国内DCS生产厂家和主要产品.docx

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国内DCS生产厂家和主要产品

课程设计

课程：

计算机测控网络

题目：

DCS概述及产品调研

专业：

控制理论与控制工程

学号：

姓名：

二零一六年五月二十六日

摘要

集散控制系统简称DCS，也可直译为“分散控制系统”或“分布式计算机控制系统”。

它采用控制分散、操作和管理集中的基本设计思想，采用多层分级、合作自治的结构形式。

其主要特征是它的集中管理和分散控制。

目前DCS在电力、冶金、石化等各行各业都获得了极其广泛的应用。

本文从六个方面介绍集散控制系统：

第一章首先讲述集散控制系统的发展历程，然后举例说明了DCS系统在实际生产中的应用过程。

第二章介绍了DCS系统的现状与发展趋势，以及一套使用户满意的DCS系统应该具备以下特点。

第三章介绍了DCS主要技术，包括硬件的网络分层结构、现场总线控制系统（FCS）的迅速发展、网络技术、无线连接技术、软件技术的发展、以及DCS与PLC对比。

第四章介绍了DCS系统的主要应用领域，如流程工业CIMS、石油化工工业应用。

第五章介绍了DCS相关产品，包括国内的六家企业的主要产品。

第六章对几款市场上最常用的DCS产品进行了性能对比。

一、集散控制系统的发展历程

早期的控制系统往往是一台二次仪表控制一个回路，各回路的仪表相互之间没有关联关系，单个回路的仪表损坏之后并不影响其他回路仪表的正常运行。

第一代过程控制系统（PCS，PneumaticControlSystem）是基于气信号的气动仪表控制系统；第二代过程控制系统（ACS，AnalogousControlSystem）是基于模拟电流信号的电动模拟单元组合式仪表控制系统；20世纪80年代，微处理机的出现和应用，从而产生了分布式控制系统，即第三代过程控制系统（DCS，DistributedControlSystem）；20世纪90年代，现场总线技术的出现产生了新的一代过程控制系统，即现场总线控制系统FCS（FieldbusControlSystem）。

DCS即集散型控制系统，又称分布式控制系统（DistributedControlSystem）。

它是指利用计算机技术将所有的二次显示仪表集中在电脑上显示，同时所有的一次表及调节阀等仍然分散安装在生产现场，DCS系统的核心是布置在机柜室的现场控制站，一旦控制站出现出现故障，将会导致灾难性的后果，为了避免这种情况的发生，各DCS生产厂家采用在线冗余（如同机泵的备用泵一样，一台坏了，另一台自动运行，而且是无扰动的切换。

在这种切换方式下，我们人根本感觉不到任何变化发生）的技术来解决这一问题。

DCS系统的主要基础是4C技术，即计算机－Computer、控制－Control、通信－Communication和CRT显示技术。

DCS系统通过某种通信网络（如以太网、总线等）将分布在工业现场的现场控制站和操作室（控制中心）的操作员站及工程师站等连接起来，以完成对现场生产设备的分散控制和集中操作管理（工程师站与操作站一样都是普通的计算机，只是因为其内部装有组态软件而已，大多数情况下工程师站也能作为操作站使用）。

下图以一个水位信号调节的例子简单地说明DCS系统在实际生产中的应用过程：

被控对象（过程）：

工艺生产设备（如反应釜，换热器，汽包、水箱等），从传感器（测量变送单元）到执行器之间。

被控参数：

各种工艺参数，如液位，温度，压力等。

测量变送：

对被控参数进行测量转换的装置（转换成标准信号）。

调节器：

把测定值和设定值进行比较和运算并输出控制信号的装置。

执行器（调节阀）：

接收调节器来的信号并予以执行的装置。

二、DCS系统的现状与发展趋势

经历了二十几年的发展，DCS有了很大的变化。

这种变化来自两方面的动力：

用户需求的不断提高和电子与信息技术的快速发展。

用户的需求已经不再满足于应用DCS代替常规的仪表控制和简单的数据检测，同时随着电子与信息技术的进步使得DCS应用的构成元件（电子元器件、处理器、软件、网络等）性能大大提高且价格大幅度下降，特别是各种板级OEM部件和HMI软件的发展进一步简化了DCS的开发难度并降低了开发成本。

目前，一套使用户满意的DCS系统应该具备以下特点：

1.系统具备开放的体系结构，可以提供多层的开放数据接口；

2.系统应具备强大的处理功能，并提供方便的组态复杂控制系统的能力与用户自主开发专用高级控制算法的支持能力；

3.系统应支持多种现场总线标准以便适应未来的扩充需要；

4.系统应高可靠、维修方便、工艺先进、价格合理。

三、DCS主要技术

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3个分级。

第1层过程控制级主要以PLC或I/O模块通过现场总线构成对现场设备的基本控制;第2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3层为生产管理层，即以文件服务器、管理计算机及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，使某个局部的不可靠对整个系统构成损害的概率大大降低，加之各种软硬件技术不断走向成熟，这就极大地提高了整个系统的可靠性，因而DCS成为当今工业自动控制系统的主流。

2.2　现场总线控制系统（FCS）的迅速发展

FCS是一种新型的控制系统，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:

从结构上讲，FCS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，现场变送器可直接与阀门等执行机构进行通讯，因而控制系统能够不依赖于控制室的计算机而直接在现场完成控制，实现了彻底的分散控制;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，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;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，也有成功应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。

2.3　网络技术

控制网络的发展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，并形成了新型的以太网控制技术。

下面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可能会产生碰撞冲突，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，并且可以方便地实现优先级机制，保证网络带宽的最大利用率和最好实时性，而且网速也在不断提高，从10M发展到快速以太网的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。

2.4　无线连接技术

无线连接（WirelessLinking）技术目前常见的应用是实现无线数据采集，而用在控制工程上应用很少，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成为可能。

特别值得一提的是蓝牙（Bluetooth）技术正为人们所关注。

它使用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。

2.5　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，如何有效地组织利用它们，充分发挥其潜能是软件工程师研究的主要课题。

就从目前工程界来讲，各种独立的SCADA软件包越来越成熟，也被更多的用户所接受，在这里笔者想讲的是新兴的软连接技术在工控领域的应用，例如:

ODBC，OLEDB，OPC，COM等。

特别是OPC（OLEForProcessControl）技术，是将COM引入工业过程的一种工业标准。

满足这个标准的设备都能同其他OPC客户程序进行通讯。

这种技术建立了一组符合工业控制要求的接口规范，将现场信号按照统一的标准与SCADA，HMI等软件无缝链接起来，同时将硬件与应用软件有效地分离开，只要设备有OPC接口的服务器，任何支持其接口的客户程序都可以采用统一方式对不同厂商的设备进行数据存取，无须重复开发驱动程序，这样就大大提高了控制系统的互操作性和适应性。

2.6DCS与PLC对比

基于以上技术特点，特给出DCS和PLC的对比：

1）DCS是一种“分散式控制系统”，而PLC（可编程控制器）只是一种控制“装置”，两者是“系统”与“装置”的区别。

系统可以实现任何装置的功能与协调，PLC装置只实现本单元所具备的功能。

2）在网络方面，DCS网络是整个系统的中枢神经，它是安全可靠双冗余的高速通讯网络，系统的拓展性与开放性更好。

而PLC因为基本上都为个体工作，其在与别的PLC或上位机进行通讯时，所采用的网络形式基本都是单网结构，网络协议也经常与国际标准不符。

在网络安全上，PLC没有很好的保护措施，我们采用电源、CPU、网络双冗余。

3）DCS整体考虑方案，操作员站都具备工程师站功能，站与站之间在运行方案程序下装后是一种紧密联合的关系，任何站、任何功能、任何被控装置间都是相互连锁控制，协调控制；而单用PLC互相连接构成的系统，其站与站（PLC与PLC）之间的联系则是一种松散连接方式，是做不出协调控制的功能。

4）DCS在整个设计上就留有大量的可扩展性接口，外接系统或扩展系统都十分方便，PLC所搭接的整个系统完成后，想随意的增加或减少操作员站都是很难实现的。

5）DCS安全性：

为保证DCS控制的设备的安全可靠，DCS采用了双冗余的控制单元，当重要控制单元出现故障时，都会有相关的冗余单元实时无扰的切换为工作单元，保证整个系统的安全可靠。

PLC所搭接的系统基本没有冗余的概念，就更谈不上冗余控制策略。

特别是当其某个PLC单元发生故障时，不得不将整个系统停下来，才能进行更换维护并需重新编程。

所以DCS系统要比PLC安全可靠性上高一个等级。

6）系统软件，对各种工艺控制方案更新是DCS的一项最基本的功能，当某个方案发生变化后，工程师只需要在工程师站上将更改过的方案编译后，执行下装命令就可以了，下装过程是由系统自动完成的，不影响原控制方案运行。

系统各种控制软件与算法可以将工艺要求控制对象控制精度提高。

而对于PLC构成的系统来说，工作量极其庞大，首先需要确定所要编辑更新的是哪个PLC，然后要用与之对应的编译器进行程序编译，最后再用专用的机器（读写器）专门一对一的将程序传送给这个PLC，在系统调试期间，大量增加调试时间和调试成本，而且极其不利于日后的维护。

在控制精度上相差甚远。

这就决定了为什么在大中型控制项目中（500点以上），基本不采用全部由PLC所连接而成的系统的原因。

7）模块：

DCS系统所有I/O模块都带有CPU，可以实现对采集及输出信号品质判断与标量变换，故障带电插拔，随机更换。

而PLC模块只是简单电气转换单元，没有智能芯片，故障后相应单元全部瘫痪。

8）现在高端的PLC与DCS的功能已经差不多，DCS对网络和分布式数据库还要定时扫描有较强的功能，同时对运算和模拟量的处量比较拿手。

9）PLC还分大、中、小、微PLC，其中微型的只卖几百块到2000块，点数也好少，大型的可以带数千点，运算能力与DCS差不多，但对多机联网功能较弱。

现在两个技术平台都差不多，只是重点不一样。

四、DCS系统主要应用领域

DCS系统基本体系结构本身所涉及的技术已经非常成熟，随着用户对DCS应用和开发越来越熟悉，价格越来越透明，利润空间越来越薄。

受信息技术（网络通信技术、计算机硬件技术、嵌入式系统技术、现场总线技术、各种组态软件技术、数据库技术等）发展的影响，以及用户对先进的控制功能与管理功能需求的增加，各DCS厂商必将提升DCS系统的技术水平，并不断地丰富其内容，对DCS应用进一步拓展。

4.1数据优化和信息管理 

对DCS采集的现场实时数据，利用先进的数据库技术、通讯技术，结合用户的工艺实际作进一步的深度加工，为用户提供更大的增值作用。

一种是提供针对某些工艺流程的优化软件，使用户提高生产效率和经济效益；另一种是功能增加，包括：

设备维护功能，更加细致地分析设备的热应力，机械故障状态，通过监测设备的运行状态来判断设备是否需要维护，减少意外停车，提高设备的利用率；还有一种就是与用户的管理结合起来，参与用户的全厂信息系统。

例如提供SIS（实时信息监控系统）、信息管理系统（MIS），帮助用户提高管理水平。

4.2现场总线技术应用 

结合当前现场总线技术的发展和具有现场总线通讯功能的现场仪表不断涌现的趋势，DCS供应商开发出针对各种现场总线通讯协议的现场接口。

DCS与现场仪表之间不是仅仅测量数据的传输，而且还要传输大量表达仪表状态、参数、管理等方面的信息，甚至要把简单的控制功能也"下放"到现场仪表中去。

4.3流程工业CIMS

流程工业CIMS是一个复杂的综合自动化系统，处理的对象是整个企业的全部生产活动，DCS作为一种有效的工具和实现手段，在流程工业CIMS中完成重要的基础控制和实时生产数据采集、动态监控等功能。

与管理类计算机相比，DCS能够提供更加可靠的生产过程数据，使CIMS系统所作出的优化决策也更加可靠。

从功能上看，流程工业CIMS中的生产自动化系统、动态监控系统和在线质量控制都可以由DCS实现。

从流程工业CIMS的层次结构看，DCS主要担负过程控制和过程优化任务，有些生产调度和生产管理工作也可在DCS上完成。

4.4石油化工工业应用

4.4.1情况概述

石化工业的特点是连续大生产，特别强调安全、稳定、长期、满负荷、优化的运行。

随着生产装置的大型化、复杂化，过程控制在生产上占有的地位日趋重要。

多年来，我国石化工业也努力采用先进的电子技术改造传统生产方法，积极开发投资少、见效快、经济效益好的微机控制项目。

例如催化裂化监控系统、常减压控制系统、加热炉低氧燃烧控制、油品调和的离线调优等。

同时在一些工艺复杂、效益较高、管理有一定基础的重要关键生产装置上采用DCS。

截止到1990年，中国石油化工总公司范围内用于过程控制的大小不同规模的DCS共122套，其中已投用的90套，在建的32套。

除4套为国产外，其余均为国外引进产品。

石化总公司的122套DCS，用于炼油专业的27套，化工专业的47套，化纤专业的18套，化肥专业的13套，公用工程、三剂生产等系统14套，另有3套用于中试装置。

除此3套外，其余119套DCS分别用在25个企业的71个生产厂。

4.4.2DCS应用情况

纵观一头用的90套DCS，绝大部分都取得了较好的经济效益，对工业生产起了促进作用，具有常规仪表无法代替的优点，充分显示了DCS安全可靠性高、控制算法丰富、组态灵活、调节品质高、人机界面友好、操作方便、易于扩展、信息管理集中等特点。

例如高桥石化公司炼油厂1#常减压装置采用SPECTRUM系统与FOX-300上位机，除对全装置实现常规控制外，开发了常压塔计算机集成优化系统，实现了基于动态内回流的常压塔测线产品质量的在线计算、多测线产品质量及收率的智能化协调控制与最佳回流取热分配控制，并利用人工智能方法构造上级协调系统，开发了常压塔整体智能决策与优化专家系统。

该项目突破传统思维模式，代之以信息流、物料流和能量流为主干分解方法，充分发挥了DCS信息采集功能、通信功能和运算功能强的优势，并以此为依托，开发和实施了高质量的数学模型和优化控制软件。

该系统在现场长时间投用以来，性能可靠，提高轻油收率。

天津石化公司涤纶厂，采用DCS及一台268微机，对间歇缩聚装置十条生产线进行控制，实现聚酯粘度数学模型优化控制，并与本厂微机局域网PLaN-5000联网，把实时生产信息自动传送至调度室，向管控一体化迈出了可喜的一步。

该厂还在连续缩聚装置上，用286微机作DCS上位机，以模拟预估法实现了第四系列聚酯过程分子量分布（MWD）控制，并建立了在线专家系统，进行MWD的监督控制，提高了熔体合格率。

巴陵石油公司锦纶厂己内酰胺装置采用横河YEWPACK系统改造原气动表，自1989年4月投用以来，工艺指标控制合格率、产品质量、原材料消耗均达到历史最好水平，产品一级率提高20%。

此外，他们还总结了以往操作中的经验，设计了各个生产岗位18类70多条操作决策指南，输入到YEWPACK系统中作为故障状态的指导；还设计了操作演示画面，尽量发挥DCS资源功能。

上海石化总厂塑料厂高压聚乙烯装置，1986年工艺技术改造引进DCS，自1987年投用以来，实现过氧化物温度高选等复杂调节，提高控制精度，稳定生产，每年提高产量2000吨。

4.5DCS其他应用

现如今网络技术、数据库技术、软件技术、现场总线技术的发展为开放系统提供了可能。

各DCS厂家竞争的加剧，促进了细化分工与合作，各厂家放弃了原来自己独立开发的工作模式，变成集成与合作的开发模式，所以系统自动实现开放性。

五、DCS相关产品介绍

国内DCS主要厂家有：

上海新华，南京科远自动化集团股份有限公司，杭州优稳，浙大中控，和利时，浙江威盛，自仪股份、鲁能控制，国电智深，上海华文，上海乐华，浙江中自等。

国外的有：

西屋公司、艾默生、FOXBORO、ABB、西门子、霍尼韦尔、横河、罗克韦尔、山武－霍尼韦尔公司、FISHER-ROSEMOUNT公司等。

5.1上海新华控制有限公司

上海新华集团公司根据多年来在电力、石油、化工、冶金、造纸、水泥、脱硫、除尘、水处理等自动化控制领域的成功经验，充分利用网络通信、计算机、嵌入式技术、现场总线、组态软件、数据库、多媒体等技术，全面提升分散控制系统的技术水平，不断丰富系统所涵盖的内容，推出了新一代基于网络的智能工业信息化控制系统TiSNet系列：

TiSNet-P600、TiSNet-XDC800新华智能过程控制系统。

系统控制功能分散，管理集中，集数据采集、过程控制、信息管理于一体，是一个全集成的、结构完整、功能完善、面向整个生产过程的先进过程控制系统。

新华TiSNet采用可视化图形组态技术，符合IEC61131-3国际标准的编程软件。

提供常用的现场设备信息及功能块，大大简化组态工作。

5.1.1系统简介

TiSNet-P600过程控制系统是采用新华33系列I/O模件，以新华32位CPU组成的新华控制器XCU为核心，根据不同工业现场环境要求灵活配置，构成光纤环网型网络结构和星型网络结构的DCS系统。

系统由新华冗余的控制器XCU、以太网交换机、电源、33系列I/O模件、通讯网络和人机接口站HMI组成。

采用可视化图形组态软件和视窗架构的人机界面，分布式实时数据库在网络上共享，能适应各种类型的工业生产过程分散型控制、监视、信息和数据处理。

TiSNet-P600系统运行新华集团公司配套的TiSNet软件包 OnXDC ，包括xHMI人机接口站人机界面可视化图形组态软件和图形组态编程软件。

xHMI具有强大的图像生成、显示功能和方便、直观的组态方式。

系统提供各种预定义的功能块，提供由用户可自定义新功能块的工具，功能块之间的连线与添加采用拖放形式，“画图即组态，所见即所得”。

xCU图形组态编程软件具有非常丰富的控制算法，符合IEC61131-3标准的应用指令和控制算法的多种编程方式。

提供SAMA图形式的逻辑图，用户直接以软件存盘或打印存档。

TiSNet-P600系统基于web的网络操作功能，能通过IE浏览器查询和调用图像，浏览器窗口显示实时信息和数据，实现文件和数据的远程传输。

TiSNet-P600系统虚拟技术的应用，可在PC机上完成控制策略的组态与编程，并对控制策略进行全面真实的仿真。

TiSNet-P600系统的新华控制器XCU、通信网络、现场I/O、

HMI站、电源多层面冗余结构，确保用户在关键控制场合使用的可靠性。

系统以其高可靠性的硬件设计、内嵌专业化的控制算法、开放式的结构和冗余的以太网通讯网络，构成一个面向整个生产过程的过程控制系统。

5.1.2性能特点

·冗余的新华控制器XCU

·冗余的100兆以太网通讯网络

·高度的可靠性稳定性实时性

·集中的可视化图形组态方式

·视窗架构的人机界面风格

·开放的架构可以同管理级进行通信

·适用于I/O点数500点~50000点大中型工业过程控制系统

5.2南京科远自动化集团股份有限公司

5.2.1科远DCS系统发展历程 

1993年~1996年，是科远DCS起步和原始积累阶段。

科远公司在研发、生产及销售自动化仪表基础上，根据热工自动化技术发展趋势，自主开发了NT2000分散控制系统，完成了DCS系统初步开发积累。

1997年~2002年，是科远DCS系统的稳定发展阶段，在与行业广大客户及相关专家的不断的沟通中，科远清醒地意识到DCS将来会取代常规仪表。

因此，加强了DCS升级、开发步伐，鉴于当时国内生产制造工艺相对落后，同时限于计算机技术、通讯技术水平以及控制技术，硬件质量在一定程度上与进口DCS存在不小的差距，1997年年底与英国欧陆公司结成战略合作伙伴关系，由他们来作为科远的硬件供应商，提供DPU和I/O模件硬件，结合科远自主研发的火电厂自动化控制软件，于1997年开发成功了NETWORK-6000分散控制系统。

该系统通过了国家电力公司电力规划设计总院专家组的科技成果技术评审。

2003年~至今，是科远DCS快速发展阶段。

为了提升科远自动化在热工自动化领域的市场地位，在自主研发的NT2000分散控制系统的基础上，为了迅速占领市场，采用了部分进口部件，为公司的快速发展打下了坚实的产品基础，取得了较高的市场份额。

随着公司技术实力的增强和响应国家关于重大技术装备国产化的要求，科远于2007年完成了NT2000的升级，初步形成了具有完全独立自主知识产权的NT6000分散控制系统，并得到了江苏省重大科技成果产业化专项资金资助。

目前NT6000分散控制系统已经在在干熄焦（CDQ）发电、水泥窑纯低温余热发电、高炉煤气发电、循环流化床控制系统、秸杆焚烧发电、垃圾焚烧发电、化工、冶金、造纸、玻璃等工矿企业的生产过程自动化控制领域等行业取得了许多成功业绩。

同时，专门针对冶金、煤矿等行业自动化的产品或解决方案的研发也取得重大进展，并将逐步投放市场。

5.2.2科远NT6000分散控制系统特点

NT6000分散控制系统采用高起点的设计标准，大量采用国际先进的成熟技术，系统的设计是基于开放式的思路，DPU采用低功耗POWERPC、模块化的I/O和功能强大的操作站，为分布式控制系统提供了完整的解决方案。

同时科远将复杂发电过程方面的研究成果应用于NT6000的控制算法设计，解决多变量、非线性、时变性、滞后性等复杂对象的控制难题，特别是能够实现"节能"和"减排"目标的针对性优化控制。

NT6000还提供了现场总线、虚拟DCS、信息化集成技术的解决方案。

NT6000的应用将有效提升国内流程工业的自动化和信息化水平，为"节能减排"事业提供控制技术的保证。

◆分布式的功能设计――将系统重要的功能和应用分散到各个独立的站点，确保某一处故障时，不会影响系统的正常运行，真正做到危险分散。