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1、DCS分散控制系统原理发布时间：2010-1-5 作者： 过程控制服务网 DCS分散控制系统原理第一讲 绪论DCS从1975年问世以来，大约有三次比较大的变革，七十年代操作站的硬件、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；八十年代就不一样了，通讯网络较多使用令牌方式；九十年代操作站出现了通用系统，九十年代末通讯网络有部份遵守TCP/IP协议，有的开始采用以太网。总的来看，变化主要体现在板、操作站和通讯网络。控制器相对来讲变化要小一些。操作站主要表现在由专用机变化到通用机，如PC机和小型机的应用。但是目前它的操作系统一般采用UNIX
2、，也有小系统采用NT，相比较来看UNIX的稳定性要好一些，NT则有死机现象。I/O板主要体现在现场总线的引入DCS系统。 从理论上讲，一个DCS系统可以应用于各种行业，但是各行业有它的特殊性，所以DCS也就出现了不同的分支，有时也由于DCS厂家技术人员工艺知识的局限性而引起，如HONEYWELL公司对石化比较熟悉，其产品在石化行业应用较多，而AILEY的产品则在电力行业应用比较普遍。用户在选择DCS的时候主要是要注意其技术人员是否对该生产工艺比较熟悉；然后要看该系统适用于多大规模，比如NT操作系统的就适应于较小规模的系统；最后是价格，不同的组合价格会有较大的差异，而国产的DCS系统价格比进口的
3、DCS至少要低一半，算上备品备件则要低得更多。 DCS由四部份组成：I/O板、控制器、操作站、通讯网络。I/O板和控制器国际上各DCS厂家的技术水平都相差不远，如果说有些差别的话是控制器内的算法有多有少，算法的组合有些不一样，I/O板的差别在于有的有智能，有些没有，但是控制器读取所有I/O数据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视软件,操作系统和监视软件配合比较好时可以减少死机现象；差别最大的是通讯网络，最差的是轮询方式，最好的是例外报告方式，根据我们的实验，其速度要相差七八倍。第二讲 DCS
4、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预算，但DCS与模拟仪表相比，它更为复杂，技术性要求更高，下面我来谈谈DCS系统选型中的几个问题。从理论上来讲，DCS可以用与不同的工艺过程，它是通用的，但是，DCS的制造厂家专长与某一领域。如：HOMEYWELL主要用于石化部门，BAILEY公司的N90、INFI90主要用于电力系统，ROSEMOUNT的RS3、-V大多用于化工系统。但也不能否认不同工艺过程会有一些
5、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，选型时也要考虑这些因素。 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，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类系统。小型机的价格要比PC机高很多，进
6、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NT，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，操作人员对软件的安装、调试、联网和开发也要熟悉得多。监视软件有专用的也可以用通用的，通用的监视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
7、要原因，各个DCS系统在这方面差别比较大。 把控制器和操作站联系起来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，专用的网络接口很贵，最贵可以达到20000美金。 因此，经济性与很多因素有关，有时外商给你报价降下来，实际是改变了一些结构而已，并没有给你什么优惠，甚至他的利润还增加了。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制的控制系统，他对活套的控制、卷曲的控制和张力的控制等就不太熟悉，做的工程就不会太好。如果承包方对DCS本身不熟悉，控制器做的太大时会产
8、生死机。不少工厂都购买了不同厂家的DCS系统，我们称之为“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厂商作为承包商， 第四点是售后服务，国外厂商通常情况下配品、备件供应价格高，且不能及时提供。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。 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
9、场总线的应用，第三方软件的支持等。这里要注意的一点是：有些厂家为了占领市场，把一些不成熟的产品推到第三世界，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。早在1983年，某外国公司推销的DCS，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，这种产品本不能出厂，但还是卖给了我们国家，结果购买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，我们不但主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
10、一开始就决定了该系统今后的命运，万万不可掉以轻心。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。 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，还有一些相互的电磁干扰，所以比较容易损坏，如：硬盘、键盘、CRT、软驱等，运行6-8年后出现故障的概率就比较大，据初步统计最长的也只能运行十年左右。所以在DCS运行过程
11、中，更新操作站的情况比较多。 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，它随着硬件的进步而做相应的更改，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，它的标签量可以达到10000个。
12、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MCSPULS，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年代那样令人瞩目,于是BAILEY公司欲通过收购FISCHER&PORTER
13、、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通讯的驱动软件，因为80年代的OIU和MC
14、S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块显卡来实现辅站的功能。后来因维护成本很高，硬盘和软驱都难以买到，用户反映不太好。 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OIS40、OIS41、OIS42
15、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BAILEY公司和用户无疑是雪上加霜
16、。 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，以FIX软件为基础的操作站也应用在Fisher Rosmont DeltaV and Toshiba DCS系统上，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
