DCS的基础知识.

DCS的基础知识介绍浙江浙大中自集成控制股份有限公司三大控制系统介绍目前，在连续型流程生产自动控制（PA）或习惯称之为工业过程控制中，有三大控制系统，即DCS（分散控制系统）、PLC（可编程逻辑控制器）和FCS（现场总线控制系统）。DCS的概念（DistributedControlSystem，分布式控制系统，在国内称为集散控制系统），是以微处理器为基础的集中分散控制系统。由过程控制仪表发展而来，集4C（Comunication，Computer，Control，CRT）技术于一身的监控技术。DCS：主要特点：集中管理、分散控制。组成部分：分散过程控制装置、操作管理装装置、数据通信系统。DCS的发展DCS于1975年首先由Honeywell公司提出到现在约有三次比较大的变革。七十年代DCS系统的雏形，把集中的计算机控制系统分解为分散的过程控制装置，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。八十年代系统功能扩大增强；通讯网络由主从式的星形网络转变成对等式的总线通信或环行通信。九十年代系统功能进一步增强，采用符合国际标准组织的OSI开放系统互联的参考模型，第三方软件得以应用。总的来看，变化主要体现在Ｉ／Ｏ板、操作站和通讯网络。DCS的发展一、自动化与自动化系统1．“自动化”概念所谓“自动化”，是指用机器设备或系统代替人来完成某种生产任务,或者代替人实现某种过程，或者代替人进行事物管理的一类工程技术。人类社会进步和生产力发展，促进了人类劳动方式和生活方式的不断改进，由人力劳动发展到机械化，然后又出现自动化。具有不同“自动化”功能的装置自古已有。DCS的发展“自动化”的积累与发展，已成为一门应用性的技术科学。从信息、能量与物质的角度来说，“自动化”研究的是物质世界的信息运动规律和信息处理方法，以及能量与物质的有效利用等。它以控制论为基础，与系统论和信息论紧密相关，具有理论严紧、服务对象鲜明、系统复杂、应用普遍、适应性广等特点。“自动化”一方面将自动化科学原理与方法转换为工程技术，使之应用于工程实际，转化为生产力；另一方面又将实际中的问题提炼、抽象成为科学问题，为“自动化”提供新的研究问题。DCS的发展2．“自动化系统”概念“自动化系统”是“自动化”概念的具体化，可将其定义为：在人的参与下，机器、设备或系统，通过仪表自动检测、各种参数信息处理、自动分析判断等，实现人们所预期的自动操作过程而构成的一个系统。随着科学的进步和高新技术的发展，计算机、网络，以及现代通信技术突飞猛进的发展，加速了“自动化”概念外延的进程，“人”作为一个重要因素，加入到“自动化”进程中来，成为系统中一个不可缺少的重要组成部分，形成了人、机有机组合的“人－机系统”，通常把这样的系统称之为“自动化系统”。所谓“自动化系统”是指，以自动化科学与技术为基础，融入计算机技术、网络技术和现代通信技术，在人的参与下，实现各类系统工程的自动化。因此，“自动化系统”首先是一个“人－机系统”，是包含了控制技术、计算机技术、网络技术和现代通信技术的一种综合系统。DCS的发展“自动化系统”的特点，包含在以下几个方面：专业技术涉及领域面广、应用层面更广，具有明显的跨行业特点。应用领域几乎渗透到国民经济及社会生活各个方面，包括工业自动化、农业自动化、办公自动化、军事自动化、家庭自动化等等；既包括生产自动化，又包括经营管理自动化；既包括各类“人造”系统的控制问题，又包括社会、经济、生态环境等非“人造”系统的控制问题。?“自动化系统”所包含的技术与方法，能够广泛吸取其它学科的先进技术，同时又为其它学科的发展和各DCS的发展行各业提供了有力的技术支持。尤其是当今微电子、计算机、现代通信技术的发展，不仅使自动化系统“如虎添翼”，为建设各类自动化工程提供强有力手段，而且对自动化系统自身研究的内容、理论和方法产生重大影响。“自动化系统”的性质和任务，已超越原有的“把人类从笨重、重复性的劳动中解放出来，用自动机代替人类劳动”的传统概念。它的思想、原理和技术手段适用于更为广泛的范围；自动化系统已从“人类手脚的延伸”扩展到“人类大脑的延伸”，进一步扩展人的创新功能，增强了人的认识和改造世界能力。计算机监控系统的好处随着工业企业的发展，在运行中需要监视和操作的项目增多，再沿着过去的控制方式，将使控制攀的常规仪表和操作开关剧增，造成操作和监视困难。另外，用模拟仪表来实现一些特殊的调节规律也有较大的困难。计算机监控系统是以计算机为核心组成的监视和控制系统。计算机有很强的信息处理能力，运算速度快，实时性计算机监控系统的好处好，具有记忆、比较、判断等逻辑功能，以及控制方法灵活等特点。在过程参数发生变化时及时综合各方面情况做出相应的判断，并选择合理的控制方案，实时监控和控制。DCS的基本结构分散过程控制装置是集散控制系统与生产过程间的界面，生产过程的各种变量通过分散控制装置转化为操作监视的数据，而操作的各种信息也通过分散控制装置送到执行机构。在分散控制站装置内，进行模拟量与数字量的相互转换，完成控制算法的各种运算，对输入量与输出量进行有关的软件滤波及其他的一些运算。DCS的基本结构操作管理装置是操作人员与集散控制系统间的界面，操作人员通过操作管理装置了解生产过程的运行状况，并通过它发出操作指令给生产系统。生产过程的各种参数在操作管理装置上显示，以便于操作人员监视和操作。操作员站和工程师站，完成系统的操作和组态。操作站和人相联系，是DCS的重要组成部分，工程师站给控制器和操作站组态。DCS的基本结构操作管理装置包括操作员站和工程师站，完成系统的操作和组态。以及工厂管理信息系统（MIS系统），这是DCS更高层次的应用。DCS的基本结构数据通信系统完成分散控制装置与操作管理装置之间的数据传递与交换，使之连成一个整体。通讯网络有几种不同的结构行式。如总线式、环形和星形。总线形在逻辑上也是环形的。星形的只适用于小系统。不论是环形还是总线形，一般都采用广播式。其它一些协议方式已用的较少。通讯网络的速率在10M和100M左右。DCS的基本结构有的集散控制系统在分散控制装置内又增加了现场级的控制装置和现场总线的通信系统；有的集散控制系统在操作管理装置内增加了综合级的控制装置和相应的通信系统。但从总的结构来看，都是由这三部分组成的。DCS的系统结构图管理级操作级过程级通信网络DCS的特点分级递阶控制系统在垂直和水平方向都是分级的。最简单的DCS系统至少在垂直方向分两级，即：操作管理级和过程控制级。在水平方向上各个过程控制级之间是相互协调的分级，它们把数据向上送达操作管理级，同时接收操作管理级的指令，各个水平分级间相互也进行数据交换。DCS系统越大，其垂直方向和水平方向分级的范围也越广。分级递阶控制系统的优点是各个分级有各自的分工范围，相互之间有协调，通常，这种协调由上一级来完成。DCS的特点分散控制分散是DCS的一个重要特点。分散的含义不单是分散控制，还包含了其他意义。如：地域分散，功能分散，设备分散，危险分散等。分散的目的是为了使危险分散，提高设备的可利用率。DCS的特点自治与协调性DCS的各个组成部分是各自为政的自治系统，各自完成各自的功能，相互之间又有联系，数据信息相互交换，各种条件相互制约，在系统的协调下工作。分散过程控制装置完成数据的采集、信号的处理、计算以及数据输出等功能。操作管理装置完成数据的显示、操作监视和操纵信号的发送等功能。通信系统则完成操作管理装置与分散过程控制装置间的通信。分散的基础是被分散的系统是自治的系统；递阶分级的基础是被分级的系统是协调的。DCS主要概念1、什么是DCS？DCS是分布式控制系统的英文缩写（DistributedControlSystem），在国内自控行业又称之为集散控制系统。是以微处理机为基础，按系统概念设计，具有控制功能分散，监视操作集中的新型数字控制系统。其中心思想是把大量的信息处理和功能控制等任务，分散给各个微处理机来完成，即把一个庞大的监控任务分配任务配给各个承担不同控制要求的微处理机来执行，通过数据通信网来实现监控任务及信息管理。DCS主要概念2、DCS有什么特点？DCS是计算机技术、控制技术和网络技术高度结合的产物。DCS通常采用若干个控制器（过程站）对一个生产过程中的众多控制点进行控制，各控制器间通过网络连接并可进行数据交换。操作采用计算机操作站，通过网络与控制器连接，收集生产数据，传达操作指令。因此，DCS的主要特点归结为一句话就是：分散控制集中管理。DCS主要概念3、DCS的结构是怎样的？上图是一个较为全面的DCS系统结构图，从结构上划分，DCS包括过程级、操作级和管理级。过程级主要由过程控制站、I/O单元和现场仪表组成，是系统控制功能的主要实施部分。操作级包括：操作员站和工程师站，完成系统的操作和组态。管理级主要是指工厂管理信息系统（MIS系统），作为DCS更高层次的应用，目前国内纸行业应用到这一层的系统较少。4、DCS的控制程序是由谁执行的？DCS的控制决策是由过程控制站完成的，所以控制程序是由过程控制站执行的。DCS主要概念5、过程控制站的组成如何?DCS的过程控制站是一个完整的计算机系统，主要由电源、CPU（中央处理器）、网络接口和I/O组成6、I/O是什么？控制系统需要建立信号的输入和输出通道，这就是I/O。DCS中的I/O一般是模块化的，一个I/O模块上有一个或多个I/O通道，用来连接传感器和执行器（调节阀）。7、什么是I/O单元？通常，一个过程控制站是有几个机架组成，每个机架可以摆放一定数量的模块。CPU所在的机架被称为CPU单元，同一个过程站中只能有一个CPU单元，其他只用来摆放I/O模块的机架就是I/O单元。DCS主要概念8、I/O单元和CPU单元是如何连接的？I/O单元与CPU是通过现场总线连接的。9、什么是现场总线？现场总线是应用于过程控制现场的一种数字网络，它不仅包含有过程控制信息交换，而且还包含设备管理信息的交流。通过现场总线，各种智能设备（智能变送器、调节法、分析仪和分布式I/O单元）可以方便地进行数据交换，过程控制策略可以完全在现场设备层次上实现。目前，使用较多的现场总线主要是FUNDATIONfieldbus基金会现场总线（FF总线）和PROFIBUS现场总线。应用现场总线技术可以将各种分布在控制现场的相关智能设备和I/O单元方便的连接在一起，构成控制系统，这种结构已经成为DCS发展的趋势。DCS主要概念10、常用的系统中采用什么现场总线？目前常用的系统主要是SIEMENS的S7和ABB的Freelance2000，其中使用的现场总线是PROFIBUS。11、表述网络传输速度的单位是什么？表述网络传输速度一般以波特率（Bps）为单位，其含义是每秒钟传输的二进制数的位数。不同的网络一般波特率不同，相同的网络采用不同的网络电缆也可以达到不同的特率。例如：现场总线在以双绞线作为网络电缆时通讯速度为1.5KBps，采用光缆时可以12MBps。采用普通双绞线的以太网传输速度为10MBps，采用光缆时可以达到100MBps。另外，传输距离的长短会影响传输速度，一般来说，距离越长，速度越慢。DCS主要概念12、什么是组态？通过专用的软件定义系统的过程就是组态定义过程站各模块的排列位置和类型的过程叫过程站硬件组态；定义过程站控制策略和控制程序的过程叫控制策略组态；定义操作员站监控程序的过程叫操作员站组态；定义系统网络连接方式和各站地址的过程叫网络组态。14、什么是PLC?PLC就是可编程逻辑控制器。DCS主要概念15、PLC能用于过程控制吗？早期的PLC只是用来完成一些电气逻辑控制和开关量，现在的PLC在性能上，特别是对模拟信号的处理能力上已经大大提高，因此现在PLC是可以用于过程控制的。16、什么是模拟量和数字量？模拟量是指连续变化的信号（如4~20mA,0~5v）；数字量是只有开关状态的信号。17、I/O信号是如何分类的？常用的