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DCS分散控制系统原理
DCS分散控制系统原理
发布时间：
2010-1-5作者：
过程控制服务网
DCS分散控制系统原理
第一讲绪论
DCS从1975年问世以来，大约有三次比较大的变革，七十年代操作站的硬件、操作系统、监视软件都是专用的，由各DCS厂家自己开发的，也没有动态流程图，通讯网络基本上都是轮询方式的；八十年代就不一样了，通讯网络较多使用令牌方式；九十年代操作站出现了通用系统，九十年代末通讯网络有部份遵守TCP/IP协议，有的开始采用以太网。
总的来看，变化主要体现在Ｉ／Ｏ板、操作站和通讯网络。
控制器相对来讲变化要小一些。
操作站主要表现在由专用机变化到通用机，如PC机和小型机的应用。
但是目前它的操作系统一般采用UNIX，也有小系统采用NT，相比较来看UNIX的稳定性要好一些，NT则有死机现象。
I/O板主要体现在现场总线的引入DCS系统。
从理论上讲，一个DCS系统可以应用于各种行业，但是各行业有它的特殊性，所以DCS也就出现了不同的分支，有时也由于DCS厂家技术人员工艺知识的局限性而引起，如HONEYWELL公司对石化比较熟悉，其产品在石化行业应用较多，而ＢAILEY的产品则在电力行业应用比较普遍。
用户在选择DCS的时候主要是要注意其技术人员是否对该生产工艺比较熟悉；然后要看该系统适用于多大规模，比如NT操作系统的就适应于较小规模的系统；最后是价格，不同的组合价格会有较大的差异，而国产的DCS系统价格比进口的DCS至少要低一半，算上备品备件则要低得更多。
DCS由四部份组成：
I/O板、控制器、操作站、通讯网络。
I/O板和控制器国际上各DCS厂家的技术水平都相差不远，如果说有些差别的话是控制器内的算法有多有少，算法的组合有些不一样，I/O板的差别在于有的有智能，有些没有，但是控制器读取所有I/O数据必须在一秒钟内完成一个循环；操作站差别比较大，主要差别是选用PC机还是选用小型机、采用UNIX还是采用NT操作系统、采用专用的还是通用的监视软件,操作系统和监视软件配合比较好时可以减少死机现象；差别最大的是通讯网络，最差的是轮询方式，最好的是例外报告方式，根据我们的实验，其速度要相差七八倍。
第二讲DCS在选型中的几个问题
被控制对象确定以后，选用什么样的控制系统就成为重要问题。
主要是根据项目规模和投资预算来考虑的，以数字技术为基础的DCS系统和早期的模拟仪表组成的控制系统，从工程项目的实施来看，本质差别不大，主要考虑项目规模和投资预算，但DCS与模拟仪表相比，它更为复杂，技术性要求更高，下面我来谈谈DCS系统选型中的几个问题。
从理论上来讲，DCS可以用与不同的工艺过程，它是通用的，但是，DCS的制造厂家专长与某一领域。
如：
HOMEYWELL主要用于石化部门，BAILEY公司的N90、INFI90主要用于电力系统，ROSEMOUNT的RS3、Δ-V大多用于化工系统。
但也不能否认不同工艺过程会有一些特殊要求，如：
电厂一定要有电调设备和SOE，石化部门一定要有选择性控制，水泥行业一定要有大纯滞后控制补偿等，选型时也要考虑这些因素。
第二点就是经济性，应该从DCS本身价格和预计所创效益角度考虑。
DCS有国产的和进口的，对相同档次而言，进口的控制功能强一些，有一些先进的控制算法，如Smith预估、三维矩阵运算等，国产DCS价格要比进口的低很多，也能满足技术要求。
从结构上来看，国外DCS的控制器各厂家差别不太远，控制器的预置算法稍有差别，控制器与I/O板的连接方式也有所不同。
而操作站区别较大。
有以PC机为基础的，有以小型机为基础的，操作系统一般选用UNIX类系统。
小型机的价格要比PC机高很多，进口小型机操作站的价格要高于四万美金，而且许多机型已经停产（如DEC公司的VAX机和α机）。
PC机的操作站不到三万美金，它的操作系统采用NT，其稳定性没有UNIX好。
小型机的接口采用SCSI，传输速率是串行的8倍之多。
以NT操作系统作为操作站的，点数要少一些，不然会频繁死机，国产的PC机更便宜得多，采用PC机操作站，可以采用最新的机型，操作人员对软件的安装、调试、联网和开发也要熟悉得多。
监视软件有专用的也可以用通用的，通用的监视软件开放性要好一些，用户应按照项目的规模大小和预算资金来选择使用。
DCS比较贵的原因，除了上述理由外，还有控制器的电源系统，通常采用冗余供电，电源的引入和散热是价格贵的主要原因，各个DCS系统在这方面差别比较大。
把控制器和操作站联系起来的通讯网络也要考虑，如果采用通用的以太网，则网卡等价格很低，专用的网络接口很贵，最贵可以达到20000美金。
因此，经济性与很多因素有关，有时外商给你报价降下来，实际是改变了一些结构而已，并没有给你什么优惠，甚至他的利润还增加了。
这时可取的办法是联系国内类似的单位和请教有经验的专家。
第三点就是承包方的技术力量，也就是承包方对哪一工艺过程和DCS本身比较熟悉。
如经常做化工控制系统的承包商来做轧制的控制系统，他对活套的控制、卷曲的控制和张力的控制等就不太熟悉，做的工程就不会太好。
如果承包方对DCS本身不熟悉，控制器做的太大时会产生死机。
不少工厂都购买了不同厂家的DCS系统，我们称之为“八国联军”状态，此时更要选择技术力量比较强的单位抓总，而不宜选择某一个国外厂商作为承包商，
第四点是售后服务，国外厂商通常情况下配品、备件供应价格高，且不能及时提供。
DCS用户应选择厂商实力雄厚的，技术力量强的、境内技术支持好的厂家。
计算机技术发展很快，DCS厂家也会不断更新它的产品，新旧产品兼容性要好才行，个别厂家新旧系统不兼容，系统升级时造成很大损失。
国内的DCS厂家配品、备件供应比较及时，售后服务方面做的也比较好。
第五点是关于DCS的技术先进性，指系统采用了经过验证的最新技术，并有发展前途和生命力，包括DCS系统的开放和互联，现场总线的应用，第三方软件的支持等。
这里要注意的一点是：
有些厂家为了占领市场，把一些不成熟的产品推到第三世界，如五、六年前DCS缺少小型系统，有的厂家把不太成熟的小型系统推到用户，结果这270多套系统基本都已经提前退役。
早在1983年，某外国公司推销的DCS，在电源出现故障并复电后，控制器的输出是任意的，此时阀门的位置就很危险，这种产品本不能出厂，但还是卖给了我们国家，结果购买单位基本上没有运行。
总之，DCS从七五年到现在已经有二十多年的应用历史了，可靠性方面基本都能达到要求，建立系统时选型是一个非常重要的环节，我们不但主要考虑项目规模和投资预算，还要考虑到一系列其它的因素，选型是否恰当往往从一开始就决定了该系统今后的命运，万万不可掉以轻心。
第三讲DCS操作站
DCS系统包括三大部分：
带I/O部件的控制器、通讯网络和人机接口．人机接口包括操作站、工程师站和历史站。
控制器I/O部件和生产过程相联接，操作站和人相联系，通讯网络把这两部分联成系统。
所以操作站是DCS的重要组成部分，工程师站给控制器和操作站组态，历史站记录生产过程的历史数据。
一个DCS系统控制器和I/O部件通常可以运行16-20年，而操作站因为有活动部件，还有一些相互的电磁干扰，所以比较容易损坏，如：
硬盘、键盘、CRT、软驱等，运行6-8年后出现故障的概率就比较大，据初步统计最长的也只能运行十年左右。
所以在DCS运行过程中，更新操作站的情况比较多。
DCS的控制器的变化较小。
其变化表现在控制算法的安排、控制算法的多少，存取的I/O点数的多少和内存的大小等，它随着硬件的进步而做相应的更改，操作系统一般都是专用的。
操作站的变化就很大，八十年代以前的操作站，一般没有硬盘及动态流程图，能显示的标签数比较少，例如500个标签（标签指的是AI、DI、回路、开关量的逻辑关系等），八十年代出现了能显示5000个标签的操作站，九十年代出现了能显示30000个标签的操作站，同时，也出现了在微软的NT通用平台上运行的通用显示软件，开始，通用软件只在PLC的操作站上使用，后来也逐渐应用在DCS上，它的标签量可以达到10000个。
DCS操作站发展的过程（以BAILEY的操作站为例）如下：
一．八十年代初，N90的操作站是OIU系列，当时是无硬盘、无动态流程图的，标签量500。
后来增加了硬盘和流程图，标签量1400-5000点。
八十年代中期推出了MCS系列，标签量10000，特别是MCSPULS，它是SCSI接口，可以有30000个标签点，当时在DCS市场上处于领先地位。
1986年，BAILEY产品占世界DCS市场的1/3。
到1988年，共有8500套在世界各国运转。
到了90年代，DCS市场争夺激烈，BAILEY无论在技术上还是在销售方面都不象80年代那样令人瞩目,于是BAILEY公司欲通过收购FISCHER&PORTER、HARTMANN&BRAUN等公司销售他们的系统来重铸辉煌。
BAILEY的控制器和通讯网络都比较好，但在操作站上面，不能与竞争者相比，BAILEY最新的操作站是以WINDOWSNT、通用微机为基础的ConductorNT。
实际上，该操作站不是为INFI-90开发的，它是FISCHER-PORTER的系统6的操作站，用它的监控软件嵌入和INFI-90通讯的驱动软件而成。
由于销售量不大，磨合的机会少，问题比较多，死机现象严重。
OIS40系列的操作站运行在DEC的VMS平台上。
实际上，它仍然是在MCS操作站的MTOS操作系统平台上，开发了一个与VMS通讯的驱动软件，因为80年代的OIU和MCS在80年代末都已经停止销售。
BAILEY只卖OIS20系列和OIS40系列。
OIS20系列是90年代初推向市场的，它本质上是MCS，但它们能与INFI-90通讯。
它的开发、制造成本都比较低，性能也比较好。
OIS20系列的辅站不是用网络来传输信息的，只是在主站上多加了1块显卡来实现辅站的功能。
后来因维护成本很高，硬盘和软驱都难以买到，用户反映不太好。
继OIS20系列，BAILEY公司推出了OIS41、OIS42，在操作站之间增加了以太网卡，组成后门网络，可以实现打印机共享。
把图形传给不同主站的能力也有所增强，也给用户提供了开发打印系统的空间，这是后话。
由于OIS40、OIS41、OIS42主机性能较差，所以操作站的性能提高不明显。
直到OIS43Alpha芯片的出现，性能才得到提高。
同时，加拿大BAILEY公司开发了PCV，它是以PC为基础的操作站，采用QNX操作系统。
因为它的标签量较少，价格低廉，运行稳定，故适用于小系统的使用，这就是BAILEY的OIS10系列，版本5以前，只有文本没有图形。
版本5以后既有文本也有图形。
OIS11操作站后门之间用ARCNET联网。
OIS12既可用ARCNET也可用以太网联网。
由于OIS40系列软件结构复杂，故价格较高，更重要的一点是DEC公司被COMPAQ公司兼并，Alpha机255/233停止生产，这给BAILEY公司和用户无疑是雪上加霜。
二.八十年代中期，因为PLC操作站的开发都不太成功，一些软件公司就开发了通用的监控软件，且很快就被PLC制造厂家所采用。
如：
FIX、INTOUCH、ONSPEC等（一共有上百种），由于市场前景较好，所以软件开发商又开发了许多PLC的驱动软件。
到了九十年代，又开发了DCS的驱动软件。
最早采用通用工控监控软件的是MOORE公司的APEC系统，它既可以用INTOUCH也可用FIX，以FIX软件为基础的操作站也应用在FisherRosmontDeltaVandToshibaDCS系统上，由于INFI-90系统在九十年代一直没有推出比较优秀的操作站，故PREVISE公司推出了OPsCon操作站。
OPsCon操作站运行在PC硬件平台，NT操作系统下。
把FIX作为监控软件，并开发了能与多种DCS通讯的对应驱动软件，标签量为10000个。
因为FIX软件在世界各地已经销售了90000套，它与各种PLC、DCS和NT系统磨合较好，这种监控软件只要开发出多种PLC、DCS的驱动软件就可以成为通用操作站。
2000年开始应用在INFI-90系统上。
如：
新西兰的一家造纸厂，原来已经运行有CONDUCTNT，后来还是改用OPsCon。
通用操作站的功能不仅具备专用操作站的功能，如：
绘制动态流程图、报警、实时趋势和历史趋势，DCS参数调整、模件诊断、模件编程等。
如：
OPsCon的工程师站新增的功能在于不仅能给模件编程，还可以读取模件的编程。
通用操作站的出现，给DCS用户带来了以下方便：
１、不必再为原DCS生产厂家是否倒闭、被兼并。
该型产品是否已经停产、备件是否能够找到而操心。
２、由于通用操作站的适用面广，相对生产量大，成本下降，因而可以节省用户的经费。
维护费用也比较少。
３、采用通用系统要比使用各种不同的专用系统更为简单，用户也可减少人员培训的费用。
４、更新和升级容易。
５、开放性能好，很容易建立生产管理信息系统。
因此，通用操作站是DCS的发展方向。
第四讲动态数据服务器
DCS系统属于基础自动化，MIS系统侧重于办公自动化。
这两者在反映速度上的区别很大，DCS是属于秒级的，而MIS是以小时或更长时间为单位的。
所以这两者之间必须要有隔离设备，这个隔离设备就是动态数据服务器。
它的功能是生产过程监控；历史数据的存储及管理；统计质量控制；设备预防性维护；设备故障诊断；生产优化等。
DCS、PLC采集现场的生产过程数据通过通讯网络把数据传给操作站和动态数据服务器。
动态数据服务器是采集生产全过程的模拟信号或逻辑信号，所以它的采集速度是海量的。
要经过数据淘金，将信号送到生产管理部门。
通常情况下，一个企业往往有几种不同牌号的DCS、PLC，要把这几种信号都集中到动态数据服务器中，最好要选择一个通用显示平台。
在这个平台上来显示不同型号的DCS、PLC的信号。
通用显示平台可采用FIX、INTOUCH、组态王、Synall等软件，开发各种DCS和PLC的驱动软件。
最近出厂的DCS采用通用操作站，它采用NT操作系统，监控软件就是FIX、INTOUCH.不同DCS型号采用不同的驱动软件。
各种DCS之间信号传输采用OPC服务器联接，也可以把少量的信号送到MIS系统的服务器中。
FIX、INTOUCH等软件都能存储历史数据，几十个信号可存储280天之多。
如要存储更多的历史数据，可以采用OSI历史数据库，它可以存储三年以上。
这些通用监控软件都有OSI的接口。
老一代的DCS系统的操作站无论操作系统还是监控软件都是专用的，和其它系统通讯都非常困难。
如要建立系统间的互联，通过计算机接口单元建立动态数据服务器，监控软件仍然可以使用通用的，在NT平台上运行，但它的数据只能上行，不能下行。
在设计MIS系统过程中，最好使用动态数据服务器，不要把DCS和PLC数据直接送到Web否则会影响到DCS、PLC的正常运行。
至于究竟需要建立多少个动态数据服务器，由所需采集的数据量和数据安全决定。
一般情况下，可达10000点。
第五讲DCS的通讯网络堵塞和人机界面死机现象
在DCS的通讯网络上连接有几种不同的结点，它通常分为两大类。
一类是直接与生产过程通过I/O板连接起来的结点，我们称之为控制器。
控制器根据功能不同又可以分为数据采集控制器和回路控制器，两者可以合为一个结点。
另一类结点是与人机相连的，称为人机界面。
它们通过通讯网络采集控制器中的数据。
根据功能又分为操作站，这是工厂运营的主要设备，它既要从控制器中读取数据，又要将运营人员的意图送给控制器，所以数据传输是双向的。
人机界面的另外几种结点分别是工程师工作站、历史趋势站和动态数据服务器。
工程师工作站通常只在系统投运前，把存储在控制器中的各种算法按照生产要求连接起来，并填进参数最后下装给控制器，它是组态用的工具，系统投运以后可以离线。
工程师站的工作区别于用算法语言编程，称之为组态。
控制器的存储器中存有各种控制算法，如：
PID、加、减、乘、除、三角函数、矩阵运算、先进算法史密斯预估器，与BASIC、C语言接口等。
如果操作站中的监控软件作图功能不能满足要求，也可由工程师站做动态流程图，然后装载给操作站。
为了DCS的控制器和操作站的升级，不改变组态，由逆向工程师站读取控制器组态。
然后下装给升级后的控制器。
逆向工程师站的另外一个功能是为了查找故障，读取控制器组态供分析使用。
人机界面的另一个重要结点是动态数据服务器，它是DCS和MIS系统的接口，是DCS和Web的隔离设备。
它的特点是数据只能上行，不能下行，而且存储的数据量是海量的。
历史趋势站和动态数据服务器类似，它的功能可以合并到动态数据服务器上，也可以单独成为一个结点。
在系统刚投入运行时，由于系统组态不完善，经常发生网络堵塞。
但投运一段时间后，就很少发生网络堵塞。
近来，由于MIS系统需要从DCS中读取生产实时数据。
在网络中接进动态数据服务器，网络堵塞现象就变得十分频繁，并使得各种人机界面的结点死机现象很严重。
网络堵塞现象的严重程度与多种因素相关。
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，读取数据应遵守网络通讯协议。
网络物理结构有环形和总线两种，总线网络在逻辑上也是环形的。
星形网络只用于小系统（100个I/O点内）。
常用的通讯协议是广播式的，在网络上的结点，只要把数据送到网络上，它就要不断广播数据，需要数据的结点就接收数据。
广播式协议的网络除了这种方式以外，还有一种方式：
一个结点向网上的其他结点问询数据，但如果其他结点没有这个数据，它就反复进行问询工作，直至读取到这个数据。
那么如果网络上根本没有这个数据，就会造成网络堵塞。
操作站死机现象，不管何种DCS系统，在DCS七十年代问世以来，都不同程度的存在死机现象。
操作站主要软件是操作系统、监控软件和控制器的驱动软件。
早期的DCS系统，所有这三个软件都是由DCS厂家自行开发的，或者说是专用的。
这三个软件可能有不相配的地方，所以在运行时产生死机，特别是键盘操作时几个特殊键按下时，就会产生死机。
另外一种情况是：
有的DCS系统、监控软件从其它系统移植过来，DCS制造厂家只开发一个驱动软件。
这种情况下，由于DCS销售量小，软件之间配合问题没有得到充分暴露，死机就更为频繁。
动态数据服务器不是系统刚投运时就存在的，许多DCS用户是最近几年根据需要才添加的。
DCS运行时间比较长的情况下，工厂的维护人员不断更替，控制器的组态也不断变化，但有一个现象是：
组态只加不减，有一部分组态实际上已没有与真正的I/O点相连。
而动态数据服务器接入时，欲将DCS上所有数据点都读上去，而其中有很大数量的数据点是无效的，因而造成网络堵塞，所以人机界面就发生死机现象。
这时可以用逆向工程师站读取控制器中的组态，与正向工程师站的内容进行比较，删除无效点，就可以避免网络堵塞和死机现象。
另一个应注意的问题是在接入动态数据服务器时，应检查所有接口的软件版本是否一致。
否则也会影响数据的传递。
解决网络堵塞的第三种方法是：
如果采用例外报告的方式，可将例外报告的区域加大一些，以减少网络的通讯量。
例外报告的意思是现场的某点只在发生变化时把数据送到网络上，如果不发生变化就不会传送。
但为了防止点已经坏而人机界面不知道的情况。
所以，即使点不变化，超过一段时间也要报告。
为了减少网络上的数量，把例外报告的二个参数都适当加大，也能达到减少数据量的目的。
最近几年推出的通用操作站，大多采用NT操作系统，监控软件也采用通用的，如：
FIX、INTOUCH等。
由于软件的销售量大，软件存在的问题较少。
通用操作站的开放性能好，死机现象会大大减少。
无论维护成本、备件采购都不受DCS制造厂家的限制。
这是DCS的一大进步。
第六讲DCS操作站部件更换技巧和DCS的打印系统
1995年以前从国外进口的DCS系统据不完全统计，大约近3000套、20多种不同型号的DCS系统，它们分别来自于美国、日本和欧洲。
有的系统是专用的，它随主设备一起进入我国。
如造纸厂的一些控制系统如MeasurexODX，它可能随造纸主设备进入我国。
大部分DCS是直接进入我国。
又如欧陆的系统6000，它是集成的DCS系统。
回路控制器作过程控制用，人机界面采用PARAGON软件作为监控软件。
利用PC机的串形口，把PLC也接进HMI中。
同一厂家又有几种不同型号的DCS，这是由于系统升级或系统规模不同而设计的不同型号的系统。
把同一厂家的放在一起，观察几种DCS系统在中国的使用情况。
用户有几十套以上的有以下几种系统：
TDC3000（TDC2000、R150、S9000）、μXL、（CENTUM）、I/A（SPECTRUM）、N90（INFI90）、PROVAX、RS3（ΔV）、APACES、MOD300（MODⅢ）、AC450（AC210、AC500）、WDPF、HIACS、TELEPUM和MAX-1（MAX-1000）。
还有一些系统不到10个用户的，如PROCONTROLP14，全国只有4套，D/3只有5套，TOSDIC系统在全国的用户也不多。
无论在中国的用户多还是少，这些DCS系统的共同特点是人机界面的许多部件也都是从第三方购买的，不是自己生产的，现在大部分部件都已经停止生产。
如有的DCS操作站主机采用DEC公司的VAX机或α机，在96年DEC已被COMPAQ公司兼并，到现在已经停产5年，不仅机器不生产，而且连芯片也不生产。
如果现在仍然进口这样的DCS，备件将会成为很困难的事情。
又如操作站使用的硬盘，与硬盘的接口大都是ST412接口（像ST225、ST4096、ST4097、XT1085等）或IDE接口，这种硬盘体积大，但容量小。
目前已停产多年。
当操作站的硬盘损坏时，购买原配硬盘会比较困难，只能用与原硬盘同系列的，BIOS稍加修改后的硬盘代替。
少量的SCSI接口的硬盘购买要容易一些。
还有低分辨率的CRT，一般都是RGB输入，目前市场上的CRT无法与大部分DCS操作站相连，一旦CRT发生故障，操作站无法发挥作用。
解决的办法是需要接一个转换器后才能用现在的显示器和DCS操作站相连，用来显示DCS系统的信息。
又如ARCHIVE磁带机，TEAC软驱等都无法买到。
寻找旧产品是很困难的事情。
即使找到，也不一定用的上。
如硬盘还需要低格或初始化等。
如果还想用原来的操作站主机，就需要配上能兼容的硬盘、CRT、键盘等。
80年代进口的DCS，即使是DCS的生产厂家，有时也无法供应部分备件。
有时能供应，但到货的时间特别长，无法满足紧急要求。
其价格可以说是天价。
因为这些部件DCS厂家也是从第三方购进的，也需要去寻找，使的供货时间很长。
每个部件如硬盘、CRT、磁带机等都要在几万甚至十几万人民币。
如换主机，就需要几十万人民币。
所以说,购买这些部件还需要有新的思路。
更换主机的话，有时甚至不如把原来操作站去掉，换上新的通用操作站。
值的一提的是各DCS系统的专用打印机，像能打图形的GENICON打印机，它的打印头、色带等很难买到。
又如原DCS配的报警打印机，系统中只要有报警发生，打印机就会不停的打印，而且报警的产生次序没有存储，不能查出哪一个报警是最先发生的，一些有用的信息淹没在海量的无用的信息中。
不仅浪费大量的打印纸，而且有用信息很难提取出来。
打印系统就是在上述背景下开发的，打印软件用于各类DCS系统的打印管理系统。
该打印系统可以与各类DCS系统的操作站相联，构成打印信息管理系统，包括在线报警记录，屏幕拷贝及事件列表等。
不仅可以完全替代专用打印机，而且还兼有存储、查询等功能，从而更适合现场应用。
每一套打印系统可以与4台DCS操作站相联。
打印管理系统其核心是打印管理软件，把它安装在普通PC机上，在WINDOWS平台上运行。
为保证数据安全，采用RAID技术，双硬盘冗余运行。
该软件是为改善计算机自动控制（DCS）操作站的打印功能，加强信息的存储、查阅和拷贝能力而开发的一套打印
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