工业过程控制

课程设计报告书

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指导教师

2013 年 11 月 11 日

摘要：DCS（Distributed Control System）作为一种成熟的技术在当今的工控领域占有主导地位，但是随着FCS(Fieldbus Control System）技术的成熟、网络技术（Network Technology）的飞速发展、软件技术的不断创新和无线连接技术（Wireless Linking Technology）的出现，DCS面临诸多机遇与挑战，本文就是以此为基点展开。

关键字：DCS FCS 网络技术无线连接技

1.引言

过程控制作为自动化技术的应用，其发展历史可以追溯到古代，但至于在工业上的应用只能从上个世纪20年代算起，那时的过程控制系统为简单系统，仪表是基地式、大尺寸的；到二战前后，各种复杂的控制系统发展了起来，在控制器方面，单元组合式仪表应运而生，气动单元组合仪表（QDZ）和电动单元组合仪表（DDZ）成为当时控制仪表的主流；随着科学技术的发展，到了上个世纪70年代，微型计算机的出现，给过程控制带来了重大突破，数字计算机进入到了工业控制领域，产生了第一代控制系统：计算机集中控制系统CCS（Concentrated Control System），它取代了传统的模拟仪表，从而能够使用更为先进的控制技术，使过程控制发生了质的飞跃，但由于CCS控制直接面向被控对象，并未形成控制网体系，集中了控制的同时也集中了危险；针对CCS的缺点，没过几年人们就研制出了真正意义上的工业控制网络体系DCS，这种系统在集中控制的同时分散了危险，所以普遍用于当今的工业控制领域，但今天的技术发展更是突飞猛进，FCS、网络技术、计算机技术等技术对DCS构成了极大的挑战。本文就是对DCS的一些肤浅认识。

2. 当前DCS结构特点及其所采用的技术

2.1 硬件的网络分层结构

典型的DCS网络系统可分为过程控制级、控制管理级、生产管理级三个分级。第一层过程控制级主要以PLC（Programmable Logical Controller）或I/O模块通过现场总线构成对现场设备的基本控制；第二层是控制管理级，即以监控计算机通过工控网络与PLC或I/O模块相连，实现对流程设备的上位机监控；第三层为生产管理层，即以文件服务器、管理计算机极其工业局域网与监控计算机相连，随时读取现场信息实现上层的生产管理。这种系统的构成，对于某个局部的不可靠，从而使对整个系统构成损害的概率降

的很低，加之各种软硬件技术的不断走向成熟，极大地提高了整个系统的可靠性，因而DCS成为了当今工业自动控制系统地主流。

2.2 软件特点

由于DCS的特殊功能，所以它的软件系统不同于我们常说的软件，它有自己的特点，如图1所示为一般DCS软件的构成框图和工作原理，从中我们可以发现，它充分体现了DCS的分层网络结构，对于我们来说大量工作集中在工程师站上，而操作员站、服务器站和现场控制站一般都用其专用软件来实现，我们只是学会使用就行了。

2.3 DCS的缺点

作为一项比较成熟的工程技术，DCS在全世界范围内取得了巨大成功，但随着时代的进步，各种新技术的推陈出新，人们对DCS的要求也日益苛刻，所以今天的DCS呈现出一些不足，具体有：①系统接线工作特别繁重，因为每个现场设备都需要用线缆连至控制室，因而为以后的查线、维护带来许多不便；②由于采用的是标准模拟4～20mA信号，不是数字信号进行数据传输，因此在信号可靠性、抗干扰等方面值得怀疑；③各种不同的DCS

在互连时存在问题，也就是说我们在同一工程中选用不同DCS联接时，在互相通讯上往往有一些麻烦，这就给系统集成带来困难，因此我们需要在不同DCS的互操作性上作些工作。

3.当前影响DCS发展的几种主要技术

3.1 现场总线系统的迅速发展

现场总线系统是指一种新的控制系统，它是在现场总线技术发展的驱动之下形成的新型网络集成式全分布控制系统，主要特点有：①从结构上讲

打破了传统的系统结构，将控制单元置入现场设备，加上现场设备的通讯功能，现场变速器可直接与阀门等执行机构通讯，因而控制系统能够不依赖于控制室的计算机而直接现场完成控制，实现了彻底的分散控制；②从采用技术上讲，FCS是一个开放系统，存在相关标准的一致性、公开性，所以只要遵守相同的标准就可以实现各种不同设备的互联，对用户而言就可以按照自

己的需要，组织不同厂商的产品，构建适合自己的最经济有效的系统；③从可靠性上讲，它由于采用了全数字信号通讯，加之现场设备的智能化与功能自治性，所以具有更高的可靠性，而且在布线和维护上带来许多便利。从目前全球现场总线的发展来看，FCS已经有十多年的历史，技术已趋于成熟，并形成了国际标准，也有成功用于过程控制的例子，因此有人认为FCS将会代替DCS，成为新一代控制系统。

3.2 网络技术的飞速发展

控制网络的发展，其基本趋势是逐渐走向开放、透明的通讯协议，但在DCS中应用的各种现场总线，其开放性是不彻底的，相比而言以太网有传输速度高、低耗、易于安装和兼容性好等方面的优势，同时它又支持所以流行的TCP/IP网络协议，所以在商业系统中被广泛应用。近年来，随着网络技术的发展成熟，以太网已经进入到控制领域，形成了新型的以太网控制技术。下面就是对工业以太网的特性作一分析。传统的工业以太网采用随机访问协议——带冲突检测的载波侦听多路存取（CSMA/CD），通过它进行介质访问控制，对于响应时间要求严格的控制过程会可能产生碰撞冲突，但近年来出现的快速交换式以太网技术，采用全双工通讯，可以完全避免CSMA/CD中的碰撞，并且可以方便的实现优先级机制，保证网络带宽的最大利用率和最好实时性，并且网速也在不断提高，从10M发展到快速以太网

100M、1000M，GM级的以太网技术也在研究之中，因此有理由相信未来的以太网完全可以满足工控系统的实时性要求。

3.3 无线连接技术

无线连接（Wireless Linking）技术在目前常见应用于实现无线数据采集，而用在控制工程上的很少，但随着这种技术的日趋成熟和越来越标准化，在工控领域大范围应用也可成为可能，特别是值得一提的是蓝牙（Bluetooth）技术正为人们所关注，下面就以它为例简要介绍一下这种技术的特点：使用2.4GHz的ISM频段；采用FM调制方式。该技术的传输速率设计为1MHz，以时分方式进行全双工通信，现在的通讯距离为10～100m，由此可见要在工控领域内应用必须扩大通讯距离。特别值得一提的是在参考资料中，一种基于无线连接的钟摆控制已在实验室取得成功，这为我们在工控领域采用这种技术奠定了基础。

3.4 软件技术的发展

从工程角度讲，随着硬件性能的大幅度提高，如何有效的组织利用它们，充分发挥其潜能是工程软件师面临的主要课题，就从目前工程界来讲，各种独立的SCADA软件包越来越成熟，也被更多的用户接受，在这里我想讲