DCS理论资料.docx

1、DCS理论资料第一讲 绪论 DCS是继1969年PLC问世后，由HONEYWELL公司在1975年首先推出的系统。即：TDC2000，它只有模拟量控制。随后，相继有几十家美国仪表公司也推出自己的系统。同时，由于DCS的高额利润，负责制造传动设备的公司和计算机公司也开始涉及DCS的开发、生产。 从不同方向发展起来的DCS在结构上、软件方面有些区别。仪表公司开发的DCS的控制器的软件部分比较符合仪表工程人员应用的习惯，特别是组态方式比较方便。传动公司设计的PLC部分比较好。计算机公司设计的DCS的人机界面比较友好。相继出现的DCS有MAX-1、RS3、MOD、N-90、D/3、WDPF、MICRO

2、、ECS-1200；日本横河的YEPARK MARK、东芝的TOSDIC；，英国的P4000；德国的TELEPERM、PROCONTROL P、瑞典的AC210等。 在硬件结构、软件应用和网络协议方面，随着计算机技术的发展，大约有三次比较大的变革。表现在操作站、DCS网络、现场总线的出现三个方面。七十年代操作站的硬件、操作系统、监控软件都是专用的，由各DCS厂家自己开发的，操作站也没有动态流程图，只有文本显示。通讯网络的协议基本上都是采用轮询方式的，在网络上设交通指挥器。八十年代就发生变化了，通讯网络较多地使用令牌方式。九十年代操作站出现了通用操作站，打开了DCS形成的自动化“孤岛”。自动化“

3、孤岛”的形成，既有历史原因，也有商业原因，而更重要的是商业原因。九十年代末DCS通讯网络有部分开始采用以太网。21世纪初DCS和MIS系统相结合，组成综合管理信息系统。DCS的信号送到全厂和存入工厂数据库。供管理人员查询。MIS系统的数据传输，载体采用光纤网和电话线网相结合的方式。传输数据多的地方采用光纤，数据少的地方用电话线，很像公共交通中的高速公路和国道联合使用一样。称为对称数字订户线（SDSL）技术。国内已有非对称数字订户线（ADSL）技术。 总的来看，DCS本身的I/O板变化主要体现在I/O板A/D的转换位数。操作站的变化体现在软、硬件的改变，通讯网络结构、协议的改进。控制器相对来讲变

4、化要小的多。它只是由于芯片水平的提高而作一些调整。功能块的算法和组态方式是不变的。操作站主要表现在由专用机变化到通用机，监控软件由专用逐渐变化到通用。如普通微机（PC机）和小型机、FIX和INTOUCH用于操作站。专用操作站的硬件在90年代初就被淘汰。后来专用操作系统也被淘汰。目前许多DCS系统的操作系统采用UNIX或其变种，也有中、小系统采用NT。相比较来看，UNIX的稳定性要好一些，采用NT系统死机现象发生较多。 DCS的另一个重要发展是：现场总线作为控制器的输入、输出。把现场总线作为DCS的输入、输出板，目的是解决远程信号的数据传输问题。如把HART总线做成DCS的一种输入板，可以有16

5、个变送器连接在HART总线上。又如LONWORKS总线作为MOORE的353回路控制器的输入、输出。把两个控制回路的控制器的控制回路增加到25个控制回路。同时还能有100个开关量。变送器、执行机构和DCS的控制器的距离可达1公里以上。不仅解决了远程信号的数据传输问题，还节省了连接电缆。 现场总线的提出到现在也有将近十年的历史，为节约从变送器到控制器的连接电缆，拟把控制器甩掉而自成系统，即只有I/O板和人机界面。这种方案也在发展。相对于DCS和工厂网的发展来看，显得要缓慢一些。 从理论上讲，一个DCS系统可以应用于各种行业。但由于各行业有它的特殊性，所以DCS也就出现了型号与应用行业是否匹配的问

6、题。有时也由于DCS厂家和用户的技术人员的工艺知识的局限性而引起的。例如：HONEYWELL公司对石化行业比较熟悉，其产品在石化行业应用较多，它缺少其它行业的特殊模块，如事件记录的快速模块。而AILEY的产品则在电力行业应用比较普遍，这些特殊模块都已经有了。用户在选择DCS的时候主要是要注意其技术人员对自己生产工艺的熟悉程度，然后选择符合自己要求的DCS。并应注意行业应用的特殊性，如电厂的SOE、水泥厂的大纯滞后，造纸厂的横向水分控制等。DCS系统适用于多大规模，比如使用NT操作系统的就适应于中、小规模的系统（标签量在10000点以下），最后才考虑价格因素。 各DCS厂家开发有不同类型硬件的操

7、作站，它和控制器的不同组合会有不同的价格，其差异很大。在作系统配置时，即使是同一个系统的不同组合，价格也不一样。 专用操作站也是可改变的。以前是因为计算机技术不够发达、没有合适的软、硬件供选择，所以DCS厂家只能自己开发自己的专用操作站，因而造成封闭局面。后来则是由于DCS厂家为了保证其利益造成的，因为采用专用部件，在备件方面可以有很高的利润。但这种封闭局面总会被打破，DCS的用户只要及时了解技术的发展情况，就能选出合适的系统。 国产的DCS系统在技术上可能不如进口的，但也能满足基本要求。其价格比进口的DCS至少要低一半，算上备品备件、现场服务费用，它的成本则要低很多。 DCS由四部份组成（也

8、可以说成三部分）：I/O板、控制器、操作站和通讯网络。I/O板主要完成模拟和数字的转换（A/D和D/A转换），最初用的最多的是8位，后来是12位加1位符号位。控制器是DCS的核心部件，任务是完成以PID为主要功能的过程控制。在国际上各DCS厂家在模拟量的算法上的技术水平都相差不远，用户编写应用程序都采用很方便的组态方式（填写若干个参数）。如果说有些差别的话是各种控制器内的算法有多有少，算法的组合和组态方式有些不一样。在开关量的处理方面区别很大。有的DCS在开关量的处理方面不很方便，甚至要用语言来编。模拟量和开关量的结合也不十分理想。模拟量和开关量结合得是否好也成为评价DCS的指标。标签量的多少

9、与操作站的软、硬件有关。但从目前PC机的水平来看，10000个标签是能满足要求的。最重要的是DCS与操作站的通讯方式。几万个标签的采用串行口可能速度不够，应采用SCSI接口。I/O板的差别在于有的有智能，有的没有。A/D转换方式是采用调频还是调幅。控制器从结构、软件等方面各DCS差别很大。一个控制器不管完成多少个PID的运算，但是完成PID运算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控软件,操作系统和监控软件配合比较好时可以减少死机现象；在通讯网络方面，最差的是轮询方式，在网络上设有交通指挥器。较

10、好的是令牌广播、例外报告方式，根据我们的实验，其速度要相差七八倍。 根据国内外使用经验，DCS的操作站可以使用7年以上，控制器则可用15-20年。DCS的各部件的寿命与平常的维护水平有关。在投运初期，容易损坏的概率比较大，一旦投入运行，几乎是不坏的。从检修的经验来看，经检修过的模件，已修复的部分一般不会重复损坏。从部件故障概率来看，电源的损坏概率最大。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

11、预算。DCS与模拟仪表相比，它更为复杂，技术性要求更高，下面来谈谈DCS系统选型中的几个问题。从理论上来讲，DCS可以用于不同的工艺过程，它是通用的控制设备。但是，DCS的制造厂家可能专长于某一领域。如：HOMEYWELL公司的TDC2000、TDC3000，主要用于石化部门。BAILEY公司的N90、INFI90主要用于电力系统，ROSEMOUNT公司的RS3、-V大多用于化工系统。因为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，选型时要考虑这些特殊因素。 第二点就是经济性，应该从DCS本身价格和预计所创效益

12、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。进口DCS产品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，也能满足基本技术要求。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类的操作系统。如SOLARIS 操作系统。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机和机）。PC机的操作站不到三万美金，它的操作系统采用N

13、T，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（标签数）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，最新的监控软件，它与计算机技术的发展基本是同步的。操作人员对软件的安装、调试、联网和开发也要熟悉得多。监控软件有专用的也可以用通用的，通用的监控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。Astec公司推出的N+1电源可

14、作为参考。 把控制器和操作站联成一个系统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。而专用的网络接口很贵，最贵可以达到20000美金之多。 因此，经济性与很多因素有关，有时DCS厂商把报价降下来，实际是改变了一些结构而已，并没有给用户什么优惠，甚至厂商的利润还增加了。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钢的控制系统，他对活套的控制、卷曲的控制和张力的控制等就不太熟悉，做的工程就不会理想。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

15、厂都购买了不同厂家的DCS系统，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DCS厂商作为总承包商。因为外国的技术人员不可能大批来我国服务，也不熟悉我们的应用情况，也不可能什么系统都很清楚，所以具体实施还是我们国内的技术人员来作。没有必要非花外汇不可。 第四点是售后服务问题，国外厂商通常情况下存在配品、备件供应价格高，且不能及时供应问题。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基本上跟不上计算机技术的发展，但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

16、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。也可选用。另外许多第三方厂家也已经开发出了许多很好产品，用户也可选用。没有必要抱着所谓正宗不放。由于第三方的冲击，系统才能更加完善。 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、硬件的支持等。这里要注意的一点是：有些国外厂家为了抢占市场，把一些不成熟的产品推到第三世界，这是经常发生的事情。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。还如：早在1983年，某外

17、国公司销售的DCS，该产品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。这种产品根本不能出厂，但还是卖给了我们国家，结果购买的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，不要把国外系统看成什么都好，国内什么都不好。另外，系统集成已很成熟，为了节约资金，可以作系统集成。操作站有通用的，现场总线有许多模块，这样就可以作系统集成。如欧陆的S6000，它早在80年代就作系统集成，利用英国的控制器，美国的监控软件和美国的PLC，作成S6000系统。我们都能接受，为什么国内集成就不能接受呢

18、？ 选型不但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，应慎重考虑。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。最近几年开发的人机界面还有动态数据服务器。 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，所以比较容易损坏，如：硬盘、键盘、CRT、软驱

19、等，运行6-8年后出现故障的概率就比较大，所以在DCS运行过程中，操作站更新的情况比较多。 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，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

20、标签量可以达到10000个，甚至更多。 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MCS PULS，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年代那样光辉。于是BAILEY公司

21、欲通过购买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WINDOWS NT、通用微机为基础的Conductor NT。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

22、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。后来因维护成本很高，硬盘和软驱都难以买到，用户反映不好。 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OIS

23、40、OIS41、OIS42主机性能较差，所以操作站的性能提高不明显。直到OIS43 Alpha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BAIL

24、EY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。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

25、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180000套，它与各种PLC、DCS和NT系统磨合较好，这种操作站可以运用在多种PLC、DCS操作站上。在INFI-90系统上应用已经有几千台。如：新西兰的一家造纸厂，原来已经运行有CONDUCT NT，后来还是改用OPsCon。 通用操作站的出现，给DCS用户带来了以下方便： 、不必再为原DCS生产厂家是否倒闭、兼并，该型产品是否已经停产、备件是否能够找到而操心。 、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。 、采用通用系统要比使用各种不同的专用系

26、统更为简单，用户也可减少人员培训的费用。 、更新和升级容易。 、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Measurex ，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，

27、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）、XL、（CENTUM）、I/A（SPECTRUM）、 N90（INFI90）、PROVAX、RS3(V)、APACES、MOD300（MOD）、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PROCONTROL P14，全国只有4套，D/3只有5

28、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，其接口大都是 ST412(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

29、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。 DCS的显示器（CRT），一般都是R、G、B三路模拟信号输入。这与DCS操作站所用的显卡有关。显卡分为单显、CGA彩显、EGA彩显、VGA、SVGA彩显和MTS多频彩显。92年以前进口的DCS基本上都采用EGA彩显。分辨率640480，行频是15.7和21.8千赫，有的甚至是CGA彩显，行频是15.7，场频60赫，但目前市场上的CRT是VGA显示器较多，行频是31.5千赫。原来的CRT行频率太低,无法与大部分DCS操作站相连。EGA和VGA场频可能是一样的。市场上的显示器SVGA彩显，行频31.5千赫，分

30、辨率800660和1024768。场频可能仍然是60赫不变。无法连上的原因就是由于行频不同。为了把显示器的更换问题讲的清楚一些，下面介绍显示器的基本技术参数。 行频（ khz）：是水平刷新频率。是电子枪每秒在屏幕上扫描过的水平条数。 场频 (hz)：是垂直刷新频率。每秒屏幕重复绘制显示画面的次数，即重绘率。 像数：是每一个包含红、绿、蓝三种颜色的磷光体。 分辨率：是显示器画面解析度的标准。由每帧画面的图素数决定。以水平显示的图素个数水平扫描线数表示。如 800600是指每帧图像由水平800个像素和垂直600条扫描线组成。显卡的输出应该与显示器的显示参数吻合。 点距（ mm）：指CRT上两个颜色

31、相同的磷光点之间的距离。 带宽（ mhz）:是表示显示器显示能力的一个指标。 动态聚焦：是在电子枪扫描屏幕时，对电子束在屏幕中心和四角聚焦上的差异进行自动补偿的功能。 如果 CRT发生故障，操作站无法发挥作用。需要更换显示器的另外一个原因是1994年以前的显示器，都属于球面显示器。在水平和垂直方向都是弯曲的，图像也随着屏幕的形态弯曲。而现在都采用纯平显示器。该显示器的屏幕在水平、垂直都是笔直的。失真和反光都减到最小限度。现在确实需要更换显示器，解决的办法是在操作站主机和显示器之间接一个转换器后才能用现在的显示器和DCS操作站相连，如采用液晶平面显示器，同样需要转换器。才能显示DCS系统的信息。

32、 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。DCS的键盘大都是薄膜键盘，国内维修是很方便的。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，这使的供货时间很长。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