1、工业电气与自动化姓 名：尹 佳学 号：2010323246班 级：化工 1021- 2 -1、DCS 的发展现状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。过程控制作为自动化技术的应用5,15，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
2、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4，到了上个世纪 70 年代，微型计算机的出现 4，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，并未形成控制网络体系，集
3、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。2、DCS 的技术基础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
4、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，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；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。2 网络技术的飞速发展控制网络的发展，其基本趋
5、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 2（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
6、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- 3 -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 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 12,18，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 13，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
7、 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10100m，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17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。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，在这里我想讲的是新兴的软连接技术用于工控领域，例如：ODBC、OLEDB 、OPC、COM 等，特别是 OP
8、C（OLE For Process Control）技术 6,18，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，它的工作方式如图 3.4 所示，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等软件无缝连接起来，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，任何支持其接口地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。3、DCS 的层次结构一、第一层：分散过程控制级分散过程控制级是 DCS 的基础层,它
9、向下直接面向工业对象，其输入信号来自于生产过程现场的传感器（如热电偶、热电阻等） 、变送器（如温度、压力、液位、流量等）及电气开关（输入触点）等，其输出去驱动执行器（如调节阀、电磁阀、电机等） ，完成生产过程的数据采集、闭环调节控制、顺序控制等功能；其向上与集中操作监控级进行数据通信，接收操作站下传加载的参数和操作命令，以及将现场工作情况信息整理后向操作站报告。构成这一级的主要装置有：现场控制站，可编程控制器，智能调节器及其它测控装置。1、.现场控制站OPC他I/O他 OPC他他他 他他他他他 他他他他 3.4- 4 -现场控制站具有多种功能集连续控制、顺序控制、批量控制及数据采集功能为一身。
10、 （1）现场控制站的硬件构成现场控制站一般是标准的机柜式机构，柜内由电源、总线、I/O 模件、处理器模件、通信模件等部分组成。一般在机柜的顶部装有风扇组件，其目的是带走机柜内部电子部件所散发出来的热量；机柜内部设若干层模件安装单元，上层安装处理器模件和通信模件，中间安装 I/O 模件，最下边安装电源组件。机柜内还设有各种总线，如电源总线，接地总线，数据总线，地址总线，控制总线等等。现场控制站的电源不仅要为柜内提供电源，还要为现场检测器件提供外供电源，这两种电源必须互相隔离，不可共地，以免干扰信号通过电源回路耦合到 I/O 通道中去。一个现场控制站中的系统结构如图 2 所示，包含一个或多个基本控
11、制单元，基本控制单元是由一个完成控制或数据处理任务的处理器模件以及与其相连的若干个输入输出模件所构成的（有点类似于 IPC） 。基本控制单元之间，通过控制网络 Cnet 连接在一起，Cnet 网络上的上传信息通过通信模件，送到监控网络 Snet，同理 Snet 的下传信息，也通过通信模件和 Cnet 传到各个基本控制单元。在每一个基本控制单元中，处理器模件与 I/O 模件之间的信息交换由内部总线完成。内部总线可能是并行总线，也可能是串行总线。近年来，多采用串行总线 。（2）现场控制站的软件功能现场控制站的主要功能有 6 种，即数据采集功能、DDC 控制功能、顺序控制功能、信号报警功能、打印报表
12、功能、数据通信功能：数据采集功能：对过程参数，主要是各类传感变送器的模拟信号进行数据采集、变换、处理、显示、存储、趋势曲线显示、事故报警等。DDC 控制功能：包括接受现场的测量信号，进而求出设定值与测量值的偏差，并对偏差进行 PID 控制运算，最后求出新的控制量，并将此控制量转换成相应的电流送至执行器驱动被控对象。顺序控制功能：通过来自过程状态输入输出信号和反馈控制功能等状态信号，按预先设定的顺序和条件，对控制的各阶段进行顺序控制。信号报警功能：对过程参数设置上限值和下限值，若超过上限或下限则分别进行越限报警；对非法的开关量状态进行报警；对出现的事故进行报警。信号的报警是以声音、光或 CRT
13、屏幕显示颜色变化来表示。打印报表功能：定时打印报表；随机打印过程参数；事故报表的自动记录打印。数据通信功能：完成分散过程控制级与集中操作监控之间的信息交换。2智能调节器智能调节器是一种数字化的过程控制仪表，也称可编程调节器。其外形类似于一般的盘装仪表，而其内部是由微处理器 CPU、存储器 RAM、ROM、模拟量和数字量 I/0 通道、电源等部分组成的一个微型计算机系统。智能调节器可以接受和输出 420mA 模拟量信号和开关量信号，同时还具有 RS232 或 RS-485等串行通信接口。一般有单回路、2 回路、或 4 回路的调节器，控制方式除一般的单回路 PID 之外，还可组成串级控制、前馈控制
14、等复杂回路。因此，智能调节器不仅可以在一些重要场合下单独构成复杂控制系统，完成 1 4 个过程控制回路，而且可以作为大型分散控制系统中最基层的一种控制单元，与上位机（即操作监控级）连成主从式通信网络，接受上位机下传的控制参数，并上报- 5 -各种过程参数。3可编程控制器可编程控制器即 PLC，与智能调节器最大的不同点是：它主要配制的是开关量输人、输出通道，用于执行顺序控制功能。在新型的 PLC 中，也提供了模拟量输入输出及 PID 控制模块，而且均带有 RS-485 标准的异步通信接口。同智能调节器一样，PLC 的高可靠性和不断增强的功能，使它既可以在小型控制系统中担当控制主角，又可以作为大型
15、分散控制系统中最基层的一种控制单元。二、第二层集中操作监控级集中操作监控级是面向现场操作员和系统工程师的，如图 1 所示的中间层。这一级配有技术手段先进，功能强大的计算机系统及各类外部装置，通常采用较大屏幕、较高分辨率的图形显示器和工业键盘，计算机系统配有较大存储容量的硬盘或软盘，另外还有功能强大的软件支持，确保工程师和操作员对系统进行组态、监视和操作，对生产过程实行高级控制策略、故障诊断、质量评估等。集中操作监控级以操作监视为主要任务：把过程参数的信息集中化，对各个现场控制站的数据进行收集，并通过简单的操作，进行工程量的显示、各种工艺流程图的显示、趋势曲线的显示以及改变过程参数（如设定值、控
16、制参数、报警状态等信息） ；另一个任务是兼有部分管理功能：进行控制系统的组态与生成。构成这一级的主要装置有：面向操作人员的操作员操作站、面向监督管理人员的工程师操作站、监控计算机及层间网络联接器。一般情况下，一个 DCS 系统只需配备一台工程师站，而操作员站的数量则需要根据实际要求配置。1操作员操作站DCS 的操作员站是处理一切与运行操作有关的人-机界面功能的网络节点，其主要功能就是使操作员可以通过操作员站及时了解现场运行状态、各种运行参数的当前值、是否有异常情况发生等。并可通过输出设备对工艺过程进行控制和调节，以保证生产过程的安全、可靠、高效、高质。（1）操作员站的硬件操作员站由 IPC 或
17、工作站、工业键盘、大屏幕图形显示器和操作控制台组成，这些设备除工业键盘外，其他均属通用型设备。目前 DCS 一般都采用 IPC 来作为操作员站的主机及用于监控的监控计算机。操作员键盘多采用工业键盘，它是一种根据系统的功能用途及应用现场的要求进行设计的专用键盘，这种键盘侧重于功能键的设置、盘面的布置安排及特殊功能键的定义。由于 DCS 操作员的主要工作基本上都是通过 CRT 屏幕、工业键盘完成的，因此，操作控制台必须设计合理，使操作员能长时间工作不感吃力。另外在操作控制台上一般还应留有安放打印机的位置，以便放置报警打印机或报表打印机。作为操作员站的图形显示器均为彩色显示器，且分辨率较高、尺寸较大
18、。打印机是 DCS 操作员站的不可缺少的外设。一般的 DCS 配备两台打印机，一台为普通打印机，用于生产记录报表和报警列表打印；另一台为彩色打印机，用来拷贝流程画面。（2）操作员站的功能- 6 -操作员站的功能主要是指正常运行时的工艺监视和运行操作，主要由总貌画面、分组画面、点画面、流程图画面、趋势曲线画面、报警显示画面及操作指导画面等 7 种显示画面构成。2工程师操作站工程师站是对 DCS 进行离线的配置、组态工作和在线的系统监督、控制、维护的网络节点。其主要功能是提供对 DCS 进行组态，配置工具软件即组态软件，并通过工程师站及时调整系统配置及一些系统参数的设定，使 DCS 随时处于最佳工
19、作状态之下。（1）工程师站的硬件对系统工程师站的硬件没有什么特殊要求，由于工程师站一般放在计算机房内，工作环境较好，因此不一定非要选用工业型的机器，选用普通的微型计算机或工作站就可以了，但由于工程师站要长期连续在线运行，因此其可靠性要求较高。目前，由于计算机制造技术的巨大进步，便得 IPC 的成本大幅下降，因而工程师站的计算机也多采用 IPC。其它外设一般采用普通的标准键盘、图形显示器，打印机也可与操作员站共享。（2）工程师站的功能系统工程师站的功能主要包括对系统的组态功能及对系统的监督功能。组态功能：工程师站的最主要功能是对 DCS 进行离线的配置和组态工作。在DCS 进行配置和组态之前，它
20、是毫无实际应用功能的，只有在对应用过程进行了详细的分析、设计并按设计要求正确地完成了组态工作之后，DCS 才成为一个真正适合于某个生产过程使用的应用控制系统。系统工程师在进行系统的组态工作时，可依照给定的运算功能模块进行选择、连接、组态和设定参数，用户无须编制程序。监督功能：与操作员站不同，工程师站必须对 DCS 本身的运行状态进行监视，包括各个现场 I/O 控制站的运行状态、各操作员站的运行情况、网络通信情况等等。一旦发现异常，系统工程师必须及时采取措施，进行维修或调整，以使DCS 能保证连续正常运行，不会因对生产过程的失控造成损失。另外还具有对组态的在线修改功能，如上、下限定值的改变，控制
21、参数的修整，对检测点甚至对某个现场 I/O 站的离线直接操作。在集中操作监控级这一层，当被监控对象较多时还配有监控计算机；当需要与上下层网络交换信息时还需配备网间联接器。三、第三层综合信息管理级这一级主要由高档微机或小型机担当的管理计算机构成，如图 12-1 所示的顶层部分。DCS 的综合信息管理级实际上是一个管理信息系统（Management lnformation System，简称 MIS） ，由计算机硬件、软件、数据库、各种规程和人共同组成的工厂自动化综合服务体系和办公自动化系统。MIS 是一个以数据为中心的计算机信息系统。企业 MIS 可粗略地分为市场经营管理、生产管理、财务管理和人
22、事管理四个子系统。子系统从功能上说应尽可能独立，子系统之间通过信息而相互联系。DCS 的综合信息管理级主要完成生产管理和经营管理功能。比如进行市场预测，经济信息分析；对原材料库存情况、生产进度、工艺流程及工艺参数进行生产- 7 -统计和报表；进行长期性的趋势分析，作出生产和经营决策，确保最优化的经济效益。目前国内使用的 DCS 重点主要放在底层与中层二级上。四、通信网络系统DCS 各级之间的信息传输主要依靠通信网络系统来支持。通信网分成低速、中速、高速通信网络。低速网络面向分散过程控制级；中速网络面向集中操作监控级；高速网络面向管理级。用于 DCS 的计算机网络在很多方面的要求不同于通用的计算
23、机网络。它是一个实时网络，也就是说网络需要根据现场通信的实时性要求，在确定的时限内完成信息的传送。根据网络的拓扑结构，DCS 的计算机网络大致可分为星型、总线型和环型结构三种。DCS 厂家常采用的网络结构是环型网和总线型网，在这两种结构的网络中，各个节点可以说是平等的，任意两个节点之间的通信可以直接通过网络进行，而不需要其它节点的介入。在比较大的分散控制系统中，为了提高系统性能，也可以把集中网络结构合理地运用于一个系统中，以充分利用各网络结构的优点。4、DCS 的核心设计思想、自主性：工作站通过网络接口连接起来，独自完成合理分配的规定任务。控制功能齐全、算法丰富，连续控制和批量控制集于一体。、
24、协调性：系统信息共享，互相调节，统一调度。、友好性：软硬件的先进技术使得人机界面更加友善便捷。、开放性：软硬件采用开放式、标准化和模块化设计，具有灵活的配置，可适应不同用户的需要。、在线性：通过人机接口和 I/O 接口，对过程对象的数据进行实时采集、分析、记录、监视、操作控制，并包括对系统结构和组态回路的在线修改、局部故障的在线维护等。、可靠性：系统结构采用容错设计，在任一单元失效的情况下，仍然保持系统的完整性。所有硬件双重化，软件采用程序分段与模块化设计。5、DCS 的应用。DCS 应用之所以如此普遍，究其原因它有以下一系列的特点和优点：分散性：其含义是指分散控制、地域分散、设备分散、功能分
25、散和危险分散。硬件积木化和软件模块化是分散性的具体体现。目的是为了使危险分散，进而提高系统的可靠性和安全性。集中性：其含义是指集中监视、操作和管理。用通信网络把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。人们可以同时在多台操作站上集中监视、操作和管理。自治性：其含义是指系统中的各台设备均可独立地工作。控制站自主地进行输入、运算、控制和输出，操作员站自主地实现监视、操作和管理，工程师站可以在线或离线组态。协调性：其含义是指系统中的各台设备用通信网络和数据库互连在一起，相互传送信息，相互协调工作，以实现系统的总体功能。DCS 的分散和集中、自治和协调不是互相-
26、8 -对立，而是互相补充。灵活性和扩展性：硬件采用积木式结构，可以灵活地配置成小、中、大各类系统，并可以根据企业的发展逐步扩展系统。软件采用模块式结构，提供输入、输出、运算和控制功能块，可以灵活地组态构成简单、复杂各类控制系统，并可以根据生产工艺流程的改变，随时修改控制方案。可靠性和适应性：分散性带来系统的可靠性，并采用一系列冗余技术、热拔插技术、故障诊断和故障屏蔽技术。采用高性能的元器件、先进的制造工艺和抗干扰技术，使 DCS能够适应恶劣的工作环境。先进性和继承性：硬件上采用先进的计算机、通信网络和人机接口；软件上采用先进的操作系统、数据库、网络管理和控制语言；控制算法上采用自适应、预测、推
27、理、优化等先进控制技术。DCS 更新换代比较快，继承性体现在新、老系统互相兼容，可以给用户带来更好的利益。我国化学工业生产过程控制率先使用 DCS 的是吉化公司化肥厂,1981 年引进日本横河公司的 CENTUM 系统,控制 9 个机组的合成氨生产工艺 ,由于运行安全可靠,受到各方面的好评。从 80 年代到 90 年代,DCS 在我国化工企业应用迅速发展,许多大中型化工厂都采用 DCS 来改造传统生产流程,利用 DCS 丰富的软硬件功能开发先进控制系统,构成节能效果显著的复杂控制回路,进而研究开发优化操作方法和人工智能等控制策略,收到了明显的社会效益和经济效益,使我国化工自动化水平上了一个新台
28、阶。 到 1998 年我国化学工业(含石油化工 )已有 1100 多套不同型号的 DCS 生产装置投入运行。据不完全统计,我国有 94%的大型氨厂、 65%的中型氨厂和 100%的大型乙烯厂安装了 DCS,用于过程控制和企业管理。化学工业在我国工业部门 DCS 应用套数最多(见表),新建化工装置仪表和控制系统的投资一般占整个生产装置投资的 10%15% 。 化工企业对 DCS 的认识,随着 DCS 的功能增强和价格降低而逐渐加深,应用范围也随之日益广泛。80 年代只有大中型企业或大型联合装置才采用 DCS 控制生产过程。现在所有在建的化工装置,不论规模大小均采用 DCS。DCS 的广泛应用,除了人们认识的转变以外,主要驱动力还是市场竞争和技术进步导致 DCS 生产厂家不断进行产品改进,使其功能更强、应用更方便,产品价格也不断下降。总之,计算机的技术进步为 DCS 的广泛应用提供了非常有利的条件。从现实情况看,我国化工企业的 DCS 应用也还有很大的潜力。
