DCS集散控制系统.docx

1、DCS集散控制系统目 录摘 要集散控制系统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的应用，越来越多的仪表和控制工程师已经认识到集散控制系统必将成为过程工业控制领域的主流，在计算机集成制造系统CIMS或计算机集成作业系统CIPS中，集散控制系统将成为主角，发挥它们的优势。为了使集散控制系统应用地更好，对集散控制系统进行认真和细致的分析，研究集散控制系统的共性和各个制造厂商产品的不同点，了解集散控制系统的选择、设计和应用的方法，是十分必要的。本文从集散控制系统的发展历史、工作原理、协议特性、组织架构、主要产品、案例应

2、用等方面简单地介绍了下集散控制系统。关键词：集散控制系统 工业控制 应用AbstractDistributed control system based on microprocessor based distributed control system. Since the mid - 70 - the first set of distributed control system, collecting and distributing control system has been widely used in the field of industrial control, a gro

3、wing number of instrument and control engineers have realized that collecting and distributing control system will become the mainstream in the field of industrial process control, in CIMS computer integrated manufacturing system or computer integrated operation system in CIPS, collecting and distri

4、buting control system will become the leading role, play to their advantage. In order to make the DCS application better, serious and meticulous analysis of distributed control system, the study of collecting and distributing control system generality and various manufacturers products differences,

5、understand the selection of DCS to control system, the design and application of methods, it is very necessary. This article from the development history of collecting and distributing control system, working principle, protocol characteristics, organization structure, the main products, case applic

6、ation under distributed control system are introduced briefly.Keywords：Distributed control system; Industrial control; Application1 DCS的发展历史集散控制系统是1975年首先由美国霍尼韦尔（Honeywell）公司推出的。从诞生到现在，DCS大致经历了以下几个阶段：第一代DCS（初创期）：1975-1980年，以Honeywell公司1975年推出的TDC2000等为代表。第一代DCS是由过程控制单元、数据采集单元、CRT操作站、上位管理计算机及连接各个单元和计

7、算机的高速数据通道这五个部分组成，这也奠定了DCS的基础体系结构。 第二代DCS（成熟期）：1980-1985年，以TDC3000等为代表。第二代DCS与第一代DCS产品相比增加了诸如控制算法，包含常规控制、逻辑控制、批量控制的结合的混合控制。管理范围也大大扩大，功能增加。通信方式为总线式和环式，并支持局域网协议。 第三代DCS（扩展期）：20世纪80年代中期到90年代初。第三代以FOXBORO公司1987年推出的I/A Series系统为代表。主要是在局域网技术上实现10Mbps的宽带网和5Mbps的载带网，并符合OSI互联参考模型标准。另外，还增加了自适应和自整定等控制算法。 第四代DCS

8、（集成期）：20世纪90年代初到90年代中期。第四代DCS产品的主要标志是集成化、开放化、信息化。DCS的功能包括过程控制，PLC, RTU远程采集发送器, FCS,多回路调节器、智能采集和控制单元等功能集成，以及组态软件、I/O组件、PLC单元等产品集成。其核心标志为两个I.即:Information（信息）和Integration（集成) 。第五代DCS（合成期）：20世纪90年代中期到21世纪初是集散控制系统的合成阶段。随着现场总线技术研究的深入，现场总线控制系统问世，并得到成功应用，标志着集散控制系统进入合成阶段，即集散控制系统和现场总线控制系统的合成。两者在过程控制、离散控制和批量控

9、制中发挥着重要作用。 DCS的出现是工业控制的一个里程碑，它在80多年的应用发展中取得了辉煌的成绩。目前，DCS已逐渐进入稳定成熟期，也正向着智能化、开放化、网络化的方向不断发展。2 DCS的工作原理DCS是分布式控制系统的英文缩写（Distributed Control System），在国内自控行业又称之为集散控制系统。所谓的分布式控制系统，或在有些资料中称之为集散系统，是相对于集中式控制系统而言的一种新型计算机控制系统，它是在集中式控制系统的基础上发展、演变而来的。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，通信、显示和控制等4C技术，其基本思想

10、是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活以及组态方便。在系统功能方面，DCS和集中式控制系统的区别不大，但在系统功能的实现方法上却完全不同。系统网络是DCS的基础和核心。由于网络对于DCS整个系统的实时性、可靠性和扩充性，起着决定性的作用，因此各厂家都在这方面进行了精心的设计。对于DCS的系统网络来说，它必须满足实时性的要求，即在确定的时间限度内完成信息的传送。这里所说的“确定”的时间限度，是指在无论何种情况下，信息传送都能在这个时间限度内完成，而这个时间限度则是根据被控制过程的实时性要求确定的。因此，衡量系统网络性能的指标并不是网络的速率，即通常所说的每秒比特数（bps），而是系统网络的实时

11、性，即能在多长的时间内确保所需信息的传输完成。系统网络还必须非常可靠，无论在任何情况下，网络通信都不能中断，因此多数厂家的DCS均采用双总线、环形或双重星形的网络拓扑结构。为了满足系统扩充性的要求，系统网络上可接入的最大节点数量应比实际使用的节点数量大若干倍。这样，一方面可以随时增加新的节点，另一方面也可以使系统网络运行于较轻的通信负荷状态，以确保系统的实时性和可靠性。在系统实际运行过程中，各个节点的上网和下网是随时可能发生的，特别是操作员站，这样，网络重构会经常进行，而这种操作绝对不能影响系统的正常运行，因此，系统网络应该具有很强在线网络重构功能。其次，这是一种完全对现场I/O处理并实现直接

12、数字控制（DDC）功能的网络节点。一般一套DCS中要设置现场I/O控制站，用以分担整个系统的I/O和控制功能。这样既可以避免由于一个站点失效造成整个系统的失效，提高系统可靠性，也可以使各站点分担数据采集和控制功能，有利于提高整个系统的性能。DCS的操作员站是处理一切与运行操作有关的人机界面（HMI-Human Machine Interface或operator interface）功能的网络节点。工程师站是对DCS进行离线的配置、组态工作和在线的系统监督、控制、维护的网络节点，其主要功能是提供对DCS进行组态，配置工作的工具软件（即组态软件），并在DCS在线运行时实时地监视DCS网络上各个节

13、点的运行情况，使系统工程师可以通过工程师站及时调整系统配置及一些系统参数的设定，使DCS随时处在最佳的工作状态之下。与集中式控制系统不同，所有的DCS都要求有系统组态功能，可以说，没有系统组态功能的系统就不能称其为DCS。DCS自1975年问世以来，已经经历了三十多年的发展历程。在这三十多年中，DCS虽然在系统的体系结构上没有发生重大改变，但是经过不断的发展和完善，其功能和性能都得到了巨大的提高。总的来说，DCS正在向着更加开放，更加标准化，更加产品化的方向发展。作为生产过程自动化领域的计算机控制系统，传统的DCS仅仅是一个狭义的概念。如果以为DCS只是生产过程的自动化系统，那就会引出错误的结

14、论，因为现在的计算机控制系统的含义已被大大扩展了，它不仅包括过去DCS中所包含的各种内容，还向下深入到了现场的每台测量设备、执行机构，向上发展到了生产管理，企业经营的方方面面。传统意义上的DCS现在仅仅是指生产过程控制这一部分的自动化，而工业自动化系统的概念，则应定位到企业全面解决方案，即total solution的层次。只有从这个角度上提出问题并解决问题，才能使计算机自动化真正起到其应有的作用。3 DCS的协议特性在集散控制系统中，通信的实现需要相应的网络协议。在物理层和链路层，常用的网络协议是以太网的网络协议，在网络层采用IP（Interconnection Protocol）的网际协议

15、。在传送层采用TCP（Transport Control Protocol）传送控制协议。而IEEE802协议提供了局域网的最小基本通信的功能。3.1 以太网以太网由Ziglog公司的网络发展而来，1980年由DEC、Inter、Xerox三家公司联合宣布了以太网的技术规范。以太网是著名的总线网。集散控制系统中，采用CSMA/CD方式传输数据的总线网大多采用以太网。以太网的网络结构分为三层:物理层（设备层）、数据链路层（控制层）和高层用户层（管理层）。图3-1 以太网的网络结构以太网的物理层采用50基带同轴电缆作为通信媒体。数据传输速率是10Mbps；工作站最多1024个；工作站间通过中继站可

16、达2.5km。每个工作站由收发器、发电器电缆、以太网接口及主机接口等组成。若干个工作站挂接在一根同轴电缆上组成分支式无根树的一个段，段与段之间用中继器连接。每根同轴电缆的长度应小于50mm，收发器电缆长度小于50m，可挂接最多100个工作站。实际集散控制系统中，挂接的工作站数远小于该约束数目。以太网的数据链路层的最基本的功能是向该层用户提供透明的和可靠的数据传送基本服务。透明性是指该层上传输的数据的内容、格式及编码没有限制，也没有必要解释信息结构的意义；可靠的传输使用户免去对丢失信息、干扰信息及顺序不正确等的担心。在物理层中这些情况都可能发生，在数据链路层中必须用纠错码来检错与纠错。数据链路层

17、是对物理层传输原始比特流的功能的加强，将物理层提供的可能出错的物理连接改造成为逻辑上无差错的数据链路，使之对网络层表现为一无差错的线路。如果您想用尽量少的词来记住数据链路层，那就是：“帧和介质访问控制”。图3-2 数据链路层为了使传输中发生差错后只将有错的有限数据进行重发，数据链路层将比特流组合成以帧为单位传送。每个帧除了要传送的数据外，还包括校验码，以使接收方能发现传输中的差错。帧的组织结构必须设计成使接收方能够 明确地从物理层收到的比特流中对其进行识别，也即能从比特流中区分出帧的起始与终止，这就是帧同步要解决的问题。由于网络传输中很难保证计时的正确和一致，所以不可采用依靠时间间隔关系来确定

18、一帧的起始与终止的方法。（1）字节计数法：这是一种以一个特殊字符表示一帧的起始并以一个专门字段来标明帧内字节数的帧同步方法。接收方可以通过对该特殊字符的识别从比特流中区分出帧的起始并从专门字段中获知该帧中随后跟随的数据字节数，从而可确定出帧的终止位置。面向字节计数的同步规程的典型代表是DEC公司的数字数据通信报文协议DDCMP（Digital Data Communications Message Protocol）。控制字符SOH标志数据帧的起始。实际传输中，SOH前还要以两个或更多个同步字符来确定一帧的起始，有时也允许本帧的头紧接着上帧的尾，此时两帧间就不必再加同步字符。 count字段共

19、有14位，用以指示帧中数据段中数据的字节数，14位二进制数的最大值为2-1=16383，所以数据最大长度为816383=131064。DDCMP协议就是靠这个字节计数来确定帧的终止位置的。DDCMP帧格式中的ACK、SEG、ADDR及FLAG中的第2位，CRC1、CRC2分别对标题部分和数据部分进行双重校验，强调标题部分单独校验的原因是，一旦标题部分中的CONUT字段出错，即失却了帧边界划分的依据，将造成灾难性的后果。由于采用字符计数方法来确定帧的终止边界不会引起数据及其它信息的混淆，因而不必采用任何措施便可实现数据的透明性（即任何数据均可不受限制地传输）。（2）使用字符填充的首尾定界符法：该

20、法用一些特定的字符来定界一帧的起始与终止，为了不使数据信息位中出现的与特定字符相同的字符被误判为帧的首尾定界符，可以在这种数据字符前填充一个转义控制字符（DLE）以示区别，从而达到数据的透明性。但这种方法使用起来比较麻烦，而且所用的特定字符过份依赖于所采用的字符编码集，兼容性比较差。（3）使用比特填充的首尾标志法：该法以一组特定的比特模式（如01111110）来标志一帧的起始与终止。本章稍后要详细介绍的HDLC规程即采用该法。为了不使信息位中出现的与特定比特模式相似的比特串被误判为帧的首尾标志，可以采用比特填充的方法。比如，采用特定模式01111110，则对信息位中的任何连续出现的五个“1”，

21、发送方自动在其后插入一个“0”，而接收则做该过程的逆操作，即每接收到连续五个“1”，则自动删去其后所跟的“0”，以此恢复原始信息，实现数据传输的透明性。比特填充很容易由硬件来实现，性能优于字符填充方法。（4）违法编码法：该法在物理层采用特定的比特编码方法时采用。例如，一种被称作曼彻斯特编码的方法，是将数据比特“1”编码成“高低”电平对，而将数据比特“0”编码成“低高”电平对。而“高高”电平对和“低低”电平对在数据比特中是违法的。可以借用这些违法编码序列来定界帧的起始与终止。局域网IEEE 802标准中就采用了这种方法。违法编码法不需要任何填充技术，便能实现数据的透明性，但它只适用于采用冗余编码

22、的特殊编码环境。由于字节计数法中COUNT字段的脆弱性以及字符填充法实现上的复杂性和不兼容性，目前较普遍使用的帧同步法是比特填充和违法编码法。3.2 RS-232C标准接口RS-232C标准（协议）的全称是EIA-RS-232C标准，其中EIA(Electronic Industry Association)代表美国电子工业协会，RS（Recommended standard）代表推荐标准，232是标识号，C代表RS232的最新一次修改（1969），在这之前，有RS232B、RS232A。它规定连接电缆和机械、电气特性、信号功能及传送过程。常用物理标准还有有EIARS-232-C、EIARS-

23、422-A、EIARS-423A、EIA?RS-485.这里只介绍EIARS-232-C（简称232，RS232）。计算机输入输出接口，是最为常见的串行接口，RS-232C规定标准接口有25条线，4条数据线、11条控制线、3条定时线、7条备用和未定义线，常用的只有9根，常用于与25-pin D-sub端口一同使用，其最大传输速率为20kbps，线缆最长为15米。RS232C端口被用于将计算机信号输入控制投影机。RS-232C对电气特性、逻辑电平和各种信号线功能都作了规定。在TXD和RXD上：逻辑1(MARK) =-3V-15V逻辑0(SPACE)=+3+15V在RTS、CTS、DSR、DTR和

24、DCD等控制线上：信号有效（接通，ON状态，正电压）= +3V+15V信号无效（断开，OFF状态，负电压)= -3V-15V为实现串行通信，PC机上通常都带有2个符合RS-232C标准的串行接口并使用通用异步接受/发送器控制芯片UART组成的串行控制器来处理串行数据的收发工作，PC机上的串行接口通常使用25芯或9芯的DB-25或DB-9连接器，主要用来连接MODEM设备进行工作，因此RS-232C标准规定了很多MODEM专用接口引线。图3-3 9针的RS-232C串口引脚定义RS-232C规定最大的负载电容为2500pF，这个电容限制了传输距离和传输速率，由于RS-232C的发送器和接收器之间

25、具有公共信号地（GND），属于非平衡电压型传输电路，不使用差分信号传输，因此不具备抗共模干扰的能力，共模噪声会耦合到信号中，在不使用调制解调器（MODEM）时，RS-232C能够可靠进行数据传输的最大通讯距离为15米，对于RS-232C远程，必须通过调制解调器进行远程通讯连接，或改为RS-485等差分传输方式。现在个人计算机提供的串行端口终端的传输速度一般都可以达到115200bps甚至更高，标准串口能够提供的传输速度主要有以下波特率：1200bps、2400bps、4800bps、9600bps、19200bsp、38400bps、57600bps、115200bps等，在仪器仪表或工业控制

26、场合，9600bps是最常见的传输速度，在传输距离较近时，使用最高传输速度也是可以的。传输距距离和传输速度的关系成反比，适当地降低传输速度，可以延长RS-232的传输距离，提高通讯的稳定性。3.3 IEEE802.3通信协议IEEE是英文Institute of Electrical and Electronics Engineers的简称，其中文译名是电气和电子工程师协会。该协会的总部设在美国，主要开发数据通信标准及其他标准。IEEE802委员会负责起草局域网草案，并送交美国国家标准协会（ANSI）批准和在美国国内标准化。IEEE还把草案送交国际标准化组织（ISO）。ISO把这个802规范称

27、为ISO 8802标准，因此，许多IEEE标准也是ISO标准。例如，IEEE 802.3标准就是ISO 802.3标准。IEEE 802规范定义了网卡如何访问传输介质（如光缆、双绞线、无线等），以及如何在传输介质上传输数据的方法，还定义了传输信息的网络设备之间连接建立、维护和拆除的途径。遵循IEEE 802标准的产品包括网卡、桥接器、路由器以及其他一些用来建立局域网络的组件。IEEE802.3定义了10Mbps、100Mbps、1Gbps，甚至10Gbps的以太网雏形，同时还定义了第五类屏蔽双绞线和光缆是有效的缆线类型。该工作组确定了众多的厂商的设备互操作方式，而不管它们各自的速率和缆线类型。

28、而且这种方法定义了CSMA/CD（带冲突检测的载波侦听多路访问）这种访问技术规范。IEEE802.3产生了许多扩展标准，如快速以太网的IEEE802.3u，千兆以太网的IEEE802.3z和IEEE802.3ab，10G以太网的IEEE802.3ae。目前，局域网络中应用最多的就是基于IEEE802.3标准的各类以太网。3.4 IEEE802.4通信协议8024委员会已经定义了令牌总线标准是宽带网络标准，以与以太网的基带传输技术区别。令牌总线网络通过总线拓扑结构，使用75欧姆CATV同轴电缆构造。8024标准的宽带特性，支持在不同的信道上同时进行传输。宽带电缆有较长的传输能力，传输率可达10M

29、bps。在生产厂房的网络中，令牌总线网有时采用生产自动化协议来实现。 令牌按照站点地址的序列号，从一个站点传送到另外一个站点。这样，这个令牌实际上是按照逻辑环而不是物理环进行传递。在数字序列的最后一个站点将令牌返回到第一个站点。这个令牌并不遵照连接到这条电缆的工作站的物理顺序进行传递。可能站点1在一条电缆的一端，而站点2在这条电缆的另外一端，站点3却在这条电缆的中间。电缆的拓扑结构可以包括被长干线电缆连接的工作站的一些组。这些工作站从一种星形配置的集线器中分支出来，所以这个网络既是一个总线拓扑又是一个星形拓扑的网络。ARCNET是一个令牌总线网络，但是它不承认IEEE8024标准。令牌总线拓扑

30、结构的例子有“ARCNET”。令牌总线拓扑对于组织分离在较远地点的用户是很适合的。虽然在一些生产环境使用令牌总线结构，但是以太网和令牌环标准却已经在办公室环境起着决定性的作用。3.5 IEEE820.5通信协议IEEE802.5通信协议是令牌环形网络媒体存取控制协议。令牌环网（Token Ring）是一种 LAN 协议，定义在 IEEE 802.5 中，其中所有的工作站都连接到一个环上，每个工作站只能同直接相邻的工作站传输数据。通过围绕环的令牌信息授予工作站传输权限。IEEE 802.5 中定义的令牌环源自 IBM 令牌环 LAN 技术。两种方式都基于令牌传递（Token Passing）技术

31、。虽有少许差别，但总体而言，两种方式是相互兼容的。令牌环上传输的小的数据（帧）叫为令牌，谁有令牌谁就有传输权限。如果环上的某个工作站收到令牌并且有信息发送，它就改变令牌中的一位（该操作将令牌变成一个帧开始序列），添加想传输的信息，然后将整个信息发往环中的下一工作站。当这个信息帧在环上传输时，网络中没有令牌，这就意味着其它工作站想传输数据就必须等待。因此令牌环网络中不会发生传输冲突。信息帧沿着环传输直到它到达目的地，目的地创建一个副本以便进一步处理。信息帧继续沿着环传输直到到达发送站时便可以被删除。发送站可以通过检验返回帧以查看帧是否被接收站收到并且复制。与以太网 CSMA/CD 网络不同，令牌

32、传递网络具有确定性，这意味着任意终端站能够传输之前可以计算出最大等待时间。该特征结合另一些可靠性特征，使得令牌环网络适用于需要能够预测延迟的应用程序以及需要可靠的网络操作的情况。令牌环网络是上世纪80年代中期由IBM开发出，很长一段时间是IBM的网络标准，被所有IBM生产的计算机支持。令牌环可以桥接器或 router 连接其他网路。令牌环网络在实际应用中确确实实是“环”形网络，只不过由于使用所谓多站接入单元的设备，可以实现星形的布线。这样一个设备具有一定智能，会将不用的端口环接起来，使令牌能畅通。IEEE 802.5标准是主要基于IBM的令牌环网络的，但是也有一些细微的差别。令牌环网是一种以环形网络拓扑结构为基础发展起来的局域网。虽然它在物理组成上也可以是星型结构连接，但在逻辑上仍然以环的方式进行工作。其通信传输介质可以是无屏蔽双绞线、屏蔽双绞线和光纤等。在集散控制系统的应用中，令牌环媒体存取方式在高层，如管理、优化级有所应用。3.6 IEEE802.2通信协议IEEE802通信协议是逻辑链路层控制协议。逻辑链路层(LLC)是局域网结构中的最高层，它在MAC子层之上，为LIC用户，如TCP/IP等提供数据交换手段。EEE 802.2提供无联系并且一定向连接的操作状态：