DCS控制系统自学.docx

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DCS控制系统自学

DCS控制系统-自学

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1．DCS控制系统（DistributedControlSystem,分散控制系统）用于大型生产工业自动化，他是计算机技术、系统控制技术、网络通信技术和多媒体技术相结合的产物，提供窗口有好的人机界面和强大的通讯功能，负责过程控制、过程管理。

1.DCScontrolsystem（DistributedControlSystem,distributedcontrolsystem）forlarge-scaleproductionofindustrialautomation,heisacomputertechnology,controltechnology,networkcommunicationtechnologyandthemultimediatechnologytocombinetheproduct,providewindowhasgoodman-machineinterfaceandpowerfulcommunicationfunction,isresponsiblefortheprocesscontrol,processmanagement。

2．DCS控制系统包括模拟量控制系统和（MCS）和顺序控制系统（SCS），汽机DEH系统，电气ECS系统，旁路控制系统BCS。

3模拟量控制系统（MCS），是将汽轮发电机的锅炉、汽机当做一个整体控制系统，炉侧MCS指锅炉主控制系统、锅炉燃料控制系统、送风控制系统、阴风控制系统、启动分离器储水箱水位控制系统及蒸汽温度控制系统，机侧MCS指除氧器压力、水位调节系统、凝水器水位调节系统、闭式水箱水位调节系统。

MCS负担着生产过程中的水、汽、煤、油、风、烟等系统的主要变量闭环自动调节及整个发电机组的负荷控制系统。

顺序控制系统ＳＣＳ是将机组的部分操作按热力系统或辅助机械设备划分成若干局部控制系统，按事先规定的顺序记性操作，以达到顺序控制的目的。

汽机ＤＥＨ系统，主要作用是调节汽轮机的转速系统。

电气ＥＣＳ系统，主要作用是发电机的启停控制及逻辑，电气系统各参数与设备状态的监视，故障保护动作、故障报警及时间顺序控制记录。

气泵组ＭＥＨ系统，主要作用是调节气泵组的转速。

旁路控制系统BCS系统，旁路控制系统是一个独立的系统，盘路控制能完成旁路控制的确切要求，并能完成安全功能或快开快关功能，。

其基本组成部分为高旁路控制和低旁路控制器，主要实现高低的压力控制和温度控制。

4.系统的主要技术概述：

系统主要有现场控制站（I\O站）、数据通信系统、人机接口单元（操作员站OPS、工程师站ENS）、机柜、电源等组成。

系统具备开放的体系结构、可提供多层次开放数据接口。

硬件系统在恶劣的工业现场具有高度的可靠性、维修方便、工艺先进。

软件功能强大，可提供方便的组态复杂控制系统的能力与用户自主开发专业高级控制算法的支持能力；易于组态，支持多种现场总线标准一边适应未来扩充需要。

系统设计采用合适的冗余配置和诊断至模块的自诊断功能，具有高度的可靠性，系统内任一组发生故障均不会影响整个系统的工作。

系统的参数、报警、自诊断及其管理功能高度集中在CRT上显示和打印，系统控制在功能和物理上真正分散。

整个系统的可用率至少为99.9%，系统平均故障时间为10万小时，实现了核电、火电、热电、石化、化工、冶金、建材诸多领域的完整监控。

“域”的概念。

把大型控制系统用高速实时冗余网络划分成相对独立的控制系统，一个分系统构成一个域，各域共同管理和操作数据，而每个域又是一个功能完善的DCS系统，以便满足用户的使用。

网络结构可靠性、开放性及先进性。

在系统操作层，采用冗余的100Mmbps以太网，控制层采用冗余的100Mmbps工业以太网，保证系统的可靠性，在现场采用12Mmbps的Profibus总线连接中央控制单元和各种现场信号处理模块。

标准的client/server结构。

MACS系统的操作层采用client/sever结构

开放并且可靠地操作系统，系统的操作层采用WINDOWSNT操作系统，控制站采用成熟的嵌入式实施多任务操作系统QNS，以确保系统的实时性、安全性、可靠性。

标准的组态软件。

可实现任何监测、控制要求

系统具有可扩展性和可裁剪性，保证经济性。

5.DCS系统可采用力控组态软件进行ForcecontrolV6.1进行生产数据采集和数据监控。

6.五种通信协议之一：

MODBUS协议，对于MODBUS协议，采用的波特率通常为9600bps，因此每秒所能通讯的数据包是有限制的。

∙中国使用始于1981年，当时吉化公司化肥厂在合成氨装置中引进了Yokogawa的产品，表现出良好的控制性能和可靠性。

随后中国引进的30套大化肥项目和大型炼油项目都采用了DCS控制系统，提高了生产设施的效率和产品质量的连续性，并且物耗和能耗也有不同程度的降低。

DCS产品在石油和化工行业的成功应用也促进了其他行业控制系统的发展，在随后的几年，冶金、建材、电力、轻工等行业的新建项目中也陆续使用了DCS产品，并成为这些行业的主流控制系统。

　　中国庞大而成体系的流程工业形成了过程控制系统的市场基础，而其中电力、石化、化工、建材、造纸、市政、冶金的大幅度投资与增长，更形成了每年超过50亿元（2004）的DCS市场规模。

同时，市场的行业分布也与这些主要行业的投资情况息息相关。

譬如，近年的能源短缺和随之而来的电力投资热潮，使得电力行业的DCS需求达到18亿元，占据整个市场三分之一强的份额，超过了石化和化工这些传统的DCS应用的强势行业。

　　DCS是一个技术含量高，需要长期培养的市场，因此，市场格局在近年没有大的变化，没有新的有影响力的厂商进入和退出，排名靠前的仍然是在业内传统的强者，只是由于行业发展速度的不平衡，不同行业侧重的公司的排名会产生一些小的变化。

于DCS定制性很强，与客户的工艺结合密切。

很多人认为DCS是一种“服务”而不是“产品”。

在DCS市场中，方案的设计、系统集成能力、培训、售后服务是客户考察的重点，不像市场，用户只看产品本身的性能和质量就可以了。

“软”件的重要性导致了这个行业份额分布的一些重要特征。

　　目前在中国工业市场中，按市场占有份额最大的几家公司别是：

ABB、横河、霍尼韦尔、艾默生和。

而从应用行业来看，主要分布在电力、石化、化工产业。

这些大型企业以雄厚的实力一直占据着霸主地位。

　　各大品牌的主要主品：

品牌

产品名称

ABB

AC800F

AC800M

IndustrialITSystem800xA

横河

CS1000

CS3000

霍尼韦尔

PKS

艾默生

DeltaV

OVATION

西门子

PCS7

APACS

T-XP

　　各品牌的系统分析

　　随着技术的发展，用户需求的不断提高，以ABB、横河、霍尼韦尔、艾默生和西门子为代表的DCS厂商纷纷提升其DCS系统的技术水平，并不断丰富和完善DCS功能。

　　ABB

　　ABB公司开发的IndustrialIT分为控制IT、操作IT、信息IT，IndustrialIT的核心是AC800系列和相应的I/O，系统支持，如Profibus。

提供了多种可供选择的IndustrialIT800xA控制和I/O产品，能够满足制造和加工过程中的控制需要。

ABB控制器备有软件库，其中包括丰富的预定义、用户自定义控制元素，据此可针对任何应用要求，轻松设计出从简到繁各种控制策略（包括连续控制、时序控制、批量控制和先行控制）

　　ABB控制器在设计上从始至终都借助了工业标准现场总线和开放式通讯协议的强大能力，并以此提供了全系列的控制、可扩展性和容错冗余选项。

此外还提供了全系列工业I/O供远程和就地安装之用，这些I/O占地面积小，可在导轨上安装，并有广泛的I/O类型（包括本安I/O）。

　　采用了模块化设计的AC800M控制器和相关的I/O选项，对小型混合系统与集成的大型自动化应用同样有效的子系统模块化设计，允许用户按照实际需求灵活地选择具体功能。

而采用同样的基本硬件提供了多种多样的中央处理单元（CPU）、I/O、通讯模块和选项，从而在功能性、性能和尺寸等方面也提供了灵活性。

　　800xA控制器和I/O采用了一整套完善的自我诊断功能，有助于降低维护成本。

所有模块都配备了前器，故障和性能降低情况。

　　系统支持若干通讯和I/O模块，例如：

①额外的RS-232C端口，连接更多的第三方系统和设备，PROFIBUS-DP、DP-V1接口，提供S200、S800以及S900I/O系统的集成，并可访问市面上诸多支持此类协议的现场设备；②FOUNDATION现场总线HSE接口，提供一条到FOUNDATION现场总线系统解决方案的访问干路；③ABBINSUM，通过单一few-core，方便对柜进行有效的监督与控制；④MasterBus300接口，提供与AdvantOCS和ABBMaster系统之间的向后兼容性；⑤S100I/O接口，可从现有的Advant410/450型控制器（甚至MasterPiece200）系统升级到AC800M，同时保持已有的I/O分区；⑥TRIOI/O接口，可从现有的MOD300控制器升级到AC800M，并同时保持已有的TRIOI/O分区；⑦S800系列I/O模块，作为直连I/O使用。

∙横河

　　横河CENTUMCS3000R3集散控制系统是一个结构开放的DCS系统。

CS3000R3系统功能包括：

　　⑴HumanInteaceStation（HIS）操作站用于运行操作和监视。

采用了微软公司的Windows2000　WindowsXP作为操作系统和横河公司指定的工业用高性能计算机。

　　⑵FieldControlStation（FCS）现场控制器用于过程I/O信号处理，完成模拟量调节、顺序控制、逻辑运算、批量控制等实时控制运算功能。

　　⑶EngineeringStation（EWS）工程师站用于设计组态、仿真调试及操作监视。

采用Windows2000或最新的WindowsXP作为操作系统的横河指定的高性能计算机。

　　⑷ESB总线（ExtendedSerialBackboardBus）用于控制站内，中央主控制器FCU同本地I/O节点之间进行数据传输的双重化实时通讯总线，拓扑构成：

总线型，通讯速率：

128Mbps，每台控制站可连接14个I/O节点，最大通讯距离20m。

　　⑸ER总线（EnhencedRemoteBus）用于控制站内本地I/O节点与远程I/O节点之间进行数据传输的双重化实时通讯总线，网络拓扑构成：

总线型，通讯速率：

10Mbps，每台控制站可从本地节点连接８个远程I/O节点，最大通讯距离20km。

　　⑹CommunationGateway（ACG）通讯网关作为用于将系统的控制总线和DCS上位机的相连接的网关。

　　⑺SystemIntegrationStation（SIOS）OPC系统集成网关用于将系统控制总线V-net/IP与用于与子系统以太网相连接的网关。

　　采用WindowsXP标准操作系统，支持DDE/OPC。

既可以直接使用PC机通用的Excel，VB编制报表及程序开发，也可以同在Unix上运行的大型Oracle数据库进行数据交换。

此外，横河提供了系统接口和网络接口用于与不同厂家的系统、产品管理系统、设备管理系统和安全管理系统进行通讯。

　　采用了4CPU冗余容错技术（Pair&Spare成对热后备）的现场控制站，实现了在任何故障及随机错误产生的情况下进行纠错与连续不间断地控制；I/O模件采用表面封装技术，具有1500VAC/分抗冲击性能；系统接地电阻小于100欧姆等多项高可靠性尖端技术，使系统具有极高的抗干扰，耐环境等特点，适用于运行在条件较差的工业环境。

　　CS3000采用横河公司的V-NET/IP控制总线，该控制总线速度可高达1Gbps，通讯距离最大20km，连接站数：

64站/域，256站/系统。

由于增加了控制网络的开放性，更多的非CEMTUM网络设备可以直接挂接在控制网络上。

满足了用户对实时性和大规模数据通讯的要求。

在保证可靠性的同时，又可以与开放的网络设备直接相连，使系统结构更加简单。

而且横河公司已经将该标准提交IEC组织，希望将该标准作为下一代控制系统的总线标准。

　　控制站FCS采用用于高速的RISC处理器VR5432，可进行64位浮点运算，具有强大的运算和处理功能。

此外，还可以实现诸如多变量控制，模型预测控制，模糊逻辑等多种高级控制功能。

主内存高达32M。

　　CS3000支持的所有的输入/输出接口都可以冗余。

系统采用ControlDrawing图进行软件设计及组态，使方案设计及软件组态同步进行，最大限度地简化了软件开发流程。

提供动态仿真测试软件，有效地减少了现场软件调试时间。

工程人员可以在短时间内熟悉系统。

具有构造大型实时过程信息网的拓扑结构，可以构成多工段，多集控单元，全厂综合管理与控制综合信息系统。

　　系统可通过总线转换单元与横河以往的系统相连并且兼备现场总线控制功能，通过在现场控制站上加装一块ACF111/ALF111通讯接口卡件，就可在该卡件上挂接一条通讯协议为H1的现场总线，并可在该总线上连接32台现场总线设备。

∙ 霍尼韦尔

　　霍尼韦尔公司推出的过程知识系统（简称EPKS系统）是与A2同时代的产品，控制器采用C200，与原来的TPS系统用的控制器有很大差别，C200控制器既能连接插件式I/O，也能连接导轨式I/O，同时支持基金会现场总线，采用的软件可以嵌入VB语言，支持AciveX，它是一体化的混合控制系统，是世界上第四代DCS控制系统的代表，其核心是基于开放且功能强大的Microsoft公司的Windows2000服务器/客户系统。

它由高性能的控制器，先进的工程组态工具，开放的控制网络等构成先进的体系结构。

 　硬件配置

 　EPKS系统的核心部件是混合控制器（简称C200），包括电源、机架、控制处理器模件（CPM）、控制网络通讯模件（CNI）、以太网接口模件、输入输出模件和可选的冗余模件（RM）、电池扩展模件（BEM）等组成。

所有模件都支持带电插拔，且适应恶劣的生产环境。

C200适用于广泛的工业应用，包括连续过程、批量过程、开关量运算以及机械设备控制等各类型的控制。

对于要求将调节控制、快速逻辑控制、顺序控制以及批量控制诸应用一体化的集成应用，C200是理想的控制器。

 　网络架构

 　⑴一体化的网络支持

 　①Ethernet：

为保证系统的可靠性，在系统服务器和操作站之间，网络的冗余采用的是Honeywell专利技术-容错以太网FTE（FaultTolerantEthernet）提供了可靠的100Mbps高速以太网络。

FTE采用的是单一网络结构，切换时服务器和操作员站不需要重新连接网络，因此切换的速度很快，约1s，这样大大减少了网络的故障率。

普通的以太网节点（非容错以太网）也能连接到FTE网络上，同样比连接到常规的冗余以太网有更可靠的通讯环境。

 　②ControlNet：

ControlNet是开放的网络，由ControlNet国际组织制定技术规范，其数据传输速率为5Mbps，可以选择单或冗余的网络介质，并且提供实时确定性的数据传递。

每个监控/对网络段支持10个控制器或10对冗余配置的控制器，每个C200控制器可以通过I/O子网连接最多8个I/O机架、64个I/O模件，一个I/O模件还可通过现场终端FTA连接8～32路不等的现场接线FieldWiring。

显而易见，EPKS系统规模是相当庞大的。

 　③I/ONetwork，I/O子网是霍尼韦尔公司自身研发的用于系统内部的专用网络。

　　⑵分布式服务器结构（DistributedSystemArchitecture）

　　分布式服务器结构（DSA）是集成多个过程控制过程，或多段控制单元的理想解决方案。

为控制和操作多提供了极大的灵活性。

分布式的服务器结构还为地理位置上分散的集散系统的互联应用提供了极大的灵活性。

通过广域网很方便的实现中央控制室和多个远程控制室共同管理的控制模式。

∙艾默生

　　PlantWeb（EmersonProcessManagement）是艾默生提出的用于过程管理的数字化工厂架构，其中DeltaV作为PlantWeb中的核心组成部分，提供可靠的数字化工厂过程控制系统。

　　DeltaV系统是Fisher-Rosemount公司于1996年开始推出的现场总线控制系统，DeltaV在两套DCS系统（RS3、PROVOX）的基础上，依据现场总线FF标准设计出的兼容现场总线功能的全新的控制系统，它充分发挥众多DCS系统的优势，如：

系统的安全性、冗余功能、集成的用户界面、信息集成等，同时克服传统DCS系统的不足，具有规模灵活可变、使用简单、维护方便的特点。

DeltaV系统支持H1和HSE现场总线标准，可以构成规模大小可变的过程控制系统，具有控制功能强大、用户界面友好、安装使用方便等特点。

　　DeltaV过程控制系统结构为:

①一个或多个处理现场设备信息的I/O子系统；②一个或多个控制器，可执行本地控制、数据管理以及I/O子系统和控制网络之间的通讯；③一个或多个工作站，为过程控制提供图形化的用户界面；④一个以太控制网络，实现系统节点之间的通讯；⑤供电电源。

　　DeltaV系统的控制器和工作站一般配置2个以太网接口，在控制器和工作站之间可采用冗余网络结构，以保证数据传输的可靠性。

在业界的同类产品中，DeltaV系统在其控制层较早使用了最近才开始流行的以太网结构和CP/IP协议。

在DeltaV系统I/O子系统中包括现场总线接口卡（FF的H1和HSE），每块现场总线接口卡可以连接32个底层的现场总线设备，如、执行器等。

仅用DeltaV控制器和一块或多块现场总线接口卡加上现场总线测控设备就可以组成一种完全的现场总线控制系统，但主要受现有FF型现场总线测控设备品种和价格因素的限制，目前采用的DeltaV过程控制系统一般都是既包括现场总线I/O,也包括传统I/O的混合型系统。

　　DeltaV过程控制系统的技术特点：

①开放的网络结构与OPC标准；②（FF）标准的数据结构；③模块化结构设计；④即插即用、自动识别系统硬件，所有卡件均可带电插拔，操作维护可不必停车；同时系统可实现真正的在线扩展；⑤常规I/O卡件采用8通道分散设计，且每一通道均与现场隔离。

∙ 西门子

　　西门子提出了全集成自动化（TIA）理念，将所有过程自动化应用在一个单一平台上提供了统一的自动化技术，从输入物流，包括生产流程或主要流程以及下游流程，直到输出物流。

这种统一的自动化技术能够实现企业资源规划（ERP）级、管理执行系统（MES）级、过程控制级直到现场级的信息化。

　　SIMATICPCS7是一个带有典型过程组态特征的全集成系统。

系统中集成了可以诊断的组件，例如：

PC，总线组件，自动化系统以及所有分散式外围设备（比如：

I/O模块或智能化现场设备）。

　　PCS7采用了TIA系列甄选的标准硬件和软件部件。

采用统一的数据管理、通讯和组态功能，基于Siemens公司倡导的PROFIBUS技术，系统支持约160个过程对象（PIO控制回路、阀门控制、电机控制）的小型单一系统，例如实验室自动化或用于研究机构，直到用于大型生产工厂或生产现场的工厂网络、具有客户机/服务器架构和约60,000个过程对象的分布式多用户系统。

　　PCS7可集成在SIMATICITFramework中，并进而集成在公司范围内的信息网络中。

通过用于SIMATICPCS7操作员站和@PCS7部件的OPC接口，可以简单访问IT环境。

　　SIMATICPCS7操作员站既可以作为一个OPC服务器使用用作WindowsIT应用程序的数据源，也可以作为一个OPC客户机，访问OPC服务器的应用数据。

　　使用@PCS7服务器和相应的客户机，可以通过工厂网或因特网实现全局在线监控。

除此之外，处理@aGlance接口的主机信息系统也可以使用@PCS7连接到SIMATICPCS7。

　　针对采用TELEPERMM系统的早期DCS用户，提供了从TELEPERMM系统到SIMATICPCS7的直接移植，采用SIMATIC系统部件替代。

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