第08章集散型控制系统(DCS)

第8章集散型控制系统 (DCS)回顾自动化技术发展的历史，可以看到它与生产过程本身的发展密切相关，是一个从简单形式到复杂形式，从局部自动化到全局自动化，从低级智能到高级智能的发展过程。

20 世纪70 年代初，受生产过程控制和管理要求的驱动以及4C 技术 ( Computer, Communication, Control and CRT )的影响，过程控制系统由直接数字控制系统DDC( Direct Digital Control )发展成为以“危险分散” 为基本设计思想的集散型控制系统DCS( Distributed Control System )，目前正向着现场总线控制系统FCS( Fieldbus Control System )方向发展。

本章主要讲述集散控制系统的一些基本知识，重点介绍两种常用的分散型控制系统：德国西门子 ( Siemens )公司的基于PLC( Programmable Logic Controller )的分散控制系统PCS7 和北京和利时( Hollysys )公司的MACS 系统。

8.1 集散控制系统基础集散控制系统又称多级计算机分布控制系统和分布式控制系统，它是以微处理器为基础的集中分散型控制系统，根据分级设计的基本思想，实现功能上分离，位置上分散，以达到“分散控制为主，集中管理为辅”的控制目的。

目前，集散控制系统已在工业控制领域得到了广泛应用，越来越多的仪表和控制工程师已经认识到集散控制系统必将成为过程工业自动控制的主流。

在计算机集成制造系CIMS ( Computer Integrated Manufacturing System )或计算机集成作业系统CIPS ( Computer Integrated Production System )中，集散控制系统将成为主角，发挥其优势。

随着计算机技术和网络技术的发展，系统的开放性不仅能使不同制造厂商的集散控制系统产品互联，方便地进行数据交换，而且也使得第三方的软件可以方便地在现有的集散控制系统上应用。

目前，我国已引进不同型号集散控制系统的数量多达几百套，同时也有自行研发的DCS 系统，应用领域遍及石化、轻化、冶金、建材、纺织、制药等各行各业。

8.1.1 集散控制系统的基本组成和特点尽管集散控制系统的种类和制造厂商繁多(如Siemens 、Honeywell 、Tayler 、Foxboro 、Yokogawa 、AB 、ABB 等)，控制系统软、硬件功能不断完善和加强，但从系统的结构分析，它们都是由过程控制站、操作站和通信系统三部分组成。

这三部分之间的关系如图8-1-1 所示。

( 1 )过程控制站过程控制站由分散过程控制装置组成，是集散控制系统与生产过程之间的界面，它的主要功能是分散的过程控制，生产过程的各种过程变量通过分散过程控制装置转化为操作监视的数据，而操作的各种信息也通过分散过程控制装置送到执行机构。

在分散过程控制装置内，进行模拟量与数字量的相互转换，完成控制算法的各种运算，对输入与输出量进行有关的软件滤波及其它的一些运算。

其结构具有如下特征：操作人员、管理人t需适应恶劣的工业生产过程环境 分散过程控制装置的一部分设备需安装在现场所处的环境差，因此，要求分散过程控制装置能适应环境的温、湿度变化；适应电网电压波动 的变化；适应工业环境中的电磁干扰的影响；以及环境介质的影响。

分散控制 分散过程控制装置体现了控制分散的系统构成。

它把地域分散的过程控制装置用分散的控制实现，它的控制功能也分为常规控制、顺序控制和批量控制等。

它把监 视和控制分离，把危险分散。

使得系统的可靠性提高。

实时性 分散过程控制装置直接与过程进行联系，为能准确反映过程参数的变化，它应具有实时性强的特点。

从装置来看，它要有快的时钟频率，足够的字长。

从软件来看， 运算的程序应精练、实时和多任务作业。

独立性 相对整个集散系统，分散过程装置具有较强的独立性。

在上一级设备出现故障或与上一级通信失败的情况下，它还能正常运行，从而使过程控制和操作得以进行。

因 此，对它的可靠性要求也相对更高。

目前的分散过程控制装置由多回路控制器、多功能控制器、可编程序逻辑控制器及数 据采集装置等组成。

它相当于现场控制级和过程控制装置级，实现与过程的连接。

（2）操作站操作站由操作管理装置，如由操作台、管理机和外部 设备（如打印机、拷贝机）等组成，是操作人员与集散控制系统之间的界面，相当于车间操作管理级和全厂优化和调度管 理级，实现人机接口。

它的主要功能是集中各分散过程控制装置送来的信息，通过监视和 操作，把操作和命令下送各分散控制装置。

信息用于分析、研究、打印、存储并作为确定 生产计划、调度的依据。

其基本特征如下：信息量大 它需要汇总各分散过程控制装置的信息以及下送的信息，对此，从硬件来看，它具有较大的存储容量，允许有较多的显示画面。

从软件来看，应采用数据库、压缩 技术、分布式数据库技术及并行处理技术等。

易操作性 集中操作和管理部分的装置是操作人员、 管理人员直接与系统联系的界面，它们通过 CRT 、打印机等装置了解过程运行情况并发出指令。

因此，除了部分现场手动操 作设备外，操作人员和管理人员都通过装置提供的输入设备，如键盘、鼠标、跟踪球标等 来操作设备的运行。

为此，对集中操作和管理部分的装置要有良好的操作性。

容错性好 由于集中操作和管理部分是人和机器的联系界面，为防止操作人员的误操 作，该部分装置应有良好的1人机界面分散过程控制装| 统I 过程界面生产过程图 8-1-1 集散控制 系统的基本组成 集中操作和管数据通信子系统1 子系统2子系统n容错特性。

即只有相当权威的人员才能对它操作。

为此，要设置硬件密钥、软件加密，对误操作不予响应等安全措施。

（3 ）通信系统集散控制系统要达到分散控制和集中操作管理的目的，就需要使下一层信息向上一层集中，上一层指令向下一层传送，级与级或层与层进行数据交换，这都靠计算机通信网络（即通信系统）来完成。

通信系统是过程控制站与操作站之间完成数据传递和交换的桥梁，是集散控制系统的中枢。

通信系统常采用总线型、环型等计算机网络结构，不同的装置有不同的要求。

有些集散控制系统在过程控制站内又增加了现场装置级的控制装置和现场总线的通信系统，有些集散控制系统产品则在操作站内增加了综合管理级的控制装置和相应的通信系统。

与一般的办公或商用通信网不同，计算机通信系统完成的是工业控制与管理，具有如下特点：实时性好，动态响应快集散控制系统的应用对象是实际的工业生产过程。

它的主要数据通信的信息是实时的过程信息和操作管理信息。

所以网络要有良好的实时性和快速的响应性，一般响应时间在0.01 —0.5s 。

快速响应要求的开关、阀门或电机的运转都在毫秒级，高优先级信息对网络存取时间也不超过10ms 。

可靠性高对于通信网络来说，任何暂时中断和故障都会造成巨大的损失，为此，相应的通信网络应该有极高的可靠性。

通常，集散控制系统是采用冗余技术，如双网备份方式，当发送站发出信息后的规定时间内未收到接收站的响应时，除了采用重发等差错控制外，也采用立即切入备用通信系统的方法，以提高可靠性。

适应恶劣的工业现场环境集散控制系统运行于工业环境中，必须能适应于各种电磁干扰、电源干扰、雷击干扰等；恶劣的工业现场环境。

现场总线更是直接敷设在工业现场，因此，集散控制系统采用的通信：网络应该有强抗扰性，如采用宽带调制技术，减少低频干扰；采用光电隔离技术，减少电磁干扰；采用差错控制技术，降低数据传输的误码率等。

开放系统互连和互操作性大多数的集散控制系统的通信网络是有各自专利的，但为了便于用户的使用，能实现不同厂家的DCS 互相通信（开放），对网络通信协议的标准化受到普遍重视，国际标准化组织（ISO）提出一个开放系统互连（OSI）体系结构，它定义异种计算机链接在一起的结构框架，采用网桥实现互连。

开放系统的互连，使其他网络的优级软件能够很方便地在系统所提供的平台上运行，能够在数据互通基础上协同工作，共享资源，使系统的互操作性、信息资源管理的灵活性和更大的可选择性得到增强。

自1975 年美国Honeywell 公司推出第一套集散控制系统TDC2000 以来，集散控制系统已经经历了三代。

目前，散控制系统主要有以下特点：标准化的通信网络作为开放系统网络，符合标准的通信协议和规程。

集散控制系统已采用的国际通信标准有：IEEE802 局部网络通信标准、PROWAY 过程控制数据通信协议和MAP 制造自动化协议。

这些标准使集散控制系统具有强的可操作性，可以互相联接，共享系统资源，运行第三方的软件等。

通用的软、硬件早期的集散控制系统厂家为了技术保密而自行设计开发生产，各集散控制系统间不能互联，用户需储备大量备品备件，极不方便。

目前，各集散控制系统厂家纷纷采用专业厂家的标准化、通用化、系列化、商品化的产品。

如在硬件方面，实现了机架、板件的标准化，降低了系统的价格，大大减轻了用户备品备件的压力和费用；在软件方面，集散控制系统已经被移植到Windows NT 网络平台，加速了集散控制系统功能软件的开发，使其功能更加完善和加强。

完善的控制功能集散控制系统依靠运算单元和控制单元的灵活组态，可实现多样化的控制策略，如PID 系列算法、串级、比值、均匀、前馈、选择、解耦、Smith 预估等常规控制以及状态反馈、预测控制、智能控制等高级控制算法。

安全性能进一步提高集散控制系统除采用高可靠性的软硬件以及通信网络、控制站等冗余措施外，还使用了故障检测与诊断工程软件，可对生产工况进行监测，从而及早发现故障，及时采取措施，进一步提高了生产的安全性。

8.1.2 集散控制系统的发展概况集散控制系统大体可分为三个发展阶段：以分散控制为主的第一阶段、以全系统信息管理为主的第二阶段以及通信管理和控制软件更加丰富完善的第三阶段。

（1 ）第一阶段（1975 年--1980 年）微处理器的发展导致第一代集散控制系统的产生，系统以实现分散控制为主，技术重点表现为：1）采用以微处理器为基础的过程控制单元（Process Control Unit ），实现了分散控制，有各种控制功能要求的算法，通过组态（Configuration ）独立完成回路控制；具有自诊断功能，在硬件制造和软件设计中应用可靠性技术；在信号处理时，采取抗干扰措施，它的成功使分散控制系统在过程控制中确立了地位。

2）采用带CRT 屏幕显示器的操作站与过程控制单元的分离，实现集中监视、集中操作，系统信息综合管理与现场控制相分离，这就是人们俗称的“集中分散综合控制系统” ——集散控制系统的由来，这是集散控制系统的重要标志。

3）采用较先进的冗余通信系统，用同轴电缆作传输媒质，将过程控制单元的信息送到操作站和上位计算机，从而实现了分散控制和集中管理。