1、第二篇 DCS概述 DCS是繼1969年P(guān)LC問(wèn)世后，由HONEYWELL公司在1975年首先推出的系統(tǒng)。即：TDC2000，它只有模擬量控制。隨后，相繼有幾十家美國(guó)儀表公司也推出自己的系統(tǒng)。從不同方向發(fā)展起來(lái)的DCS在結(jié)構(gòu)上、軟件方面有些區(qū)別。儀表公司開(kāi)發(fā)的DCS的控制器的軟件部分比較符合儀表工程人員應(yīng)用的習(xí)慣，特別是組態(tài)方式比較方便。傳動(dòng)公司設(shè)計(jì)的PLC部分比較好。計(jì)算機(jī)公司設(shè)計(jì)的DCS的人機(jī)界面比較友好。相繼出現(xiàn)的DCS有MAX-1、RS3、MOD、N-90、D/3、WDPF、MICRO、ECS-1200；日本橫河的YEPARK MARK、東芝的TOSDIC；，英國(guó)的P4000；德國(guó)的T

2、ELEPERM、PROCONTROL P、瑞典的AC210等。從理論上講，一個(gè)DCS系統(tǒng)可以應(yīng)用于各種行業(yè)。但由于各行業(yè)有它的特殊性，所以DCS也就出現(xiàn)了型號(hào)與應(yīng)用行業(yè)是否匹配的問(wèn)題。有時(shí)也由于DCS廠家和用戶的技術(shù)人員的工藝知識(shí)的局限性而引起的。例如：HONEYWELL公司對(duì)石化行業(yè)比較熟悉，其產(chǎn)品在石化行業(yè)應(yīng)用較多，它缺少其它行業(yè)的特殊模塊，如事件記錄的快速模塊。而AILEY的產(chǎn)品則在電力行業(yè)應(yīng)用比較普遍，這些特殊模塊都已經(jīng)有了。用戶在選擇DCS的時(shí)候主要是要注意其技術(shù)人員對(duì)自己生產(chǎn)工藝的熟悉程度，然后選擇符合自己要求的DCS。并應(yīng)注意行業(yè)應(yīng)用的特殊性，如電廠的SOE、水泥廠的大純滯后，造

3、紙廠的橫向水分控制等。DCS系統(tǒng)適用于多大規(guī)模，比如使用NT操作系統(tǒng)的就適應(yīng)于中、小規(guī)模的系統(tǒng)（標(biāo)簽量在10000點(diǎn)以下），最后才考慮價(jià)格因素。 各DCS廠家開(kāi)發(fā)有不同類型硬件的操作站，它和控制器的不同組合會(huì)有不同的價(jià)格，其差異很大。在作系統(tǒng)配置時(shí)，即使是同一個(gè)系統(tǒng)的不同組合，價(jià)格也不一樣。 專用操作站也是可改變的。以前是因?yàn)橛?jì)算機(jī)技術(shù)不夠發(fā)達(dá)、沒(méi)有合適的軟、硬件供選擇，所以DCS廠家只能自己開(kāi)發(fā)自己的專用操作站，因而造成封閉局面。后來(lái)則是由于DCS廠家為了保證其利益造成的，因?yàn)椴捎脤Ｓ貌考?，在備件方面可以有很高的利?rùn)。但這種封閉局面總會(huì)被打破，DCS的用戶只要及時(shí)了解技術(shù)的發(fā)展情況，就能選出

4、合適的系統(tǒng)。國(guó)產(chǎn)的DCS系統(tǒng)在技術(shù)上可能不如進(jìn)口的，但也能滿足基本要求。其價(jià)格比進(jìn)口的DCS至少要低一半，算上備品備件、現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)費(fèi)用，它的成本則要低很多。DCS的各部件的壽命與平常的維護(hù)水平有關(guān)。在投運(yùn)初期，容易損壞的概率比較大，一旦投入運(yùn)行，幾乎是不壞的。從檢修的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，經(jīng)檢修過(guò)的模件，已修復(fù)的部分一般不會(huì)重復(fù)損壞。從部件故障概率來(lái)看，電源的損壞概率最大。由于DCS不僅具有連續(xù)控制和邏輯控制能力，而且具有順序控制和批量控制的功能。因此，DCS既可用于連續(xù)過(guò)程工業(yè)，也可用于連續(xù)和離散混合的間隙過(guò)程工業(yè)?？傊?，DCS已經(jīng)在過(guò)程控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，不僅用于分散控制，而且向著集成管理的方向發(fā)

5、展。在計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（computer-integrated manufacturing system,CIMS）或計(jì)算機(jī)集成過(guò)程系統(tǒng)（computer integrated process system,CIPS）中，DCS是基礎(chǔ)，通過(guò)其開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò)與上層管理網(wǎng)絡(luò)相連，實(shí)現(xiàn)控制與管理的信息集成，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)企業(yè)的生產(chǎn)、控制和管理的集成，以求得企業(yè)的全局優(yōu)化。 本章概述DCS的產(chǎn)生過(guò)程、發(fā)展歷程、特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，其目的是首先讓讀者建立DCS的基本概念。2.1 DCS的產(chǎn)生過(guò)程 在連續(xù)過(guò)程控制中,常規(guī)模擬儀表控制和早期的計(jì)算機(jī)控制可歸納為儀表分散控制系統(tǒng)、儀表集中控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)集中控制系統(tǒng)3種類型。

6、人們分析比較了常規(guī)模擬儀表控制和計(jì)算機(jī)集中控制的優(yōu)缺點(diǎn)之后，研制出計(jì)算機(jī)集散控制系統(tǒng)（DCS）。 2.1.1 儀表分散控制系統(tǒng) 眾所周知，一個(gè)控制回路的構(gòu)成需要有傳感器、控制器和執(zhí)行器，俗稱控制三要素，如圖2.1所示。20世紀(jì)50年代前的基地式氣動(dòng)儀表就是把控制三要素就地安裝在生產(chǎn)裝置上，在結(jié)構(gòu)上形成一種地理位置分散的控制系統(tǒng)，如圖2.2所示。該圖中孔板（傳感器）將檢測(cè)到的反映流體流量的差壓信號(hào)送到氣動(dòng)控制器，氣動(dòng)控制器輸出氣動(dòng)信號(hào)控制氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥（執(zhí)行器），實(shí)現(xiàn)單回路控制。這類控制系統(tǒng)按地理位置分散于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，自成體系，實(shí)現(xiàn)一種自治式的徹底分散控制。其優(yōu)點(diǎn)是危險(xiǎn)分散，一臺(tái)儀表故障只影響一個(gè)控制

7、點(diǎn)；其缺點(diǎn)是只能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的控制，操作工奔跑于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)巡回檢查，不便于集中操作管理，而且只適用于幾個(gè)控制回路的小型系統(tǒng)。 圖2.1 控制回路 圖2.2 儀表分散控制2.1.2 儀表集中控制系統(tǒng)20世紀(jì)50年代后出現(xiàn)了氣動(dòng)單元組合儀表，隨著晶體管和集成電路技術(shù)的發(fā)展，又出現(xiàn)了電動(dòng)單元組合儀表（010mA DC和4mA20mA DC信號(hào)）和組件組裝式儀表。這一階段控制器、指示器、記錄儀等集中安裝于中央控制室，傳感器和執(zhí)行器分散安裝于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)了控制三要素的分離，如圖2.3所示。 圖2.3 儀表集中控制 這類控制系統(tǒng)目前仍在使用，其優(yōu)點(diǎn)是便于集中控制、監(jiān)視、操作和管理，而且危險(xiǎn)分散，一臺(tái)儀表故障只

8、影響到一個(gè)控制回路。其缺點(diǎn)是由于控制三要素的分離帶來(lái)安裝成本高，要消耗大量的管線和電線，調(diào)試麻煩，維護(hù)困難，只適用于中小型系統(tǒng)。幾十年來(lái)，世界各國(guó)的儀表制造廠，盡管不斷采用新技術(shù)對(duì)儀表性能及結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，但要滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)過(guò)程控制的要求仍然存在一些難以克服的問(wèn)題。比如，在控制功能方面，由于一臺(tái)常規(guī)模擬儀表只能執(zhí)行單一功能，為了適應(yīng)不同的控制要求，往往需要配置多種型號(hào)的儀表。對(duì)于某些工藝過(guò)程復(fù)雜，需要采用復(fù)雜控制方案，常規(guī)模擬儀表由于受到其功能方面的限制，而難以滿足要求。在操作監(jiān)視方面，現(xiàn)代化大型裝置如果采用常規(guī)模擬儀表進(jìn)行集中控制，那么在中央控制室內(nèi)儀表盤上將安裝成百上千臺(tái)儀表，致使儀表盤很長(zhǎng)

9、，控制室面積很大。而且生產(chǎn)規(guī)模越大，需要協(xié)調(diào)的環(huán)節(jié)就越多，關(guān)聯(lián)因素也就越復(fù)雜。這就要求操作人員必須從儀表盤上，逐臺(tái)讀取各類儀表顯示的數(shù)據(jù)，才能了解生產(chǎn)的全過(guò)程，經(jīng)過(guò)分析和判斷后，再去操作有關(guān)儀表，以便保證生產(chǎn)穩(wěn)定。顯然，這樣的監(jiān)視與操作是相當(dāng)困難的，而且有局限性，難以滿足現(xiàn)代化大生產(chǎn)的控制要求。2.1.3 計(jì)算機(jī)集中控制系統(tǒng)為了彌補(bǔ)常規(guī)模擬儀表的不足，并適應(yīng)現(xiàn)代化大生產(chǎn)的控制要求，20世紀(jì)60年代人們開(kāi)始將計(jì)算機(jī)用于生產(chǎn)過(guò)程控制。由于當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)價(jià)格昂貴，為了充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的功能，一臺(tái)計(jì)算機(jī)承擔(dān)一套或多套生產(chǎn)裝置的信號(hào)輸入和輸出，運(yùn)算和控制，操作監(jiān)視和打印制表等多項(xiàng)任務(wù)，實(shí)現(xiàn)幾十個(gè)或上百個(gè)控制回

10、路，并包括全廠的信息管理，如圖2.4所示。 圖2.4 計(jì)算機(jī)集中控制計(jì)算機(jī)用于生產(chǎn)過(guò)程控制可分為操作指導(dǎo)控制、設(shè)定值控制（set-point control,SPC）、直接數(shù)字控制（direct digital control,DDC）、監(jiān)督計(jì)算機(jī)控制(supervisory computer control,SCC)4種類型，如圖2.5所示。前2種屬于計(jì)算機(jī)與儀表的混合系統(tǒng)，直接參與控制的仍然是儀表，計(jì)算機(jī)只起操作指導(dǎo)和改變?cè)O(shè)定值（SV）的作用，后2種計(jì)算機(jī)承擔(dān)全部任務(wù)，而且SCC屬于2級(jí)計(jì)算機(jī)控制。 圖2.5 計(jì)算機(jī)集中控制的4種類型計(jì)算機(jī)集中控制的優(yōu)點(diǎn)是便于集中監(jiān)視、操作和管理，既可以實(shí)

11、現(xiàn)簡(jiǎn)單控制和復(fù)雜控制，也可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制，適用于現(xiàn)代化生產(chǎn)過(guò)程的控制。其缺點(diǎn)是危險(xiǎn)集中，一旦計(jì)算機(jī)發(fā)生故障，影響面比較廣，輕者波及1臺(tái)或幾臺(tái)生產(chǎn)設(shè)備，重者使全廠癱瘓。如果采用雙機(jī)冗余，則可提高可靠性，但成本太高，難以推廣應(yīng)用。至此，我們討論了3種控制系統(tǒng)，可歸納為分散型和集中型2類，其優(yōu)缺點(diǎn)可總結(jié)為以下4條： 分散型控制的危險(xiǎn)分散，安全性好，但不便于集中監(jiān)視、操作和管理； 集中型控制的危險(xiǎn)集中，安全性差，但便于集中監(jiān)視、操作和管理； 模擬儀表僅實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單控制，各控制回路之間無(wú)法協(xié)調(diào)，難以實(shí)現(xiàn)中、大型系統(tǒng)的集中監(jiān)視、操作和管理； 計(jì)算機(jī)可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單及復(fù)雜控制，各控制回路之間統(tǒng)一協(xié)調(diào)，便于集中監(jiān)視、操

12、作和管理。2.1.4計(jì)算機(jī)集散控制系統(tǒng)人們分析比較了分散型控制和集中型控制的優(yōu)缺點(diǎn)之后，認(rèn)為有必要吸取兩者的優(yōu)點(diǎn)，并將兩者結(jié)合起來(lái)，即采用分散控制和集中控制的設(shè)計(jì)思想，分而自治和綜合協(xié)調(diào)的設(shè)計(jì)原則。所謂分散控制是用多臺(tái)微型計(jì)算機(jī),分散應(yīng)用于生產(chǎn)過(guò)程控制。每臺(tái)計(jì)算獨(dú)立完成信號(hào)輸入輸出和運(yùn)算控制,并可實(shí)現(xiàn)幾個(gè)或幾十個(gè)控制回路。這樣,一套生產(chǎn)裝置需要1臺(tái)或幾臺(tái)計(jì)算機(jī)協(xié)調(diào)工作,從而解決了原有計(jì)算機(jī)集中控制帶來(lái)的危險(xiǎn)集中,以及常規(guī)模擬儀表控制功能單一的局限性。這是一種將控制功能分散，即“危險(xiǎn)分散”的設(shè)計(jì)思想。所謂集中管理是用通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)把多臺(tái)計(jì)算機(jī)構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，除了控制計(jì)算機(jī)之外，還包括操作管理計(jì)算機(jī)，

13、形成了全系統(tǒng)信息的集中管理和數(shù)據(jù)共享，實(shí)現(xiàn)控制與管理的信息集成，同時(shí)在多臺(tái)計(jì)算機(jī)上集中監(jiān)視，操作和管理。計(jì)算機(jī)集散控制系統(tǒng)采用了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，一方面每臺(tái)計(jì)算機(jī)自成體系，獨(dú)立完成一部分工作；另一方面各臺(tái)計(jì)算機(jī)之間又相互協(xié)調(diào)，綜合完成復(fù)雜的工作，從而實(shí)現(xiàn)了分而自治和綜合協(xié)調(diào)的設(shè)計(jì)原則。20世紀(jì)70年代初期，大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，微型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，其性能和價(jià)格的優(yōu)勢(shì)，為研制DCS創(chuàng)造了條件；通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，也為多臺(tái)計(jì)算機(jī)互連創(chuàng)造了條件；CRT屏幕顯示技術(shù)可為人們提供完善的人機(jī)界面，進(jìn)行集中監(jiān)視、操作和管理。這3條為研制DCS提供了外部環(huán)境。另外，隨著生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，生產(chǎn)工藝日趨復(fù)雜

14、，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程控制不斷提出新要求，常規(guī)模擬儀表控制和計(jì)算機(jī)集中控制系統(tǒng)已不能滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要，這些是促使人們研制DCS的內(nèi)部動(dòng)力。經(jīng)過(guò)數(shù)年的努力，于20世紀(jì)70年代中期研制出DCS，成功地應(yīng)用于連續(xù)過(guò)程控制。DCS的結(jié)構(gòu)原形如圖2.6所示。其中控制站（control station,CS）進(jìn)行過(guò)程信號(hào)輸入輸出和運(yùn)算控制，實(shí)現(xiàn)DDC功能；操作員站（operator station,OS）供工藝操作員對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)視、操作和管理；工程師站（engineer station,ES）供控制工程師按工藝要求設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，按操作要求設(shè)計(jì)人機(jī)界面（man-machine interface,MMI），并

15、對(duì)DCS硬件和軟件進(jìn)行維護(hù)和管理；監(jiān)視計(jì)算機(jī)站（supervisory computer station,SCS）實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制、自適應(yīng)控制和預(yù)測(cè)控制等一系列先進(jìn)控制算法，完成SCC功能；計(jì)算機(jī)網(wǎng)關(guān)(computer gateway,CG)完成DCS網(wǎng)絡(luò)（CNET）與其他網(wǎng)絡(luò)的連接，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互連與開(kāi)放。 圖2.6 DCS結(jié)構(gòu)原型2.2 DCS的發(fā)展歷程DCS綜合了計(jì)算機(jī)（computer）、通信（communication）、屏幕顯示（CRT,cathoderay tube）和控制（control）技術(shù)，簡(jiǎn)稱“4C”技術(shù)。DCS的發(fā)展與“4C”技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)，自從20世紀(jì)70年代中期誕生DC

16、S至今，已更新?lián)Q代了3代DCS，目前正醞釀著新一代DCS，即FCS（fieldbus control system,現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)）。本節(jié)概述第一代、第二代、第三代和新一代DCS，其目的是讓讀者從了解DCS演變史來(lái)認(rèn)識(shí)DCS，對(duì)DCS的體系結(jié)構(gòu)和本質(zhì)含義有個(gè)基本的概念。2.2.1 第一代DCS1975年Honeywell公司生產(chǎn)出TDC2000（total distributed control）,這是一種具有多微處理器的集中分散控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了集中監(jiān)視、操作和管理，以及分散輸入、輸出、運(yùn)算和控制，從而分散危險(xiǎn)，克服了計(jì)算機(jī)集中控制系統(tǒng)的一個(gè)致命弱點(diǎn)。TDC2000標(biāo)志著DCS的誕生，讓人們

17、看到計(jì)算機(jī)用于生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行分散控制和集中管理的前景。第一代DCS的基本結(jié)構(gòu)如圖2.7所示，主要由以下四部分組成。 圖2.7 第一代DCS基本結(jié)構(gòu)1 過(guò)程控制單元(PCU)過(guò)程控制單元(process control unit,PCU)是由8位微處理器(CPU)、存儲(chǔ)器(RAM,ROM)、輸入/輸出、通信接口和電源等組成,以連續(xù)控制為主,允許組成4或8個(gè)PID控制回路,控制周期為1s2s,可自主地完成PID控制功能,實(shí)現(xiàn)分散控制。 PCU內(nèi)部有多種軟功能模塊供用戶組成控制回路，常用的有輸入模塊、輸出模塊、PID控制模塊、運(yùn)算模塊和報(bào)警模塊等。這些軟功能模塊也被稱為內(nèi)部?jī)x表，如調(diào)節(jié)器、指示器、手動(dòng)

18、操作器和運(yùn)算器等內(nèi)部?jī)x表。由于沿用了人們?cè)缫蚜?xí)慣了的模擬儀表的名稱，這樣既照顧了人們的傳統(tǒng)習(xí)慣，又便于用戶掌握新技術(shù)。2數(shù)據(jù)采集單元（DAU）數(shù)據(jù)采集單元（data acquisition unit,DAU）的組成類似于PCU,但無(wú)控制和輸出功能，其主要功能是采集非控制變量，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后送往數(shù)據(jù)高速通路（datahighway,DHW）,以便在操作員站（operator station,OS）上顯示。3操作員站(OS)操作員站是由16位處理器、存儲(chǔ)器、CRT,鍵盤、打印機(jī)、磁盤或磁帶、通信接口和電源等組成,供工藝操作員對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行集中監(jiān)視、操作和管理,供控制工程師進(jìn)行控制系統(tǒng)組態(tài)(conf

19、iguration)。所謂組態(tài)，就是按控制要求選擇軟功能模塊組成控制回路，俗稱軟接線或填表。若要組成一個(gè)PID控制回路，則需選擇輸入模塊，PID控制模塊和輸出模塊，再按要求依次連接，并填寫有關(guān)參數(shù)即可構(gòu)成。第一代DCS只能離線組態(tài)，所謂離線組態(tài)，就是先在OS上進(jìn)行控制系統(tǒng)組態(tài)，再向PCU下裝組態(tài)文件，此時(shí)PCU必須停止正常的工作，待下裝完畢重新啟動(dòng)才能正常運(yùn)行。這種離線組態(tài)，不利于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和在線修改。4數(shù)據(jù)高速通路（DHW）數(shù)據(jù)高速通路是串行通信線，是連接PCU，DAU和OS的紐帶，是實(shí)現(xiàn)分散控制和集中管理的關(guān)鍵。DHW由通信電纜和通信軟件所組成，采用DCS生產(chǎn)廠自定義的通信協(xié)議（即專用協(xié)議）

20、，傳輸介質(zhì)為雙絞線，傳輸速率為幾十Kbps(kilobits persecond),傳輸距離為幾十米。在20世紀(jì)70年代，繼TDC2000之后，世界上一些公司也相繼推出了自己的第一代DCS，例如Yokogawa(橫河)公司的CENTUM，F(xiàn)oxboro公司的SPECTRUM，Bailey公司的NETWORK-90，等等。20世紀(jì)70年代為DCS的初創(chuàng)期。盡管第一代DCS在技術(shù)性能上尚有明顯的局限性，還是推動(dòng)了DCS的發(fā)展，讓人們看到了DCS用于過(guò)程控制的曙光。2.2.2第二代DCS20時(shí)節(jié)80年代,由于大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展,16位、32位微處理機(jī)技術(shù)的成熟,特別是局域網(wǎng)(local are

21、a network,LAN)技術(shù)用于DCS,給DCS帶來(lái)新的面貌，形成了第二代DCS。第二代DCS的基本結(jié)構(gòu)如圖2.8所示，主要由以下6部分組成。圖2.8 第二代DCS基本結(jié)構(gòu)1 過(guò)程控制站（PCS）過(guò)程控制站（process control station,PCS）為16位微處理機(jī)，其性能和功能比第一代DCS的過(guò)程控制單元（PCU）有了很大的提高和擴(kuò)展。不僅有連續(xù)控制功能，可以組成16個(gè)或32個(gè)PID控制回路；而且有邏輯控制、順序控制和批量控制功能，這4類控制功能完全滿足了過(guò)程控制的需要。由于計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度和數(shù)據(jù)采集速度加快，從而使周期縮短為0.5s1s;另外，計(jì)算機(jī)處理量加大，也使軟功能模

22、塊的種類和數(shù)量都有所增加，進(jìn)一步提高了控制水平。為了提高可靠性，采用冗余CPU和冗余電源，在線熱備份。操作員站（OS）操作員站為16位或32位微處理機(jī)或小型機(jī)，配置彩色CRT、拷貝機(jī)和打印機(jī)、專用操作員鍵盤。圖文并茂形象逼真的彩色畫(huà)面、圖表和聲光報(bào)警等豐富的人機(jī)界面，使操作員對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的監(jiān)視、操作和管理有如身臨其境之感。 工程師站（ES）工程師站為16位或32位微處理機(jī)，供計(jì)算機(jī)工程師生成DCS，維護(hù)和診斷DCS；供控制工程師進(jìn)行控制系統(tǒng)組態(tài)，制作人機(jī)界面，特殊應(yīng)用軟件編程。某些DCS，用操作員站兼作工程師站。第二代DCS的工程師站既可用作離線組態(tài)，也可用作在線組態(tài)。所謂在線組態(tài)就是物理上構(gòu)成

23、如圖2.8所示的完整系統(tǒng)，并處于正常運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)可在ES上進(jìn)行控制系統(tǒng)組態(tài)，組態(tài)完畢再向PCS下裝組態(tài)文件，并不影響PCS的正常運(yùn)行。 監(jiān)控計(jì)算機(jī)站（SCS）監(jiān)控計(jì)算機(jī)站為16位或32位微處理機(jī)，作為過(guò)程控制站（PCS）的上位機(jī)，除了進(jìn)行各PCS之間的協(xié)調(diào)之外，還可實(shí)現(xiàn)PCS無(wú)法完成的復(fù)雜控制算法，提高控制性能。 局域網(wǎng)（LAN）第二代DCS采用局域網(wǎng)（LAN），傳輸介質(zhì)為同軸電纜，傳輸速率為1Mbps5Mbps(megabits per second)，從而提高了DCS的整體性能，擴(kuò)展了集中管理的功能，LAN是第二代DCS的最大進(jìn)步。 網(wǎng)間連接器（GW）第一代DCS通過(guò)網(wǎng)間連接器（gate

24、way,GW）連接在LAN上，成為L(zhǎng)AN的一個(gè)節(jié)點(diǎn)。另外，由可編程邏輯控制器（programmable logic controller,PLC）組成的子系統(tǒng)也可通過(guò)GW掛在LAN上。這樣，不僅擴(kuò)展了DCS的性能，也提高了兼容性。20世紀(jì)80年代為DCS的成熟期。第二代DCS的代表產(chǎn)品有Honeywell公司的TDC3000，Yokogawa(橫河)公司的CENTUM-XL，F(xiàn)oxboro公司的I/AS，Bailey公司的INFI-90，等等。2.2.3第三代DCS20世紀(jì)90年代為DCS的發(fā)展期,無(wú)論是硬件還是軟件,都采用了一系列高新技術(shù),幾乎與“4C”技術(shù)的發(fā)展同步，使DCS向更高層次發(fā)展

25、，出現(xiàn)了第三代DCS。第三代DCS的基本結(jié)構(gòu)如圖2.9所示，類似于第二代DCS，但其硬件和軟件作了多項(xiàng)革新，采用了20世紀(jì)90年代最新的計(jì)算機(jī)技術(shù)。 圖2.9 第三代DCS基本結(jié)構(gòu)1 過(guò)程控制站（PCS）過(guò)程控制站（PCS）分為兩極，第一級(jí)為過(guò)程控制單元（PCU），采用32位微處理機(jī)；第二級(jí)為輸入輸出單元（IOU），每塊I/O板采用8位或16位單片機(jī)；PCU與IOU之間通過(guò)輸入輸出總線（IOBUS）連接，每塊I/O板為IOBUS上的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，并可以將IOU直接安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)。IOBUS傳輸介質(zhì)為雙絞線或同軸電纜，傳輸距離為100m1000m,傳輸速率為100Kbps1000Kbps。為了提高可

26、靠性，采用冗余的PCU，I/O板，IOBUS和電源。另外，PCS不僅擴(kuò)展了功能，而且增加了先進(jìn)控制算法，并采用PID參數(shù)自整定技術(shù)。2 操作員站（OS）操作員站采用32位高檔微處理機(jī)、高分辨率彩色CRT、觸摸屏幕和多窗口顯示，并采用語(yǔ)音合成和工業(yè)電視（industry television,ITV）等多媒體技術(shù)。使其操作更為簡(jiǎn)單，響應(yīng)速度加快，更具現(xiàn)場(chǎng)效應(yīng)。3 工程師站（ES）工程師站的組態(tài)一改傳統(tǒng)的填表方式，而采用形象直觀的結(jié)構(gòu)圖連接方式和多窗口技術(shù)，并采用CAD和仿真調(diào)試技術(shù)，使其組態(tài)更為簡(jiǎn)便，更為形象直觀，提高了設(shè)計(jì)效率。4 監(jiān)控計(jì)算機(jī)站（SCS）監(jiān)控計(jì)算機(jī)站為32位或64位小型計(jì)算機(jī)，

27、除了作為PCS的上位機(jī)進(jìn)行各PCS之間的協(xié)調(diào)之外，還用來(lái)建立生產(chǎn)過(guò)程數(shù)學(xué)模型和專家系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)控制、預(yù)測(cè)控制、推理控制、故障診斷和生產(chǎn)過(guò)程優(yōu)化控制等。5 開(kāi)放式系統(tǒng)第一，二代DCS基本上為封閉系統(tǒng)，不同系統(tǒng)之間無(wú)法互連。第三代DCS局域網(wǎng)（LAN）遵循開(kāi)放系統(tǒng)互連（open system interconnection,OSI）參考模型的7層通信協(xié)議，符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。向上與生產(chǎn)管理網(wǎng)絡(luò)（manufactory management network,MNET）互連；生產(chǎn)管理計(jì)算機(jī)（manufactory management computer,MMC）再通過(guò)MNET互連；向下支持現(xiàn)場(chǎng)總線，即現(xiàn)

28、場(chǎng)總線儀表可與PCS或IOBUS互連。第三代DCS已成為CIMS或CIPS的基礎(chǔ)層，很容易構(gòu)成信息集成系統(tǒng)。2.2.4新一代DCSDCS發(fā)展到第三代,盡管采用了一系列新技術(shù),但是生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)層仍然沒(méi)有擺脫沿用了幾十年的常規(guī)模擬儀表。DCS從輸入輸出單元(IOU)以上各層均采用了計(jì)算機(jī)和數(shù)字通信技術(shù)，惟有生產(chǎn)現(xiàn)成層的常規(guī)模擬儀表仍然是一對(duì)一模擬信號(hào)(4mA20mA DC)傳輸,多臺(tái)模擬儀表集中接于IOU。生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)層的模擬儀表與DCS各層形成極大的反差和不協(xié)調(diào)，并制約了DCS的發(fā)展。因此，人們要變革現(xiàn)場(chǎng)模擬儀表，改為現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字儀表，并用現(xiàn)場(chǎng)總線（field bus）互連。由此帶來(lái)DCS控制站的變革，即將

29、控制站內(nèi)的軟功能模塊分散地分布在各臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字儀表中，并可統(tǒng)一組態(tài)構(gòu)成控制回路，實(shí)現(xiàn)徹底的分散控制，也就是說(shuō)，由多臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字儀表在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)成虛擬控制站（virtual control station,VCS）。這兩項(xiàng)變革的核心是現(xiàn)場(chǎng)總線。20世紀(jì)90年代現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)有了重大突破，公布了現(xiàn)場(chǎng)總線的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)并生產(chǎn)出現(xiàn)場(chǎng)總線數(shù)字儀表。現(xiàn)場(chǎng)總線為變革DCS帶來(lái)希望和可能，標(biāo)志著新一代DCS的產(chǎn)生，取名為現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（field bus control system,FCS），其結(jié)構(gòu)原形如圖2.10所示。該圖中流量變送器（FT）、溫度變送器（TT）、壓力變送器（PT）分別含有對(duì)應(yīng)的輸入模塊FI-12

30、1，TI-122，PI-123，調(diào)節(jié)閥（V）中含有PID控制模塊（PID-124）和輸出模塊（FO-125），用這些功能模塊就可以在現(xiàn)場(chǎng)總線上構(gòu)成PID控制回路。現(xiàn)場(chǎng)總線接口（field bus interfacs,FBI）下接現(xiàn)場(chǎng)總線，上接局域網(wǎng)（LAN），即FBI作為現(xiàn)場(chǎng)總線與局域網(wǎng)之間的網(wǎng)絡(luò)接口。將圖2.9和圖2.10比較可知，F(xiàn)CS革新了DCS的現(xiàn)場(chǎng)控制站及現(xiàn)場(chǎng)模擬儀表，用現(xiàn)場(chǎng)總線將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字儀表互連在一起，構(gòu)成控制回路，形成現(xiàn)場(chǎng)控制層。即FCS用現(xiàn)場(chǎng)控制層取代了DCS的直接控制層，操作監(jiān)控層及其以上各層仍然同DCS，圖2.10僅畫(huà)到操作監(jiān)控層為止，省略了生產(chǎn)管理層。 圖2.10 新一代

31、DCS(FCS)結(jié)構(gòu)原型23 DCS的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)DCS自問(wèn)世以來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)、控制、通信和屏幕 顯示技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展，一直處于上升發(fā)展?fàn)顟B(tài)，廣泛地應(yīng)用于工業(yè)控制的各個(gè)領(lǐng)域。究其原因是DCS有一系列特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，主要表現(xiàn)在以下6個(gè)方面：分散性和集中性，自治性和協(xié)調(diào)性，靈活性和擴(kuò)展性，先進(jìn)性和繼承性，可靠性和適應(yīng)性，友好性和新穎性。2.3.1分散性和集中性DCS分散性的含義是廣義的，不單是分散控制，還有地域分散、設(shè)備分散、功能分散和危險(xiǎn)分散的含義。分散的目的是為了使危險(xiǎn)分散，進(jìn)而提高系統(tǒng)的可靠性和安全性。DCS硬件積木化和軟件模塊化是分散性的具體體現(xiàn)。因此，可以因地制宜地分散配置系統(tǒng)。DCS縱向分層

32、次結(jié)構(gòu)，可分為直接控制層、操作監(jiān)控層和生產(chǎn)管理層，如圖2.9所示。DCS橫向分子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如直接控制層中一臺(tái)過(guò)程控制站（PCS）可看作一個(gè)子系統(tǒng)；操作監(jiān)控層中的一臺(tái)操作員站（OS）也可看作一個(gè)子系統(tǒng)。DCS的集中性是指集中監(jiān)控、集中操作和集中管理。DCS通信網(wǎng)絡(luò)和分布式數(shù)據(jù)庫(kù)是集中性的具體表現(xiàn)，用通信網(wǎng)絡(luò)把物理分散的設(shè)備構(gòu)成統(tǒng)一的整體，用分布式數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)的信息集成，進(jìn)而達(dá)到信息共享。因此，可以同時(shí)在多臺(tái)操作員站上實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控、集中操作和集中管理。當(dāng)然，操作員站的地理位置不必強(qiáng)求集中。2.3.2自治性和協(xié)調(diào)性DCS的自治性是指系統(tǒng)中的各臺(tái)計(jì)算機(jī)均可獨(dú)立地工作，例如，過(guò)程控制站能自主地進(jìn)行信號(hào)輸入、運(yùn)算、控制和輸出；操作員站能自主地實(shí)現(xiàn)監(jiān)控、操作和管理；工程師站的組態(tài)功能更為獨(dú)立，既可在線組態(tài)，也可離線組態(tài)，甚至可以在與組態(tài)軟件兼容的其他計(jì)算機(jī)上組態(tài)，形成組態(tài)文件后再裝入DCS運(yùn)行。DCS的協(xié)調(diào)性是指系統(tǒng)中的各臺(tái)計(jì)算機(jī)用通信網(wǎng)絡(luò)互連在一起，相互傳送信息，相互協(xié)調(diào)工作，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的總體功能。DCS的分散和集中、自治和協(xié)調(diào)不是互相對(duì)立，而是互相補(bǔ)充。