DCS控制系统及其应用.docx

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DCS控制系统及其应用

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储运092

小组成员：

陈熙巨萌

路西赵宁

马振彭方超

王赞赞吴志伟

张力赵志坤

DCS控制系统应用概况

集散控制系统（TotalDistributedControlSystem，DSC）是20世纪70年代中期发展起来的以微处理器为基础的分散型计算机控制系统。

它是控制技术（Control）、计算机技术（Computer）、通信技术（Communication）、阴极射线管（CRT）图形显示技术和网络技术相结合的产物。

该装置时利用计算机技术对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的一种全新的分布式计算机控制系统。

DCS自20世纪70年代问世以来，发展异常迅速。

目前，它作为新一代工业自动化过程控制设备，在世界范围内被广泛应用于石油、化工、冶金、纺织、电力、食品等工业，我国在石油、冶金、化工与电力等行业也已普遍推广应用。

随着现代化工业的飞跃发展、生产装置的规模不断扩大、生产技术及工艺工程愈趋复杂，常规模拟仪表存在难以克服的弊病：

首先是控制功能过于单一，难以实现某些复杂控制功能；其次是难于集中操作和监视，长达几十米的高密集排列仪表屏，操作和调整都十分困难。

20世纪50年代末期人们开始将电子计算机用于过程控制，试图利用计算机能执行复杂运算、处理速度快和管理监视集中等特点来弥补常规仪表过于分散和控制能力单一的不足，为工业过程控制开辟一条新的途径。

经过多年的摸索和实践，虽然取得了一定的成果，但也暴露了它本身存在的严重弱点：

首先是危险高度集中，在一个大型工厂中，一台计算机要控制几十个，甚至几百个回路，当计算机的公共部分发生故障时，轻则造成装置或整个工厂停车，重则导致设备的损坏甚至发生火灾、爆炸等恶性事故；其次是成本高，为了提高计算机的可靠性，一般都采用双机、双工运行或常规仪表备用，这样不仅维修工作量大，而且成本将成倍增加，如果工厂的生产规模不大，则经济性更差。

为继承常规模拟仪表及集中控制计算机系统的优点，并摒弃其不足，人们开始了新的探索。

20世纪70年代初随着微处理机技术的高速发展，过去有一台大型计算机完成的功能，可以由几十甚至几百台微处理机来完成，各微处理机之间又可以用计算机网络连接起来，构成一个完整的系统，正是在这一基础上出现了集散控制系统。

人们按控制功能或按区域将微处理机进行分散配置，每个微处理机只需控制少数几个回路，使危险性大大分散。

该系统又使用若干个彩色图形显示器进行监视和操作，并运用通讯手段，将各微机连接起来，它比常规模拟仪表有更强的通信、显示、控制功能，又比集中过程控制计算机安全可靠。

这是一种分散型多微处理机综合过程控制系统，又称分散型综合控制系统，俗称集散控制系统，简称DCS。

最早提出这种设计思想的是美国霍尼威尔（Honeywell）公司，并在1975年12月正式向市场推出了世界上第一集散控制系统——TDC2000系统。

从1975年第一套DCS诞生到现在,DCS经历了三个大的发展阶段，或者说经历了三代产品。

从总的趋势看，DCS的发展体现在以下几方面：

（1）系统的功能从底层（现场控制层）逐步向高层（监督控制、生产调度管理）扩展；

（2）系统的控制功能由单一的回路控制逐步发展到综合了逻辑控制、顺序控制、程序控制、批量控制及配方控制等混合控制功能；

（3）构成系统的各个部分由DCS厂家专有的产品逐步改变为开放的市场采购产品；

（4）开放的趋势促使DCS厂家越来越重视采用公开标准，使得第三方产品更加容易集成到系统中来；

（5）开放性带来的系统趋同化普偶是DCS厂家向高层的、与生产工艺结合紧密的高级控制功能发展，以求得与其它同类厂家的差异化；

（6）数字化的发展越来越向现场延伸，这使得现场控制和系统体系结构发生了重大变化，将发展成为更加智能化、更加分散化的新一代控制系统。

第一代DCS（初创期）是指从其诞生的1975~1980年间所出现的第一批系统，以Honeywell的TDC-2000为代表，还有Yokogawa（即横河）公司的Yawpark系统、Foxboro公司的Spectrum系统、Bailey公司Netwook90系统等。

第一代DCS是由过程控制单元、数据采集单元、CRT操作站、上位管理计算机及连接各个单元和计算机的高速数据通道等五个部分组成，奠定了DCS的基础体系结构。

这个时期的系统的特点是：

比较注重控制功能的实现，系统的设计重点是现场控制站；系统的人机界面功能则相对较弱，在实际中只用CRT操作站进行现场工况的监视，使得提供的信息也有一定的局限；在功能上更接近仪表控制系统；各个厂家的系统均由专有产品构成，包括高速数据通道、现场控制站、人机界面工作站及各类功能性的工作站等，不仅系统的购买价格高，系统的维护运行成本也高。

可以说，DCS的这个时期是超利润时期，其应用范围也受到一定的限制。

第二代DCS（成熟期）是在1980~1985年推出的各种系统，其中包括Honeywell公司的TDGC-3000、Fisher公司的PROVOX、Taylor公司的MOD300及Westinghouse公司的WDPF等。

第二代DCS的最大特点是引入了局域网（LAN）作为系统骨干，按照网络节点的概念组织过程控制站、中央操作站、系统管理站及网关，使得系统的规模、容量进一步增加，系统的扩充有更大的余地，也更加方便。

在功能上，这个时期的DCS逐步走向完善，除回路控制外，还增加了顺序控制、逻辑控制等功能，加强了系统管理站的功能，可实现一些优化控制和生产管理功能。

第三代DCS（扩展期）以1987年Foxboro公司推出的I/ASeries为代表，该系统采用了ISO标准MAP（制造自动化规约）网络。

这一时期代表产品还有Honeywell公司的TDC-3000/UCN、Yokogawa公司的Centum-XL/μXL、Bailey公司的INFI-90、Westinghouse公司的WDPFⅡ等。

这个时期的DCS在功能上实现了进一步的扩展，增加了上层网络，将生产的管理功能纳入到系统中，形成了直接控制、监督控制和协调优化、上层管理三层功能结构；在网络方面，各个厂家已普遍采用了标准的网络产品；由IEC61131-3所定义的五种组态语言为大多数DCS厂家所采纳；在构成系统的产品方面，除现场控制站基本上还是各个DCS厂家的专有产品外，人机界面工作站、服务器和各种功能站的硬件和基础软件，如操作系统等，已全部采用了市场采购的商品，使系统的成本大大降低，DCS已逐步成为一种大众产品，在越来越多的应用中取代了仪表控制系统而成为控制系统的主流。

新一代DCS其技术特点包括全数字化、信息化和集成化。

DCS发展到第三代，尽管采用了一系列新技术，但是生产现场层仍然没有摆脱沿用了几十年的常规模拟仪表。

生产现场层的模拟仪表与DCS各层形成极大的反差和不协调，并制约了DCS的发展。

因此，将现场模拟仪表改为现场数字仪表，并用现场总线（fieldbus）互联。

由此带来的DCS控制站的变革，即将控制站内的软件功能模块分散的分布在各台现场数字仪表中，并可统一组态构成控制回路，实现彻底的分散控制。

集散控制系统的组成

一个基本的DCS应包括至少一台现场控制站、一台操作员站、一台工程师站（也可利用一台操作员站兼做工程师站）、一条系统网络四大组成部分：

1、现场控制站

现场控制站是DCS的核心，系统主要的控制功能由它来完成。

系统的性能、可靠性等重要指标也都要依靠现场控制站保证，因此对它的设计、生产及安装都有很高的要求。

现场控制站的硬件一般都采用专门的工业级计算机系统，其中除了计算机系统所必需的运算器（即主CPU）、存储器外，还包括了现场测量单元、执行单元的输入/输出设备，即过程量I/O或现场I/O。

在现场控制站内部，主CPU和内存等用于数据的处理、计算和存储的部分被称为逻辑部分，而现场I/O则被称为现场部分。

2、操作员站

操作员站主要完成人机界面的功能，一般采用桌面型通用计算机系统，如图像工作站或个人计算机等。

其配置与常规的桌面系统相同，但要求有大尺寸的显示器（CRT或液晶屏）和性能好的图形处理器，有些系统还要求每台操作员站使用多屏幕，以拓宽操作员的观察范围。

为了提高画面的显示速度，一般都在操作员站上配置较大的内存。

3、工程师站

工程师站是DCS中的一个特殊功能站，其主要作用是对DCS进行应用组态。

应用组态是DCS应用过程当中必不可少的一个环节，应为DCS是一个通用的控制系统，在其上可实现各种各样的应用，关键是如何定义一个具体的系统完成什么样的控制，控制的输入/输出量是什么控制回路的算法如何，在控制计算中选取什么样的参数，在系统中设置哪些人机界面来实现人对系统的管理与监控，还有诸如报警、报表及历史数据记录等各个方面功能的定义，所有这些都是组态所要完成的工作，只有完成了正确的组态，一个通用的DCS才能够成为一个针对具体控制应用的可运行系统。

特殊功能站是执行特定功能的计算机，如专门记录历史数据的历史站；进行高级控制运算功能的高级计算站；进行生产管理的管理站等。

服务器的主要功能是完成监督控制层的工作，如整个生产装置乃至全厂的运行状态监视、对生产过程各个部分出现的异常情况的及时发现并及时处置、向更高层的生产调度和生产管理，直至企业经营等管理系统提供实时数据和执行调节控制操作等。

或者简单讲，服务器就是完成监督控制，或称SCADA功能的主节点。

4、DCS网络

DCS网络包括系统网络、现场总线网络和高层管理网络。

系统网络是连接DCS系统各个站的桥梁。

由于DCS是由各种不同功能的站组成的，这些站之间必须实现有效的数据传输，以实现系统总体的功能，因此系统网路的实时性、可靠性和数据通信能力关系到整个系统的性能。

现场总线将现场检测变送单元和控制执行单元被数字化，因此DCS将成为一种全数字化的系统。

在以往采用模拟式变送单元和执行单元时，系统与现场之间是通过模拟信号线连接的，而在实现全数字化后，系统与现场之间的连接也将通过计算机数字通信网络，即通过现场总线实现连接，这将彻底改变整个控制系统的面貌。

高层管理网络将DCS从单纯的低层控制功能发展到了更高层次的数据采集、监督控制、生产管理等全厂范围的控制、管理系统，使DCS成为一个计算机管理控制系统，包含了全厂自动化的丰富内涵。

5、DCS软件

DCS软件包括现场控制站软件、操作员站软件和工程师站软件。

现场控制站软件的主要功能是完成对现场的直接控制，包括回路控制、逻辑控制、顺序控制和混合控制等多种类型的控制：

现场I/O驱动，完成过程量的输入/输出；对输入的过程量进行预处理，如工程量的转换、统一计量单位、剔除各种因现场设备和过程I/O设备引起的干扰和不良数据、对输入数据进行线性化补偿及规范化处理等；实时采集现场数据并存储在现场控制站内的本地数据库中，这些数据可作为原始数据参与控制计算，也可通过计算或处理成为中间变量，并在以后参与控制计算，所有本地数据库的数据（包括原始数据和中间变量）均可成为人机界面、报警、报表、历史、趋势及综合分析等监控功能的输入数据；控制计算，根据控制算法和检测数据、相关参数进行计算，得到实施控制的量；通过现场I/O驱动，将控制量输出到现场。

为了实现现场控制站的功能，在现场控制站中建立于本站的物理I/O和控制相关的本地数据库，这个数据库中直保存与本站相关的物理I/O点及与这些物理I/O点相关的，经过计算得到的中间变量。

本地数据库可以满足本现场控制站的控制计算的物理I/O对数据的需求，有时也可从网络上将其他节点的数据传送过来，这种操作被称为数据的引用。

操作员站软件的主要功能是人机界面，及HMI的处理，其中包括图形画面的显示、对操作员操作命令的解释与执行、对现场数据和状态的监视及异常报警、历史数据的存档和报表处理等。

为了上述功能的实现，操作员站软件主要由以下几个部分组成：

图形处理，根据由组态软件生成的图形文件进行静态画面（又称为背景画面）的显示和动态数据的显示及按周期进行数据更新；操作命令处理，包括对键盘操作、鼠标操作、画面热点操作的各种命令方式的解释与处理；历史数据和实时数据的趋势曲线显示；报警信息的显示、事件信息的显示、记录与处理；历史数据的记录与存储、转储及存档软件；报表记录和打印；系统运行日志的形成、显示、打印和存储记录。

工程师站软件可分为两个大部分，其中一个部分是在线运行的，主要完成对DCS系统本身运行状态的诊断和监视，发现异常时进行报警，同时通过工程师站上的CRT屏幕给出详细的异常信息，如出现异常的位置、事件、性质等。

工程师站软件的最主要部分是离线态的组态软件，这是一组软件工具，是为了将一个通用的、对多个应用控制工程有普遍适应能力的系统，变成一个针对某个具体应用控制工程的专门系统。

为此，系统要针对这个具体应用进行一系列定义，如系统要进行什么样的控制；系统要处理哪些现场量，这些现场量要进行哪些显示、报表及历史数据存储等功能操作；系统的操作员要进行哪些控制操作，这些控制操作具体是如何实现的，等等。

在工程师站上，要做的组态定义主要包括以下方面：

系统硬件配置定义，包括系统中各类站的数量、每个站的网络参数、各个现场I/O站的I/O量配置（如各种I/O模块的数量、是否冗余、与主控单元的连接方式等）及各个站的功能定义等；实时数据库的定义，包括现场物理I/O点的定义（改点对应的物理I/O位置、工程量转换的参数、对该点所进行的数字滤波、不良的剔除及死区等处理）以及中间变量点的定义；历史数据库的定义，包括要进入历史数据库的实时数据、历史数据存储的周期、各个数据在历史数据库中保存的时间及对历史库进行转储（即将数据库转存到磁带、光盘等可以动介质上）的周期等；历史数据和实时数据的趋势显示、列表及打印输出等定义；控制算法的定义，包括确定控制目标、控制方法、控制周期及定义与控制相关的控制变量、控制参数等；人机界面的定义，包括操作功能定义（操作员可以进行哪些操作、如何进行操作等）、现场模拟图的显示定义（包括背景画面和实时刷新的动态数据）及各类运行数据的显示定义等；报警定义，包括报警产生的条件定义、报警方式的定义、报警处理的定义（如对报警信息的保存、报警的确认、报警的清除等操作）及报警列表的种类与尺寸定义等；系统运行日志的定义，包括各种现场事件的认定、记录方式及各种操作的记录等；报表定义，包括报表的种类、数量、报表的格式、报表的数据来源及在报表中各个数据项的运算处理等；事件顺序记录和事故追忆等特殊报告的定义。

集散控制系统的特点

从仪表控制系统的角度看，DCS的最大特点在于其具有传统模拟仪表所没有的通信功能。

从计算机控制系统的角度看，DCS的最大特点则在于它将整个系统的功能分成若干台不同的计算机去完成，各个计算机之间通过网络实现互相之间的协调和系统的集成。

在DCS中，检测、计算和控制着三项功能由称为现场控制站的计算机完成，而人机界面则由称为操作员站的计算机完成。

而在一个系统中，往往有多台现场控制站和多台操作员站，每台现场控制站或操作员站对部分被控对象实施控制或监视，这种划分是功能相同而范围不同的计算机。

因此，DCS中多台计算机的划分有功能上的，也有控制、监视范围上的。

这两种划分形成了DCS的“分布”一次的含义。

DCS有一系列特点和优点，主要表现在以下六个方面：

分散性和集中性、自治性和协调性、灵活性和扩展性、先进性和继承性、可靠性和适应性、友好性和新颖性。

DCS分散性的含义是广义的，不但是分散控制，还有地域分散、设备分散、功能分散和危险分散的含义。

分散的目的是为了使危险分散，进而提高系统的可靠性和安全性。

DCS的集中性是指集中监视、集中操作和集中管理。

DCS通信网络和分布式数据库是集中性的具体体现，用通信网络把屋里分散的设备构成统一的整体，用分布式数据库实现全系统的信息集成，进而达到信息共享。

因此，可以同时在多台操作员站上实现集中监视、集中操作和集中管理。

DCS的自治性是指系统中的各台计算机均可独立的工作，例如，过程控制站能自主的进行信号输入、运算、控制和输出；操作员站能自主的实现监视、操作和管理；工程师站的组态功能更为独立，既可在线组态，也可离线组态。

DCS的协调性是指系统中的各台计算机用通信网络互联在一起，相互传送信息，相互协调工作，以实现系统的总体功能。

DCS的灵活性和扩展性表现在DCS采用模块式结构，提供各类功能模块，可灵活的组态构成简单、复杂各类控制系统。

另外，还可根据生产工艺和流程的改变，随时修改控制方案，在系统容量允许范围内，只需通过组态就可以构成新的控制方案。

DCS采用了一系列冗余技术，如控制站主机、IO板、通信网络和电源等均可双重化，而且采用热备份工作方式，自动检查故障，一旦出现故障立即自动切换。

同时，通过故障诊断与维护软件，实施检查系统的硬件和软件故障，并采用故障屏蔽技术，使故障影响尽可能地小。

DCS采用高性能的电子元器件、先进的生产工艺和各项抗干扰技术，可使DCS能够适应恶劣的工作环境。

DCS为操作人员提供了友好的人机界面（MMI）。

操作员站采用彩色CRT和交互式图形画面，常用的画面有总貌、组、点、趋势、报警、操作指导的流程图画面等。

由于采用图形窗口、专用键盘、鼠标或球标器等，甚至采用动态画面、工业电视、合成语音等多媒体技术，图文并茂，形象直观，使得操作简单。

集散型控制系统的体系机构

中央计算机中控制系统的形成

在20世纪60年代前期，大量的工业控制计算机用来解决一些特定而明确的工业控制问题（如进行数据采集、数据处理、过程监视等），这类计算机通常称为专用机。

由于专用机只用来处理一个特定的事情，因此，工厂中就必然需要一系列的这类计算机来解决各种各样的问题，而且各种专用机之间也不能直接发生联系。

若需要相互之间的联系的话，也只有依靠数据传输介质（磁带、纸带、卡片）来传输，这样来传送它们之间的联系信息实在是太麻烦和费时。

后来，由于中央计算机的引入，各计算机都可以连接到中央计算机上，因此各专用机之间的联系就可以通过中央计算机转换而实现，这样无疑给系统的集成带来了方便。

由于专用机之间可以不用人工干预就可以达到相互联系的目的，进而整个系统就可以协调一致的运转，从而奠定了集中控制模式的基础。

到了20世纪60年代中期，由于出现了大型而高速的过程控制计算机，就使得采用单独的一台大型控制计算机来代替先前的众多专用小型机，以监视和控制多个装置成为可能，这样的系统就形成了中央集中式的计算机控制系统。

在当时，由于很多工厂企业都有中央控制室，因而分布在各车间的变送器，执行器以及其他的各种仪器仪表都直接连接到控制室。

DCS体系结构的形成

对于集中式计算机控制系统，其两大应用指标就是中央计算机的处理速度和计算机自身的可靠性。

计算机的处理速度越快，它在一定时间范围内就可以管理更多的被控设备。

可它的处理速度是受到当时技术条件的限制，此外有一点就是与以往一样，工厂中已有的仪器仪表装置（如所有的变送器、执行器等）都不得不连接到计算机上，这样在计算机和仪器仪表间就存在着成百上千的连接装置。

若是利用中央计算机来进行技术改造，利用现存的连接装置，整个控制系统的完成就比较省劲。

若是要重建工厂就不太容易了，因为计算机变得越来越便宜，而连接装置的造价则相对变化不大，这就会使得连接装置比计算机的花费还要大。

另外，所有的控制功能都集中到单台计算机上来完成，而一旦计算机出了问题，就意味着所有功能都将失效，这是设计师和工程师们很头痛的事情。

对于这种状况，必须寻求一种更加可靠的计算机自动化控制系统，其方案有以下两种：

（1）使计算机本身更加可靠。

（2）引入功能上可代替的集散型控制技术，以改善系统的可靠性。

对于第一种方案，就意味着要中央计算机更加可靠，其实施的方法可以采用大规模集成电路过程控制计算机或是采用多计算机（多CPU）结构。

大家都知道，后来是朝着集散型控制技术方向去发展的。

其原因可以归纳如下：

20世纪60年代末到70年代初，由于低成本的集成电路技术的发展，出现了小型、微型计算机，使得小型、微型计算机的功能更加完善，而且价格便宜，因而可以用小型计算机代替中央计算机的局部工作，以对其周围的装置进行过程监听和控制，有人将这些小型机叫做第一级计算机。

而中央计算机只处理中心自动化问题和管理方面的问题，从而产生了两极自动化控制系统的结构，也有人把这种结构叫做分散式计算机系统，这种结构在20世纪70年代得到了很广泛的应用，在20世纪70年代末，一开始是当多计算机自动化系统由制造商们推出，而一旦用户采用了分散式计算机控制系统，就必然会在满足自己应用的前提下，选择价格更加合理的不同厂家的计算机产品，而且当分散式控制系统逐渐建成后，就会与现存的过程控制计算机集成起来，一起完成它们的主要功能，这些小型计算机主要是完成实时处理、前端处理功能，而中央计算机只充当后继处理设备。

这样，中央计算机不能直接跟现场设备打交道，从而把部分控制功能和危险都分散到前端计算机上，如果中央计算机一旦失效，设备的控制功能依旧能得到保证。

图1中所示的多计算机结构比较适合于小型工业自动化过程，在这些系统中存在的前端计算机较少，然而当控制规模增大后（例如一座钢铁厂的自动化控制系统），就得有很多台前端计算机才能满足应用要求，从而使中央计算机的负载增大，难以在单台中央计算机的条件下及时的完成诸如模块上优化、系统管理等方面的工作，在这种应用的条件下，就出现了具有中间层次计算机的控制系统，在整个控制系统中，中间计算机分布在各个车间和工段上，处于前端机和中央计算机之间并担当起一些以往要求中央计算机来处理的职能，到此，系统结构就形成了三级计算机控制模式，这样的结构模式在工厂自动化方面得到了广泛的运用，至今仍常常见到。

举例来说，对于一座炼油厂，一定存在不同的车间，各车间中都有相应的各种被控装置，只要在各车间安装一台中间级控制计算机，它直接向下与前端计算机相连，向上与中央计算机相连，前端计算机就直接控制诸如温度、压力、流量等。

把中央计算机与工厂办公自动化系统连接起来，工厂自动化控制系统就集成到信息处理系统中，是工厂制造与办公室、实验室、仓库等商业和事务管理等系统构成了一体化，这也是现代化工厂的机构模式。

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图1

DCS的功能分层体系

目前，层次化已经成为DCS的体系特点，使其体现集中操作管理、分散控制的思想。

可以将DCS的层次分为以下四级

（1）现场装置管理层次的直接控制级（过程控制级）在这一级上，过程控制计算机直接与现场各类装置（如变送器、执行器、记录仪表等）相连，接受上层的管理信息，并向上传递装置的特性数据和采集到的实时数据。

（2）过程管理级在这一级上的过程管理计算机主要有监控计算机、操作站、工程师站。

它综合监视过程各站的所有信息，集中显示操作，控制回路组态和参数修改，优化过程处理等。

（3）生产管理级（产品管理级）在这一级上的管理计算机根据产品各部分的特点，协调各单元级的参数设定，是产品的总体协调员和控制器。

（4）工厂总体管理级（经营管理级）这一级居中中央计算机上，并与办公自动化连接起来，担负起全厂总体协调管理，包括各类经营活动、人事管理等。

DCS各层次的功能

新型的DCS是开放性的体系结构，可方便的与生产管理的上位计算机相互交换信息，形成计算机一体化生产系统，实现工厂的信息管理一体化。

1.直接控制级

直接控制级是DCS的基础，其主要任务有：

（1）进行过程数据采集即对被控设备中的每个过程量和状态信息进行快速采集，使进行数字控制、开环控制、设备监测、状态报告的过程等获得所需要的输入的信息。

（2）进行直接数字的过程控制根据控制组态数据库、控制算法模块来实施实时的过程量（如开关量、模拟量等）的控制。

（3）进行设备监测和系统的测试和诊断把过程变量和状态信息取出后，分析是否可以接受以及是否可以允