DCS控制系统培训

控制系统集散控制系统(DCS)的基本知识集散控制系统DCS及其应用可编程控制器（PLC）与继电器线路比较PLC有何优势集散控制系统(DCS)简介DCS，即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。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。首先，DCS的骨架——系统网络，它是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处理并实现直接数字控制（DOS）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-HumanMachineInterface或operatorinterface）功能的网络节点。系统网络是DCS的工程师站，它是对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，已经经历了二十多年的发展历程。在这二十多年中，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totalsolution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。进入九十年代以后，计算机技术突飞猛进，更多新的技术被应用到了DCS之中。PLC是一种针对顺序逻辑控制发展起来的电子设备，它主要用于代替不灵活而且笨重的继电器逻辑。现场总线技术在进入九十年代中期以后发展十分迅猛，以至于有些人已做出预测：基于现场总线的FCS将取代DCS成为控制系统的主角。集散控制系统DCS及其应用描述：图1计算机控制系统如图：描述：图2直接数字控制DDC1引言在工业生产中有各种各样的控制问题，其解决程度直接关系到经济效益和管理水平。在发达国家由于综合自动化水平高，设备工艺先进，普遍采用了计算机控制与管理，生产与管理效益极高，产品质量好，成本低，可靠性高等，生产过程中人为影响因素几乎没有。在我国由于经济发展水平及历史的原因，尽管近来发展很快，但综合自动化程度还是较低，普遍停留在单机自动化水平，操作者与管理层之间的通信甚至还停留在用电话联系的水平，管理时效性差，管理层难于全面了解控制现场情况，因此大量的有用信息沉淀、流失，形成一个个“自动化孤岛”或“信息孤岛”，要发挥信息在工业自动化中的指导作用，其解决方案之一就是推广集散控制系统的应用。2计算机控制系统生产过程自动化控制主要有开关控制和调节控制，当前大多以计算机控制系统，也就是数字控制系统来实现，如图1所示，系统中包含有时间上离散、幅度上量化的数字信号e(k)和u(k)。计算机控制系统的特点是被控对象大部分为模拟信号，而计算机只能处理数字信号，因此两者之间必须执行A/D和D/A转换，以实现这两种信号之间的相互转换。如果忽略幅值上的量化效应，数字信号即为离散信号，因此，计算机控制系统若不考虑量化问题即为采样控制系统，如果将连续的控制对象连同保持器一起进行离散化，那么采样控制系统即简化为离散控制系统。计算机控制系统又分为集中式监控系统与分布式控制系统。前者计算机可能并不直接参与控制，对被控对象不会产生直接的影响，主要任务是对大量被控参数和设备的状态进行巡回采样，数据记录、数据统计和整理、数据越限报警以及对大量数据进行积累和分析，属计算机监视系统，现场控制是通过人工来完成;如果计算机直接参与控制过程，称为计算机直接数字控制系统(DDC,DirectDigitalControl)，是计算机的过程输入通过控制算法得到控制输出后，以计算机取代模拟调节器，直接通过接口控制执行机构，从而实施对现场被控过程的控制，使被调量保持在给定值，主要用于较小的回路控制，DDC系统由被控对象(生产过程)、检测仪表、执行装置和数字控制调节器组成，优点是因为计算机运算能力强，很容易实现串级控制、前馈控制等比较复杂的控制规律，其框图如图2所示。计算机集中监控系统由一台中央计算机来承担，使得系统配置、反应速度及系统可靠性等方面都受到很大限制，一般只适用于中小规模的自动化系统。如果设备量大，地域分布广，需要进行监控的数量多，应根据每种设备的不同特点，分别采用不同规律相对独立地控制，并且这种监视(管理)与控制之间应该保持密切的联系，以达到最优的效果，问题的解决方案就是采用集散式计算机控制系统。描述：图3DCS的基本构成构图描述：图4DCS系统组成框图3集散式控制系统DCS(DistributedControlSystem)集散式控制系统亦称为分布式控制系统。前已述及，计算机控制系统按结构划分，可以分为集中控制和分布式控制，集中控制指由单一的计算机完成控制系统的所有功能和对全部被控对象实施控制的一种系统结构，其优点是系统的整体性和协调性好，但对计算机的可靠性和安全性要求甚高;而分布式控制系统DCS则以多台计算机分别承担不同的控制功能和处理范围，不仅其处理能力大大提高，而且将危及系统安全的因素降低。传统意义上的DCS系统的最基本构构图式如图3所示。图中:C1，C2，……，Cn为控制，f1，f2，……fn为反馈信息。对DCS系统而言，各控制单元之间没有直接信息联系，各控制单元有自己的性能指标，控制策略和算法，且其性能指标和控制算法等由决策单元按一定优化准则调节给出。如果图3中去掉决策单元，就成了分散控制系统(DecentralizedControlSystem)，它并不具备DCS的上述特性。在工程中，DCS系统除完成控制功能，还要实现监视、管理等其它功能，其系统组成框图如图4所示。由图4可见，DCS系统实际上是一种分级递阶结构。各控制器完成过程现场的控制任务，根据控制对象特性，可以分别情况，采用顺序控制，程序控制，模拟量控制等等，其控制策略与控制算法要随被控对象与要求而定。数据采集器用于收集控制信息和被控过程的各种状态信息，数据采集任务不但可由控制器完成，也可由一般仪表和逻辑箱完成。控制器和数据采集器在控制现场对信号进行预处理后经高速数据通道送到上级计算机和CRT操作站，CRT操作站是显示操作装置，监控级(计算机)通过协调各控制器的工作，实现控制过程的动态最优化。管理级(计算机)具有管理功能，又兼具对监控级实现监控功能，它具有丰富的信息资源，能够对被控对象进行监控，制定计划，进行成本核算，对设备和人员进行管理等，以实现被控过程的静态最优化和综合自动化。描述：图5DCS结构4.分布式控制系统有以下主要特点:(1)采用分级递阶式控制以微处理器为核心的基本控制器，不但能代替模拟仪表完成常规的模拟控制，并且能实现复杂算法控制和程序控制。在基本控制器内可采用固化的应用软件，在控制现场对输入输出数据进行数据处理，减少了信息的传输，大大减少了上级计算机的数据处理量，降低了对上级计算机的要求，使系统程序应用较为简单。(2)采用物理上的分散结构，实现了分散控制在现场就地安装控制器，不仅节省了输入输出电缆的长度，同时减少了传输信号的干扰。在功能上各控制器各自为政，各自独立完成各自的功能，使系统故障分散，从而使系统可靠性大为提高。(3)具有计算机的通讯系统，可实现综合控制高速数据通道的通信系统，实现了各控制器、监控计算机和管理计算机的综合控制，通过高速数据通道，能把各自为政的控制器与监控计算机联系起来，进行协调控制。利用监控计算机的运算能力，能完成高级复杂的控制算法，以实现整体的最优化。利用管理计算机丰富的软硬件资源和信息资源，实现计划、管理、决策的最优化，从而实现整个系统控制的最优化。(4)可设置多功能的CRT操作站以实现集中监控与操作CRT是人-机接口，要CRT操作站可以存取和显示多种画面，用以全面监控全部控制过程变量以及其它参数，并可直接远程操作各控制器，从而实现了集中监视和集中操作。DCS的基本骨架是计算机网络，然后是连接在网络上的三类节点—面向被控过程现场的现场I/O控制站、面向操作人员的操作站和面向DCS监督管理人员的工程师站，见图5所示。由于DCS的网络需要满足被控过程的实时性要求和分散性原则，因此DCS的网络结构是环形和总线型，在这两种结构的网络中，各个节点是平等的，任意二个节点之间的通信可以直接通过网络进行，而不需要其他节点的介入，但另一方面，它需要共用传输介质，实现传输介质共享，一种主要解决方法是以令牌来限定每个节点用网络的时间，另一种方法则是CSMA/CD方式，即载波侦听与碰撞检测技术，但它主要用于更高层的管理。现场控制站是完成对过程现场I/O处理的直接数字控制器(DDC)，它对现场发生的过程量作数字采集和存贮，并通过网络向上传送，同时本身也完成局部的闭环控制与顺序控制。操作员站主要功能是为系统的运行操作人员提供人机界面，使操作员了解现场运行状态、各种运行参数的当前值、是否出现有异常情况等的报警显示，并可作历史趋势、系统状态等多种显示，通过操作员键盘执行，同时操作员也可对过程进行调节和控制，操作员站的主要设备是彩色CRT显示器、键盘、鼠标器或轨迹球。工程师站用于对DCS进行离线的配置、组态工作和在线的系统监督、控制、维护。DCS系统采用大系统分级递阶控制的思想，将产生过程作水平分解而将功能作垂直分解，生产过程的控制采用全分散的结构，而生产过程的信息则全部集中并存储于数据库中，利用通信网络向上传递，这种控制分散、信息集中的结构使系统的危险分散，提高了可靠性，因此被称之为集散控制系统。技术的发展促使DCS系统向集成化、开放化、智能化方向发展。实现开放式的通信系统，与管理信息紧密结合，向上能与MAP/TOP或Ethernet接口，向下支持现场总线，使得过程控制中的智能设