dcs的实现及案例分析

一、DCS的实现

1、刖百（（分散型控制系统DCS）是以微处理机为基础，以危wei）险分散控制，操作和管理集中为特性，集先进的计算机技术、通讯技术、CRT技术和控制技术即4c技术于一体的新型控制系统随着现代计算机和通讯网络技术的高速发展，DCS正向着多元化、网络化、开放化、集成管理方向发展，使得不同型号的DCS可以互连，进行数据交换，并可通过以太网将DCS系统和工厂管理网相连，实现实时数据上网，成为过程工业自动控制的主流

2、DCS的结构组成（DCS主要分为三大部份带I/O部件的控制器、通讯网络和人机接口HMI）控制器I/O部件直接与生产过程相连，接收现场设备送来的信号；人机接口是操作人员与DCS相互交换信息的设备；通讯网络将控制器和人机接口联系通讯网络则是“神经网络”DCS的典型结构如图一:起来，形成一个有机的整体从某种意义上说，控制器是“心脏”；人机接口是州艮睛”；

3、DCS的通讯网络

3.1发展历程随着计算机技术、网络技术和控制技术的不断发展，DCS自20世纪70年代问世以来，先后经历了四个发展时期，具体划分为⑴1975—1980初创期此时的DCS通讯系统只是一种初级局部网络，全系统由一个通讯指挥器指挥，对各单元的访问是轮流问询方式如TDC-2000MOD-3等

（2）1980-1985成熟期采用局域网络，由主从式星型网络转变成对等式的总线网络通信或者环网通信，扩大了通信范围，提高了传输速率如TDC-3000MOD-300等

（3）1985—1990扩展期在局域网络方面采用国际标准组织ISO的0sl开放系统互联的参考模型，使符合开确定DCS放系统的各创造厂的产品可以互连，互通信以及进行数据交换，第三方软件以可以应用改变了过去DCS图一DCS的典型结构硬件这里的硬件主要是指DCS对外部接口的硬件，根据I/O点的要求决定DCS的I/O卡；根据控制任务确定DCS控制器的数量与等级；根据工艺过程的分布确定DCS控制柜的数量与分布，同事确定DCS的网络系统；根据运行方式的要求，确定人机接口设备、工程师站及辅助设备；根据与其他设备的接口要求，确定DCS于其他设备的通信接口的数量与形式软件设计软件设计的结果使工程师将来可以在此基础上编写用户控制程序，需要做以下工作根据顺序控制要求设计逻辑框图或者写出控制说明，这些要求用于组态的指导根据调节系统要求设计调节系统框图，它描述的是控制回路的调节量、被调量、扰动量、连锁原则等信息根据工艺要求提出连锁保护的要求针对应控制的设备，提出控制要求，如启、停、开、关的条件与注意事项做出典型的组态用于说明通用功能的实现方式，如单回路调节、多选一的选择逻辑、设备驱动控制、顺序控制等，这些逻辑与方案规定了今后详细设计的基本模式规定报警、归档等方面的原则人机接口的设计人机接口的初步设计规定了今后设计的风格，这一点在人机接口设计方面表现得非常明显，如颜色的约定、字体的形式、报警的原则等良好的初步设计能保持今后详细设计的一致性，这对于系统今后的使用非常重要，人机接口的初步设计内容与DCS的人机接口形式有关，这里所指出的只是一些最基本的内容画面的类型与结构，这些画面包括工艺流程画面、过程控制画面（如趋势图、面板图等、系统监视画面等，结构是指他们的范围和它们之间的调用关系，确定针对每一个功能需要有多少幅画面，要用什么类型的画面完成控制与监视任务画面形式的约定，约定画面的颜色、字体、布局等方面的内容报警、记录、归档等功能的设计原则，定义典型的设计方法人机接口其他功能的初步设计

4、工程设计系统的方案设计完成后，有关自动化系统的基本原则随之确定但针对DCS还需要进行工程化设计（或者称DCS的详细设计），才干使DCS与被控过程融为一体，实现自动化系统设计的目标DCS工程化设计过程，实际上就是落实方案设计的过程如果说在方案设计阶段以及之前的各个设计阶段，其主要执行者是设计院的话，那末DCS工程化设计的主要执行者将是DCS工程承包商和用户用户在DCS的工程化设计中将扮演着重要的角色控制系统的方案设计和DCS的工程化设计这两部份的工作是密切结合在一起的，而设计院和DCS工程承包商、用户之间也将在这个阶段产生密切的工作联系和接口因此，这个阶段是控制系统成败的关键，必须赋予高度的重视DCS工程化设计与实施步骤一个DCS项目从开始到结束可以分成招标前准备、选型与合同、系统工程化设计与生成、现场安装与调试、运行与维护五个阶段，为了对DCS的工程化设计和实施过程有一个清晰认识，先给出一个DCS项目实施步骤及每一步所完成文件的清单，列出没一阶段要完成的工作1；点标前的准备阶段要完成的工作（用户/设计院）1）确定项目人员2）确定系统所用的设计方法3）制定《技术规格书》4）编制《招标书》5）招标

2、选型与合同阶段要完成的工作（用户/设计院）1）应用评标原则分析各厂家的《投标书》2）厂家书面澄清疑点3）确定中标厂家4）与厂家进行商务及技术谈判5）签订《合同书》及《技术协议》

3、系统工程化设计与生成阶段要完成的工作1）进行联络会议，确定项目进度及交换技术资料，提供设计依据和要求，形成《系统设计》、《系统出厂测试与验收大纲》、《用户培训计划》2）用户培训3）系统或件装配和应用软件组态4）软件下装、联调与考机5）出厂测试与检查6）系统包装、发货与运输

4、现场安装与调试阶段要完成的工作1）开箱验货和检查2）设备就位、安装3）现场接线4）现场加电、调试5）现场考机6）现场测试与验收7）整理各种有关技术文档8）现场操作工上岗培训

5、维护与运行阶段要完成的工作1）正常运行的周期性检查2）故障维修3）装置大修检查4）改进升级word格式•可编辑■感谢下载支持各厂自成系统的封闭结构，DCS由原来的仅能应用发展到不仅能应用而且能开辟TDC-3000（带UCN网）Centum XL等

（4）90年代以后，网络开放期采用符合国际标准的通信协议和规程，即IEE802（以太网）、IEE

802.4（令牌总线）、EEFDDI（光纤分布数据界面）、TCP/IP（传输控制协议/互联协议）或者MAP（创造自动化协议）等，使不同厂家型号、不同操作系统的计算机可共存一个网络标准，达到产品互换、资源共享的目的如CentumCS-3000Advant-

5003.2通讯网络的特点通讯网络是DCS的重要支柱，执行分散控制的各单元以及各级人机接口要靠通讯系统连成一体，这种在局（部区域内使用各种数据通讯的设备互连的通讯网络称为局域网LAN）它是一个高通讯速率，低误码率，快速响应的局部网络，具有组织灵便，易于扩展，资源共享的特点，然而DCS完成的是工业控制，因此它与普通的办公室用局部网络有所不同，具有如下的特点

（1）具有快速的实时响应能力，普通办公室自动化计算机局部网络响应时间为2-6s,而它

（2）具有极高的可靠性，必须连续、准确运行，数据传送误码率低于10-8-10-11,系统利用率在

99.999%以上

（3）适合于在恶劣环境下工作，能抗电源干扰、雷击干扰、电磁干扰和低电位差干扰

（4）分层结构，为适应DCS的分层结构，其通讯网络也必须具有分层结构，如分为现场总线，车间级网络系统，工厂级网络系统等不同层次

3.3通讯网络的分级体系早期的DCS系统的通讯网络都是专用的，DCS有几级网络，完成不同模件之间的通讯从目前的情况来看,DCS的最多网络级有四级，它们分别是I/O总线、现场总线、控制总线和DCS网络其网络结构图如图二:报人机界面接口板受送给图二DCS网络结构图它把多种I/O信号送到控制器，由控制器读取I/O信号，I/O模件之间并不交换数据I/O总线包括并行总线和串行总线I/O总线的传输速率是不高的，从几十K到几兆不等，为了快速，最好是并行总线采用并行总线，其I/O模件必须与控制器模件相邻若采用串行总线，I/O模件和控制器之间的距离也要比较近才行通常把控制器模件和I/O模件装在一个机柜内或者相邻的机柜内2现场总线现场总线是90年代初发展起来的，远程I/O应该采用现场总线，如CAN、LONWORKSHART总线等在DCS系统中，远程I/O采用HART总线比较多比如现场的变送器，距离控制器机柜比较远，常把16个变送器来的信号编成一组，用HART总线把信号送到控制器，控制器同时读进16个变送器来的信号采用现场总线，控制器和变送器两者距离可达1公里以上3控制总线把完成不同任务的三种控制器连在一条总线上，实现控制器之间的通讯，称为控制总线在控制总线上的不同控制器的数量不受限制，在这一条总线上除三种不同的控制器模件以外，还有DCS网络的接口模件在控制总线上，控制器之间可以调用数据，使得摹拟量和开关量之间的结合很好控制总线不是DCS系统都具有，可以把各种控制器分别连到DCS网络上，控制器之间的数据调用通过DCS网络控制总线的传输速率与I/O总线的传输速率相类似通常是几十K到几兆之间当CPU和存储器的能力比较强时，把开关量的逻辑运算和摹拟量的采集功能都在一个控制器中完成，这样在控制总线上就惟独一种形式的控制器其通讯协议类似以太网，采用载波监听，令牌广播发送4DCS网络它把现场控制器和人机界面连成一个系统为了确保通讯可靠，DCS生产厂家无论是电缆，还是通讯接口，都作成冗余的，一条网络发生故障，另一条备用网络即将投入运行连在DCS通讯网络上的部件称为结点节点在地理位置上，结点可以分散配置，各结点的距离各DCS系统不同，有的可达几百米DCS网络的传输速率在几百K至一百兆之间，网络的总长度可几公里，最短也有几百米，网络不够长时需加中继器

4、DCS的通讯网络特性DCS中参预网络通讯的最小单位为结点，发送信号的源结点把信号进行编码，然后送到传输介质通讯电缆，最后被接收这一信号的目的结点接收，而要保证在众多结点之间数据合理传送，还必须将通讯系统构成一定网络，并且遵循一定的网络控制方法才干实现，因此说通讯络结构和通讯协议是DCS通讯网络特性

4.1通讯介质通讯介质又称为传输介质或者信道，它是连接网上站或者结点的物理信号通路，主要有双绞线、同轴电缆、光导纤维三种最早的DCS采用双绞线或者同轴电缆，传输速率在1Mbps以下，目前的DCS主要采用同轴电缆或者光纤，通信速率为1-10MbpSo1双绞线把两根平行导线按一定节距绞合在一起的信号线双绞线最大带宽为100KHz—1MHz,,其传输速率低于2Mbps,传输距离可达15Km或者更长这种把多股导线封装在屏蔽护套内构成一根电缆的结构，能较好地抑制电磁感应干扰，但由于双绞线有较大的分布电容，故不宜传输高频信号由中心导体，固定中心导体的电介质绝缘层，外屏蔽层导体和外绝缘层构成，它又分基带同轴电缆和宽带同轴电缆两种，它们的传输速率可分别达到10Mbps和50MbpS,传输距离为儿公里和数十公里，同轴电缆的抗干扰性较双绞线好，它可传输高频和中频信号3光导纤维网络信息经光电转换器变换成光信号，在光缆中进行传输，光信号在光纤中的传输速率大约是电信号在铜导线中传输速率的2/3,因此光纤缆传输的延迟就大些，但光导纤维不受电磁场的影响，合用于特殊恶劣的环境，由于造价昂贵，目前尚未被广泛采用

4.2网络结构形式网络结构又称网络拓扑，它是指网络结点的互连方式，在DCS中通常有总线型、环型、星型三种总线型在逻辑上也是环型的，星型通常只用于小系统1总线型网络总线型网络结构如图三示所有结点都挂接在总线上，为控制通讯，有的设有通讯控制器，采取集中控制方式；有的把通讯控制功能分设在各通讯接口中，称为发散控制方式总线型通讯网络的性能主要取决于总线的“带宽”，挂接设备的数目及总线访问规程总线型网络结构简单，系统可大可小，扩展方便，易设置备用部件，安装费用低，某设备故障不会威胁整个系统，是目前广泛采用的一种网络结构如TDC-3000Centum CS-3000等为双总线型网络图三总线型网络2环型网络环型网络结构如图四示网上所有结点都通过点对点链路连接，并构成一封闭环，工作站通过结点接口单元与环相连，数据沿环单向或者双向传输，固然在双向传输时须考虑路径控制问题环型结构的突出优点是结构简单，控制逻辑简单，挂接或者摘除结点也比较容易，系统的初始开辟成本以及修改费用较低，环型结构的主要问题是可靠性较差，当结点处理机或者数据通道浮现故障时，会给整个系统带来威胁，虽可通过增设“旁路通道或者采用双向环形数据通道等措施加以克服，但增加了系统的复杂性如Advant-

500.MOD-

300、INFI-90等采用双环冗余网络图四环型网络

（3）星型网络星型网络结构如图五示星的中心为主结点，其他为从结点，网上各从站间交换信息都要通过主站，这种拓扑结构体现了一种集中式通讯控制策略，主结点负责全部信息的协调和传输，一旦发生故障，殃及整个网络为了提高可靠性，主结点采用冗余结构，使系统投资较大如JX-300等采用星型网络一图五星型网络

4.3通讯网络的通讯协议当结点连到DCS的通讯网络上时，通常有一个网络接口，控制器把数据送到接口，人机界面从网络接口读取数据，读取数据时应遵循网络通讯协议，常用的DCS的通讯控制方式分为令牌广播式、问询式和存储转发式三种，通讯协议是由各DCS生产厂家自行开辟的，普通不公开它们各有特点，应用都较为广泛

（1）令牌广播式协议令牌广播式由一个结点发出一个令牌（令牌是特殊的比特组，比特组内无源地址和目的地址），令牌沿环绕行拿到这个令牌的结点就改变令牌中一个特定位，将令牌变成一信息帧的帧起始定界符，加挂上构成一帧所需要的其余字段以发送信息，网络上的其他结点都在收听信息当本站检测到帧的目的地址与本站地址相符时，就接收该信息帧（目的结点）同时转发该帧，直到该帧回到发送站（源结点），才把该帧释放再发送新令牌在同一时间内惟独一个结点在发送信息，其他都在收听这种协议的特点是惟独持有令牌的结点才干发送信息令牌广播式协议的网络中，可以连接多个人机界面的结点，在网络上的结点都是平等的，每一个结点都有机会发送信息在环型和总线型网络中用得较多，如Beiley INFI-90Advant-500系统等

（2）问询式问询式协议的网络设有交通指挥器，当人机界面向控制器请求数据时，必须通过交通指挥器，由交通指挥器来向控制器请求数据，控制器才干发送信息给人机界面如Honeywell的TDC-2000,Fisher的Provox,都有交通指挥器在星型网络中，人机界面（操作站）可以作为交通指挥器，但它只能连接一个人机界面的结点由一些回路控制器组成的系统通常都连成星型网络存储转发式协议是一个结点发出信息，传给下一个，这个结点接到信息，必须先存下来，如果自己要，就可以接收下来，如果不需要，就把它转发出去直到需要这个信息的结点为止然后信息再返回到源结点，才释放这个信息这种协议主要用于环型网络中，如Beiley NETWORKS系统等

5、DCS通讯网络发展方向从DCS系统诞生至今，DCS系统通讯网络历经几代，第一代主要解决一个生产装置中几个控制站和一个或者几个操作站之间的数据通信问题；第二代DCS则解决多个装置的DCS互联问题；第三代DCS则解决一个工厂的多个车间互联及与全厂计算机管理网络互联问题因此可以预见，未来的DCS系统通讯网络将向以下方向发展

4.4DCS系统的通信功能发展与全厂管理网络技术向融合，逐渐实现通信网络由多重化结构向扁平化过渡2实现完整的统一的数据通信标准，国际标准化组织ISO提出的开放系统互联OSI参考模型即ISO/OSI7层模型，规定了通信过程分段和网络功能分层，DCS通信标准化或者开放性3采用数字通信技术，控制站内采用站内通信总线及远程I/O总线，以及控制站内增加PLC、分析仪表及现场智能仪表的接口卡，使DCS与现场仪表之间的接线减少，并对现场仪表进行设备管理，这为DCS的向下兼容并与现场总线通信技术融合4系统的开放性加强，使DCS与CIPS系统的调度层、管理层、决策层进行无缝连接，将DCS的相关信息上传，使其实时数据库、历史数据库为上述三层所共用，避免重复建库，为先进控制和优化控制建好平台，与上层的关系数据库共享数据，真正实现管控一体化

6、结束语在21世纪的信息时代，DCS即将迎来一个斩新的未来，从而使企业实现真正意义上的管控一体化，为建立现代化企业打下坚实的基础

二、、、三大控制系统的特点PLC DCSFCS

1.刖a上世纪九十年代走向实用化的现场总线控制系统，正以迅猛的势头快速发展，是目前世界上最新型的控制系统现场总线控制系统是目前自动化技术中的一个热点，正受到国内外自动化设备创造商与用户越来越强烈的关注现场总线控制系统的浮现，将给自动化领域带来又一次革命，其深度和广度将超过历史的任何一次，从而开创自动化的新纪元在有些行业，FCS是由PLC发展而来的；而在另一些行业，FCS又是由DCS发展而来的，所以FCS与PLC及DCS之间有着千丝万缕的联系，又存在着本质的差异本文试就PLC、DCS、FCS三大控制系统的特点和差异作一分析，指出它们之间的渊源及发展方向

2.PLC、DCS、FCS三大控制系统的基本特点目前，在连续型流程生产自动控制PA或者习惯称之谓工业过程控制中，有三大控制系统,即PLC、DCS和FCSo它们各自的基本特点如下

2.1PLC1从开关量控制发展到顺序控制、运送处理，是从下往上的2连续PID控制等多功能，PID在中断站中3可用一台PC机为主站，多台同型PLC为从站4也可一台PLC为主站，多台同型PLC为从站，构成PLC网络这比用PC机作主站方便之处是实用户编程时，不必知道通信协议，只要按说明书格式写就行5PLC网格既可作为独立DCS/TDCS,也可作为DCS/TDCS的子系统⑹大系统同DCS/TDCS,如TDC

3000、CENTUMCS、WDPFK M0D3007PLC网络如Siemens公司的SINEC—LK SINEC—HK S

4、S

5、S

6、S7等，GE公司的GENET、三菱公司的MELSEC—NET、MELSEC—NET/MINL8主要用于工业过程中的顺序控制，新型PLC也兼有闭环控制功能9创造商GOULD美、AB美、GE美、OMRON日、MITSUBISHI日、Siemens德等

2.2DCS或者TDCS1分散控制系统DCS与集散控制系统TDCS是集4CCommunication,Computer,Control、CRT技术于一身的监控技术2从上到下的树状拓扑大系统，其中通信Communication是关键3PID在中断站中，中断站联接计算机与现场仪器仪表与控制装置4是树状拓扑和并行连续的链路结构，也有大量电缆从中继站并行到现场仪器仪表5摹拟信号，A/D-D/A,带微处理器的混合6一台仪表一对线接到I/O,由控制站挂到局域网LAN7DCS是控制工程师站、操作操作员站、现场仪表现场测控站的3级结构8缺点是成本高，各公司产品不能互换，不能互操作，大DCS系统是各家不同的9用于大规模的连续过程控制，如石化等10创造商Bailey美、Westinghouse美、HITACH日、LEEDSNORTHRMP美、SIEMENS德、Foxboro美、ABB瑞士、HartmannBraun德、Yokogawa0Honeywell美国、Taylor美等

2.3FCS1基本任务是本质本征安全、危wei险区域、易变过程、难于对付的非常环境2全数字化、智能、多功能取代摹拟式单功能仪器、仪表、控制装置3用两根线联接分散的现场仪表、控制装置、PID与控制中心，取代每台仪器两根线4在总线上PID与仪器、仪表、控制装置都是平等的5多变量、多节点、串行、数字通信系统取代单变量、单点、并行、摹拟系统6是互联的、双向的、开放的取代单向的、封闭的7用分散的虚拟控制站取代集中的控制站8由现场电脑控制，还可挂到上位机，接同一总线的上一级计算机9局域网，再可与internet相通10改变传统的信号标准、通信标准和系统标准入企业管理网11仓U造商美Honeywell、Smar、Fisher—Rosemount AB/Rockwell Elsag一Bailey、Foxboro、Yamatake、日Yokogawa欧Siemens GEC一Aisthorn、Schneider process—DataABB等123类FCS的典型1连续的工艺过程自动控制如石油化工，其中“本安防爆”技术是绝对重要的，典型产品是FF、World FIP、Profibus—PA；2分立的工艺动作自动控制如汽车创造机器人、汽车，典型产品是Profibus—DP、CANbus；3多点控制如楼宇自动化，典型产品是LON Work、Prof ibus—FMSO从上述基本要点的描述中，我们是否注意到一点，用于过程控制的三大系统，没有一个是针对电站而开辟的，或者说，在他们开辟的初期，都并非以电站做系统的首选控制对象而在这些系统的使用说明中也绝不把电站做为首选合用范围，有的在合用范围中根本就不提电站现在奇怪的是，这三大控制系统，特别是DCS、PLC,都在电站得到了广泛应用，而且效果也非常好

3.三大控制系统之间的差异我们已经知道，FCS是由DCS与PLC发展而来，FCS不仅具备DCS与PLC的特点，而且跨出了革命性的一步而目前，新型的DCS与新型的PLC,都有向对方靠拢的趋势新型的DCS已有很强的顺序控制功能；而新型的PLC,在处理闭环控制方面也不差，并且两者都能组成大型网络，DCS与PLC的合用范围，已有很大的交叉下一节就仅以DCS与FCS进行word格式•可编辑•感谢下载支持比较在前面的章节中，实际上已涉及到DCS与FCS的差异，下面将就体系结构、投资、设计、使用等方面进行叙述

三、设计案例分析集散控制系统是具体应用时，必须对系统进行适应性的设计和开辟，这种设计和开辟式与被控对象密切关系的，任何一套DCS,不论其设计如何先进，性能如何优越，如果没有很好的工程设计和应用开辟，都不可能达到理想的控制效果，甚至会浮现这样或者那样的问题故障

1、DCS的工程设计方案论证方案论证也就是可行性研究设计或者简称可研设计的主要任务是明确具体项目的规模、成立条件和可行性；确定项目的主要工艺、主要设备和项目投资具体数额对于DCS的建设,可行性研究设计师必须进行的的第一步工作，它涉及到经济发展、投资、效益、环境、技术路线等大的方面的问题由于这步工作与具体技术内容关系不大，因此这里再也不详细描述

2、方案设计DCS的基本任务方案设计的开始阶段，首先熬明确DCS的基本任务，包括以下几方面DCS的控制范围DCS是通过对各主要设备的控制来控制工艺过程设备的形式、作用、复杂程度、决定了该设备是否合用于用DCS去控制有些设备，如运料车，就不能由DCS控制，DCS只能监视料库的料位；而另一些设备，如送风机，就可由DCS彻底控制其启动、住手，改变负荷那末在全厂的设备中，哪些由DCS控制，哪些不由DCS控制，要在总体设计中提出要求考虑的原则有不少方面，如资金、人员、重要性，从控制上讲，以下设备宜采用DCS控制1工作规律性强的设备2重复性大的设备3在主生产线上的设备4属于机组工艺系统中的设备，包括公用系统DCS通过对这些设备的控制实现对工艺过程的总体控制除此以外，工艺线上的不少独立的阀门、电动机等设备也往往是DCS的控制对象DCS控制深度几乎任何一台主要设备是部份地由DCS控制DCS有时可以控制这些设备的起停和运行过程中的调节，但不能控制一些间歇性的辅助操作，如有些刮板门等而对有的设备，DCS只能监视其运行状态，不能控制这些就是DCS的控制深度问题DCS的控制深度越深，就要求设备的机械与电气化程度越高，从而设备的造价越高在总体设计中，要决定DCS控制与监视的深度，使后续设计是可以实现的DCS的设计方案硬件设计硬件初步设计的结果应可以基本确定工程队DCS硬件的要求及DCS对相关接口的要求，主要是对现场接口和通信接口的要求确定系统I/O点根据控制范围及控制对象决定I/O点哦数量、类型和分布。