《第 8 章集散控制系统》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第 8 章集散控制系统（21页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第 8 章集散控制系统（ DCS )8 . 1 概述8 . 1 . 1 DCS 的概念集散控制系统 DCS ( Distributed Computer System ）是以应用微处理器为基础，结合计算机技术、信号处理技术、测量控制技术、通信网络和人机接口技术，实现过程控制和工厂管理的控制系统：其实质是利用计算机技术对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制。这是继基地式气动仪表控制系统、电动单元组合式摸拟仪表控制系统（ DDZ -11 、 DDZ-）、直接数字控制系统DDC（ Direct Digital Control ）后的新一代控制系统。 20 世纪 50 年代以前，由于当时的生产规
2、模较小，检测控制仪表尚处于发展的初级阶段，所采用的仪表仅仅是安装在生产现场、只具备简单测控功能的基地式气动仪表，其信号局限于本仪表内起作用，一般不能传送给别的仪表或系统，即各测控点只能成为封闭状态，无法与外界沟通信息，操作人员只能通过生产现场巡视，才能了解生产过程的状况。随着生产规模的扩大，操作人员需要综合掌握多点的运行参数与信息，需要同时按多点的信息实行操作控制，于是出现了气动、电动系动的单元组合式仪表，出现了集中控制室生产现场各处的参数通过统一的模拟信号（如 0 . 02 - 0 . 1 MPa 的气压信号， O-10 mA 、 4 20mA 的直流电流信号， 1 -5V 的直流电压信号等
3、）引至集中控制室。操作人员可以在控制室全面监视和掌握生产流程的状况，也可以把各单元仪表的信号按需要组合成复杂控制回路。由于模拟信号的传递需要一对一的物理连接，要实现复杂的控制，难度大、费用高且计算速度与精度也不高，加上模拟信号传输的抗干扰能力较弱，人们开始寻求用数字信号替代模拟信号，出现了直接数字控制系统。因当时的数字计算机技术尚不发达，价格昂贵，出现了用一台计算机取代控制室内几乎所有的仪表的直接数字控制系统（DDC ）。但由于当时数字计算机的可靠性低，一旦计算机出现故障，就会造成所有控制回路瘫痪、生产装置停运的严重局面，这种系统结构所决定的危险集中性难为生产过程所接受。随着计算机技术的发展，
4、其可靠性的提高和价格的下降，出现了数字调节器、可编程控制器 PLC（ Programmable Logic Controller ）以及由多个计算机递阶构成的集中与分散相结合的集散控制系统（DCS ）。 DCS 系统中，测量变送仪表一般仍为模拟仪表故它是模拟数字混合系统。这种系统在功能、性能及可靠性方面较以往的模拟仪表、集中式数字控制系统等有了很大的进步，可实现装置级、车间级的优化控制。各阶段测控仪表能力如图 8 - l 所示（能力指数在数值上并不精确，仅作示意）。8 . 1 . 2 DCS的发展概况自 20 世纪 70 年代中期以后，世界各国也相继推出了自己的第一代集散控制系统与 Honey
5、well 川公司的 TDC - 2000 系统一样，这些系统已经包括了 DCS 的三大组成部分，即分散的过程控制设备、操作管理设备和数据通信系统，也具有了 DCS 的本质，即集中操作管理、分散控制当时比较著名的 DCS 产品有美国霍尼韦尔（ Honeywell ）公司的 TDC - 2000 、美国泰勒（ Taylor ）公司的 MOD3 、美国福克斯波罗（ Foxboro ）公司的 SPEC - TRUM 、美国贝利控制（ Baily Control ）公司的 NETWORK -90 、英国肯特（ Kent ）公司的 P - 4000 、德国西门子（ Siemens ）公司的TELEPERM
6、M 、日本东芝（ TOSHIBA ）公司的 TOSDIC 、日本横河（ YOKOGAWA ）公司的 CENTUM 等。随着半导体技术、显示技术、控制技术、网络技术和软件技术等高新技术的发展，集散控制系统也得到了快速的发展。第二代集散控制系统的主要特点是系统的功能扩大或增强，例如，控制算法的扩充；常规控制与逻辑控制、批量（ Batch ）控制相结合；过程操作管理范围的延伸及功能增添，显示屏分辨率的提高及色彩的增加；多微处理器的应用等。而其中一个明显的变化是数据通信系统的发展，从主从式的星形网络通信转变为对等式的总线网络通信或环网通信，但通信系统随制造厂的不同而相异，相互通信困难，这个时期，各集散
7、控制系统的产品有了较大的改进，应用也越来越多，也逐步为人们所认识和接受。在第二代集散控制系统中，通信系统已采用局域网，不仅通信范围扩大，而且通信速率也大为提高。比较典型的 DCS 产品有 Honeywell 公司的TDC-3000 、 Taylor 公司的 MOD300、 Baily 公司的 NETWORK - 90 等。 1987 年，美国福克斯波罗（凡 Foxboro ）公司推出的 I / AS 系统标志着集散控制系统进人了第三代。 I / AS 系统的主要改变在局域网上，它采用了 10 MbPs 的宽带网和 5 Mbps的窄带网，符合国际标准化组织 ISO 的开放系统互连 0S1 ( O
8、pen System Interconnection ）参考模型。据此，凡遵从 0SI 标准的“开放”系统，不同的制造厂产品间可以相互连接、相互通信进行信息交互，第三方的应用软件也能在系统中应用，从而使集散控制系统进人了一个新的阶段。紧随其后，各 DCS 制造厂也纷纷推出了各自的第三代 DCS 产品，例如 Honey well 公司具有 UCN 网（ Universal Control Network ）的 TDC - 3000 、横河（ YOKOGAWA ) 公司具有 v- NET 网的 CENTUM -XL 、 LEEDS& -NORTHRUP 公司的 MAX- 1000 、 Bailey
9、 公司的 INFO- 90 等。第三代集散控制系统由子系统网络通信功能的增强，各不同制造厂的产品可实现互相通信，克服了第二代集散控制系统在应用过程中出现的白动化信息孤岛等弱点。此外，从系统的软件的控制功能来看，系统具备的控制功能得到增强，其控制功能不再仅仅是常规控制、逻辑控制和批量控制的综合，而是增加了各种诸如白适应或自整定等的复杂控制算法，用户可在对控制对象特性知之较少的情况下应用所提供的控制算法，由系统自动搜索或通过一定的运算获得较优的控制器参数。另外，由于可采用第三方的应用软件，也为用户提供了更广阔的应用场所。仪表、 DCS 及计算机系统的发展史见图 8 -2 。20 供纪 90 年代初
10、，随着对控制和管理要求的不断提高，第四代集散控制系统以竹控一体化的形式出现。它在硬件上采用了开放的工作站，使用 RISC 替代 CISC ，采用了客户机服务器（ Client / Server ）的结构。在网络结构上增加了工厂信息网（ Intranet ) ，并可与国际信息网 Internet 网联网。操作平台采用 UNIX 系统和 X - WINDOWS 的图形界面，系统软件更加丰富。例如，一些优化和管理的界面友好的软件被开发并移植到集散控制系统中。同时在制造业，计算机集成制造系统（ CIMS）得到了应用，使人们见到了应用信息管理系统所产生的经济效益。计算机集成作业系统也已开始进行试点应用。
11、第四代集散控制系统的典型产品有 Honeywell 公司 TPS 系统、横河公司的 CENTUMCS 系统、 Foxboro 公司的 I / AS 50 / 51 系列系统、 ABB 公司 Advant 系列OCS 开放控制系统、浙大中控公司的 WebField ECS-100 系统等这一代集散控制系统主要是为解决DCS 系统的集中管理而研制，它在信息管理、通信等方面提供了综合的解决方案。 8 . 1 . 3 DCS 的主要特点集散控制系统采用标准化、模块化和系列化设计，由过程控制级、控制管理级和生产管理级所组成的一个以通信网络为纽带的集中形式操作管理，控制相对分散，具有配置灵活、组态方便的多
12、级计算机网络结构。与传统的模拟电动仪表相比，具有连接便利、采用软连接的方法易于变更、显示方式灵活、显示内容丰富、数据存储量大等优点，与集中数字计算机系统相比，具有操作监视方便、控制 回路分散（危险分散）、功能分散等优点其主要特点如下。( 1)可靠性高可靠性、高效率和高可用性是集散控制系统的生命力所在，是适应长周期连续运行及保证生产过程安全生产的前提。 DCS 制造厂在确定系统结构的同时，进行可靠性设计，采用可靠性保证技术 a 系统结构采用容错设计使得在任一单元失效的情况下，仍然保持系统的完整性即使全局性通信或管理站（操作站）失效，局部站仍能维持工作； b 系统的所有硬件均可冗余配置。电源、通信
13、线路一般采用双重化（ l : 1 冗余）所有操作站一般可互为冗余，控制站可双重化（ l：1 冗余）；输人输出（ I / O ）卡件可 1： 1 冗余，部分系统可做到 3 : 1 或 7 ：1 冗余； c ，为提高软件的可靠性，采用程序分段与模块化设计、积木式结构，采用程序卷回或指令复执的容错设计， d 结构、组装工艺的可靠性设计。严格筛选元器件，降额使用，加强质量控制，尽可能减少故障出现的概率。新一代的 DCS 采用专用集成电路（ ASIC ）和表面安装技术 ( SMT ) , e . “电磁兼容性”设计。电磁兼容性是指系统的抗干扰能力与系统内外的干扰相适应，并留有充分的余地，以保证系统的可靠
14、性。系统内外要采取各种抗干扰措施；系统所处环境应远离电磁场、超声波等辐射源；安装合适的接地系统，信号电缆、电源电缆等采用屏蔽并做好接地，采用双回路供电且配置不间断电源输入输出信号采用内外隔离及相互隔离等措施； f 在线快速排除故障的设计。采用硬件自诊断和故障部件的自动隔离、自动恢复与热插拔的技术。系统内发生异常，通过硬件自诊断功能和测试功能检出后，汇总到操作站，然后通过显示器或声响报警或打印输出将故障信息通知操作人员；控制站各卡件上均有状态指示灯，可指示故障部件。由于具有事故报等、冗余措施、在线故降处理、硬手操器备份等手段提高了系统的可靠性和安全性。平均故障间隔时间 MTBF ( Mean T
15、ime Between Failure 。）和平均修复时间 MTTR ( Mean Time To Repair ）是衡量 DCS 系统可靠性的两各项重要指标。当前，国际著名制造厂的 DCS 系统，其 MTBF 可高达百万小时以上， MTTR 仅为几分钟（如 5 min ）。 ( 2 ）实时性通过人机接口和摘人艳出（ I / O ）接口，对过程对象数据进行实时采集、处理、分析、记录、监视、操作控制，包括对系统结构和组态回路的在线修改、局部故障的在线维护等。 ( 3 ) 适应性、灵活性和易扩展性硬件和软件采用开放式、标准化、模块化设计，系统采用积木式结构，具有灵活的配置，可适应不同用户各种大小不
16、等的系统规模要求，也可根据生产要求，改变系统的配置规模。配置规模和控制方案的改变，皆无需修改或重新开发软件，只是使用组态软件对组态进行修改即可。 ( 4 ）自治性和协调性集散控制系统的各组成部分是各自相对独立的自治系统，各自完成各自的功能，相互之间又有联系，即各站通过网络接口连接起来，相互交换数据信息，各种条件相互制约，在系统的协调下工作。在集散控制系统中，相对分散的控制站是一个自治的系统，它完成数据的采集、信号处理、计算、控置及数据输出等功能。操作站完成数据的显示、操作监视和操作信号的发送等功能。通信系统则完成操作站、控制站等装置间的数据传送。由于整个系统是一个相互协调的系统各组成部分虽然是自治的，但是，任何一个部分的故障也会对其他部分产生影响。例如，操作站的故障将使操作人员无法掌握生产过程的运行情况；通信系统的故障会使数据传送出错等。在集散控制系统中，分散的内涵是十分广泛的。分散的
