1、12 集散控制系统DCS是随着现代大型工业生产自动化的不断兴起和过程控制要求的日益复杂应运而生的综合控制系统。istributed ontrol ystem DCS可直译为“分布式控制系统”“集散控制系统”是按中国人习惯理解而称谓的。DCS的主要特征是它的和 它采用危险分散、控制分散，而操作和管理集中的基本设计思想，多层分级、合作自治的结构形式 DCS在电力、冶金、石油、化工、制药等各种领域都得到了极其广泛的应用。3经营管理级生产管理级控制管理级过程控制级具体表现在：（1）分级递阶结构4通常分为：通常分为：各级从各级从“上级上级”获取指获取指示，从示，从“下级下级”获取信息，产生对获取信息，产
2、生对“下级下级”的控制。的控制。直接控制直接控制经营经营管理管理生产管理生产管理过程管理过程管理连续过程连续过程 间歇过程间歇过程 离散过程离散过程经营管理级居于工厂自动化系统的最经营管理级居于工厂自动化系统的最高一层，负责全厂广泛的工程、经济高一层，负责全厂广泛的工程、经济、商务、人事以及其它的工作。如：、商务、人事以及其它的工作。如：市场分析、销售和生产计划市场分析、销售和生产计划过程管理级主要功能包括回路过程管理级主要功能包括回路组态、优化控制、性能监视、组态、优化控制、性能监视、故障监测、记录、报警故障监测、记录、报警生产管理主要完成生产规划，生产监生产管理主要完成生产规划，生产监视，
3、根据用户订单、库存、能耗约束视，根据用户订单、库存、能耗约束、能耗需求等指标进行生产调度。在、能耗需求等指标进行生产调度。在许多许多DCSDCS中，这级就充当最高管理层中，这级就充当最高管理层。直接控制级主要功能包括现场数据采直接控制级主要功能包括现场数据采集、过程监视、故障诊断，控制输出集、过程监视、故障诊断，控制输出、安全性能和冗余性能的实施、安全性能和冗余性能的实施5 DCS采用了以微处理器为基础的“智能技术”，成为计算机应用最完善、最丰富的领域。DCS的现场控制单元、过程输入输出接口、数据通信装置等均采用微处理器，可以实现自适应、自诊断和自检测等“智能”。6 DCS的数据通信网络采用工
4、业局部网络技术进行通信，传输实时控制信息，进行全系统信息综合管理，并对分散的现场控制单元、人机接口进行控制和操作管理。大多采用光纤传输媒质，通信的可靠性和安全性大为提高。通信协议已开始向标准化前进，如采用IEEE802.3、IEEE802.4、IEEE802.5和MAP3.0等。7 DCS具有丰富的功能软件包，它能提供控制运算、过程监视、组态、报表打印和信息检索等功能。8 高可靠性是DCS发展的生命，当今大多数DCS的MTBF达10万小时以上，MTTR一般只有5min左右。在上，各级人机接口、控制单元、过程接口、电源、通信接口、内部通信总线和系统通信网络等均可采用冗余化配置 在上，则广泛采用了
5、容错技术、故障的智能化自检和自诊断等技术，以提高系统的整体可靠性。9客观的评价：客观的评价：随着计算机技术的发展及其在工业控制系统中的应用，DCS表现出十分优越的性能，将工业过程自动化提高到一个新的水平。好的一面：好的一面：传统DCS基于模拟仪表，模拟仪表的单一功能使得：现场信号的检测、传输与控制还是保留了与常规仪表相同的方式，即以420mA模拟方式传输。存在的问题是：同时由于各DCS开发商生产自己的专用平台，使得：不好的一面：不好的一面：问题1问题2问题310向开放式系统发展向开放式系统发展智能变送器、远程智能变送器、远程I/O和现场总线的发展，进一步使现场测控和现场总线的发展，进一步使现场
6、测控功能下移分散功能下移分散 DCS、PLC、PCCS相互渗透融合，形成数字化、模块化、网相互渗透融合，形成数字化、模块化、网络化的分布式控制系统络化的分布式控制系统现场总线集成于现场总线集成于DCS系统是现阶段控制网络的发展趋势系统是现阶段控制网络的发展趋势 现场总线于现场总线于DCS系统系统I/O总线上的集成总线上的集成 现场总线于现场总线于DCS系统网络层的集成系统网络层的集成 现场总线通过网关与现场总线通过网关与DCS系统并行集成系统并行集成 11未来的DCS将采用智能化仪表和现场总线技术，从而彻底实现分散控制，并可节约大量的布线费用，提高系统的易展性。OPC标准的出现从根本上解决了控
7、制系统的共享问题，使系统的集成更加方便，从而导致控制系统价格的下降。基于PC机的解决方案将使控制系统更具有开放性。Internet技术在控制系统中的应用，将使操作界面更加友好、数据访问更加方便，并且Window NT将成为控制系统的优秀平台。总之，DCS通过不断采用新技术将向标准化、开放化、通用化的方向发展。1213DCS的层次结构中，最低级是与生产过程直接相连的过程控制级。在不同的DCS中，过程控制级所采用的装置结构形式大致相同，但名称各异，如过程控制单元、现场控制站、过程监测站、基本控制器、过程接口单元等，在这里，我们统称现场控制单元FCU。FCU实现了DCS的分散控制功能，是DCS的核心
8、部分。生产过程的各种参量由传感器接受并转换送给现场控制单元作为控制和监测的依据，而各种操作通过现场控制单元送到各执行机构。有关信号的转换、各类基本控制算法都在现场控制单元中完成。过程管理级由工程师站、操作员站、管理计算机和显示装置组成直接完成对过程控制级的集中监视和管理，通常称为操作站。DCS的生产管理级、经营管理级是由功能强大的计算机来实现，没有更多的硬件构成，这里不作阐述。14 DCS的硬件和软件，都是按模块化结构设计的 DCS的开发实际上就是：将系统提供的各种基本模块（软件、硬件两方面）按实际的需要组合为一个系统，这个过程称为系统的组态。采用组态的方式构建系统可以极大限度地减少许多重复的
9、工作，为DCS的推广应用提供了技术保证。DCS的硬件组态就是根据实际系统的规模对计算机及其网络系统进行配置，选择适当的工程师站、操作员站和现场控制单元。15以典型的中小型以典型的中小型DCSDCSCENTUM-XLCENTUM-XL为例论述为例论述FCUFCU和操作站的硬件构成和操作站的硬件构成16现场控制单元一般远离控制中心，安装在靠近现场的地方，以消除长距离传输的干扰。其高度模块化结构可以根据过程监测和控制的需要配置成由几个监控点到数百个监控点的规模不等的过程控制单元。它的结构是许多功能分散的插板（或称模件）、插板箱，各箱又分层地插入机柜。17在在DCS中，中，FCU具有如下功能：具有如下
10、功能：完成来自变送器的信号的数据采集，有必要时，要对采集的信号进行校正、非线性补偿、单位换算、上下限报警以及累计量的计算等。将采集和通过运算得到的中间数据通过网络传送给操作站。通过其中的软件组态，对现场设备实施各种控制，包括反馈控制和顺序控制。一般现场控制单元还设置手动功能，以实施对生产过程的直接操作和控制。现场控制单元通常不配备CRT显示器和操作键盘，但可备有袖珍型现场操作器，或在前面板上装备小型开关和数字显示设备。现场控制单元具有很强的自治能力，可单独运行。1819MAC2VM1VM1VM2ST2NP5XNP5XPS3XPS3X输入、输出插件通用插件CPU插件(可双重化)电源插件(可双重化
11、)RL总线耦合器(可双重化)在基本型控制单元上，可插入12块功能插件。左侧的1#8#个插槽可安装8个输入、输出插件，和现场来的信号相配合右边4块是通用插件，从右边起，有电源插件、双重化时的电源插件（在非双重化时此槽为空槽）、基本型CPU存储插件、双重化时的CPU存储插件。20在扩展型在扩展型FCUFCU和输入输出扩展单元均可插和输入输出扩展单元均可插12块功能插件块功能插件扩展型扩展型FCUFCU外形、插入插件的块数、插槽构成等和基本型外形、插入插件的块数、插槽构成等和基本型FCUFCU一样，左边一样，左边8 8个是输入、输出插槽个是输入、输出插槽，右边，右边4 4个是通用插槽。个是通用插槽。
12、但是，扩展型但是，扩展型FCUFCU还可以通过还可以通过NENE总线连接不超过总线连接不超过3 3个输入输出扩展单元，此时从右边数起第个输入输出扩展单元，此时从右边数起第5 5个个插槽内要插入插槽内要插入NENE总线通信插件总线通信插件NE53NE53，因而这时输入、输出插件的实际可插入数为因而这时输入、输出插件的实际可插入数为7 7块。块。输入输出扩展单元的外形也和基本型控制单元相同，左起前输入输出扩展单元的外形也和基本型控制单元相同，左起前8 8个插槽可安装输入、输出插件，个插槽可安装输入、输出插件，第第9 9块插件为块插件为NENE总线通信插件，第总线通信插件，第1010、1111槽为空
13、槽，第槽为空槽，第1212块插件为电源插件。块插件为电源插件。除了可用于基本型控制单元的插件之外，还增加了若干专门用于扩展型控制单元的输入输出除了可用于基本型控制单元的插件之外，还增加了若干专门用于扩展型控制单元的输入输出插件插件 MAC2VM1VM1RS2NE53NP5XNP5XPS3XPS3XRL总线耦合器(可双重化)输入、输出插件输入输出扩展单元NE53PS3XNE总线21型号插件功能摘要可安装的插槽序号可安装的单元1#2#3#4#5#6#7#8#ABCPS31/32/35 电源插件(可安装于12#、11#)NP53/54CPU插件(可安装于10#、9#)NE53NE总线通信插件(见图5
14、-28)MAC2控制用模拟量I/O插件(8路AI、8路AO)PAC8路脉冲量输入，8路AO：420mAST216路DI、16路DOST332路DIST432路DOST532路DI、32路DOST664路DIST764路DOVM116路模拟量输入：15V DCVM28路AI：15VDC 8路AO：15VDCVM416路AO：15V DCPM116路脉冲量输入：06KHzRS2RS-232-C接口插件，可接4个设备PX1PLC接口插件RS3通用串行接口插件MF1远程I/O接口插件注 A表示基本型现场控制单元，B表示扩展型控制单元，C表示输入输出扩展单元；当配置一个插件时（无双重化），该插槽为空槽；
15、一台单元之中只能插入1块。22操作站（MOPS/MOPL）显示并记录来自各控制单元的过程数据，是人与生产过程的操作接口。通过操作人/机接口，实现适当的信息处理和生产过程操作的集中化。HMIHuman Machine Interface23 主机系统 显示设备 键盘输入设备 信息存储设备 打印输出设备 操作站的主机系统主要实现集中监视、对现场直接操作、系统生成和诊断等功能，在同一系统中最多可连接5台操作站。有的DCS配备一个工程师站，用来生成目标系统的参数等。多数系统的工程师站和操作员站合在一起，仅用一个工程师键盘，起到工程师站的作用。主要显示设备是彩色CRT，或者是触摸屏。键盘分为操作员键盘和
16、工程师键盘两种。操作和监视用的操作员键盘，采用防水、防尘结构的专用键盘。工程师键盘用于系统工程师的编程和组态，类似于PC机键盘。存储器、软硬盘等 打印输出设备就是指打印机，主要用于打印生产记录报表、报警列表和拷贝流程画面。24 显示功能显示功能 （1）模拟参数显示 （2）系统状态显示 （3）多种画面显示 例如控制回路画面 一个控制回路的详细数据显示 右图为一个回路的反馈仪表图。25 报警功能报警功能 操作功能操作功能 报表打印功能报表打印功能 组态和编程功能组态和编程功能 262728现场控制单元的软件可分为：执行代码部分和数据部分数据采集、控制决策(运算)、输出和有关系统控制的软件的程序执行
17、代码部分固化在现场控制单元的EPROM中实时数据存放在RAM中29现场控制单元的软件主要包括：数据巡检模块、控制算法模块、控制输出模块、通信模块以及实时数据库五个部分。现场控制单元的软件结构如下图数据巡检模块网络通信模块控制输出模块现场控制单元的RAM是一个实时数据库，起到中心环节的作用，在这里进行数据共享，各执行代码都与它交换数据，用来存储现场采集的数据、控制输出以及某些计算的中间结果和控制算法结构等方面的信息。30DCS的控制功能用组态软件生成，由现场控制单元实施。现场控制单元提供的部分控制算法模块：ADDCABSUBCABMULCABDIVCABSQRTCAPCABPICABPIDCAB
18、HSCABLSCABCA0()()tPICKABKAB dt0()()()tPIDd ABCKABKAB dtKdt算法模块图 功能加法C=A+B减法C=AB乘法C=A*B除法C=A/B开方P调节器C=Kp(AB)PI调节器PID调节器高选通HISELIF AB,Then C=A;Else C=B低选通LOSELIF AB,Then C=A;Else C=B31为了有效地实现各类工业对象的控制，控制算法库中还包括下列一些模块：自动/手动切换模块 线性插值模块 非线性模块 变型PID模块 平衡输出模块 执行器模块 逻辑模块 32 DCS中的工程师站或操作员站必须完成系统的开发、生成、测试和运行等
19、任务，这就需要相应的系统软件支持，这些软件包括：操作系统编程语言各种工具软件等 33 一套完善的DCS，其操作站上运行的应用软件应完成如下功能：实时数据库、网络管理、历史数据库管理、图形管理、历史数据趋势管理、数据库详细显示与修改、记录报表生成与打印、人机接口控制、控制回路调节、参数列表、串行通信和各种组态等。34DCS的开发过程主要是采用系统组态软件依据控制系统的实际需要生成各类应用软件的过程。一个强大的组态软件，能够提供一个友好的用户界面，并已汉化，使用户只需用最简单的编程语言或图表作业方法而不需要编写代码程序便可生成自己需要的应用软件。DCS软件组态主要包括：控制回路的组态控制回路的组态
20、 实时数据库生成实时数据库生成 流程画面的生成流程画面的生成 历史数据库的生成历史数据库的生成 报表生成报表生成 35目前各种不同的DCS提供的组态方法各不相同，下面给出以流量控制系统为例的几种常用组态方式。指定运算模块连接方式指定运算模块连接方式 这是在工程师操作键盘上，通过触摸屏幕、鼠标或键盘等操作，调用各种独立的标准运算模块，用线条连接成多种多样的控制回路，然后由计算机自动生成软件 x1ax1+c温度压力PID输出流量（差压）x1ax1+cx1x2x1x221axx1 2a xx36判定表方式判定表方式 这是纯粹的填表形式，只要按照CRT画面上组态表格的要求，用工程师键盘逐项填入内容或回
21、答问题即可。这种方式更有利于用户的组态操作。控制站编号 =01回路编号 =23工位号功能指定输入处理量程上限量程下限工业单位线性化积算指定报警处理上下限报警上下限报警灯输出变化限报警变化限报警灯输出偏差报警偏差报警输出=F120=PID=100.0=0=M3/H=YES=YES=NO=YES=NO=YES=NO 补偿计算温度输入温度设计值压力输入压力设计值控制运算控制周期设定值跟踪输入/输出补偿输出处理正/反动作输出跟踪输出变化限幅备用操作器=YES=T130=15()=P540=1.0(kg/cm2)=1秒=YES=NO=R(反作用)=YES=5%/次=NO37步骤记入方式步骤记入方式 这是一种面向过程的POL语言指令的编写方式，其编程自由度大,各种复杂功能都可通过一些技巧实现。但由于系统生成效率低,不适用大规模DCS。步骤记入方式首先编制如表8-4所示的程序，然后用相应的组态键盘输入。类似于SLPC可编程控制器的程序输入方法。
