集散控制系统及组态

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1、摘要摘要集散控制系统在电力、机械、石油、化工等领域应用越来越广泛，它是随 着现代大型生产系统自动化水平的不断进步和过程监控要求的日益复杂而产生 的综合控制系统。以 PC 机为基础的集散控制系统中配以成熟的工控组态软件， 是目前控制领域发展的一个重要方向。 本文就集散控制系统及其组态的概念、特点、发展趋势等展开研究，大致 的描述了集散控制系统的发展现状及应用。关键词：集散控制系统，组态软件关键词：集散控制系统，组态软件AbstractDistributed Control System is widely used in many fields, such as electric power、m

2、echanism, oil, chemical industry and so on, with development of modern big producing system automatization level and increasing complexity of requirement of process supervise, and it is created integrating control system. The PC-based Distributed Control System, attached with mature Configuration So

3、ftware in industrial control, is an important developing direction in the control field now. The paper studies the concept, characteristic, developing of DCS and CS, give a general description of the DCSs status and trend, and its application.Key word: Distributed Control System (DCS), Configuration

4、 Software1.集散控制系统概述集散控制系统概述1.11.1 集散控制系统的概念集散控制系统的概念集散控制系统（Distributed Control System，简称 DCS）又称分布式控制系 统，是对生产过程进行集中管理和分散控制的计算机系统，是随着现代大型工 业生产自动化水平的不断进步和过程控制要求日益复杂应运而生的综合控制系 统，它融合了计算机技术、网络技术、通讯技术和自动控制技术，是一种把危 险分散，控制集中优化的新型控制系统，由集中管理、分散控制和通信网络三 大部分组成。自七十年代问世以来，它受到了广大用户的青睐，在工业控制领 域得到了广泛应用和长足发展。以 PC（Pers

5、onal Computer）机为基础的集散控 制系统，配以成熟的工控组态软件，将成为目前控制领域的一个重要发展方向。1.21.2 集散控制系统的工作过程集散控制系统的工作过程工程师站根据实际过程控制的要求，利用组态软件对硬件以及程序模块进 行组态，包括控制回路组态，控制方案的选择，趋势画面的生成等。组态完毕 后，生成一系列组态信息文件。系统运行前，根据文件属性的不同，将这些组 态信息文件下装到过程控制单元与操作员站，过程控制单元根据该组态信息文 件的内容，从固化在 EPROM（Erasable Programmable Read Only Memory）中的 功能模块库中找到相应的控制算法，并

6、执行。通过驱动装置将结果送往执行机 构，完成控制目的。操作员站根据组态提供的内容，实现对系统生产状况的监 控。1.31.3 集散控制系统的特点集散控制系统的特点在集散控制系统出现以前，控制系统经历了数据采集系统、数字控制系统 等发展阶段，同计算机控制系统相比，DCS 系统具有以下优点。 （1）管理集中、控制功能分散； （2）高度的灵活性和可扩展性； （3）可靠性高； （4）良好的人机交互能力。1.41.4 集散控制系统的国内外研究现状分析集散控制系统的国内外研究现状分析DCS 主要生产厂家集中在美、日、德等国。如美国 HONEYWELL 的TDC300OMICRO、TDC3000，TDC300

7、0X 等；FOXBORO 的I/AS；WESTINGHOUSE 的 WDPF；WAILEY 的 NETWORK9O、INFI9O；日 本横河的 CENTUM、CS；YEWPACK 的 MARK11；德国 SIEMENS 的 TELEPERM；ABB 公司的 MOD300、SIPAOS200 等等。 我国国产 DCS 的攻关工作起步较早，引进和吸收工作从 20 世纪 70 年代中 期开始。80 年代初开始技术攻关工作。80 年代末到 90 年代初世界著名的 DCS厂家基本上在中国均成立了合资公司或分支机构，开始大规模的市场瓜分工作， 并在 90 年代初完成。当时，我国主要行业如石化、电力、建材和

8、冶金等 DCS 基本全部进口。从 90 年代初我国开始形成了几家以自主研制为主的 DCS 专业 化公司，如北京的和利时公司和航天测控公司，杭州的浙大中控公司和威盛公 司以及上海的新华公司。这些公司不仅占据了一定的市场份额，积累了发展的 资本和技术，同时使国外引进的系统价格也大幅下降，为我国自动化推广事业 做出了贡献。保证了国内工业自动化领域的综合优势地位。 随国内 DCS 制造商不断对国外技术吸收，及对系统软、硬件进行改进，同 时计算机、通讯以及控制技术的快速发展，近几年，国内 DCS 系统发展迅速成 熟和完善，已得到普遍应用，水平接近国际同类产品。 国产 DCS 系统在综合技术水平上和国外系

9、统相当。如：现场总线技术和无 线通信技术等。在生产管理和质量管理上和国外知名大公司相比，国产 DCS 系 统经验不够。国产 DCS 系统进入大型工程项目市场后，价格的竞争因素相对弱 化。在系统的综合技术水平相当情况下，用户将通过系统细节设计对系统做出 评价。从用户角度来看，DCS 供应不仅是个产品，还是一个完整的解决方案。 用户评价 DCS 系统时，不仅要评价系统的硬件和软件，还要评价系统的应用是 否符合用户的需要。即:应用方案和设计细节2.集散控制系统组态软件简介集散控制系统组态软件简介2.12.1 集散控制系统组态的概念集散控制系统组态的概念组态的概念是随着集散型控制系统的出现而引入工业控

10、制系统的，被广大 的生产过程自动化技术人员熟知。每一套 DCS 都是较通用的控制系统，可应用 到很多领域，为使用户在不需要编写代码程序的情况下便可生成适合自己需求 的应用系统，每个 DCS 厂商在 DCS 中都预装了系统软件和应用软件，其中的 应用软件即是组态软件。但一直未给出明确定义，只是将使用这种应用软件设 计并生成目标应用系统的过程称为“组态（Configure） ”或“做组态” 。 “组态” 的概念来自英文：configuration，含义是使用软件工具对计算机及软件的各种资 源进行配置，包括进行对象的定义、制作和编辑，并设定其状态特征属性参数， 使计算机或软件按照预先设置，自动执行特

11、定任务，满足使用者要求。 DCS 组态包括软件和硬件组态，其中硬件组态包括工程师站、操作员站的 选择及硬件配置，现场控制站的选择等。软件组态包括基本配置组态和应用软 件组态，基本配置组态是给系统一个配置信息，应用软件组态包括控制算法软 件组态和图形软件组态两大部分。软件组态的内容比较丰富，是指在系统配备 了组态软件的情况下，用户不需要编程就能方便地设置控制参数、选择控制策 略，构成控制系统，绘制显示图表，建立有关数据库等，从而生成所需要的应 用软件。 DCS 组态软件的任务就是完成应用软件的组态、DCS 在硬件结构上大致分 为操作员站工程师站、现场控制站，相应的系统软件是工程师站组态软件、操

12、作员站监控软件和现场控制站软件。工程师站组态软件主要针对不同的应用领 域先离线进行，投入运行后也能根据现场控制情况在线组态。2.22.2 组态软件的组态内容组态软件的组态内容一般说来，组态软件主要包括以下组态内容: 1）实时数据库的生成 实时数据库是 DCS 中最基本的资源。它是整个现场控制软件系统的中心环 节，它在系统的执行过程中不断地刷新，它的内容直接反映了现场控制站所控 对象的运行状况。从各信道采集来的资料，以及网络上传来的资料都存储在实 时数据库中，当其它模块需要资料时，可直接到实时数据库中去取，同时运算 的中间结果和设定值也存放在实时数据库中。 2）历史数据库的生成 应用计算机控制和

13、管理一个实时工业过程的突出优点是:计算机可以方便地 对资料进行采集、存储和分析，这就要在计算机系统中建立一个历史数据库来 存储这种历史信息。历史资料主要包括以下几类资料: 短间隔趋势显示用历史数据库，采用的数据结构一般是循环资料缓冲区: 长间隔的历史资料的存储，这类资料一般要存放几天到一个月，有的甚 至更长。此类资料最终是存放在磁盘中的; 带有计算的长间隔的历史资料存储，这类结构与第二种结构相似。 3）控制回路组态 控制回路组态就是利用某种方法将适当的控制算法模块连接起来，以完成 特定的控制功能。其主要有两种方式，一种是填表或回答问题方式，这种方法 是屏幕上显示出控制算法的方块图和各种输入参数

14、表格，用联机表示信号的连 接。这种方式复杂，不易掌握。另一种组态方法是用图形将回路结构和算法用 名称表示出来。这种方法直观、屏幕清晰、层次分明、整体性好，而且利用打 开窗口的方式输入各种算法的参数。编辑完成之后就可以编译成目标文件。生 成的目标文件也有几种选择，有的系统是生成宏代码，而有的系统则是将控制 算法的执行代码部分变成标准库，固化在控制计算机上。 4）图形的生成 在工业控制计算机系统中，图形是一种必要的显示内容。通过图形，操作 人员对现场的运行情况一目了然。同时有些过程的曲线变化还可以用来指导控 制操作。工业流程画面的显示内容可以分为两种:一种是构成背景的静态画面， 另一种是随着实时数

15、据的变化而周期地刷新的动态画面。此外，在该流程画面 上往往设一些激励点，当光标处于这些点时，只要按下某些特殊功能键就可以 打开某些窗口。 系统的画面生成功能可以产生一个下装文件，该文件中分别存放每一幅图 的显示信息，它包括三部分内容:背景画面信息、动态点信息和子图信息。另外， 图形连接时还需要定义该图形的图号、相应的子图号、图形显示时的刷新周期、 切换的图形等。 总之，采用成熟的组态软件可以使控制工程师集中精力去考虑和设计控制 回路的内容，而省去了编程的烦恼，并且可以大大提高系统软件的可靠性。2.32.3 集散控制系统组态软件的工作原理集散控制系统组态软件的工作原理工控组态软件在实现工业控制的

16、过程中免去了大量烦琐的编程工作，解决 了长期以来控制工程人员缺乏计算机专业知识与计算机专业人员缺乏控制工程 现场操作技术和经验的矛盾，极大地提高了自动化工程的工作效率。近年来， 工控组态软件在中小型工业过程控制及工业自动化工、程中越来越受欢迎。 组态软件的设计思想是面向对象，模拟控制工程师们在进行过程控制时的 思路，围绕被控对象及控制系统的要求构造“对象” ，从而生成适用于不同应用 系统的用户程序。在 DCS 中，完成所有控制功能所需要的程序都事先编写完好， 并以模块形式存放在现场控制站的存储器内。组态软件的原理:将系统软件的基 本部分和工具固定，而与应用有关的部分变成数据文件，这些数据文件由组态 工具在屏幕上编辑而成。也就是说将系统的执行程序代码部分固定不变，为适 应不同的应用对象，只需改变数据文件（包括系统配置文件、控制参数文件、 报表文件、控制回路文件等） ，用户利用组态软件，通过灵活方便的组态方式 （而不是编程方式）来生成数据文件，经系统组态后，只要把生成的用户应用 软件下传到各个现场控制站，就可以具体实施各种控制方案。2.42.4 几种常见组态方式