DCS系統基礎知識

第一節、DCS的基本概念

集散控制系統（Distributed Control System）亦稱分布式控制系統（簡稱DCS），是結合多種先進技術而形成的，對生產過程進行集中監測、操作、管理和分散控制的一種控制技術，是隨著現代大型工業生產自動化的不斷發展和過程控制要求的日益復雜應運而生的一種綜合控制系統，是完成過程控制、過程管理的現代化設備。

集散控制系統是4C 技術的產物。這4C 就是指控制技術（Control）、計算機技術（Computer）、通信技術（Communication）、和CRT（Cathode Ray Tube）技術。DCS通常采用若干個控制器（過程站）對一個生產過程中的眾多控制點進行控制，各控制器間通過網絡連接并可進行數據交換。操作采用計算機操作站，通過網絡與控制器連接，收集生產數據，傳達操作指令。DCS系統既不同于分散的儀表控制，又不同于集中式計算機控制系統，是4C 技術相互滲透發展而產生的。

基本原理：控制分散、管理集中

第二節、DCS的發展情況

過程控制設備的發展歷史，大概有以下幾個階段：30年代——機械式儀表現場操作；40年代——大型氣動式儀表控制室操作；50年代——氣動單元組合儀表控制室操作；60年代——電動單元組合儀表；70年代——集散控制系統。即經過了就地分散控制――模擬儀表集中控制――計算機集中控制――計算機分散控制（DCS）幾個階段。

集散控制系統從誕生之日起，已經歷了三代，目前的第四代正在發展之中。

DCS開創期：1975～1980年

l 代表產品：Honeywell，TDC2000

l           FOXBORO，Spectrum

l           Baily，N-90

l 橫河，CENTUM

這些第一代的集散控制系統以微處理器為基礎的過程控制單元，實現多種控制功能算法，并實現分散控制；采用帶顯示器的操作站，與過程控制單元分離，實現集中監視、集中操作、信息綜合管理；采用較先進的冗余通信系統、用同軸電纜作為傳輸媒質，實現控制單元與操作站的通信，已具有DCS的基本特點（即分散控制，集中管理），是DCS的雛形。

l DCS成長過渡期：1980～1985年

l 代表產品：Honeywell，TDC2000

l           FOXBORO，Spectrum

l           Baily，N-90

l 橫河，CENTUM

第二代的主要特點是在原來產品的基礎上進行改進，進一步提高可靠性并擴展和增強了功能。

其特點是采用模塊化、標準化設計，數據通信向標準化遷移，板級模塊化，單元結構化，使之具有更強適應性和可擴充性；新開發的多功能過程控制站、增強型操作站采用了16位CPU及高分辨率CRT技術；通信系統已采用局域網絡（從主從式的星形變為總線網絡或環網通信），使系統通信范圍擴大，同時數據傳輸速率也大大提高；控制功能更加完善，它能實現過程控制、數據采集、順序控制和批量控制功能。

其基本結構由六部分組成，即局域網絡、多功能現場控制站、增強型操作站、主計算機、網絡連接器和系統管理站等。

DCS完善期：80年代中后期

代表產品：Honeywell，TDC3000

l         FOXBORO，I/A SERIES

l  Baily，INFI-90

l         Moore ，PACS

這階段的特點是向開放式、標準化方向發展，實現了開放式的系統通信，向上能與 MAP 和 Ethernet 接口，或者通過網間連接器與其它網絡聯系，構成復合管理系統，并與不同制造商的產品能進行數據通信；向下支持現場總線，它使得過程控制或車間的智能變送器、執行器和本地控制器之間能實現可靠的實時數據通信。

開放系統是第三代集散控制系統主要特征。根據X/OPEN協會的定義，以規范化與實際存在的接口標準為依據而建立的計算機系統、網絡系統及相關的通信系統，這些標準可為各種應用系統的標準平臺提供軟件的可移植性、系統的互操作性、信息資源管理的靈活性和更大的可選擇性。

開放系統的基本特征如下：

可移植性（portability）

互操作性（interoperability）

可適宜性（scalability）

可得到性（availability）

DCS管控一體化時期：90年代初至今

代表產品：Honeywell，TPS系統（Total Plant System）

PKS系統(Process knowledge System)

橫河，CENTUM－CS

ABB，ADVANT系統OCS開放控制系統

當今的 DCS是生產過程控制系統與信息管理系統緊密結合的“管控一體化"的新一代集散型控制系統。由于工廠、企業的信息集成和管理已經提到一定的高度，DCS 系統的功能已不再只局限于生產過程的控制，在整個工廠、集團公司的管理中，DCS 也能發揮相應的作用。

第三節、DCS的體系結構

DCS的結構是一個分布式系統，從整體邏輯結構上講，是一個分支樹結構。其縱向結構分為過程控制級、控制管理級和生產管理級三級遞階結構。過程控制級主要由過程控制站、I/O單元和現場儀表組成，是系統控制功能的主要實施部分。操作管理級包括：操作員站和工程師站，完成系統的操作和組態。生產管理級主要是指工廠管理信息系統（MIS系統），作為DCS更高層次的應用，目前國內應用到這一層的系統較少。整個系統由3 部分構成，即集中管理部分、分散控制監測部分和網絡通信部分。

過程控制級（直接控制級）

在這一級上，過程控制計算機直接與現場各類裝置（變送器、執行器、記錄儀等）相連，對所連接的裝置實施檢測與控制，同時接收上層來的管理信息，并向上層傳遞裝置的特性數據和采集到的實時數據。

過程控制級是集散控制系統的基礎，其主要功能有：

（1）進行過程數據采集：現場檢測模擬量、數字量和脈沖量的輸入/輸出并進行轉換處理，控制運算結果的直接輸出。

（2）進行直接的數字過程控制：根據控制組態數據庫中的控制算法模塊，各種控制回路的運算(回路調節、邏輯運算等等)，來實施對實時過程量的控制。

（3）進行設備監測和系統的測試和診斷：把過程變量和狀態信息提取后，分析是否可以接受以及是否允許向高層傳輸，進而確定是否對被控裝置實施調節；必要時實施報警、錯誤或診斷報告等措施。

（4）實施安全性、冗余化方面的措施：一旦發現故障，就立即實施備用件的切換。

過程管理級

在這一級上的過程管理計算機主要有監控計算機、操作站、工程師站。它綜合監視過程各站的所有信息，集中顯示操作，控制回路組態和參數修改，優化過程處理等。這一層的具體功能有：優化過程控制、自適應回路控制、優化單元內各裝置

工程師站：負責系統的管理、控制組態、系統的生成與下裝；

操作員站：是人機接口，由PC機系統(含CRT、鍵盤、打印機)負責生產工藝的操作控制、過程狀態顯示、報警狀態顯示、實時數據和歷史數據的顯示、打印等；

上位機：即管理計算機，它實現生產調度管理、優化計算、生產經營管理與分析決策等層次的管理和計算。

產品管理級（生產管理級）

在這一級上的管理計算機根據產品各部件的特點，協調各單元級的參數設定，是產品的總體協同員和控制器，負責廠級的生產調度和優化。

要求根據用戶的訂貨情況、庫存情況、能源情況來規劃各單元中的產品結構和規模，并可對產品重新計劃，隨時更改產品結構。對于綜合全廠生產和產品監視，以及產品報告也都在這一層實現，并與上層交換傳遞數據。具體有：規劃產品結構和規模；產品監視；產品報告；工廠生產監視。

第四節、DCS的硬件結構

目前，世界上的DCS生產廠家很多，不同的系統采用的計算機硬件差別很大。DCS的硬件系統是通過網絡將不同數目的現場控制站、操作員站和工程師站連接起來，共同完成各種采集、控制、顯示、操作和管理功能。

DCS的控制決策是由過程控制站完成的，所以控制程序是由過程控制站執行的。DCS的過程控制站是一個完整的控制系統，主要由電源、控制器、網絡接口和I/O組成

1、電源

DCS具有效率高、穩定性好、無干擾的交流供電系統。每一個現場控制站采用交流雙電源供電。在石油、化工等對控制連續性要求特別高的場合，要求設置不間斷供電電源（UPS），UPS的供電時間由負載用電量與蓄電池容量所確定。用戶應在選型時根據裝置在停電后必須保持正常控制的時間，確定電池的容量。

2、操作站

DCS操作站一般分為操作員站和工程師站兩種。其主要功能為過程顯示和控制、系統生成與診斷、現場數據的采集和恢復顯示等。

幾乎所有的DCS都支持多種組態功能，包括數據庫的生成、歷史記錄的創建、生產流程畫面的生成、生產記錄報表的生成、連續控制回路的組態、順序控制的組態等，這些組態功能通常在工程師站上完成。

l 3、I/O通道

控制系統需要建立信號的輸入和輸出通道，這就是I/O通道。DCS中的I/O通道一般是模塊化的，一個I/O模件上有一個或多個I/O通道，用來連接傳感器和執行器（調節閥）。

常見的信號有模擬量信號和數字量信號。模擬量是指連續變化的信號（如4~20mA,0~5V）；數字量是只有開關狀態的信號。

DCS系統常用的I/O模件有：

（1）模擬量輸入模件

模擬量輸入模件接收由現場送來的模擬量信號，對信號的量程、零點進行校正和調整，并將其轉換為數字量，轉換為工程單位，然后經I/O總線傳送給處理器模件。

（2）模擬量輸出模件

模擬量輸出模件的作用是把處理器模件輸出的控制量信號轉化成具有一定帶負載能力的電壓或電流信號，輸出到現場的執行機構，以實現對生產過程的控制。

（3）開關量輸入模件

開關量輸入模件接收由現場輸入的開關量信號，對其進行預處理之后，將反映開關量狀態變化的數字量信號經I/O總線送往處理器模件。

開關量輸入模件由輸入隔離電路、閾值判別電路、控制邏輯電路、模件狀態監測電路、I/O總線接口等部分組成。

（4）開關量輸出模件

開關量輸出模件通過I/O總線接收處理器模件輸出的開關量信號，經該模件輸出，以便控制現場的開關量控制設備。

開關量輸出模件由輸出寄存器、輸出選擇器、輸出驅動電路、狀態緩存器、故障控制邏輯、故障狀態寄存器、總線故障監測電路等部分所組成。

（5）脈沖量輸入模件

脈沖量輸入模件的作用是將來自生產過程中的脈沖量信號進行處理，存儲并通過I/O總線傳送給處理器模件。一個脈沖量輸入模件可以接收多個脈沖量輸入信號。

第五節、DCS系統軟件

軟件是DCS的重要組成部分，一個基本的過程控制計算機系統的軟件可分為兩個部分：系統軟件（又稱計算機系統軟件）和應用軟件（又稱過程控制軟件）。但由于DCS的分布式結構，又增加了諸如通信管理軟件、組態生成軟件以及診斷軟件等。

通過專用的軟件定義系統的過程就是組態（configuration）。定義過程站各模塊的排列位置和類型的過程叫過程站硬件組態；定義過程站控制策略和控制程序的過程叫控制策略組態；定義操作員站監控程序的過程叫操作員站組態；定義系統網絡連接方式和各站地址的過程叫網絡組態。

第六節、冗余化的結構和I/O余量

為了提高系統的可靠性，DCS系統重要設備、對全局系統有影響的公共設備上常采用冗余結構，這是指系統中一些關鍵模塊或網絡在設計上有一個或多個備份，當現在工作的部分出現問題時，系統可以通過特殊的軟件或硬件自動切換到備份上，從而保證了系統不間斷工作。通常設計的冗余方式包括：CPU冗余、網絡冗余、電源冗余。在情況下，一些系統會考慮全系統冗余，即還包括I/O冗余。

與冗余不同，I/O余量只是系統中I/O數量大于應用的要求，這種余量只是數量上的，主要目的是使系統今后有繼續加入控制信號的可能。

習題：

1、什么是DCS？

DCS是分布式控制系統的英文縮寫（Distributed Control System），在國內自控行業又稱之為集散控制系統。

2、 DCS有什么特點？

DCS是計算機技術、控制技術、網絡技術和CRT技術高度結合的產物。DCS通常采用若干個控制器（過程站）對一個生產過程中的眾多控制點進行控制，各控制器間通過網絡連接并可進行數據交換。操作采用計算機操作站，通過網絡與控制器連接，收集生產數據，傳達操作指令。因此，DCS的主要特點歸結為一句話就是：分散控制集中管理。

3、 DCS的結構是怎樣的？

從結構上劃分，DCS包括過程控制級、操作管理級和生產管理級。過程控制級主要由過程控制站、I/O單元和現場儀表組成，是系統控制功能的主要實施部分。操作管理級包括：操作員站和工程師站，完成系統的操作和組態。生產管理級主要是指工廠管理信息系統（MIS系統），作為DCS更高層次的應用，目前國內應用到這一層的系統較少。

4、 DCS的控制程序是由誰執行的？

DCS的控制決策是由過程控制站完成的，所以控制程序是由過程控制站執行的。

5、過程控制站的組成如何?

DCS的過程控制站是一個完整的控制系統，主要由電源、控制器、網絡接口和I/O組成

6、 I/O是什么？

控制系統需要建立信號的輸入和輸出通道，這就是I/O。DCS中的I/O一般是模塊化的，一個I/O模塊上有一個或多個I/O通道，用來連接傳感器和執行器（調節閥）。

7、什么是I/O單元？

通常，一個過程控制站是有幾個機架組成，每個機架可以擺放一定數量的模塊。CPU所在的機架被稱為CPU單元，同一個過程站中只能有一個CPU單元，其他只用來擺放I/O模塊的機架就是I/O單元。

8、I/O單元和CPU單元是如何連接的？

I/O單元與CPU是通過現場總線連接的。

9、什么是組態？

通過專用的軟件定義系統的過程就是組態（configuration）。定義過程站各模塊的排列位置和類型的過程叫過程站硬件組態；定義過程站控制策略和控制程序的過程叫控制策略組態；定義操作員站監控程序的過程叫操作員站組態；定義系統網絡連接方式和各站地址的過程叫網絡組態。

11、什么是模擬量和數字量？

模擬量是指連續變化的信號（如4~20mA,0~5V）；數字量是只有開關狀態的信號。

12、I/O信號是如何分類的？

常用的I/O信號一般分為：AI、AO、DI和DO。

AI--模擬量輸入信號

AO--模擬量輸出信號

DI--數字量輸入信號

DO--數字量輸出信號

13、什么是DCS的開放性？

DCS的開放性是指DCS能通過不同的接口方便地與第三方系統或設備連接，并獲取其信息的性能。這種連接主要是通過網絡實現的，采用通用的、開放的網絡協議和標準的軟件接口是DCS開放性的保障。

14、什么是系統冗余？

在一些對系統可靠性要求很高的應用中，DCS的設計需要考慮熱備份也就是系統冗余，這是指系統中一些關鍵模塊或網絡在設計上有一個或多個備份，當現在工作的部分出現問題時，系統可以通過特殊的軟件或硬件自動切換到備份上，從而保證了系統不間斷工作。通常設計的冗余方式包括：CPU冗余、網絡冗余、電源冗余。在情況下，一些系統會考慮全系統冗余，即還包括I/O冗余。

15、什么是I/O余量？

與冗余不同，I/O余量只是系統中I/O數量大于應用的要求，這種余量只是數量上的，主要目的是使系統今后有繼續加入控制信號的可能。

第二章PlantCruise系統介紹

Honeywell公司PKS系統自面世以來，因其功能強大、算法豐富、運行穩定等優點贏得了不少客戶的青睞，但是昂貴的價格也使不少中小型用戶望而卻步，因此快速、低成本地開發出一套適用于中低端市場的DCS系統勢在必行。

PlantCruise為Honeywell公司2012最新推出的中型DCS系統，是PKS家族的新成員。PlantCruise是中小型企業過程、資產和業務管理的理想平臺，他與PKS長得太像了，簡直就是一奶同胞的孿生兄弟。

1.PKS系統和PlantCruise系統的相同之處：

?使用了同樣的網絡架構，即FTE，容錯型以太網

?同樣是服務器-操作站的架構，只是服務器的名稱改為了工程師站

?同樣使用C300控制器和C系列I/O卡件，只是把外殼換了一下，穿上

了新衣服

?軟件的操作和組態界面幾乎是一模一樣

2.PKS系統和PlantCruise系統的不同之處：

?PKS系統配置了防火墻硬件，而PlantCruise系統沒有，C300控制器直

接連接到交換機上

?PKS系統支持原來老系統的PMI/O卡件，而PlantCruise系統不支持

?PKS系統的Flex操作站需要通過服務器讀取過程數據，而PlantCruise

系統的操作站全部從控制器直接讀取過程數據

?PlantCruise系統的軟件功能做了簡化，沒有PKS系統的軟件功能強大

PKS系統結構圖：

 C300控制器的系統結構

第一節  8系列卡件

2每套C300控制器（冗余或非冗余控制）最多支持80個IO Units (IOU)

2冗余或非冗余配置的8系統卡件作為1個IOU

28系列卡件通過IOLINK與CS300控制器連接

2每個IOLINK最多支持40個IOUs

2每個C300控制器有2個IOLINK接口

2每個IOLINK接口都可以連接8系統IO卡件

一、C300 Controller(C300控制器)

C300控制器是PKS系統里名副其實的指揮中心，它匯集所需信息后，經過運算和處理，做出最后的決策，發布給執行者。

為防止指揮中心癱瘓，C300控制器通常是冗余設置，安裝在RITTAL機柜內。在機柜的上側裝有電源系統，負責將220V的交流電轉換成24V的直流電，供給卡件使用。卡件突破傳統的機架安裝方式，所有卡件斜著安裝在底板上，既節省了安裝空間，又有利于卡件散熱。

C300控制器是新一代的基于CEE執行環境的控制器，由兩部分組成：

2控制器硬件

2控制器軟件CEE（Control  Execution  Environment，控制執行環境）

下圖所示為C300控制器卡件的外觀圖，它分為2大部分，底下的安裝底板叫做IOTA，上面的卡件是控制器卡，通過螺絲固定在底板上，2個部件可分別更換和購買。

最上端的指示燈是電源指示燈，只要供電正常，這個燈就是綠色，接下來是狀態指示燈，綠色代表卡件工作狀態正常，然后是顯示屏，正常顯示OK，不正常時顯示故障代碼，最下面兩個并列的兩個指示燈是控制器在FTE網絡上的通訊指示燈。

C300控制器作為在FTE網絡上的一個設備，必須設定一個IP地址，我們知道，IP地址共包含4個數字，比如說192.168.0.11，在C300控制器上的硬件上，我們只需要設定這4個數字中的最后一位，前面的3位數字在軟件上設置。

FTE地址的設定要求：設置冗余控制器地址時，主控制器的地址設定為奇數，備用控制器的地址為主控制器的地址+1；非冗余控制器只使用奇數地址。

RAM Battery Cable：

在IP地址設定旋鈕的下面是備份電池的接口，備份電池是用來給C300控制器的內存供電，以避免C300控制器斷電后內存中的信息丟失。

Redundancy Cable：

如果C300控制器是冗余配置的，2個控制器之間應連接一根冗余電纜，用于主、備控制器之間的通訊和數據庫的同步，冗余電纜就連接在這個接口上。

IOLINK Cables：

用于連接C300控制器和它所帶的I/O卡件。

二、8系統的輸入輸出卡件：

輸入卡件負責定期采集所需要的信號數據，經過一定的處理，例如信號范圍的檢查，量程的轉換等，送給C300指揮中心進行運算和處理，輸出卡件負責把C300指揮中心的運算結果送給現場的設備，例如調節閥或者電機、泵。

8系統的I/O卡件18度傾斜在利于機柜熱量均勻散發，通過與其形成一體的輸入輸出接線板（IOTA）及安裝支架直接安裝在機柜內。

每個C300控制器的底板上有兩個I/O LINK接口，通過I/O LINK電纜連接I/O卡件，對它們進行管理。一個I/O LINK接口為一組，最多連接40個卡件。I/O LINK電纜如下圖所示，多條I/O LINK電纜可串聯在一起，以便連接多個I/O卡件。