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DCS由四部份组成:I/O板、控制器、操作站、通讯网络。I/O板和控制器国际上各DCS厂家的技术水平都相差不远,如果说有些差别的话是
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DCS 系统基础及维护基本知识
第一章 DCS 系统基础知识
第一节 DCS 绪论
一、DCS 的概念
分散控制系统 DCS(DistributedControlSystem)又名集中分散控
制系统(简称集散控制系统),也叫分布式控制系统。DCS 系统是以
应用微处理器为基础,结合计算机技术、信号处理技术、测量控制技
术、通信网络和人机接口技术、实现过程控制和工厂管理的控制系统。
其实质是利用计算机技术对生产过程进行集中监视、操作、管理和分
散控制。这是继基地式气动仪表控制系统、电动单元组合式模拟仪表
控 制 系 统 ( DDZ-Ⅱ 、 DDZ-Ⅲ )、 直 接 数 字 控 制 系 统 DDC
(DirectDigitalControl)后的新一代控制系统。
DCS 从 1975 年问世以来,大约有三次比较大的变革,七十年代
操作站的硬件、操作系统、监视软件都是专用的,由各 DCS 厂家自
己开发的,也没有动态流程图,通讯网络基本上都是轮询方式的;八
十年代就不一样了,通讯网络较多使用令牌方式;九十年代操作站出
现了通用系统,九十年代末通讯网络有部份遵守 TCP/IP 协议,有的
开始采用以太网。总的来看,变化主要体现在I/O板、操作站和通
讯网络。控制器相对来讲变化要小一些。操作站主要表现在由专用机
变化到通用机,如 PC 机和小型机的应用。但是目前它的操作系统一
般采用 UNIX,也有小系统采用 NT,相比较来看 UNIX 的稳定性要
好一些,NT 则有死机现象。I/O 板主要体现在现场总线的引入 DCS
系统。
从理论上讲,一个 DCS 系统可以应用于各种行业,但是各行业
有它的特殊性,所以 DCS 也就出现了不同的分支,有时也由于 DCS
厂家技术人员工艺知识的局限性而引起,如 HONEYWELL 公司对石
化比较熟悉,其产品在石化行业应用较多,而BAILEY 的产品则在
电力行业应用比较普遍。用户在选择 DCS 的时候主要是要注意其技
术人员是否对该生产工艺比较熟悉;然后要看该系统适用于多大规模,
比如 NT 操作系统的就适应于较小规模的系统;最后是价格,不同的
组合价格会有较大的差异,而国产的 DCS 系统价格比进口的 DCS 至
少要低一半,算上备品备件则要低得更多。
DCS 由四部份组成:I/O 板、控制器、操作站、通讯网络。I/O
板和控制器国际上各 DCS 厂家的技术水平都相差不远,如果说有些
差别的话是控制器内的算法有多有少,算法的组合有些不一样,I/O
板的差别在于有的有智能,有些没有,但是控制器读取所有 I/O 数据
必须在一秒钟内完成一个循环;操作站差别比较大,主要差别是选用
PC 机还是选用小型机、采用 UNIX 还是采用 NT 操作系统、采用专
用的还是通用的监视软件,操作系统和监视软件配合比较好时可以减
少死机现象;差别最大的是通讯网络,最差的是轮询方式,最好的是
例外报告方式,根据我们的实验,其速度要相差七八倍。
二、DCS 的特点
DCS 是一个以微机为基础的标准产品的分级系列,这些产品可
以根据控制对象任意组合,为连续或间歇过程提供任意程度的分散控
制。DCS 具有如下特点:
1、控制功能多样化:DCS 的最低级为现场控制站或现场控制单
元,一般都具有几十种运算控制算法或其他数学和逻辑功能,如四则
运算、逻辑运算、前馈、超前控制、PID 控制、自适应控制和滞后时
间补偿等,还有顺序控制和各种联锁保护、报警功能。根据控制对象
的不同要求,把这些功能有机地组合起来,能方便地满足系统的要求。
2、操作简便:DCS 各级都配备了灵活且功能强的人机接口。操
作员通过 CRT 可以对被控制对象进行集中监视,通过各种功能键实
现各种操作功能,打印机可以打印各种需要的信息及报表。
3、系统便于扩展:DCS 的设计是根据不同规模的工程对象进行
的。部件设计采用积木式的结构,可以模板、模板箱机制控制柜和站
等为单位,逐步增加。用户通过通讯链路可以方便地从单台数字调节
器或过程控制站扩展成小系统,或将小规模系统扩展成中规模或大规
模系统,DCS 设置有工程师站或工程师键盘,系统工程师根据控制
对象可生成需要的自动控制系统。
4、维护方便:DCS 的设计是按照标准化、积木化、系列化进行
的。积木式的模板功能单一,便于装配和维修更换,系统配有智能的
自动故障检查诊断程序和再起动等功能,维修非常方便。
5、可靠性高:DCS 是监视集中而控制分散,故障影响面小,并
且在设计时已考虑到有联锁保护功能。诊断功能、冗余措施、系统故
障人工手动控制操作措施等,使系统可靠性大大提高。
6、便于与其它计算机联用:DCS 配备有高、中、低不同速率和
不同模式的通讯接口,可方便地与个人计算机或其他大型计算机联用,
组成工厂自动化中和控制和管理系统。随着 DCS 系统向开放系统发
展,在复合开放系统能够的各制造厂产品间可以相互连接、相互通信
和进行数据交换,第三方的应用软件也能在系统中应用,从而使 DCS
进入了更高的阶段。
三、组态的含义
什么是组态?
在使用工控软件中,组态英文是“Configuration”。简单的讲,组
态就是用应用软件中提供的工具、方法、完成工程中某一具体任务的
过程。
通过专用的软件定义系统的过程就是组态(configuration)。定义
过程站各模块的排列位置和类型的过程叫过程站硬件组态;定义过程
站控制策略和控制程序的过程叫控制策略组态;定义操作员站监控程
序的过程叫操作员站组态;定义系统网络连接方式和各站地址的过程
叫网络组态。
与硬件生产相对照,组态与组装类似。如要组装一台电脑,事
先提供了各种型号的主板、机箱、电源、CPU、显示器、硬盘、光驱
等,我们的工作就是用这些部件拼凑成自己需要的电脑。当然软件中
的组态要比硬件的组装有更大的发挥空间,因为它一般要比硬件中的
“部件”更多,而且每个“部件”都很灵活,因为软部件都有内部属性,
通过改变属性可以改变其规格(如大小、性状、颜色等)。
在组态概念出现之前,要实现某一任务,都是通过编写程序(如
使用 BASIC,C,FORTRAN 等)来实现的。编写程序不但工作量大、
周期长,而且容易犯错误,不能保证工期。组态软件的出现,解决了
这个问题。对于过去需要几个月的工作,通过组态几天就可以完成。
组态软件是有专业性的。一种组态软件只能适合某种领域的应
用。组态的概念最早出现在工业计算机控制中。如 DCS(集散控制系
统)组态,PLC(可编程控制器)梯形图组态。人机界面生成软件就
叫工控组态软件。其实在其他行业也有组态的概念,人们只是不这么
叫而已。如 AutoCAD,PhotoShop,办公软件(PowerPoint)都存在相似
的操作,即用软件提供的工具来形成自己的作品,并以数据文件保存
作品,而不是执行程序。组态形成的数据只有其制造工具或其他专用
工具才能识别。但是不同之处在于,工业控制中形成的组态结果是用
在实时监控的。组态工具的解释引擎,要根据这些组态结果实时运行。
从表面上看,组态工具的运行程序就是执行自己特定的任务。
虽然说组态就是不需要编写程序就能完成特定的应用。但是为
了提供一些灵活性,组态软件也提供了编程手段,一般都是内置编译
系统,提供类 BASIC 语言,有的甚至支持 VB。
组态软件的功能,现在的状况及将来的发展趋势。
1、总的发展趋势
组态软件是工业应用软件的一个组成部分,其发展受到很多因
素的制约。归根结底,应用的带动对其发展起着最为关键的推动作用。
未来的传感器、数据采集装置、控制器的智能化程度越来越高,
实时数据浏览和管理的需求日益高涨,有的买主甚至要求在自己的办
公室里监督定货的制造过程。有的装置直接内嵌“WebServer”,通过
以太网就可以直接访问过程实时数据。即使这样,也不能认为不再需
要组态软件了。
用户要求的多样化,决定了不可能有哪一种产品囊括全部用户
的所有要求,直接用户对监控系统人机界面的需求不可能固定为单一
的模式,因此直接用户的监控系统是始终需要“组态”和“定制”的。这
就导致组态软件不可能退出市场,因为需求是存在的。
类似 OPC 这样的组织的出现,以及现场总线、尤其是工业以太
网的快速发展,大大简化了异种设备间互连、开发 I/O 设备驱动软件
的工作量。I/O 驱动软件也逐渐会朝标准化的方向发展。
2、组态软件功能的变迁
由单一的人机界面朝数据处理机方向发展,管理的数据量越来
越大。最早的组态软件用来支撑自动化系统的硬件。那时侯,硬件系
统如果没有组态软件的支撑就很难发挥作用,甚至不能正常工作。现
在的情况有了很大改观。一方面软件部分地与硬件发生分离,大部分
自动化系统的硬件和软件现在不是由同一个厂商提供,这样就为自动
化软件的发展提供了可以充分发挥作用的舞台。
实时数据库的作用将进一步加强。实时数据库存储和检索的是
连续变化的过程数据,它的发展离不开高性能计算机和大容量硬盘,
现在越来越多的用户通过实时数据库来分析生产情况、汇总和统计生
产数据,作为指挥、决策的依据。
在最终用户的眼里,组态软件在一个自动化系统中发挥的作用
逐渐增大,甚至有的系统就根本不能缺少组态软件。这其中的主要原
因是软件的功能强大,用户也存在普遍的需求,广大用户在厂家强大
的宣传攻势面前逐渐认清了软件的价值所在。
3、推动组态软件发展的动力
需求是推动其发展的第一动力,市场会逐步扩大。组态软件市
场的崛起一方面为最终用户节省了系统投资,另外也为用户解决了实
际问题。现在用户购买组态软件虽然也需要一定的投资,但是和以前
相比,投资额得到了大大降低。使用组态软件,用户可以做到“花了
少量的钱,办成了大事情”。
中国的现代化建设正处于上升期,新项目的上马、基础设施的
改造大量需要组态软件,另一方面,传统产业的改造、原有系统的升
级和扩容也需要组态软件的支撑。
社会信息化的加速是组态软件市场增长的强大推动力。随着经
济发展水平的提升,信息化社会将为组态软件带来更多的市场机会。
4、用户对组态软件的需求变化
专用系统所占比例日益提高。组态软件的灵活程度和使用效率
是一对矛盾,虽然组态软件提供了很多灵活的技术手段,但是在多数
情况下,用户只使用其中的一小部分,而使用方法的复杂化又给用户
熟悉和掌握软件带来的很多不必要的麻烦。这也是现在仍然有很多用
户还在自己用 VB编写自动化监控系统的主要原因。在有些应用领域,
自动监控的目标及其特性比较单一(或可枚举,或可通过某种模板自
主定义、添加、删除、编辑)且数量较多,用户希望自动生成大部分
自动监控系统,例如在电梯自动监控、动力设备监控、铁路信号监控
等应用系统。这种应用系统具有一些“傻瓜”型软件的特征,用户只需
用组态软件做一些系统硬件及其参数的配置,就可以自动生成某种特
定模式的自动监控系统,如果用户对自动生成的监控系统的图形界面
不满意,还可以进行任意修改和编辑,这样既满足了用户对简便性的
要求,又同时配备比较完善的编辑工具。
组态软件应该向更多的应用领域拓展和渗透。目前的组态软件
均产生于过程工业自动化,很多功能没有考虑其他应用领域的需求。
例如:化验分析(色谱仪、红外仪等,包括在线分析)、虚拟仪器(例
如 LabView 的口号是 TheSoftwareistheInstrument)、测试(如测井、
机械性能试验、碰撞试验等的数据记录与回放等)、信号处理(如记
录和显示轮船的航行数据:雷达信号、GPS 数据、舵角、风速等)。
这些领域大量地使用实时数据处理软件,而且需要人机界面,但是由
于现有组态软件为这些应用领域考虑得太少,不能充分满足系统的要
求,因而目前这些领域仍然是专用软件占统治地位。随着计算机技术
的飞速发展,组态软件应该更多地总结这些领域的需求,设计出符合
应用要求的开发工具,更好地满足这些行业对软件的需求,进一步减
少这些行业在自动测试、数据分析方面的软件成本,提高系统的开放
程度。
嵌入式应用进一步发展,在过去的十年间,工业 PC 及其相关的
数据采集、监控系统硬件的销售额一直保持高额增长。工业 PC 的成
长是因为软件开发工具丰富,比较容易上手,而用户接受工业 PC 的
主要原因是一次性硬件成本得到了降低,但是后续的维护和升级费用
明显高昂,经常带来一些间接损失。商品化嵌入式组态软件可以有效
地解决工业 PC 监控系统的工作效率、维护和升级等问题,彻底摆脱
个人行为的束缚,使工业 PC 监控系统大踏步走入自动化系统高端市
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