第01章集散系统概述

0第一章集散系统概述.............................................11.DCS的产生和发展...........................................11.1DCS的产生过程.......................................11.2DCS的发展历程.......................................22.集散控制系统的特点.......................................52.1相同或类似的构成....................................52.2采用分级递阶结构....................................62.3采用计算机技术......................................62.4丰富的功能软件包....................................62.5采用局部网络通信技术................................72.6强有力的操作界面....................................72.7采用高可靠性的技术..................................73.集散控制系统的发展趋势...................................83.1系统开放化..........................................83.2中、小型及微型化....................................83.3操作站的功能强化....................................83.4通信网络光缆化......................................93.6软件更加丰富.......................................103.7引入现场总线.......................................101第一章集散系统概述随着现代化工业的飞速发展，生产规模不断扩大，工艺过程愈趋复杂，工艺流程前后工序相互关联与制约更加紧密；热量平衡和物料平衡相互依赖，能源得以充分利用；与此同时，为连续、安全、平稳生产，增加产量，提高产品质量，相应地对过程信息与控制管理提出了更高的要求。根据工业生产过程需要，1975年诞生了世界上第一套集散型控制系统，到目前，集散型控制系统已在世界范围内的过程控制领域得到了广泛的应用，它是工业自动化代表领域的一个重大变革，是过程自动控制技术发展史上出现的划时代进步，标志着生产过程控制的一个新的发展阶段。所谓集散型控制系统，简称集散系统，其英语名称为DistributedControlSystem（简称DCS），其含义是，利用微处理机或微型计算机技术对生产过程进行集中管理和分散控制的系统。1995年国际标准化组织（ISO）为DCS系统作了如下定义：DCS系统是一类满足大型工业生产和日益复杂的过程控制要求，从综合自动化角度出发，按功能分散、管理集中的原则构思，具有高可靠性指标，将微处理机技术、数字通讯技术、人机接口技术、I/O接口技术相结合，用于数据采集、过程控制和生产管理的综合控制系统。从上述定义可以看出，DCS的技术基础是微型计算机，应用对象是生产过程，技术特点是集中操作、管理和分散控制。1.DCS的产生和发展1.1DCS的产生过程早在50年代，工业自动化仪表以气动仪表为主流。大家很熟悉的气动单元组合仪表，是根据自动调节系统中各个环节的不同功能，将整个调节系统分成若干个具有独立作用的单元，各个单元之间用统一的信号相互联系。单元的品种并不很多，可以满足生产工艺的需要，组成各种调节系统。目前，一些工厂或装置仍有气动单元组合仪表控制系统在运行。250年代后期，由于电子技术的迅速发展，出现了电动单元组合仪表，它的明显优点是速度快、功能强、应用范围广、组成系统规模大，因此很快发展成为主流，控制室里安装的仪表愈来愈多，仪表盘的面积愈来愈大。现在，我国大多数工厂或装置仍采用电动单元组合仪表控制系统。60年代，随着工业生产过程的大规模化、复杂化，要求控制系统既能处理大量数据，又能实现较高级控制，便逐渐引入计算机，开始采用直接数字控制（DDC）技术。计算机控制具有容易实现高级控制，容易进行信息通信，实现集中控制显示操作，控制精度高等优点，从而使生产过程综合控制水平得到进一步提高。但是，在一个大型化工厂或装置中，一台计算机控制系统，往往要集中控制几十个甚至几百个回路，要集中显示几百个过程变量的报警信息，显然随着控制功能高度集中，事故发生的危险性也高度集中，一旦计算机控制系统出现故障，控制、监视、操作都将无法进行，势必给生产带来重大损失。因此，DDC技术在带来很多优点的同时，也带来了“危险集中”的隐患。为此，解决危险分散及可靠性问题日益重要。进入70年代，大规模集成电路问世，微处理器(MicroProcessor)诞生，使4C技术（即控制技术、显示技术、计算机技术、通信技术）得到重大发展，人们为了继承常规模拟仪表和计算机控制系统的优点，进—步提高控制系统安全性和可靠性，降低成本，开发研制了集散型控制系统（即DCS）。DCS按控制功能或区域将微处理器进行分散配置，每个带微处理器的控制站控制装置的一部分，使控制功能得以分散，从而实现了危险分散，较好地解决了DDC危险性集中的问题。同时，DCS系统还极大地改进了操作界面，实现多种控制功能，将操作、管理与生产过程密切地结合了起来。继1975年美国霍尼韦尔公司（Honeywell）和日本横河电机株式会社(Yokogawa)率先相继推出TDCS2000(TotalDistributedControlSystem，TDCS)系统和CENTUM系统后，世界各国各大仪表制造公司推出了一个又一个DCS产品，从此，过程控制进入了DCS的新时期。1.2DCS的发展历程从1975年以来，DCS的硬件和软件功能不断完善和强化，其发展过程大体可3分三个阶段。第一阶段（1975年至1980年）为DCS的初创期。第一代DCS产品中比较著名的还有：美国FOXBORO公司的Spectrum，Bailey公司的Network90，德国西门子(Simens)公司的TeleperM等。这一时期DCS的基本结构由5个部分组成：过程控制单元(ProcessControlUnit，简称PCU)、数据采集装置（DataAcquisitionUnit，简称DAU）、CRT操作站、监控计算机（SupervisorComputer）和数据高速公路（DataHiway）。见图1-1。其技术特点是：(1)采用以微处理器为基础的过程控制单元，实现了分散控制。(2)在硬件制造和软件设计上采用了冗余技术，信号处理采用抗干扰措施，系统可靠性极大提高。(3)实现集中监视、集中操作、系统信息综合管理的操作站与过程控制单元分离，初步形成集中分散的分级递阶结构，具备了DCS的重要标志。(4)引入了网络通信技术，系统各组成部分由网络传输介质相连。第二阶段（1980年至1985年）为DCS的成熟期。80年代随着超大规模集成电路的出现，产生了第二代集散控制系统。这一时期的典型产品有：Honeywell公司的TDC3000（Basic），YOKOGAWA的CENTUM-A/B/C，Tailor公司的MOD-300，西屋（WestingHouse）公司的WDPE，罗斯蒙特（Rosemount）公司的SYSTEM3，费希尔（Fisher）公司的Provox6400/6500系列等。这一时期的DCS一般由6个部分组成：局域网（LocalAreaNetwork，）、多功能PCU、主计算机、增强型操作站（EnhancedOperationStation）、网间连接器(Gateway)和系统管理站。见图CRT操作站监控计算机过程控制单元数据采集单元高速数据通道图1-1初创期DCS构成图1-2成熟期DCS构成中央操作站管理系统过程控制单元GWLAN上位计算机子系统GW其它工业网络41-2。这一时期DCS的技术特点是：(1)引入了先进的局域网技术，以加强系统通信。但各厂家网络通信机制各不相同。(2)应用了16位或32位微处理机技术，板级模块化，单元结构化，PCU的功能兼有连续控制、顺序控制、批量控制和数据采集监控的功能，成为多功能的PCU。(3)中央操作站是局域网上的一个节点，其功能进一步增强，除了对过程进行操作管理外，还可以调用、了解系统各部分的其它信息，是全系统的主操作站。(4)加强了全系统的管理功能，用一台计算机专门负责，它包括历史单元模件、应用单元模件及系统优化模件等。(5)上位计算机(主机)，常为小型机，外设功能强，具有进行复杂运算的能力和较强的管理能力。(6)采用网间连接器（GateWay，GW），便于与其子网络或其它网络连接，是实现互连网的一种过渡措施。显而易见，如果说第一阶段集散控制系统以实现分散控制为主的话，第二阶段集散控制系统则是实现全系统信息的管理为主。第三阶段（1985年以后）为DCS的扩展期。由于网络通信技术的迅速发展，产生了打破“自动化孤岛”，建立标准化的通信协议，实现各种工业网络互连的需要，出现了第三代集散型控制系统。这一时期的代表性产品有：Honeywell的TDC3000，TPS，Yokogawa的CENTUM–XL/CS/CS3000，Fisher-Rosemount的Delta-V，Foxboro的I／AS，Bailey公司的INFI-90，WestingHouse的WDPEII、III等。这一时期DCS的基本组成如图l-3所示。这一时期DCS的技术特点是：(1)由于企业用户对DCS开放性的要求日益增强，DCS开始走向开放。新的系统向上能有图1-3扩展期DCS构成节点装置MAP或MAP兼容协议主计算机子系统节点工作站智能变送器GW智能仪表5条件地与工厂自动化协议(ManufactureAutomationProtocol，简称MAP协议)和Ethernet(以太网)连接，构成综合的管理系统；向下支持标准化的现场总线，能与智能变送器、智能调节阀等实现可靠的数字通信。(2)普遍采用32位微处理器，处理信息量扩大，功能增强，标准算法中开始包括复杂控制算法；采用专用集成电路和表面安装技术，使各种板卡上的元件数更少、体积小、可靠性更高。(3)操作站功能增强，操作界面更为友好。采用高分辨率显示器、触摸屏、鼠标器以及窗口技术的运用等，使其操作更简单，响应速度更快。(4)采用实时多用户、多任务的操作系统，提供多种组态编程工具，把过程控制、先进控制、过程优化和管理调度有机结合起来，构成较大范围的信息管理系统。(5)系统小型化，以满足中、小规模生产装置的需要。集散控制系统还将继续发展，特别是在系统小型及微型化，现场变送器智能化，现场总线标准化，通信网络标准化，DCS与PLC互相渗透，监控计算机、PC机进入DCS系统，系统软件引入应用专家系统和人工智能等方面会进一步完善，集散控制系统更加适应各种过程控制的需要，将会取得更好的技术经济效益。在国外著名厂家的DCS迅速发展之际，国内的DCS也在自己的道路上不断发展。国内DCS的研制工作开始于1978年，现在已有若干颇具规模的制造商，其中，北京和利时、浙大中控、上海新华都已形成自己的产品系列，在与国外产品竞争中占据了一席之地。这三个厂家的最新DCS产品分别是：和利时的MACS，浙大中控的SUPCONJX，上海新华的XDPS-500，它们在电力、轻工、化工、石化等行业得到了较广泛的应用。2.集散控制系统的特点DCS自70年代中期推出以来之所以经久不衰，是因为它始终紧跟时代的发展而不断丰富和完善，与常规仪表相比，具有独特而鲜明的技术特点。2.1相同或类似的构成集