[转贴]DCS控制系统介绍

urumuqi · 发表于 2006-9-16 21:16

DCS控制系统<a></a>    集散控制系统（Distributed Control system DCS）是以微处理器为基础的集中分散型控制系统。自70年代中期第一套集散控制系统问世以来，集散控制系统已经在工业控制领域得到了广泛应用。     集散控制系统的主要特性是它的集中管理和分散控制。而且，随着计算机技术的发展，网络技术已经使集散控制系统不仅主要用于分散控制，而且向着集成管理的方向发展。系统的开放不仅使不同制造厂商的集散控制系统产品可以互相连接，而且使得它们可以方便地进行数据的交换，系统的开放也使第三方的软件可以方便地在现有的集散控制系统上应用。在我国石化行业已运行着许多套不同型号的集散和控制系统，它们在过程控制中发挥着非常重要的作用。     1、 发展历史     集散控制系统是1975年首先由美国霍尼威尔(Honeywell)公司推出的。由于当时过程工业控制应用中采用模拟电动仪表控制系统难以解决有关的控制问题，采用计算机的直接数字控制也难以克服，它们是：     （1） 生产过程规模的不断扩大，使得中央控制室的仪表数量越来越多，操作人员对过程的监视和操作的要求也越来越高，原有的模拟仪表难以胜任。     （2） 仪表技术和其他高新技术一样，发展的速度很快，更新换代的周期越来越短，工业技术的发展要求仪表控制系统能适应它们发展的需要。     （3） 当时计算机已经在工业控制领域开始应用，它具有的数字化控制算法使控制系统的实施变得方便 ，更改也十分容易。但是，由于它的价格很贵，采用的是直接数字控制或监督计算机控制，因此把因计算机的故障造成的危害减小，使危险分散，成为应用计算机控制系统首要解决的问题。     （4） 集中和综合的操作和监督要求对全厂、各车间和工段级的控制和操作有相应的数据通信联系，它不仅要求有大量的数据传递，也要求有高速的数据传输速率。     Honeywell公司的TDC-2000正是在这种情况下推出的。当时DCS还在初创阶段，产品还是集散控制系统的雏形。但是系统已经包括了DCS的三大组成部分，即分散过程控制装置、操作管理装置和数据通信系统。它也具有了DCS的基本特点，即集中管理，分散控制。     随着半导体技术、显示技术、控制技术、网络技术和软件技术等高新技术的发展，集散控制系统也得到了飞速的发展。第二代集散控制系统的主要特点是系统的功能扩大或者增强。例如，控制算法的扩充；常规控制与逻辑控制、批量控制相结合；过程操作管理范围的扩大，功能的增添等。而一个明显的变化是数据通讯系统的发展，从主从式的量形网络通信转变为对等式的总线网络通信或环网通信。但是，各制造厂的通信系统各自为政，在不同制造厂集散控制系统间通信存在一定的困难。在第二代集散控制系统中，通信系统已采用局域网络，因此，系统的通信范围扩大，同时数据的传送速率也大大提高。     美国Foxboro公司在1987年推出的I/AS系统标志着集散控制系统进入了第三代。它的主要改变是在局域网络方面，I/AS系统采用了10兆位/秒的宽带网与5兆位/移的载带网，符合国际标准组织ISO的OSI开放系统互联的参考模型。因此，在符合开放系统的各制造厂产品间可以相互连接、相互通信和进行数据交换，第三方的应用软件也能在系统中应用，从而使集散控制系统进入了更高的阶段，同时第三代集散控制系统所提供的控制功能也有了增强。通常，系统已不再是常规控制，逻辑控制与批量控制的综合，而是增加了各种自适应或自整定控制算法，用户可在对被控对象的特性了解较少的情况下应用所提供的控制算法，由系统自动搜索或通过一定的运算获得较好的控制器参数，因此第三代集散控制系统为用户提供了更广阔的应用场所。     2、 基本结构     集散控制系统主要由以下三大部分组成：     （1） 分散过程控制装置     分散过程控制装置是集散控制系统与生产过程间的界面，生产过程的各种过程变量通过分散过程控制装置转化为操作监视的数据，而操作的各种信息也通过分散过程控制装置送到执行机构。在分散过程控制装置内，进行模拟量与数字量的相互转换，完成控制算法的各种运算，对输入与输出量进行有关的软件滤波及其它的一些运算。     （2） 操作管理装置     操作管理装置是操作人员与集散控制系统间的界面，操作人员通过操作管理装置了解生产过程的运行状况，并通过它发出操作指令给生产过程。生产过程的各种参数在操作管理装置上显示，以便于操作人员监视和操作。     （3） 通信系统     分散过程控制装置与操作管理装置之间需要有一个桥梁来完成数据之间的传递和交换，这就是通信系统。     有些集散控制系统产品在分散过程控制装置内又增加了现场装置级的控制装置和现场总线的通信系统，有些集散控制系统产品则在操作管理装置内增加了综合管理级的控制装置和相应的通信系统。这些集散控制系统使系统的分级增加，系统的通信系统对不同的装置有不同的要求，但是，从系统总的结构来看，还是由三大部分组成的。     3、 特点     集散控制系统能被广泛应用的原因是它具有优良的特性。与模拟电动仪表比较，它具有连接方便、采用软连接的方法连接容易更改、显示方式灵活、显示内容多样、数据存储量大等优点；与计算机集中控制比较，它具有操作监督方便、危险分散、功能分散等优点。因此，在各行各业各个领域得到了应用。     （1） 分级递阶控制     集散控制系统是分级递阶控制系统。它在垂直方向和水平方向都是分级的。最简单的集散控制系统至少在垂直方向分为两级，即操作管理级和过程控制级。在水平方向上各个过程控制级之间是相互协调的分级，它们把数据向上送达操作管理级，同时接收操作管理级的指令，各个水平分级间相互也进行数据的交换，这样的系统是分级的递阶系统。集散控制系统的规模越大，系统的垂直和水平分级的范围也越广。     分级递阶系统的优点是各个分级具有各自的分工范围，相互之间有协调，通常，这种协调是通过上一分级来完成的。上下各分级的关系通常是下面的分级把该级及它下属的分级数据送到上一级，由上一级根据生产的要求进行协调，并给出相应的指令即数据，通过数据的通信系统，把数据送到下层的有关分级。在集散控制系统中，过程控制级采集过程的各种数据信息，把它们转换成数字量。这些数据经过计算获得作用到执行机构的数据输出量，然后，经转换成为执行机构的输入信号，送到执行机构去。可以看到，在集散控制系统中，各个分级有各自的功能，完成各自的操作。它们之间即有分工又有联系，在各自的工作中完成各自的任务，同时它们相互协调，相互制约，使整个系统在优化的操作条件下运行。     （2） 分散控制     分散控制是集散控制系统的另一特点，分散是针对集中而言的。在计算机控制系统的应用初期，控制系统是集中式的，即一个计算机完成全部的操作监督和过程的控制。     国外对集散控制系统常称为分散控制系统，即DCS。其原因是把分散控制放在十分重要的地位。分散的含义不单是分散控制，它还包含了其他意义。例如；人员分散、地域分散、功能分散、危险分散、设备分散及操作分散等。分散的目的是为了使危险分散，提高设备的可利用率。     集中式的计算机控制系统是在中央控制室集中控制的基础上发展而来。由于在一台计算机上把所有的过程信息的显示、记录、运算、转换等功能集中在一起，也产生了一系列的问题。首先是一旦计算机发生故障，将造成过程操作的全线瘫痪，为此，危险分散的想法就提了出来，冗余的概念也产生了。但是，要采用一个同样的计算机控制系统作为原系统的后备，无论从经济上还是从技术上都是行不通的。对计算机功能的分析表明，在过程控制级进行分散，把过程控制与操作管理进行分散是可能的和可行的。     随着生产过程规模的不断扩大，设备的安装位置也越来越分散，把大范围内的各种过程参数集中到一个中央控制室变得不经济，而且操作也不方便。因此，地域的分散和人员的分散也提了出来。而人员的分散还与大规模生产过程的管理有着密切的关系。地域的分散和人员的分散也要求计算机控制系统与其相适应。在集中控制的计算机系统中，为了操作的方便，需要有几个操作用的显示屏，各个操作人员在各自的操作屏进行操作，由于在同一个计算机系统内运行，系统的中断优先级、分时操作等的要求也较高，系统还会出现因多个用户的中断而造成计算机的死机。操作的分散和多用户多进程的计算机操作系统的要求也提了出来。     通过分析和比较，人们认识到分散控制系统是解决集中计算机控制系统不足的较好的途径。同时，在实践中，人们也在不断地改善分散控制系统的性能，使其在过程控制领域中发挥更大的作用。     （3） 自治和协调性     集散控制系统的各组成部分是各自为政的自治系统，它们各自完成各自的功能，相互间又有联系，数据信息相互交换，各种条件互相制约，在系统的协调下工作。     在集散控制系统中，分散过程控制装置是一个自治的系统，它完成数据的采集、信号处理、计算及数据输出等功能。操作管理装置完成数据的显示、操作监视和操纵信号的发送等功能。通信系统则完成操作管理装置与分散过程控制装置间的数据通信。集散控制系统的各部分是各自独立的自治系统，但是，在系统中它们又是互相协调工作的。     由于整个系统是一个相互协调的系统，因此，虽然各个组成部分是自治的，但是，任何一个部分的故障也会对其他部分有影响。例如，操作管理装置的故障将使操作人员无法知道过程的运行情况；通信系统的故障会使数据传送出错；过程控制装置的故障使系统无法正常工作。应该指出，不同部件的故障对整个系统影响的大小是不同的。为此，在集散控制系统的选型和系统配置时应考虑重要的部位设置较高可靠性的部件或有必要的冗余措施等。     在集散控制系统中，分散的内涵是十分广泛的。分散数据库、分散控制功能、分散数据显示、分散通信、分散供电、分散负荷等，它们的分散是相互协调的分散。因此，在分散中有集中的数据管理、集中的控制目标、集中的显示屏幕、集中的通信管理等等，为分散作协调和管理。各个分散的自治系统是在统一集中管理和协调下各自分散工作的。      4、 发展趋势     现场总线是集散控制系统向着全数字化系统发展的结果，也是集散控制系统向下开放的产物。现场总线是安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线。现场总线装置包括变送器、执行器等，且都可兼带调节器，具有控制功能。与DCS不同，这些现场装置输出（或输入）的信号是数字信号而非传统的4-20MA（或0-10MA）DC模拟信号。两者比较，DCS只能说是半数字化的，现场总线才是全数学化的。     全数学化的直接结果是可以大量减少现场接线，由于使用单个现场仪表就可实现多变量通信，且现场一级增加了控制功能，这样不仅使系统集成大为简化，维护变得十分简便，而且可明显节约仪表装置系统的投资。有人预计，一般可降低40%费用，而且系统的可靠性可以进一步得到提高。     开放性是用户们的普遍要求。在DCS，各家产品之间的兼容性较差，而现场总线是要求有互操作性的，它反映了企业界和科技界对开放性的普遍要求。在未来的十年间，现场总线将得到迅速发展。在许多场合，它将取代DCS。目前，现场总线控制系统已被大多数人士所认同，它将成为21世纪的自动控制系统。