集散控制系统概述

《集散控制系统概述》由会员分享，可在线阅读，更多相关《集散控制系统概述（10页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、集散控制系统概述集散控制系统概述集散控制系统简称 DCS，也可直译为“分散控制系统”或“分布式计算机控制系统” 。它采用控制分散、操作和管理集中的基本设计思想，采用多层分级、合作自治的结构形式。其主要特征是它的集中管理和分散控制。目前 DCS 在电力、冶金、石化等各行各业都获得了极其广泛的应用。DCS 通常采用分级递阶结构，如图 1 所示，每一级由若干子系统组成，每一个子系统实现若干特定的有限目标，形成金字塔结构。可靠性是 DCS 发展的生命，要保证 DCS 的高可靠性主要有三种措施：一是广泛应用高可靠性的硬件设备和生产工艺； 二是广泛采用冗余技术； 三是在软件设计上广泛实现系统的容错技术、故

2、障自诊断和自动处理技术等。当今大多数集散控制系统的 MTBF 可达几万甚至几十万小时。1、集散控制系统的发展趋势、集散控制系统的发展趋势近年来，在 DCS 关联领域有许多新进展，主要表现在如下一些方面。(1)系统功能向开放式方向发展传统 DCS 的结构是封闭式的，不同制造商的 DCS 之间难以兼容。而开放式的 DCS 将可以赋予用户更大的系统集成自主权，用户可根据实际需要选择不同厂商的设备连同软件资源连入控制系统， 达到最佳的系统集成。 这里不仅包括 DCS与 DCS 的集成，更包括 DCS 与 PLC、FCS 及各种控制设备和软件资源的广义集成。(2)仪表技术向数字化、智能化、网络化方向发展

3、工业控制设备的智能化、网络化发展，可以促使过程控制的功能进一步分散下移，实现真正意义上的“全数字” 、 “全分散”控制。另外，由于这些智能仪表具有的精度高、重复性好、可靠性高，并具备双向通信和自诊断功能等特点，致使系统的安装、使用和维护工作更为方便。(3)工控软件正向先进控制方向发展广泛应用各种先进控制与优化技术是挖掘并提升DCS 综合性能最有效、最直接、也是最具价值的发展方向，主要包括先进控制、过程优化、信息集成、 系统集成等软件的开发和产业化应用。 在未来， 工业控制软件也将继续向标准化、网络化、智能化和开放性发展方向。(4)系统架构向 FCS 方向发展单纯从技术而言， 现阶段现场总线集成

4、于 DCS 可以有三种方式：现场总线于 DCS 系统 I/O 总线上的集成通过一个现场总线接口卡挂在 DCS 的I/O 总线上，使得在 DCS 控制器所看到的现场总线来的信息就如同来自一个传统的 DCS 设备卡一样。例如 Fisher-Rosemount 公司推出的 DeltaV 系统采用的就是此种集成方案。现场总线于 DCS 系统网络层的集成就是在 DCS 更高一层网络上集成现场总线系统， 这种集成方式不需要对 DCS 控制站进行改动，对原有系统影响较小。如 Smar 公司的 302 系列现场总线产品可以实现在 DCS 系统网络层集成其现场总线功能。现场总线通过网关与DCS 系统并行集成现场

5、总线和 DCS 还可以通过网关桥接实现并行集成。如 SUPCON的现场总线系统，利用 HART 协议网桥连接系统操作站和现场仪表，从而实现现场总线设备管理系统操作站与 HART 协议现场仪表之间的通信功能。一直以来 DCS 的重点在于控制，它以“分散”作为关键字。但现代发展更着重于全系统信息综合管理，今后“综合”又将成为其关键字，向实现控制体系、运行体系、计划体系、管理体系的综合自动化方向发展，实施从最底层的实时控制、优化控制上升到生产调度、经营管理，以至最高层的战略决策，形成一个具有柔性、高度自动化的管控一体化系统。2、DCS 的硬件体系结构的硬件体系结构考察 DCS 的层次结构，DCS 级

6、和控制管理级是组成 DCS 的两个最基本的环节。过程控制级具体实现了信号的输入、 变换、 运算和输出等分散控制功能。 在不同的 DCS中，过程控制级的控制装置各不相同，如过程控制单元、现场控制站、过程接口单元等等，但它们的结构形式大致相同，可以统称为现场控制单元 FCU。过程管理级由工程师站、操作员站、管理计算机等组成，完成对过程控制级的集中监视和管理，通常称为操作站。DCS的硬件和软件，都是按模块化结构设计的，所以 DCS 的开发实际上就是将系统提供的各种基本模块按实际的需要组合成为一个系统，这个过程称为系统的组态。(1)现场控制单元现场控制单元一般远离控制中心， 安装在靠近现场的地方， 其

7、高度模块化结构可以根据过程监测和控制的需要配置成由几个监控点到数百个监控点的规模不等的过程控制单元。现场控制单元的结构是由许多功能分散的插板 （或称卡件） 按照一定的逻辑或物理顺序安装在插板箱中，各现场控制单元及其与控制管理级之间采用总线连接，以实现信息交互。现场控制单元的硬件配置需要完成以下内容：插件的配置根据系统的要求和控制规模配置主机插件（CPU 插件） 、电源插件、I/O 插件、通信插件等硬件设备；硬件冗余配置对关键设备进行冗余配置是提高 DCS 可靠性的一个重要手段，DCS 通常可以对主机插件、电源插件、通信插件和网络、关键 I/O 插件都可以实现冗余配置。硬件安装不同的 DCS，对

8、于各种插件在插件箱中的安装，会在逻辑顺序或物理顺序上有相应的规定。另外，现场控制单元通常分为基本型和扩展型两种，所谓基本型就是各种插件安装在一个插件箱中， 但更多的时候时需要可扩展的结构形式， 即一个现场控制单元还包括若干数字输入/输出扩展单元，相互间采用总线连成一体。就本质而言， 现场控制单元的结构形式和配置要求与模块化 PLC 的硬件配置是一致的。(2)操作站操作站以来显示并记录来自各控制单元的过程数据， 是人与生产过程信息交互的操作接口。典型的操作站包括主机系统、显示设备、键盘输入设备、信息存储设备和打印输出设备等，主要实现强大的显示功能（如模拟参数显示、系统状态显示、多种画面显示等等）

9、 、报警功能、操作功能、报表打印功能、组态和编程功能等等。另外，DCS 操作站还分为操作员站和工程师站。从系统功能上看，前者主要实现一般的生产操作和监控任务，具有数据采集和处理、监控画面显示、故障诊断和报警等功能。后者除了具有操作员站的一般功能以外，还应具备系统的组态、控制目标的修改等功能。从硬件设备上看，多数系统的工程师站和操作员站合在一起，仅用一个工程师键盘加以区分。3、DCS 的软件系统DCS 的软件体系如图 2 所示，通常可以为用户提供相当丰富的功能软件模块和功能软件包，控制工程师利用 DCS 提供的组态软件，将各种功能软件进行适当的“组装连接” （即组态） ，生成满足控制系统的要求各

10、种应用软件。(1)现场控制单元的软件系统实时数据库起到了中心环节的作用，在这里进行数据共享，各执行代码都与它交换数据，用来存储现场采集的数据、 控制输出以及某些计算的中间结果和控制算法结构等方面的信息。 数据巡检模块用以实现现场数据、故障信号的采集，并实现必要的数字滤波、单位变换、补偿运算等辅助功能。DCS 的控制功能通过组态生成，不同的系统，需要的控制算法模块各不相同，通常会涉及以下一些模块：算术运算模块、逻辑运算模块、PID 控制模块、变型 PID 模块、手自动切换模块、非线性处理模块、执行器控制模块等等。控制输出模块主要实现控制信号以故障处理的输出。(2)操作站的软件系统DCS 中的操作

11、站用以完成系统的开发、生成、测试和运行等任务，这就需要相应的系统软件支持，这些软件包括操作系统、编程语言及各种工具软件等。一套完善的 DCS，在操作站上运行的应用软件应能实现如下功能：实时数据库、网络管理、历史数据库管理、图形管理、 历史数据趋势管理、 数据库详细显示与修改、 记录报表生成与打印、 人机接口控制、控制回路调节、参数列表、串行通信和各种组态等。4、DCS 的组态（开发与生成）的组态（开发与生成）DCS 的开发过程主要是采用系统组态软件依据控制系统的实际需要生成各类应用软件的过程。 组态软件功能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，如系统的各种站的个数

12、、它们的索引标志、每个控制站的最大点数、最短执行周期和内存容量等。应用软件的组态则包括比较丰富的内容，主要包括以下几个方面。(1)控制回路的组态控制回路的组态在本质上就是利用系统提供的各种基本的功能模块， 来构成各种各样的实际控制系统。目前各种不同的 DCS 提供的组态方法各不相同，归纳起来有指定运算模块连接方式、判定表方式、步骤记录方式等等。指定运算模块连接方式是通过调用各种独立的标准运算模块， 用线条连接成多种多样的控制回路，最终自动生成控制软件，这是一种信息流和控制功能都很直观的组态方法。判定表方式是一种纯粹的填表形式，只要按照组态表格的要求，逐项填入内容或回答问题即可，这种方式很利于用

13、户的组态操作。 步骤记入方式是一种基于语言指令的编写方式， 编程自由度大，各种复杂功能都可通过一些技巧实现，但组态效率较低。另外，由于这种组态方法不够直观，往往对组态工程师在技术水平和组态经验有较高的要求。(2)实时数据库生成实时数据库是 DCS 最基本的信息资源， 这些实时数据由实时数据库存储和管理。 在 DCS中， 建立和修改实时数据库记录的方法有多种， 常用的方法是用通用数据库工具软件生成数据库文件，系统直接利用这种数据格式进行管理或采用某种方法将生成的数据文件转换为DCS 所要求的格式。(3)工业流程画面的生成DCS 是一种综合控制系统，它必须具有丰富的控制系统和检测系统画面显示功能。

14、显然，不同的控制系统，需要显示的画面是不一样的。总的来说，结合总貌、分组、控制回路、流程图、报警等画面，以字符、棒图、曲线等适当的形式表示出各种测控参数、系统状态，是 DCS 组态的一项基本要求。此外，根据需要还可显示各类变量目录画面、操作指导画面、故障诊断画面、工程师维护画面和系统组态画面。(4)历史数据库的生成所有 DCS 都支持历史数据存储和趋势显示功能，历史数据库通常由用户在不需要编程的条件下， 通过屏幕编辑编译技术生成一个数据文件， 该文件定义了各历史数据记录的结构和范围。历史数据库中数据一般按组划分，每组内数据类型、采样时间一样。在生成时对各数据点的有关信息进行定义。(5)报表生成

15、DCS 的操作员站的报表打印功能也是通过组态软件中的报表生成部分进行组态，不同的 DCS 在报表打印功能方面存在较大的差异。 一般来说， DCS 支持如下两类报表打印功能：一是周期性报表打印，二是触发性报表打印，用户根据需要和喜好生成不同的报表形式。5、DCS 中的先进控制技术中的先进控制技术DCS 在控制上的最大特点是依靠各种控制、运算模块的灵活组态，可实现多样化的控制策略以满足不同情况下的需要， 使得在单元组合仪表实现起来相当繁琐与复杂的命题变得简单。随着企业提出的高柔性、高效益的要求，以经典控制理论为基础的控制方案已经不能适应， 以多变量预测控制为代表的先进控制策略的提出和成功应用之后，

16、 先进过程控制受到了过程工业界的普遍关注。 需要强调的是， 广泛应用各种先进控制与优化技术是挖掘并提升DCS 综合性能最有效、最直接、也是最具价值的发展方向。在实际过程控制系统中，基于 PID 控制技术的系统占 80%以上，PID 回路运用优劣在实现装置平稳、高效、优质运行中起到举足轻重的作用，各 DCS 厂商都以此作为抢占市场的有力竞争砝码，开发出各自的 PID 自整定软件。另外，根据 DCS 的控制功能，在基本的PID 算法基础上，可以开发各种改进算法，以满足实际工业控制现场的各种需要，诸如带死区的 PID 控制、积分分离的 PID 控制、微分先行的 PID 控制、不完全微分的 PID 控制、具有逻辑选择功能的 PID 控制等等。与传统的 PID 控制不同，基于非参数模型的预测控制算法是通过预测模型预估系统的未来输出的状态，采用滚动优化策略计算当前控制器的输出。根据实施方案的不同，有各种算法，例如，内模控制、模型算法控制、动态矩阵控制等。目前，实用预测控制算法已引入DCS，例如 IDCOM 控制算法软件包已广泛应用于加氢裂化、催化裂化、常压蒸馏、石脑油催化重