分散型控制系统.docx
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分散型控制系统
第一章概述
分散型控制系统（DCS：
DistributedControlSystem），简称分散系统。
自第一套DCS面世以来，一场波及全球的DCS生产和应用竞赛从此拉开了序幕。
其发展主要来源于二方面的激励：
一是时代的要求，即来自环境的刺激，以信息管理和自动化为中心展开的技术和经济市场的激烈竞争；二是支撑DCS发展的内部因素，即计算机技术，通讯技术和自动控制技术等发展所创造的先决条件。
在短短的近二十年时间里，世界上已有几十家公司推出50多种DCS产品，实际应用回路数达百万个之多，应用面几乎覆盖了所有的过程控制领域。
可以说，DCS给工业控制及其装置带来了又一次具有划时代意义的飞跃。
1.1分散型控制系统综述
1.1.1分散型控制系统的基本概念和特点
为了搞清什么是DCS，首先在概念上作一个划分。
一、集中型控制系统和分散型控制系统
1．集中型控制系统（CCS：
CentralControlSystem）
CCS指过程控制器、指示仪、记录仪或者控制计算机集中安装在中央控制室中，通过管路或线路与现场传感器、现场执行器相连所构成的过程控制系统。
例如：
50年代，自动化仪表以气动仪表为主流，出现了集中型模拟式气动仪表控制系统。
60年代，自动化仪表以模拟式电动仪表（DDZ－Ⅱ，DDZ一Ⅲ型）为主流，产生了集中型模拟式电动仪表控制系统。
计算机在过程控制领域的应用可追溯到50年代，到了60年代至70年代初，形成了集中型计算机控制系统发展时期。
经历了直接数字控制系统（DDC），集中型计算机控制系统和监督计算机控制系统等阶段。
（1）直接数字控制系统（DDC：
DirectDigitalControl）
直接数字控制是计算机控制技术的基础，主要是由一台数字计算机替代一组模拟调节器。
DDC比起模拟仪表控制的主要优点在于，所有PID和其它运算均在计算机中进行，保持了数字化的精度。
但由于当时的计算机运算速度十分有限，不能对快速过程很好地控制。
（2）集中型计算机控制系统
集中型计算机控制系统的系统结构如图1-1所示。
它把几十个甚至几百个控制回路及上千个过程变量的显示、操作和控制集中在单一计算机上实现，即在一台计算机上实现了过程监视、数据收集、数据处理，数据存储、报警和登录以及过程控制，甚至于部分生产调度和工厂管理等功能。
集中型计算机控制比起常规仪表控制系统有很大的优越性，第一，控制组态灵活。
对于控制回路的增知，控制方案的变化，可由软件改变。
第二，控制功能齐全。
可以实现各种先进控制，联锁功能等复杂控制。
第三，单一计算机的集中控制和管理。
便于信息的分析和综合，容易实现整个大系统的最优控制。
第四，良好的人机接口。
使大量的模拟仪表盘仅用一个CRT显示，改善了操作员的工作环境。
然而，集中型计算机控制存在一个最大的致命弱点，就是危险集中，单台计算机控制着几十个甚至几百个回路，一旦计算机发生故障，将导致生产过程的全面瘫痪。
这一主要缺点影响了集中型计算机控制的推广。
（3）监督计算机控制系统（SCC：
SupervisoryComputerControl）
监督计算机控制系统属于过程现场控制和集中显示操作相分离的分层计算机控制系统。
在二级系统中；第一级计算机与生产过程连接，并承担测量和控制任务，即完成直接数字控制，第二级计算机对生产过程工况，操作条件的变更信息和数字模型进行必要的转换，给第一级计算机提供最佳给定值和最优控制量等各种控制信息。
监督计算机控制系统的系统结构如图1-2所示。
2．分散型控制系统（DCS）
分散型控制系统是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新型控制技术。
分散型控制系统一般由集中管理部分，分散控制监测部分和通讯部分组成。
其中分散控制监测部分（即现场控制单元），按地理位置分散于现场，或集中安装在控制室，一般可控制1个或数个回路，具有几十种甚至上百种运算功能。
分散型控制系统软件一般由实时多任务操作系统，数据库管理系统，数据通信软件，组态软件和各种应用软件所组成。
其中组态软件工具，可以按用户要求生成实用系统。
分散型控制系统与常规仪表控制，以及集中型计算机控制系统相比具有十分显著的优点，具体表现在下面几方面：
（1）自律性极强的单元结构。
即单元功能齐全，可靠性极高，是—个自治的系统。
（2）完善的控制功能。
有串级控制系统，前馈——反馈复合控制系统，自适应控制系统，多变量解耦控制系统等控制功能。
（3）统领全局的窗口功能。
有CRT操作站（包括工程师接口和操作员接口），以及高速处理器和专用图形协处理器。
用键盘、鼠标或球标器以及触摸屏幕进行操作，可显示总貌，分组和单元等各种数据，模拟图、趋势图等各种画面，以及操作、报警等各种信息。
（4）局部网络通信技术。
过程控制系统引入先进通讯技术是其向分散型控制系统发展的主要标志。
保证实时控制信息传输，以及全系统的信息综合管理。
（5）强管理能力。
（6）高可靠性系统。
广泛采用了冗余技术和容错技术，各单元都具有自诊断、自检查和自修复功能，以及故障自动报警功能。
（7）系统构成灵活，扩展方便。
采用模块、模件结构，可以灵活组建系统，具有很强的通用性。
二、分散型控制系统的分散控制
分散型控制系统最基本特征是分散控制。
即将自治的控制功能归入现场控制单元，使其按一定的控制策略，长期可靠的自动进行。
分散型控制系统分散控制的含义，从广义上看，具有如下特点：
1．分散智能（控制功能）
现场控制单元以微处理器为基础，不仅价廉而且性能高。
常规或先进的控制算法，甚至自整定控制的功能均能独立完成。
2．分散显示
包含三方面的内容：
（1）现场控制单元可以与本地显示装置连接，随时显示现场信息；
（2）中央操作站具有显示全系统任何一个分散过程点全部信息的能力；
（3）新一代的分散型控制系统，各个本地显示操作站，不仅可谓用其它本地显示操作站信息，也可调用中央操作站信息，并进行分散显示。
3．分散数据库
现场控制单元可以设有本地数据库，同时兼为全系统共享；
4．分散通信
由于采用局部网络的通信技术，使现场控制单元在网络中可互相通信，各单元具有平等的通信控制权。
5．分散供电
适应于现场控制单元分散于现场的需要，有利于系统可靠性的提高。
6．分散负荷
一个现场控制单元，仅承担地理位置分散的系统中一小部分负荷的控制。
三、分散型控制系统的信息综合管理及分层体系结构
分散型控制系统的主要控制特点是分散控制，但现代的发展趋势更注重于全系统的信息综合管理。
分散型控制系统从层次上可分成四级（参见图1-3）：
1．直接控制级（过程控制级）
这—级是分散型控制系统的基础。
在这一级上，现场控制单元直接与现场各类装置（如变送器、执行器和记录仪表等）相连，完成如下主要任务：
（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实时采集，保证数字控制，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连续控制、顺序控制和批量控制；
（3）进行设备监测和系统的测试和诊断。
根据过程变量和状态信息，分析并确定是否对被控装置实施调节，并判断计算机系统硬件和控制板的状态和性能，在必要时实施报警、错误或诊断报告等措施；
（4）实施安全性、冗余化方面的措施。
一旦发现计算机系统硬件或控制板有故障，可及时切换到备用件，以确保整个系统安全运行。
2．过程管理级
在这一级上，过程管理计算机主要有监控计算机，操作员站和工程师站。
它综合监视过程各站所有信息，集中显示操作，控制回路组态和参数修改，优化过程处理等。
可完成的功能有：
（1）优化过程控制。
根据过程的数学模型以及所给定的控制对象，并且在优化执行条件确保的条件下才能实施和达到优化控制，但即使在不同策略条件下仍能完成对控制过程的优化；
（2）自适应回时控制。
在过程参数希望值的基础上，通过数字控制的优化策略，当现场条件发生改变时，经过过程管理级计算机的运算处理，得到新的设定值和调节值并传送到直接过程控制层；
（3）优化单元内各装置。
根据单元内的产品、原材料、库存以及能源的使用情况，以优化准则协调相互的关系；
（4）通过获取直接控制层的实时数据以进行单元内的活动监视，故障检测存档，历史数据存档，状态报告和备用。
3．生产管理级（产品管理级）
在这一级上，管理计算机根据产品各部件的特点，协调各单元级的参数设定，是产品的总体协调和控制者。
在中小企业中，这—级可能充当最高一级管理层。
主要完成的功能有：
（1）具有比系统和控制工程更宽的操作和逻辑分析功能，可根据用户的订货情况、库存情况、能源情况来分析规划各单元中的产品结构和规模；
（2）具有产品重新组织和柔性制造的功能，可以应付由于用户订货变化所造成的不可预测事件。
在一些较复杂的工厂还实施了协调策略；
（3）具有综观全厂和产品监视，以及产品报告的功能，并与上层交互传递数据。
4．工厂经营管理级
这一级居于中央计算机上，并与公司（或工厂）的经理部、市场部、计划部以及人事部等办公室自动化连接起来，担负起包括工程技术方面、经济方面、商务方面和人事方面等的总体协调和管理，实现整个制造系统的最优化。
其典型功能为：
（1）市场分析；
（2）用户信息的收渠；
（3）订货统计分析；
（4）销售与产品计划；
（5）合同事宜；
（6）接收订货与期限监测；
（7）产品制进协调；
（8）价格计算；
（9）生产能力与订货的平衡；
（10）订货的分发；
（11）生产与交货期限的监视；
（12）生产、订货和合同的报告；
（13）财政方面的报告。
1．1．2分散型控制系统的发展及其基本结构
70年代以来，计算机控制系统逐渐向管理的集中化和控制的分散化方向发展。
到了70年代中期，微处理器高速发展，微机性能价格比不断提高。
结合通信网络技术，出现了若干微计算机通过网络连接而构成的大型计算机系统，使得整个系统的任务可以分散进行，实现了计算机系统的分散化，从而大大降低了系统出现故障的风险。
分散化思想的日益成熟，计界机网络技术的发展，推动了分布式处理系统的发展。
分布式系统应用于工业控制领域，从而促进了分散型控制系统的发展。
一、计算机与模拟仪表混合式控制系统
这是分散型控制系统的前期。
由于集中型计算机控制暴露出的重大缺陷，促使其向分散型方向转变。
计算机与模拟仪表混合式控制系统基本结构参见图1-4，其特点是：
1．现场控制功能是由传统模拟仪表实现。
即使得模拟显示与操作器分离，通过多芯电缆与调节仪相连，从而实现控制器向现场分散；
2．主计算机在中央控制室，接受调节仪表送来的信息，可显示过程参数，并具有管理能力，而且可以根据对象的数学模型进行最优化设计，计算最优操作条件，最后以最优工艺参数给模拟仪表设定值。
典型系统有：
FOXBORO公司的SPEC200系统。
二、第一代分散型控制系统
75年美国最大仪表公司HoneyWell首家率先推出综合分散控制系统TDC2000，从而使计算机控制进入了分散型控制系统的新纪元。
这以后，美国、西欧及日本的一些著名公司开发了自己的第一代分散型控制系统。
如：
日本横河公司的CENTUM，美国贝雷控制公司的Network-90，FOXBORO公司spectrum，英国肯特公司的P4000，德国西门子公司的Teleperm等等。
第一代分散型控制系统的基本结构如图1-5所示，它主要由五部分组成：
1．过程控制单元（现场控制单元）
2．它是由CPU、I/O板、A/D和D/A板、多路转换器、内总线、电源和通信接口等组成，其主要具有反馈控制功能，可自主完成一路或多个回路连续控制任务，达到分散控制的目的。
2．数据采集装置
它也是微计算机结构，主要是采集非控制变量进行数据处理，无控制功能
3．CRT操作站
它是由微处理器、高分辨率CRT、键盘、外存、卡片阅读机、打印机等组成的人机系统，实现对过程控制单元进行组态和操作，对全系统进行集中显示和管理。
4．监控计算机（上位机）
它是分散型控制系统的主计算机，多采用小型计算机。
具有大规模的复杂运算能力及多输入输出控制功能，它综合监视全系统的各工作站或单元，管理全系统所有信息，通过它可以实现全系统的最优控制和全工厂的优化管理。
5．数据传输通道（数据公路）
它由通信电缆、数据传输管理指挥装置等组成，它是实现分散控制和集中管理的关键，由它实现上通下达的纽带功能。
第一代分散型控制系统诞生，是控制技术、计算机技术、通讯技术和CRT技术互相渗透的结果。
一方面它继续保持了集中型计算机控制的优点，另一方面采用分散控制，使危险分散。
克服了集中型计算机控制的致命弊端，而且通信技术大幅度减少了集中系统的电缆连线，CRT操作站具有更丰富的画面，覆盖全系统的报警、诊断功能，以及先进的管理功能。
然而，在技术上尚有明显的局限性。
三、第二代分散型控制系统
70年代末以来，产品生产的激烈竞争，批量生产控制需求剧增，以及厂家对信息管理要求提高，另外局部网络的成熟及对工业控制领域的渗透，导致了第二代分散型控制系统的产生。
其代表产品有：
HoneyWell公司的TDC3000，贝雷控制公司的第二代Network-90，L&N公司的MAX1，西屋公司的WDPF等等。
第二代分散型控制系统的基本结构如图1-6所示，它主要由六部分组成：
1．节点工作站（过程控制站或现场控制站）
它的CPU发展到16-32位，并具有更大存贮量ROM、RAM或EPROM。
它是在第一代过程控制单元基础上发展而来的，但不仅具有完善的连续控制功能，也具有顺序控制、批量控制功能，兼有数据采集能力。
2．中央操作站
它是由强功能微处理器、图像显示器、键盘、彩色拷贝机、打印机和专用软件包等组成的全系统人机联系的窗口，它具有显示各节点工作站每个数据信息，并操作管理各节点工作站的功能，是全系统的主操作站。
3．系统管理站（系统管理模件）
它主要用于加强全系统管理功能，克服主计算机和中央操作站的某些局限性。
4．主计算机（管理计算机）
它多由小型计算机组成，具有复杂运算能力和较强的管理能力，如果不专带主计算机，即构成无主机系统，此时中央操作站应具有更强功能，并进一步强化各节点工作站。
5．局部网络（局域网络）
它构成了第二代的通信系统，决定着系统的基本特性，它由通信电缆和通信软件等组成，多采用厂家自己的通信协议。
6．网间连接器（桥）
它是局部网络与其子网络或其它工业网络的接口装置，起普通信系统的转接器、协议翻译器或系统扩展器的作用。
第二代分散型控制系统以局部网络为主干统领了全系统，系统中各单元都看作网络的节点工作站。
而第一代分散型控制系统只不过是通过网间连接器挂接于系统局部网络的子系统。
此外，通过采用系统管理站（包括历史单元模件、计算单元模件、应用单元模件、系统优化模件等），或在主计算机上强化管理软件，达到加强分散型控制系统的全系统管理功能目的。
四、第三代分散型控制系统
80年代末，为了克服第二代分散型控制系统的主要弊病，即专利性局部网络给大企业多种DCS产品的互连带来不便，导致了具有开放性局部网络的DCS产品的研制。
另外，为适应信息社会的需要，加强信息管理，开发更深层次的信息管理系统，出现了第三代分散型控制系统。
代表产品有：
FOXBORO公司的I/ASeries,HoneyWell公司的TDC3000/PM，贝雷控制公司的INFI-90，横河公司的Centum-XL等。
第三代集散型控制系统的基本结构如图1-7所示。
其基本特点是：
1．采用开放性的通信协议MAP（或Ethernet）或兼容网络；
2．通过现场总线使节点工作站的系统智能进一步延伸到现场，使过程控制或车间的智能变送器、执行器和本地控制之间实现可靠的实时数据通信；
3．节点工作站使用32位微处理器，使控制功能更强，能更方便灵活的运用先进控制算法。
此外，采用了专用集成电路，使其体积更小，可靠性更高；
4．操作站采用32位高档微计算机。
增强了图形显示功能，采用了多窗口技术和触摸屏调出画面，使其操作简单且响应速度加快；
5．过程控制组态采用CAD方法，使操作更直观方便，而且引入专家系统方法，使控制系统实现了自整定功能；
6．与主计算机相连，可构成信息管理系统。
1．1．3分散型控制系统的发展趋势
开放式结构、集成技术以及工业控制出现的大统一趋势，将大大地影响并推动集散型控制系统的发展。
90年代集散型控制系统将进入一个新的阶段。
将产生新一代的集散型控制系统。
一、朝综合性和开放性方向发展
90年代工厂自动化要求各种设备（包括计算机、DCS、PLC和单回路调节器等）之间相互通信，以形成一个大系统。
这就要求集散型控制系统的通信向开放化和标准化方向发展，即采用为世界各国所接受的，以美国通用汽车公司为首的一些企业推出的MAP/TOP标准化协议。
经过MAP标准化协议，将有利于工业控制实现大统一：
1．传统制造业控制与过程工业控制的统一；
2．工厂自动化与办公室自动化的统一；
3．设计、计划及材料管理与计算机制造系统的统一；
4．市场活动的计算机管理与计算机制造系统的统一。
这种大统一趋势是计算机集成制造系统（CIMS）产生的基础。
CIMS是集散型控制系统的未来，是工业控制系统的未来。
在这宏大而完善的CIMS中，传统的连续与顺序控制，计算机、仪表和电气控制，以及控制与管理等现念及界限都将破除，而形成一个不可分割的大系统。
二、完善和提高大型集散型控制系统
随着微处理器及VLSI技术的发展，更新集散型控制系统的主机，采用多微计算机或RISC工作站，从而使速度更快，容量更大，彩色CRT分辨率更高，图形窗口功能更丰富。
节点工作站采用32位微机，实现各种复杂控制策略和先进控制功能，以及将反馈控制、顺序控制和批量控制集于一体。
应用智能I/O设备。
实施现场总线、并朝着开放的现场总线方向发展。
三、发展集成分散系统
近年来，计算机控制系统出现了系统集成新概念。
即将不同厂家生产的、具有标准化通信协议的各类节点工作站、CRT操作站、管理计算机等都作为以微处理器为基础的数字设备，用标准化的网络，按系统优化及价格一效能原则构成能完成一特定的控制和管理任务的集成分散系统。
由于个人计算机的性能不断提高，价格不断降低，使得中小规模的工业控制可广泛采用高档微机以及工业级PC构成集成分散系统，以满足小型工厂和装置的应用需求。
四、采用人工智能技术
人工智能特别是知识库和专家系统将广泛应用于分散型控制系统中从直接控制级到工厂经营管理级的各级，如：
1．智能PID自整定控制；
2．智能人机接口；
3．智能实时数据采集系统；
4．专家故障诊断系统；
5．生产计划和调度专家系统；
6．过程优化专家系统；
7．控制系统CAD专家系统；
8．仿真培训专家系统；
9．智能在线维修。
1.2电厂过程控制及组成
一、电厂过程控制
生产过程的控制或称之为生产过程自动化，是指对一个工业生产过程进行状态的监视（参数显示及报警），设备的投入／停止操作和调整操作，以及发生事故时的保护控制等内容的总称。
过程控制的这些控制工作可以由运行操作人员来做或是由专门设置的自动化装置来完成。
随着科学技术的进步，工业生产过程向着大容量、高参数、复杂化、高速度的方向发展，并且生产对于产品的质量和数量上的要求也越来越高，在这种情况下完全由运行人员来实现对整个生产过程的控制将是不可能胜任的。
因为这不仅不能保证生产过程的高质量、高效率进行，并且也不能保证生产过程的安全性。
例如对火力发电厂来说，随着机组容量的增大和参数的提高。
在运行中需监视和操作的项目将随机组容量的增长而显著增多，下面列出了不同容量机组正常运行中需监视和操作的项目数量，见表1-1所示。
在机组起停或事故处理过程中，还要增加更多的监视项目和更频繁地操作。
显然，这对任何熟练的运行值班人员来说，都是难以应付的，往往由于力所不及或稍有忽失就可能造成重大事故。
所以，必须使生产过程自动化，才能对机组的工况进行全面、准确而迅速的检测，并通过分析和综合判断，自动地进行操作和控制，保证机组安全可靠地运行。
因此很久以前自动化技术就已经进入火电厂生产过程的控制中，成为运行人员工作中保证优质高产保障生产过程安全进行所不可缺少的技术手段。
同时，由于采用自动化技术能保证机组在良好的状态下运行而延长了机组的使用寿命，还降低了燃料消耗和发电成本，提高了机组运行的经济性。
而且在减少运行人员、提高劳动生产率和改善劳动条件等方面也能得到良好的效果。
表1-1机组容量与测量点数及执行器的关系
机组容量（MW）
监视项目（测量点数）
操作项目（执行器数）
50
115～135
70～75
125
540～600
142
200
560
280
300
950～1050
410～450
600
2000
800
二、火电厂热力过程自动化的组成
火电厂热力过程自动化的内容一般包括以下几部分：
1.热工检测
热工检测是了解热力过程中物质状态及其变化的技术手段。
在火电厂中为了保证机组安全、经济运行，必须对表征热力过程状况的各种参数进行连续的检查、测量和显示，随时向运行值班人员和自动装置提供主、辅设备及热力系统的运行情况，以便监视生产，并作为控制和调节生产的依据。
因此，热工检测是热力过程自动化的重要基础环节。
另外，热工检测还为企业经济核算提供数据，以便综合分析运行情况，寻求经济合理的运行方式。
在发生事故时，异常运行参数显示和记录，也可作为事故分析的依据，以便提出改进和防范的措施。
在火电厂热力系统中需要检测的参数项目是根据锅炉、汽轮机组及其辅助设备的型式，汽水系统、燃烧系统及运行控制方式的要求，从保证安全、经济运行的需要出发来确定的。
一般按被检测参数项目的用途及其主要性能的不同，可分为四类：
Ⅰ类是为安全、经济运行或仅为安全运行而必须检测的参数，称为主参数。
缺少检测其中任一参数的仪表，都不允许机组或某一辅机投入运行，或只许在短时间内运行。
用来检测这类参数的仪表称为主要仪表。
Ⅱ类是为经济分析或换收费用而必须的检测参数，称为重要参数。
缺少检测这类参数的仪表，将无法掌握最经济的运行工况，影响机组的效率或无法核收费用。
用来检测这类参数的仪表称为重要仪表。
Ⅲ类是为分析上述两参数中的问题而需要检测的相关参数，称为辅助参数。
用来检测这类参数的仪表称为辅助仪表。
Ⅳ类是仅为机组起动过程中特别需要监视的参数，用来检测这类参数的仪表称为起动仪表。
2.热工信号保护及联锁
（1）热工信号：
热工信号是在某些被监视的运行参数偏离规定范围时，或者出现某些异常情况时，发出的灯光（光字牌显示信号的内容）和音响（电铃报警）信号，它能引起运行人员的注意，以便及时采取相应的措施，消除异常防止发生事故。
热工信号可分为预先信号、事故信号和联系信号三类。
（2）热工保护和联锁：
热工保护的作用是保证设备及人身安全。
当生产系统的某个部分在运行中出现异常情况或事故时，它将根据故障的性质和程度，按照一定的规律和要求，自动地对个别的或一部分设备，甚至一系列设备进行操作，以消除异常，防止事故的发生或扩大。
热工保护的内容取决于机组的结构、容量、参数、运行方式及热力系统的特点。
联锁实际上是保护的一部分，只是一般只限于进行局部操作，上面所说的热工保护往往是通过联锁的作用来实现的。
3.自动调节
在火电厂热力过程中，为了保证机组安全、经济地运行，必须要求某些参数始终维持在给定的范围内，或者按照预定的规律变化。
当出现外界扰动或内部的影响而使参数发生偏离给定值的倾向时，就需要进行相应的调节，使之恢复到给定的范围，以保证生产过程的稳定，自动调节就是依靠自动调节设备来自动实现这种调节作用的，因此，自动调节设备应具有检测、
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