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第三章DCS系统
DCS系统
第一节DCS系统介绍
一、综述
DCS是分散控制系统（DistributedControlSystem）的简称。
它是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机（Computer）、通讯（Communication）、显示（CRT）和控制（Control）等4C技术，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活、组态方便。
目前在电厂中DCS主要应用在锅炉控制、汽机控制、电气开关控制、脱硫岛控制、脱硝装置控制、辅网控制（包括水、煤、灰、渣）等，除电气保护部分外所有的电厂生产过程均可以用DCS实现控制。
随着软、硬件技术的不断发展，DCS系统的应用正在逐渐延伸，包括厂级监控系统SIS、生产管理系统MIS、设备管理系统等也可以通过DCS实现。
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图1－1分散控制系统
二、分散控制系统DCS发展历程
1975年美国最大的仪表控制公司Honeywell首次向世界推出了它的综合分散控制系统TDC—2000（ToalDistributedControl-2000）,这一系统的发表,立即引起美国工业控制界高度评价,称之为“最鼓舞人心的事件”。
世界各国的各大公司也纷纷仿效,推出了一个又一个集散系统,从此过程控制进入了集散系统的新时期。
在此期间有日本横河公司推出的CENTUM-XL，贝利公司的N—90,福克斯波罗公司的Cpectrum和德国西门子公司的Teleperm系列等。
随着计算机特别是微型计算机与网络技术的飞速发展,加上各制造商的激烈竞争,使DCS很快从70年代的第一代发展到90年代初的第三代DCS。
尽管在这之前的集散系统的技术水平已经很高,但其中存在着一个最主要的弊病是:
各大公司推出的几十种型号的系统,几乎都是本公司的专利产品,每个公司为了保护自身的利益,采用的都是专利网络,这就为全厂、全企业的管理带来问题。
随着计算机的发展与网络开发使各控制厂商更多地采用商业计算机的技术,80年代末许多公司推出新一代的集散系统,其主要特征是新系统的局部网络采用MAP协议;引用智能变送器与现场总线结构;在控制软件上引入PLC的顺序控制与批量控制,使DCS也具有PLC的功能。
至90年代初各国知名的DCS有:
日立的HITACH-3000,Bailey的INFI-90,
Rosemount的RS-3,Westinghouse的WDPF,美卓自动化的MAX-1000,Foxboro的I/AS,日本横河的CENTUM。
目前，在国内及国际上常用的DCS产品有：
日立公司的HITACH-5000M，ABBbailey公司的INFI-90OPEN,EMERSONWESTINGHOUSE公司的ovation，美卓自动化的maxDNA，FOXBORO公司的I/ASeriesSCADA，西门子公司的SIMATICPCS7、国电智深的EDPF-NT及GE新华的XDPS系列等。
三、DCS系统基本结构及特点
DCS虽然经历了几个阶段的发展过程,但其系统硬件结构始终保留着集中管理（包括操作站、工程师站和上位机）、现场控制和网络通信三大部分,并以实现分散控制和集中管理功能为目标。
现场控制站包括三个方面的功能:
现场检测模拟量、数字量和脉冲量的输入输出并进行转换处理;各种控制回路的运算（调节回路、逻辑运算等）;控制运算结果的直接输出。
工程师站负责系统的管理、控制组态、系统生成与下装。
操作站是人机接口,由微处理器、CRT显示器、键盘和打印机等组成,用于生产工艺的控制操作、过程状态显示、报警状态显示以及实时数据和历史数据显示打印等。
上位机实现生产调度管理、优化计算、生产经营管理与决策等层次的管理和计算。
网络通信部分负责各种功能站之间的数据通信和联络。
DCS网络正在逐步走向开放。
DCS厂家也纷纷采用通用标准网络,以便于不同厂家的产品相互连接和通信。
DCS系统的特点：
（1）高可靠性由于DCS将系统控制功能分散在各台计算机上实现，系统结构采用容错设计，因此某一台计算机出现的故障不会导致系统其它功能的丧失。
此外，由于系统中各台计算机所承担的任务比较单一，可以针对需要实现的功能采用具有特定结构和软件的专用计算机，从而使系统中每台计算机的可靠性也得到提高。
（2）开放性DCS采用开放式、标准化、模块化和系列化设计，系统中各台计算机采用局域网方式通信，实现信息传输，当需要改变或扩充系统功能时，可将新增计算机方便地连入系统通信网络或从网络中卸下，几乎不影响系统其他计算机的工作。
（3）灵活性：
通过组态软件根据不同的流程应用对象进行软硬件组态，即确定测量与控制信号及相互间连接关系、从控制算法库选择适用的控制规律以及从图形库调用基本图形组成所需的各种监控和报警画面，从而方便地构成所需的控制系统。
（4）易于维护：
功能单一的小型或微型专用计算机，具有维护简单、方便的特点，当某一局部或某个计算机出现故障时，可以在不影响整个系统运行的情况下在线更换，迅速排除故障。
（5）协调性：
各工作站之间通过通信网络传送各种数据，整个系统信息共享，协调工作，以完成控制系统的总体功能和优化处理。
（6）控制功能齐全控制算法丰富：
集连续控制、顺序控制和批处理控制于一体，可实现串级、前馈、解耦、自适应和预测控制等先进控制，并可方便地加入所需的特殊控制算法。
DCS的构成方式十分灵活，可由专用的管理计算机站、操作员站、工程师站、记录站、现场控制站和数据采集站等组成，也可由通用的服务器、工业控制计算机和可编程控制器构成。
处于底层的过程控制级一般由分散的现场控制站、数据采集站等就地实现数据采集和控制，并通过数据通信网络传送到生产监控级计算机。
生产监控级对来自过程控制级的数据进行集中操作管理，如各种优化计算、统计报表、故障诊断、显示报警等。
四、分散控制系统的网络结构
计算机网络是建立在数据通信的基础上，通过通信线路相互连接起来的计算机，实现系统内资源共享的系统。
数据信息是将数据从一个地方送到另一个地方的技术。
网络的目的是实现系统内资源的共享。
（一）通信系统的构成
⒈通信系统的构成
计算机与计算机或设备之间的数据交换称为数据通信。
数据通信系统有以下部分组成。
报文：
需要传送的数据；
发送设备：
计算机，工作站，电话机或摄像机;
接受设备：
计算机，工作站，电话机或电视机；
传输介质：
双绞线，同轴电缆，光缆，无线电波等；
通信协议：
通信双方必须遵守的一组规则。
⒉数据通信的过程
数据打包：
在发送方，把要传送的数据，加上必要的控制信息，按一定的格式包装起来形成传输的记本单位－报文或数据包；
数据转换与编码：
对于表示信息的电平进行转换，并－串转换，调制，0，1编码等；
数据传输；
数据转换和译码：
将接受到的信号进行解调还原成报文；
数据解包：
删除报文中的附加控制信息，留下数据传送给主机。
⒊基本的通信方式
并行通信：
多位二进制数据同时，同方向传送。
该方式传送速度快，连线多，成本高；
串行通信：
数据依次逐位在线路上传送。
该方式传送速度慢，连线少，成本低。
按通信线路上信号传输的方向与时间的关系分类可以分为单工，半双工和全双工。
数字信息在通信线路上有两种传输方式有基带传输和频带传输。
（二）网络技术
⒈网络的拓扑结构
在分散控制系统中，常用的通信网络结构有星形，树形，环形和总线形。
（1）星形结构
在星形结构的通信网络中，工作站分为主站和从站。
主站可同时与几个从站直接进行通信。
主站拥有对网络的控制权，从站间的通信，要先向主站提出申请，获准后，先把信息发给主站，再由主站分送到相应的目的从站。
主站与从站是通过专用的通信线路一对一直接通信，故通信效率高，接口简单。
但通信线路不能共享，系统费用高，且网络通信的控制集中在主站，一旦主站发生故障，整个网络将瘫痪。
星形结构只使用于每次通信量较大的小系统。
如美国福克斯波罗早期的SPECTRUM系统中的FOX-300通信网络。
（a）原理图（b）FOX-300通信网络
图4－1星形网络结构原理图
（2）树形结构
树形结构通信网络是一种分级。
它把现场工作站分为若干组，每个组中站间通信由它们上一级的中间协调，中间站之间的通信则由通信控制站进行协调。
这种通信网络能有效地实现系统间的通信，但系统费用高，仅适用于大系统。
如福克斯波罗的SPECTRUM系统中的链群通信网络。
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（a）原理图（b）SPECTRUM链群通信网络
图4－2树形结构
（3）环形结构
环形结构通信网络是将网络中的各个站首尾串连接成一个环形。
没有专门的通信控制站，通信控制功能分散到各个站中完成。
这种网络结构简单，容易扩展，设备费用低。
但在通信环路中，通信线路和各个站的故障都可能是破坏网络通信的因素为此，需考虑采用提高可靠性的措施，如果用冗余的通信线路，在站设备上家装通信旁路通道，在发生故障时，信息可通过旁路通道传送到下一站，同时故障站自动脱离通信环路，而不影响系统的通信。
如美国ABB公司的Symphony系统的控制网络Cnet。
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通信环路
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（a）原理图
图4－3环形结构网络
（4）总线结构
总线形结构通信网络是一种信息传输的公用通道。
系统中的站都通过各自的通信接口直接挂在总线上，所有的站共享一条传输链路。
任何时刻只能有一个站发送信息，由其他站接收，否则通信数据会发生冲突。
系统容易扩展，结构简单，设备费用低。
当总线上的某个站发生故障时，不影响其他站的通信。
通信网络的可靠性主要取决于总线的可靠性。
一般系统中的总线都采用冗余结构来提高网络的可靠性。
总线结构用于工业应用。
站
站
站
站
站
站
站
图4－4总线结构通信网络
（5）混合结构
一般分散控制系统在不同的通信级采用不同的通信网络结构。
⒉通信控制方式
系统中多个站通过同一个数据通道进行通信，必然产生竞争。
要使数据在通道上有序地通信，必须对通信过程进行某种形式的管理控制，让要求使用通道进行通信的站依次获得通道使用权。
不同的系统，采用了不同的分配通道使用权的方式，称为集中控制方式;有的系统不需要专门的通信控制器，而把通信的管理控制功能分散到各个站的通信接口中完成，成为分布控制方式。
（1）集中通信控制方式
在带通信控制器的系统中，站设备被分为优先设备和询问设备。
优先设备，如上位计算机和显示操作站，能主动向通道控制器提出通道申请，获准后可以优先使用数据通道进行通信。
而询问设备没有通道申请能力，依靠通信控制器周期性地依次询问这些设备是否有通信要求。
若有通信要求，控制器则把数据通道分配给该站设备，该站则可通过数据通道把信息发送给目的站。
（2）分布通信控制方式
在不带通信控制器的系统中根据系统中各个站所处的逻辑顺序依次传递通道使用权。
获得使用权的站，即可使用通道进行通信。
根据数据的传送方式不同，可分为存储转发式和广播式。
1）存储转发式：
存储转发式用于环形结构通信网络，发送信息的站（始发站）按一定的方向将信息发送到物理位置的下一站，下一个站接受信息后，把它存储到自己的缓冲器内，对信息经过整形放大后再转发到下一站，如此重复下去，环路上的每一个站抖接受信息，并把它再转发出去，直到信息再返回到始发站。
在信息传送的过程中，信息的目的站收到信息后留给自己使用同时在转发该信息之前，在信息中加入确认码表示信息已收到。
始发站发现返回的信息中确认码，则将该信息从发送缓冲区中删去，准备发送新的信息。
若未发现确认码，则将存在发送缓冲器中的信息重复发一次。
重发一定次数，若信息仍未被接受，则表示目的站已不在环路网络中了。
存储转发方式实质上是一种串行传送方式，数据通道被站分割成若干段，信息在每个站抖可以得到储存。
因此，对始发站来说，信息传送的速度是很慢的，但在通信网络中，允许所有的站同时接受和发达不同的信息。
总的说来，通信效率还是很高的。
这种系统称为全主站通信系统。
2）广播式：
广播方式指系统中的各个站都连接在一个数据通道的不同分支点上，数据通道为各个站共享。
在某一时刻只有一个站拥有数据通道的使用权，可以向数据通道发送信息。
挂在通道上的其他站都可以从通道上收听该站发送的信息。
广播方式主要用于环形和总线结构的通信网络。
广播式对通道使用权的控制方式可分为自由竞争，令牌传送和令牌环三种。
五分散控制系统的现场控制站
现场控制站由一系列控制模件，I/O模件，通信接口模件，电源模件和安装单元及机柜组成。
控制模件执行控制算法和相应控制处理功能；I/O模件用于扩展控制器模件的过程通道输入/输出功能，实现现场信号的采集，转换，预处理或控制输出功能；通信接口模件用于，控制器模件与控制网络之间的通信接口；电源模件为系统模件提供工作电源和现场电源。
信号的在传输的过程中类型也是不断变化的。
生产过程中的变量一般为模拟量，其信号的特征是时间和幅值都是连续变化的量，计算机中接受的量是数字量，要对模拟量的时间和幅值进行离散。
为此，在计算机控制系统中分两步进行，首先通过采样/保持器对模拟量的时间进行离散，使之变为离散模拟量。
它在时间上是离散的，但幅值上仍保持连续的特性。
第二步通过模/数转换器将离散模拟量的幅值进行量化，使其幅值离散，变成数字量在计算机中进行处理，存储和传送。
在计算机中经过控制算法计算出来的控制量再通过数/模转换器和保持器变成时间上连续，幅值仍是离散的电流或电压输出。
这种量称为量化模拟量。
量化模拟量作用在执行机构上，控制被控参数变化，通过被控对象，变成模拟量（控参数）。
（一）控制器模件
控制器模件是一台执行控制更能的计算机，它由CPU,ROM,RAM,NVRAM或E2PROM及I/O接口组成。
在ROM中存有实时操作系统，和功能码库。
RAM用做控制器的工作存储器。
NVRAM或E2PROM存放控制方案的组态数据库。
I/O接口用于控制器面板上的LED指示灯和按钮的接口，以及控制器与I/O模件之间的总线接口。
控制器的控制功能由称为功能码的软件模件来实现。
在DCS的控制器模件的ROM中，都有一个功能码库。
不同DCS系统的功能码的划分不尽相同，但功能码的类型基本是一样的。
常用的功能码按功能可分为计算、逻辑运算、控制、例外报告和I/O接口灯类型。
（二）I/O模件
I/O模件完成过程输入，输出通道的功能，具体实现模拟量与数字量之间的转换和处理。
I/O模件由印刷电路板和前面板组成。
前面板上有LED指示灯和按钮作为模件简单的输入，输出设备。
印刷电路板上是过程通道的有关电路。
1）模拟量输出通道（AO）
模拟量输出通道将控制器输出的数字量信号转换成模拟电压或电流信号，以使驱动过程现场的执行机构，达到控制的目的。
模拟量输出通道一般由接口电路，D/A转换器和电流/电压转换器I/V组成。
其中D/A转换器是将数字信号转换成模拟量信号的关键设备。
2）模拟量输入通道（AI）
模拟量输入通道将来自被控对象的模拟量信号转换成计算机可以接受的数字量信号。
AI通道一般由多路模拟开关、前置放大器、采样/保持，模数转换器，接口和控制电路组成。
其中模数转换器分为逐位逼近型和双积分型两种。
前者应用比较普遍，后者精度高，抗干扰能力强，但转换速度较慢。
（三）数字量输入通道
数字量输入通道用于被控对象的开关状态信号传送给计算机。
功能：
电平转换
实现光电隔离
按计算机的字长分组输入
（四）数字量输出通道
数字量输出通道用于把计算机输出的数字信号传递给过程的开关器件控制它们的通断。
功能：
实现光电隔离
输出锁存
六分散控制系统的人机接口设备
人机接口是用户余分散控制系统交换信息的窗口。
人机接口设备在功能处理器的控制和管理下，通过键盘，CRT显示器，打印机等输入、输出设备和通信控制器使系统用户直接与系统和生产过程对话。
（一）人机接口设备的工作方式
人机接口设备有组态和运行两种工作方式：
在组态方式下，以生成适合工程应用需要的监视、报警、控制记录和管理功能；
在运行方式下，通过共享信息，实现对生产过程的实时监视、报警、记录和控制操作。
（二）人机接口设备的分类
根据用户使用系统的目的不同，分散控制系统中的人机接口设备一般分为操作员站、工程师站、历史站和计算站等。
操作员站主要供操作人员监视、操作控制和记录生产过程的运行状况，以保证生产过程的安全经济运行。
工程师站是以个人计算机为基础的系统开发和维护的工具性设备，供系统工程师对系统进行配置、组态、调试及控制方案的维护等。
同时，也具有操作员站的监视和操作功能。
历史数据站用于历史数据的收集、存持和处理，供生产管理人员进行数据分析、统计和报表打印。
计算站完成与生产过程有关的性能计算和特殊计算。
在分散控制系统中，操作员站和工程师站是必须配置的人机接口，有些比较小的系统不单独设置历史数据站，而将它们的功能放在操作员站或工程师站。
（三）人机接口设备的功能
人机接口设备具有基本相同的硬件配置，一般采用工业控制计算机或高性能的工作站构成。
只是根据不同站的应用要求，硬件配置的性能有所不同，如操作员站要求采用具有防水功能的专用操作键盘，大尺寸的显示器；工程师站配有打印机、鼠标或球标、并行或串行接口等；历史数据站具有较大容量的硬盘、可读写光盘和打印机等外部设备。
人机接口设备的主要区别在于它们安装的软件不同，决定了它们分别完成不同的功能。
（1）操作员站的功能
操作员站为分散控制系统提供了完整的显示、操作、记录和管理功能。
1）显示功能
操作员站的显示类型有：
画面显示、图形显示、趋势显示和报警显示等。
①画面显示：
以统一、标准的格式，构成相应的生产过程所需的显示画面。
②图形显示：
图形显示以组态软件工具所提供的标准图形，用计算机辅助设计的方式，以逼近工艺生产设备的图形为基础，给出的各种生产工艺的流程图。
在这些流程图的相应部位上，标注有有关标签的名称、动态值、开关状态、操作站、报警信息等。
在流程图上的有关图形，会随着工艺过程的变化而改变颜色、位置或形状。
通过带有动态的工艺流程图，操作员可随时了解生产过程的各种工况，以便采取相应的措施去操作、管理生产过程。
③趋势显示：
趋势显示通过趋势元素把标签在一定时间范围内、一定时间间隔的数据变化，形象地用曲线描绘出来。
为操作员提供分析当前过程运行性状态的一系列有关的历史数据。
趋势显示可分为实时趋势和历史趋势显示。
实时趋势以每两秒钟采集一个当前实时值的速率显示最近2个小时的过程值随时的变化趋势。
历史趋势可以为过程的运行情况提供历史数据。
④报警显示：
报警显示用于显示对于过程控制非常重要的，直接关系到设备安全运行、产品质量和工艺安全的异常情况。
报警显示通过下面几种显示方式向操作员发出报警信息：
报警显示栏：
在CRT显示器上，在任何一幅显示器画面的右上角都有一个报警提示栏，只要发生报警，在此栏将以组的范围发出的报警信息，标示发生报警的组号，以提示操作员对其采取处理措施。
显示画面：
当发生报警时，发生报警的组将把标签的报警类型及报警时的点值显示出来，以帮助操作员分析报警。
图形显示：
在与报警标签相关的图形上，以闪烁或改变颜色的方式向操作员提示标签报警，以达到十分醒目的目的。
2）操作功能
操作员键盘是操作台和过程的主要接口，利用操作员键盘和其他输入设备，可以选择各种过程画面，并对过程进行控制。
键盘上的键锁开关可用于控制能否修改系统组态或调整系统参数。
操作人员借助人机系统接口设备的操作不见可改变M/A状态、设定值、输出值和开关接点状态等。
这些操作比定义在键盘的一个站的远程控制操作键区中，通过这些键用户可调用实现过程控制所需的软操作。
所谓软操作，就是利用软件来实现的操作。
3）管理功能
操作员喊作为控制系统网络中的一个节点，直接参与系统和过程的管理，并通过系统的开放网络参与到企业的管理中。
其管理功能包括：
①数据的存储管理：
该功能包括数据的获取，数据的存储和数据的转存及恢复等。
②数据库管理：
操作员站数据库哈有系统内所有变量的信息。
可以通过操作员站或其他工程师站工具建立或修改数据库。
标签数据库中的每一个标签与过程中的一个点相对应。
操作站利用标签来进行控制、显示、监视、趋势、记录及存档。
系统可检查出各种组态错误。
趋势数据库对每个趋势变量进行了定义，包括对归档画面及记录的定义。
这些功能都是在数据库管理软件的支持下完成的。
③数据的转存管理
尽管有较大容量的硬盘存储器来存储各种数据，但随着时间的推移，硬盘最终总会装满。
为了长期保留数据档案，就需对数据库的内容进行转存。
转存有不可恢复转存和可恢复转存两种。
前者使用打印机把所有的数据报告打印出来。
将打印的文件存档；后者使用可移动的外部存储器来转存硬盘中的数据。
④报警信息管理
先进的报警管理系统使操作人员能对异常情况作出迅速响应。
它还可以帮之操作人员采取适当的措施处理报警。
报警挂历系统具有报警确认、多级报警、报警注释、组报警、报警优先级设置和报警禁止等功能。
（2）工程师站的功能
工程师站是一个以个人计算机为基础的工具性设备，是通讯网络上的重要节点之一，它能直接或远距离地访问分散控制系统。
在工程师站上利用运行在WINDOWSNT环境下的系统工具软件，对过程控制单元进行控制逻辑的在线或离线组态，并具有对组态运行进行监视、调整及维护的功能；并可对操作远站的标签数据库、各种流程显示画面、用户记录、键判定义等进行离线组态。
工程师站的主要功能包括：
对过程控制单元用工具软件进行控制逻辑的在线和离线组态。
对操作员站进行标签数据库、各种流程画面、用户记录、键盘定义等进行离线组态。
把工程师站和所有的设备连接，使工程师站与分散控制系统进行通讯，把组态下装到过程控制单元内，并具有调试、诊断的功能。
在线工作时，作为独立节点，能够从网络中得到信息，同时也能够提供调整信息，使工程师站具有监视调整生产过程的能力。
第二节常见两种分散控制系统
1．PROCONTROL-P（瑞士ABB公司）
1）系统总体结构
ABB公司是一个大型自动化设备制造厂家，PROCONTROL-P吸取了其他系统的优点，是比较先进的系统之一。
该系统是分级设置的，由厂级总线（IPB）把CRT操作站、中央诊断站，各种处理控制组件和各种局部控制站连接在一起如图。
每个局部站内有局部总线（LB）把所需模件连在一起。
每条IPB可挂64个站，每个站经隔离器和LB/IPB耦合器与厂区总线通信。
各站自成一体，可集中设置也可分散就地设置。
本系统的IPB可接16条。
PROCONTROL-P系统结构
PROCONTROL-P从功能看可分为四部分：
（1）输入/输出部分主要完成输入信号的预处理和输出信号的处理、传送给执行机构。
信号的传送由站内的母线通信控制器控制。
传送能力和传送周期有关：
5ms周期能传送64个地址；10ms周期能传送128个地址；20ms周期能传送256个地址。
（2）数据处理控制部分主要完成各种处理与控制功能，如模拟量开关控制，为完成不同级别的控制有两种可编程处理器。
要有专门语言对40个基本功能块进行组态。
（3）各站间的数据传送通过厂区母线完成各站间信息的交换。
（4）人机联系部分完成整个系统的监视与组态功能。
2）软件（算法、语言）配置及控制功能
控制算法通过IEC117-15的标准符号FCD实现，简单直观。
处理控制部分有40多个基本功能块用于组态。
本系统按标准形式设计的各部分，具有固定的软件包。
使用PID语言，编程直观、方便。
控制站的功能灵活。
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