臺

47、計算機（控制器）去完成。其中一臺 機器壞了不影響全局。所謂 “狼群代替老虎 ”的戰(zhàn)術(shù)，這就是危險分散的意思。把顯示、操作、打 印等管理功能集中在一起，用網(wǎng)絡(luò)把上述完成控制和顯示的兩部分連成一個系統(tǒng)。當(dāng)時有人把這 種系統(tǒng)稱為集散系統(tǒng)。危險究竟要分散到多少算合適呢？這與當(dāng)時的計算機技術(shù)的發(fā)展水平有關(guān)。 70 年代中期， 徹底分散就是一個控制器完成一個回路的運算。當(dāng)時由于人們對數(shù)字技術(shù)不太熟息，習(xí)慣于模擬 儀表， 70年代末、 80 年代曾經(jīng)風(fēng)行回路控制器，把數(shù)字控制器做成和原來模擬儀表在外觀上幾乎 完全一樣，不改變操作習(xí)慣 ，內(nèi)部把 PID 運算數(shù)字化。一塊儀表（一臺計算機）完成一個回路的 控制任

48、務(wù)。其價格較為昂貴，但危險是分散了。然后用通訊網(wǎng)絡(luò)把各個控制器和以 CRT 為基礎(chǔ)的 人機界面連成一個系統(tǒng)。這時網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)通常都是星形結(jié)構(gòu)?；芈返目刂破鞯闹谱鞒杀咎撸瑑r格 / 性能比不好。后來為了減低成本，就有兩回路的、四回路的控制器，它的價格 /性能比稍好一些。對于一個大中型系統(tǒng)來說，DCS的價格/性能比比回路控制器組成的系統(tǒng)要好。有些特殊地方還是 要用到一些回路控制器。如果所要完成的回路太多，如一個控制器采集幾千點、完成幾百個回路的運算，危險又 太集中。在這種情況下，危險必需分散。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，計算機的運算能力、存儲容量 和可靠性不斷提高，一臺計算機所完成的任務(wù)也可以增加。完成的任

49、務(wù)也可集中一點。另外，控 制器、網(wǎng)絡(luò)等冗余技術(shù)也得到了發(fā)展，控制運算也可集中一些。從目前的 DCS 來看，一個控制器完成幾十個回路的運算和幾百點的采集、再加適量的邏 輯運算，經(jīng)現(xiàn)場使用，效果是比較好的。這就產(chǎn)生控制器升級的問題了。有時控制器和檢測元件 的距離還是比較遠(yuǎn)，這就促進現(xiàn)場總線的發(fā)展。如CAN、LOONWORKS 、FF 等現(xiàn)場總線，以及HART 協(xié)議接收板等都用到 DCS 系統(tǒng)中。DCS 分為三大部分，帶 I/O 板的控制器、通訊網(wǎng)絡(luò)和人機界面（ HMI ）。由 I/O 板通過端 子板直接與生產(chǎn)過程相連，讀取傳感器來的信號。 I/O 板有幾種不同的類型，每一種 I/O 板都有相 應(yīng)的

50、端子板。l 模擬量輸入， 4-20 毫安的標(biāo)準(zhǔn)信號板和用以讀取熱電偶的毫伏信號板； 4-16 個通道不 等；l 模擬量輸出，通常都是 4-20 毫安的標(biāo)準(zhǔn)信號，一般它的通道比較少， 4-8 個個通道；l 開關(guān)量輸入； 16-32 個通道：l 開關(guān)量輸出，開關(guān)量輸入和輸出還分不同電壓等級的板，如直流 24 伏、 125伏；交流 220 伏或 115伏等； 8-16 個通道不等；l 脈沖量輸入，用于采集速率的信號； 4-8 通道不等；l 快速中斷輸入；l HART 協(xié)議輸入板；l 現(xiàn)場總線 I/O 板；每一塊 I/O 板都接在 I/O 總線上。 為了信號的安全和完整， 信號在進入 I/O 板以前信

51、號要 進行整修，如上下限的檢查、溫度補償、濾波，這些工作可以在端子板完成，也可以分開完成， 完成信號整修的板現(xiàn)在有人稱它們?yōu)樾盘栒{(diào)理板。I/O 總線和控制器相連。 80年代的 DCS 由于控制器的運算能力不強， 為了增加 I/O 點數(shù)， 把控制器的任務(wù)分開，實際上是有三種類型的控制器。即：完成閉環(huán)運算的控制器、模擬量數(shù)據(jù) 采集器和邏輯運算器。它們分別有自己的 I/O 總線，各種 DCS 的 I/O 總線各不相同。如果要求快 速，最好采用并行總線。一般采用串行總線比較多。尤其是 RS485 總線較多，模擬量數(shù)據(jù)采集器 和邏輯運算器的 I/O 點數(shù)可以多一些。閉環(huán)控制器、模擬量數(shù)據(jù)采集器和邏輯運算

52、器可以和人機界面直接連在通訊網(wǎng)絡(luò)上，在 網(wǎng)絡(luò)上的每一個不同的控制器作為網(wǎng)絡(luò)上的一個獨立結(jié)點。每一個結(jié)點完成不同的功能。它們都 應(yīng)有網(wǎng)絡(luò)接口。有的 DCS 為了節(jié)省網(wǎng)絡(luò)接口，把所有的過程控制用的設(shè)備即閉環(huán)控制器、模擬量 數(shù)據(jù)采集器和邏輯運算器預(yù)先連在控制總線上，稱為過程控制站。這可以增加過程控制站能接收 的 I/O 點數(shù)，又能節(jié)省接口。然后再通過接口連到網(wǎng)絡(luò)上，與人機界面相連。隨著計算機計術(shù)的 發(fā)展，控制器的運算能力不斷增強，如PC機做的一個控制器能力很強，既可接收模擬量運算，也接收開關(guān)量邏輯運算。一個控制器成為網(wǎng)絡(luò)上的一個結(jié)點。通過網(wǎng)絡(luò)與人機界面相連。控制器是DCS的核心部件，它相當(dāng)于一臺 P

53、C機。有的DCS的控制器本身就是 PC機。 它主要有 CPU、RAM 、E2PROM 和 ROM 等芯片，還有兩個接口，一個向下接收 I/O 總線來的信 號，另一個接口是向上把信號送到網(wǎng)絡(luò)上與人機界面相連。 ROM 用來存貯完成各種運算功能的控 制算法（有的DCS稱為功能塊庫）。在庫中存功能塊，如控制算法 PID、帶死區(qū)PID，積分分離 PID，算術(shù)運算加、減、乘、除、平方、幵方、函數(shù)運算一次濾波、正弦、余弦、X-Y函數(shù)發(fā)生器、超前-滯后；比較先進的算法有史密斯預(yù)估，C 語言接口、矩陣加、矩陣乘；邏輯運算有邏輯與、邏輯或、邏輯非、邏輯與非等。通常用站功能塊不僅把模擬量和開關(guān)量結(jié)合起來，還與人連

54、系起 來。功能塊越多，用戶編寫應(yīng)用程序（即組態(tài)）越方便。組態(tài)按照工藝要求，把功能塊連接起來 形成控制方案。把控制方案存在 E2PROM 中。因為 E2PROM 可以擦寫，組態(tài)要隨工藝改變而改 變，所以把組態(tài)存在 E2PROM 中。不同用戶有不同組態(tài)。組態(tài)時，用戶從功能塊庫中選擇要的功 能塊，填上參數(shù)，把功能塊連接起來。形成控制方案存到 E2PROM 中。這時控制器在組態(tài)方式， 投入運行后就成為運行方式控制器中安裝有操作系統(tǒng)，功能塊組態(tài)軟件和通訊軟件。 為了系統(tǒng)安全運行，閉環(huán)控制器一定是冗余運行的，一用一備，并且是熱備。為了使冗 余成功，應(yīng)注意以下幾點：兩個控制器的硬件、軟件版本必需一致；檢查發(fā)

55、送-接收的芯片是否完好；冗余的芯片是否完好。兩個模件的設(shè)定是否一樣、還要檢查有沒有帶手操站等。通訊網(wǎng)絡(luò)把過程站和人機界面連成一個系統(tǒng)。通訊網(wǎng)絡(luò)有幾種不同的結(jié)構(gòu)行式。如總線 式、環(huán)形和星形（見圖） 。總線形在邏輯上也是環(huán)形的。星形的只適用于小系統(tǒng)。不論是環(huán)形還是 總線形，一般都采用廣播式。其它一些協(xié)議方式已用的較少。通訊網(wǎng)絡(luò)的速率在10M 和 100M 左右。人機界面有 4 種不同形式的結(jié)點，它們是操作站、工程師工作站、歷史趨勢站和動態(tài)數(shù) 據(jù)服務(wù)器。u 操作站安裝有操作系統(tǒng)、監(jiān)控軟件和控制器的驅(qū)動軟件。顯示系統(tǒng)的標(biāo)簽、動態(tài)流程 圖和報警信息。u 工程師工作站給控制器組態(tài)（ CAD ），也可以給操

56、作站組態(tài)（作動態(tài)流程圖） 。如果監(jiān) 控軟件作圖能力很強，作圖工作可以由監(jiān)控軟件獨立完成。工程師站的另外一個功能是讀控制器 的組態(tài)，用于控制器升級，查找故障。我們稱之為逆向工程師站。u 歷史趨勢站用于存儲歷史數(shù)據(jù)，一般用磁盤陣列（稱為 RAID 技術(shù)）。u動態(tài)數(shù)據(jù)服務(wù)器是 DCS和MIS系統(tǒng)的接口，也是 DCS和Web的隔離設(shè)備。DCS 和 PLC 的設(shè)計原理區(qū)別較大， PLC 是由摸仿原繼電器控制原理發(fā)展起來的， 70年 代的 PLC 只有開關(guān)量邏輯控制， 首先應(yīng)用的是汽車制造行業(yè)。 它以存儲執(zhí)行邏輯運算、 順序控制、 定時、計數(shù)和運算等操作的指令；并通過數(shù)字輸入和輸出操作，來控制各類機械或生

57、產(chǎn)過程。用 戶編制的控制程序表達(dá)了生產(chǎn)過程的工藝要求，并事先存入 PLC 的用戶程序存儲器中。運行時按 存儲程序的內(nèi)容逐條執(zhí)行， 以完成工藝流程要求的操作。 PLC 的 CPU 內(nèi)有指示程序步存儲地址的 程序計數(shù)器，在程序運行過程中，每執(zhí)行一步該計數(shù)器自動加1，程序從起始步（步序號為零）起依次執(zhí)行到最終步（通常為 END 指令），然后再返回起始步循環(huán)運算。 PLC 每完成一次循環(huán)操 作所需的時間稱為一個掃描周期。不同型號的PLC，循環(huán)掃描周期在1微秒到幾十微秒之間。程序計數(shù)器這樣的循環(huán)操作，這是 DCS 所沒有的。這也是使 PLC 的冗余不如 DCS 的原因。 DCS 是 在運算放大器的基礎(chǔ)上

58、得以發(fā)展的。把所有的函數(shù)、各過程變量之間的關(guān)系都作成功能塊（有的 DCS 系統(tǒng)稱為膨化塊） 。 70年代中期的 DCS 只有模擬量控制。如 TDC2000 系統(tǒng)，一個控制器一 秒鐘內(nèi)能完成 8 個 PID 回路的運算。 首先應(yīng)用的是化工行業(yè)。 DCS 和 PLC 的表現(xiàn)的主要差別是在 開關(guān)量的邏輯解算和模擬量的運算上，即使后來兩者相互有些滲透，但是還是有區(qū)別。80 年代以后， PLC 除邏輯運算外， 也有一些控制回路用的算法， 但要完成一些復(fù)雜運算還是比較困難， PLC 用梯形圖編程，模擬量的運算在編程時不太直觀，編程比較麻煩。但在解算邏輯方面，表現(xiàn)出快 速的優(yōu)點，在微秒量級，解算 1K 邏輯程序不到 1 毫秒。 它把所有的輸入都當(dāng)成開關(guān)量來處理， 16 位（也有 32 位的）為一個模擬量。而 DCS 把所有輸入都當(dāng)成模擬量， 1 位就是開關(guān)量。解算一個 邏輯是在幾百微秒至幾毫秒量級。對于 PLC 解算一個 PID 運算在幾十毫秒，這與 DCS 的運算時間不相上下。 大型 PLC 使用另外一個 CPU 來完成模擬量的運算。 把計算結(jié)果送給 PLC 的控制器。 不同型號的DCS，解算PID所需時間不同，但都在幾十毫秒的量級。如早期的TDC2000系統(tǒng)，1秒鐘內(nèi)完成 8 個回路的控制運算。隨著芯片技術(shù)的發(fā)展，解算一個算法的時簡在縮