工業(yè)自動控制的DCS分散控制系

1、工業(yè)自動控制的DCS分散控制系制 作 ： 許 抒 弟 1什 么 是 D C S目錄2DCS的基本結(jié)構(gòu)3DCS集散控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成5DCS和PLC之間有什么不同Contents6第四代DCS系統(tǒng)4DCS的軟件系統(tǒng) 第一章 什么是DCSDCS前言 目前，在連續(xù)型流程生產(chǎn)自動控制（PA）或習(xí)慣稱之為工業(yè)過程控制中，有三大控制系統(tǒng)，即DCS（分散控制系統(tǒng)）、PLC（可編程邏輯控制器）和FCS（現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)）。 什么是DCS第一章DCS集散控制系統(tǒng)(Distributed Control System)是20世紀(jì)70年代中期發(fā)展起來的以微處理器為基礎(chǔ)的分散型計算機制系統(tǒng)。它是控制技術(shù)（Contro

2、l）、計算機技術(shù)（Computer）、通信技術(shù)（Communication）、圖形顯示(Display)相結(jié)合的產(chǎn)物該裝置是利用計算機技術(shù)對生產(chǎn)過程進行集中監(jiān)視、操作、管理和分散制的一種全新的分布式計算機控制系統(tǒng)。DCS是計算機技術(shù)、控制技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)高度結(jié)合的產(chǎn)物。DCS通常采用若干個控制器（過程站）對一個生產(chǎn)過程中的眾多控制點進行控制，各控制器間通過網(wǎng)絡(luò)連接并可進行數(shù)據(jù)交換。操作采用計算機操作站，通過網(wǎng)絡(luò)與控制器連接，收集生產(chǎn)數(shù)據(jù)，傳達操作指令。因此，DCS的主要特點歸結(jié)為一句話就是：分散控制集中管理。DCS的特點最簡單的DCS系統(tǒng)至少在垂直方向分兩級，即：操作管理級和過程控制級。在水平方

3、向上各個過程控制級之間是相互協(xié)調(diào)的分級，它們把數(shù)據(jù)向上送達操作管理級，同時接收操作管理級的指令，各個水平分級間相互也進行數(shù)據(jù)交換。DCS系統(tǒng)越大，其垂直方向和水平方向分級的范圍也越廣。分級遞階控制系統(tǒng)的優(yōu)點是各個分級有各自的分工范圍，相互之間有協(xié)調(diào)，通常，這種協(xié)調(diào)由上一級來完成。在垂直和水平方向都是分級的。分級遞階控制系統(tǒng) 分散的含義不單是分散控制，還包含了其他意義。如：地域分散，功能分散，設(shè)備分散，危險分散等。分散的目的是為了使危險分散，提高設(shè)備的可利用率。 分散是DCS的一個重要特點。分散控制DCS的各個組成部分是各自為政的自治系統(tǒng)，各自完成各自的功能，相互之間又有聯(lián)系，數(shù)據(jù)信息相互交換，

4、各種條件相互制約，在系統(tǒng)的協(xié)調(diào)下工作。分散過程控制裝置完成數(shù)據(jù)的采集、信號的處理、計算以及數(shù)據(jù)輸出等功能。操作管理裝置完成數(shù)據(jù)的顯示、操作監(jiān)視和操縱信號的發(fā)送等功能。通信系統(tǒng)則完成操作管理裝置與分散過程控制裝置間的通信。分散的基礎(chǔ)是被分散的系統(tǒng)是自治的系統(tǒng)；遞階分級的基礎(chǔ)是被分級的系統(tǒng)是協(xié)調(diào)的。 自治與協(xié)調(diào)性 第二章 DCS的基本結(jié)構(gòu)DCS的基本結(jié)構(gòu)第二章是集散控制系統(tǒng)與生產(chǎn)過程間的界面，生產(chǎn)過程的各種變量通過分散控制裝置轉(zhuǎn)化為操作監(jiān)視的數(shù)據(jù)，而操作的各種信息也通過分散控制裝置送到執(zhí)行機構(gòu)。在分散控制站裝置內(nèi)，進行模擬量與數(shù)字量的相互轉(zhuǎn)換，完成控制算法的各種運算，對輸入量與輸出量進行有關(guān)的軟件

5、濾波及其他的一些運算。DCS控制系統(tǒng)包括分散過程控制裝置、操作管理裝裝置、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)。分散過程控制裝置DCS的基本結(jié)構(gòu)第二章是操作人員與集散控制系統(tǒng)間的界面，操作人員通過操作管理裝置了解生產(chǎn)過程的運行狀況，并通過它發(fā)出操作指令給生產(chǎn)系統(tǒng)。生產(chǎn)過程的各種參數(shù)在操作管理裝置上顯示，以便于操作人員監(jiān)視和操作。包括操作員站和工程師站，完成系統(tǒng)的操作和組態(tài)。以及工廠管理信息系統(tǒng)（MIS系統(tǒng)），這是DCS更高層次的應(yīng)用。數(shù)據(jù)通信系統(tǒng) 操作管理裝置完成分散控制裝置與操作管理裝置之間的數(shù)據(jù)傳遞與交換，使之連成一個整體。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?？偩€形在邏輯上也是環(huán)形的。星形的只適用

6、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。有的集散控制系統(tǒng)在分散控制裝置內(nèi)又增加了現(xiàn)場級的控制裝置和現(xiàn)場總線的通信系統(tǒng)；有的集散控制系統(tǒng)在操作管理裝置內(nèi)增加了綜合級的控制裝置和相應(yīng)的通信系統(tǒng)。但從總的結(jié)構(gòu)來看，都是由這三部分組成的。 第三章DCS集散控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成DCS集散控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成第三章1、控制站控制站包括現(xiàn)場控制站和數(shù)據(jù)采集站等。有機柜、電源、控制計算機、其他部件?，F(xiàn)場控制單元的主要任務(wù)是進行數(shù)據(jù)采集及處理，對被控對象實施閉環(huán)反饋控制、順序控制和批量控制。用戶可以根據(jù)不同的應(yīng)用需求，選擇配置不同的現(xiàn)場控制

7、單元以構(gòu)成現(xiàn)場控制站。以面向連續(xù)生產(chǎn)的過程控制為主，順序邏輯控制為輔，構(gòu)成一個可以實現(xiàn)多種復(fù)雜控制方案的現(xiàn)場控制站；以順序控制、聯(lián)鎖控制功能為主的現(xiàn)場控制站；構(gòu)成對大批量過程信號進行總體信息采集的現(xiàn)場控制站。 DCS集散控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成第三章2、操作站DCS 操作站一般分為操作員站和工程師站兩種。工程師站主要是技術(shù)人員與控制系統(tǒng)的人機接口，可以對應(yīng)用系統(tǒng)進行監(jiān)視。工程師站為用戶提供了一個靈活的、功能齊全的工作平臺，通過組態(tài)軟件來實現(xiàn)用戶所要求的各種控制策略。有些小型DCS的工程師站可以用一個操作員站代替。操作站的主要設(shè)備有操作臺、微處理機系統(tǒng)、外部存儲設(shè)備、圖形顯示設(shè)備、操作鍵盤和鼠標(biāo)、打印

8、輸出設(shè)備。 第四章 DCS的軟件系統(tǒng)第四章DCS的軟件系統(tǒng)包括組態(tài)軟件、控制層軟件和監(jiān)控軟件DCS的軟件系統(tǒng)第四章安裝于工程師站。完成系統(tǒng)控制層軟件和監(jiān)控軟件的組態(tài)功能。根據(jù)實際生產(chǎn)過程控制的需要，預(yù)先將DCS所提供的硬件設(shè)備和軟件功能模塊組織起來，以完成特定的任務(wù)。要做的組態(tài)主要包括：硬件配置、數(shù)據(jù)庫組態(tài)、控制算法組態(tài)、流程顯示及操作畫面組態(tài)、報表組態(tài)、編譯和下裝特指運行于現(xiàn)場控制站的控制器中的軟件，針對控制對象，完成控制功能。其基本功能：I/O數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)組織管理、控制運算及I/O數(shù)據(jù)的輸出。（2）控制層軟件：（1）組態(tài)軟件：DCS的軟件系統(tǒng)第四章指操作員站或工程師站上的軟

9、件，主要完成操作人員所發(fā)出的各個命令的執(zhí)行、圖形與畫面的顯示、報警信息的顯示處理、對現(xiàn)場各類檢測數(shù)據(jù)的集中處理。（3）監(jiān)控軟件 第五章DCS和PLC之間有什么不同DCS和PLC之間有什么不同第五章關(guān)鍵字關(guān)鍵字關(guān)鍵字先進的大中型過程控制基本上以采用PLC和DCS為主，包括將DCS概念拓展的FCS。而目前，新型的DCS與新型的PLC，都有向?qū)Ψ娇繑n的趨勢。新型的DCS已有很強的順序控制功能；而新型的PLC，在處理閉環(huán)控制方面也不差，并且兩者都能組成大型網(wǎng)絡(luò)，DCS與PLC的適用范圍，已有很大的交叉。之前我們介紹過PLC，自控系統(tǒng)發(fā)展到現(xiàn)在，DCS和PLC之間沒有一個嚴格的界線，在大多數(shù)人看來，大的

10、系統(tǒng)就是DCS，小的系統(tǒng)就叫PLC。現(xiàn)在我們就這兩個來找不同：DCS和PLC之間有什么不同第五章關(guān)鍵字關(guān)鍵字關(guān)鍵字DCS從傳統(tǒng)的儀表盤監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展而來。因此，DCS從先天性來說較為側(cè)重儀表的控制，比如我們使用的YOKOGAWA CS3000 DCS系統(tǒng)甚至沒有PID數(shù)量的限制（PID,比例微分積分算法，是調(diào)節(jié)閥、變頻器閉環(huán)控制的標(biāo)準(zhǔn)算法，通常PID的數(shù)量決定了可以使用的調(diào)節(jié)閥數(shù)量）。PLC從傳統(tǒng)的繼電器回路發(fā)展而來，最初的PLC甚至沒有模擬量的處理能力，因此，PLC從開始就強調(diào)的是邏輯運算能力。1、發(fā)展的來由DCS和PLC之間有什么不同第五章關(guān)鍵字關(guān)鍵字關(guān)鍵字市場上控制類產(chǎn)品繁多，無論DCS還

11、是PLC，均有很多廠商在生產(chǎn)和銷售。對于PLC系統(tǒng)來說，一般沒有或很少有擴展的需求，因為PLC系統(tǒng)一般針對于設(shè)備來使用。一般來講，PLC也很少有兼容性的要求，比如兩個或以上的系統(tǒng)要求資源共享，對PLC來講也是很困難的事。而且PLC一般都采用專用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，比如西門子的MPI總線性網(wǎng)絡(luò)，甚至增加一臺操作員站都不容易或成本很高。DCS在發(fā)展的過程中也是各廠家自成體系，但大部分的DCS系統(tǒng)，比如橫河、YOKOGAWA、霍尼維爾、ABB等等，雖說系統(tǒng)內(nèi)部（過程級）的通訊協(xié)議不盡相同，但操作級的網(wǎng)絡(luò)平臺不約而同的選擇了以太網(wǎng)絡(luò)，采用標(biāo)準(zhǔn)或變形的TCP/IP協(xié)議。這樣就提供了很方便的可擴展能力。在這種網(wǎng)絡(luò)

12、中，控制器、計算機均作為一個節(jié)點存在，只要網(wǎng)絡(luò)到達的地方，就可以隨意增減節(jié)點數(shù)量和布置節(jié)點位置。另外，基于windows系統(tǒng)的OPC、DDE等開放協(xié)議，各系統(tǒng)也可很方便的通訊，以實現(xiàn)資源共享。2、系統(tǒng)的可擴展性和兼容性DCS和PLC之間有什么不同第五章關(guān)鍵字關(guān)鍵字關(guān)鍵字 DCS一般都提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫。換句話說，在DCS系統(tǒng)中一旦一個數(shù)據(jù)存在于數(shù)據(jù)庫中，就可在任何情況下引用，比如在組態(tài)軟件中，在監(jiān)控軟件中，在趨勢圖中，在報表中而PLC系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫通常都不是統(tǒng)一的，組態(tài)軟件和監(jiān)控軟件甚至歸檔軟件都有自己的數(shù)據(jù)庫。為什么常說西門子的S7400要到了414以上才稱為DCS？因為西門子的PCS7系統(tǒng)才使

13、用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫，而PCS7要求控制器起碼到S7 414-3以上的型號。3、數(shù)據(jù)庫DCS和PLC之間有什么不同第五章關(guān)鍵字關(guān)鍵字關(guān)鍵字 PLC的程序一般不能按事先設(shè)定的循環(huán)周期運行。PLC程序是從頭到尾執(zhí)行一次后又從頭開始執(zhí)行。（現(xiàn)在一些新型PLC有所改進，不過對任務(wù)周期的數(shù)量還是有限制。）而DCS可以設(shè)定任務(wù)周期。比如，快速任務(wù)等。同樣是傳感器的采樣，壓力傳感器的變化時間很短，我們可以用200ms的任務(wù)周期采樣，而溫度傳感器的滯后時間很大，我們可以用2s的任務(wù)周期采樣。這樣，DCS可以合理的調(diào)度控制器的資源。4、時間調(diào)度DCS和PLC之間有什么不同第五章關(guān)鍵字關(guān)鍵字關(guān)鍵字 一般來講，DCS慣常

14、使用兩層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，一層為過程級網(wǎng)絡(luò)，大部分DCS使用自己的總線協(xié)議，比如橫河的Modbus、西門子和ABB的Profibus、ABB的 CAN bus等，這些協(xié)議均建立在標(biāo)準(zhǔn)串口傳輸協(xié)議RS232或RS485協(xié)議的基礎(chǔ)上。現(xiàn)場IO模塊，特別是模擬量的采樣數(shù)據(jù)（機器代碼，213/掃描周期）十分龐大，同時現(xiàn)場干擾因素較多，因此應(yīng)該采用數(shù)據(jù)吞吐量大、抗干擾能力強的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)?；赗S485串口異步通訊方式的總線結(jié)構(gòu)，符合現(xiàn)場通訊的要求。 IO的采樣數(shù)據(jù)經(jīng)CPU轉(zhuǎn)換后變?yōu)檎螖?shù)據(jù)或?qū)嵭螖?shù)據(jù)，在操作級網(wǎng)絡(luò)（第二層網(wǎng)絡(luò)）上傳輸。因此操作級網(wǎng)絡(luò)可以采用數(shù)據(jù)吞吐量適中、傳輸速度快、連接方便的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，同時因操作

15、級網(wǎng)絡(luò)一般布置在控制室內(nèi)，對抗干擾的要求相對較低。因此采用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)是最佳選擇。TCP/IP協(xié)議是一種標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)協(xié)議，一般我們采用100Mbit/s的通訊速度。 PLC系統(tǒng)的工作任務(wù)相對簡單，因此需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量一般不會太大，所以常見的PLC系統(tǒng)為一層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。過程級網(wǎng)絡(luò)和操作級網(wǎng)絡(luò)要么合并在一起，要不過程級網(wǎng)絡(luò)簡化成模件之間的內(nèi)部連接。PLC很少使用以太網(wǎng)。5、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)DCS和PLC之間有什么不同第五章關(guān)鍵字關(guān)鍵字關(guān)鍵字PLC一般應(yīng)用在小型自控場所，比如設(shè)備的控制或少量的模擬量的控制及聯(lián)鎖，而大型的應(yīng)用一般都是DCS。當(dāng)然，這個概念不太準(zhǔn)確，但很直觀，習(xí)慣上我們把大于600點的系統(tǒng)稱為DCS

16、，小于這個規(guī)模叫做PLC。我們的熱泵及QCS、橫向產(chǎn)品配套的控制系統(tǒng)一般就是稱為PLC。 PLC與DCS發(fā)展到今天，事實上都在向彼此靠攏，嚴格的說，現(xiàn)在的PLC與DCS已經(jīng)不能一刀切開，很多時候之間的概念已經(jīng)模糊了。6、應(yīng)用對象的規(guī)模 第六章 第四代DCS系統(tǒng)第四代DCS系統(tǒng)第六章01受信息技術(shù)（網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、計算機硬件技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)、各種組態(tài)軟件技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)等）發(fā)展的影響，以及用戶對先進的控制功能與管理功能需求的增加，各DCS廠商以Honeywell（霍尼韋爾）、Emerson（艾默生）、Foxboro（?？怂共_）、橫河、ABB為代表紛紛提升其DCS系統(tǒng)的技術(shù)水平，

17、并不斷豐富其內(nèi)容。02第四代DCS的最主要標(biāo)志是兩個“I”開頭的單詞：Information（信息）和Integration（集成）。 03第四代DCS的體系結(jié)構(gòu) 第四代DCS的體系結(jié)構(gòu)主要分四層：現(xiàn)場儀表層、控制裝置單元層、工廠（車間）層和企業(yè)管理層。04一般DCS廠商主要提供下面的三層功能，而企業(yè)管理層則通過提供開放的數(shù)據(jù)庫接口連接第三方的管理軟件平臺（ERP、CRM、SCM等）。所以說當(dāng)今DCS主要提供工廠（車間）級的所有控制和管理功能，并集成全企業(yè)的信息管理功能。第四代DCS系統(tǒng)第六章（1）DCS充分體現(xiàn)信息化和集成化 信息和集成基本描述了當(dāng)今DCS系統(tǒng)正在發(fā)生的變化。我們已經(jīng)可以采集

18、整個工廠車間和過程的信息數(shù)據(jù)，用戶希望這些大量的數(shù)據(jù)能夠以合適的方式體現(xiàn)，并幫助決策過程，讓用戶以他明白的方式，在他方便的地方得到他真正需要的數(shù)據(jù)。 信息化體現(xiàn)在各DCS系統(tǒng)已經(jīng)不是一個以控制功能為主的控制系統(tǒng)，而是一個充分發(fā)揮信息管理功能的綜合平臺系統(tǒng)。DCS提供了從現(xiàn)場到設(shè)備，從設(shè)備到車間，從車間到工廠，從工廠到企業(yè)集團整個信息通道。這些信息充分體現(xiàn)了全面性、準(zhǔn)確性、實時性和系統(tǒng)性。基本上大部分DCS提供了過去常規(guī)DCS功能、SCADA功能以及MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)）的大部分功能。與ERP不同，MES匯集了車間中用以管理和優(yōu)化從下定單到產(chǎn)成品的生產(chǎn)活動全過程的相關(guān)硬件或軟件組件，它控制和利用

19、實時準(zhǔn)確的制造信息來指導(dǎo)、傳授、響應(yīng)并報告車間發(fā)生的各項活動，同時向企業(yè)決策支持過程提供有關(guān)生產(chǎn)活動的任務(wù)評價信息。MES的功能包括車間的資源分配、過程管理、質(zhì)量控制、維護管理、數(shù)據(jù)采集、性能分析及物料管理。 第四代DCS的技術(shù)特點 第四代DCS系統(tǒng)第六章 DCS的集成性則體現(xiàn)在兩個方面：功能的集成（如上面所述）和產(chǎn)品的集成。過去的DCS廠商基本上是以自主開發(fā)為主，提供的系統(tǒng)也是自己的系統(tǒng)。當(dāng)今的DCS廠商更強調(diào)系統(tǒng)的集成性和解決方案能力，DCS中除保留傳統(tǒng)DCS所實現(xiàn)的過程控制功能之外，還集成了PLC（可編程邏輯控制器），RTU（遠程終端設(shè)備），F(xiàn)CS（現(xiàn)場總線），各種多回路調(diào)節(jié)器，各種智能

20、采集或控制單元等。此外各DCS廠商不再把開發(fā)組態(tài)軟件或制造各種硬件單元視為核心技術(shù)，而是紛紛把DCS的各個組成部分采用第三方集成方式或OEM方式。第四代DCS的技術(shù)特點 第四代DCS系統(tǒng)第六章（2）DCS變成真正的混合控制系統(tǒng) 過去我們區(qū)分DCS和PLC主要通過被控對象的特點（過程控制邏輯控制）來進行劃分。但是，第四代的DCS已經(jīng)將這種劃分模糊化了。幾乎所有的第四代DCS都包容了過程控制、邏輯控制和批處理控制，實現(xiàn)了混合控制。這也是為了適應(yīng)用戶的真正控制需求。因為，多數(shù)的工業(yè)企業(yè)絕不能簡單地劃分為單一的過程控制和邏輯控制需求，而是由過程控制為主或邏輯控制為主的分過程組成的。我們要實現(xiàn)整個生產(chǎn)過

21、程的優(yōu)化，提高整個工廠的效率，就必須把整個生產(chǎn)過程納入統(tǒng)一的分布集成信息系統(tǒng)。第四代DCS的技術(shù)特點 第四代DCS系統(tǒng)第六章（3）DCS包含F(xiàn)CS功能并進一步分散化 過去一段時間，一些學(xué)者和廠商把DCS和FCS（現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)）對立起來。其實，真正推動FCS進步的仍然是世界主要幾家DCS廠商。所有的第四代DCS都包含了各種形式的現(xiàn)場總線接口，可以支持多種標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線儀表、執(zhí)行機構(gòu)等。此外，各DCS還改變了原來機柜架式安裝I/O模件、相對集中的控制站結(jié)構(gòu)，取而代之的是進一步分散的I/O模塊（導(dǎo)軌安裝），或小型化的I/O組件（可以現(xiàn)場安裝）或中小型的PLC。 第四代DCS的技術(shù)特點 第四代DCS系統(tǒng)第六章（4）DCS已經(jīng)走過高技術(shù)產(chǎn)品時代，進入低成本時代。配置靈活，適應(yīng)各種系統(tǒng)應(yīng)用。 DCS在上世紀(jì)九十年代還是技術(shù)含量高、應(yīng)用相對復(fù)雜、價格也相當(dāng)昂貴的工業(yè)控制系統(tǒng)。隨著應(yīng)用的普及， DCS已經(jīng)變成大家熟悉的，價格合理的常規(guī)控制產(chǎn)品。第四代DCS的另一個顯著特征就是各系統(tǒng)紛紛采用現(xiàn)成的軟件技術(shù)和硬件（I/O處理）技術(shù)，采用靈活的規(guī)模配置，大大降低系統(tǒng)的成本與價格。 第四代DCS不僅經(jīng)濟地應(yīng)用于大中型系統(tǒng)，而且應(yīng)用于小系統(tǒng)也很合適。 第四