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易拉罐的博客

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转 DCS  

2010-12-07 20:03:56|  分类: 自动化 |  标签: |举报 |字号 订阅

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DCS,(Distributed Control System)分散控制系统的简称,国内一般习惯称之为集散控制系统。DCS是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统,综合了计算机,通信、显示和控制等4C技术,其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活以及组态方便。DCS具有以下特点:

(1)高可靠性。由于DCS将系统控制功能分散在各台计算机上实现,系统结构采用容错设计,因此某一台计算机出现的故障不会导致系统其他功能的丧失。此外,由于系统中各台计算机所承担的任务比较单一,可以针对需要实现的功能采用具有特定结构和软件的专用计算机,从而使系统中每台计算机的可靠性也得到提高。

(2)开放性。DCS采用开放式,标准化、模块化和系列化设计,系统中各台计算机采用局域网方式通信,实现信息传输,当需要改变或扩充系统功能时,可将新增计算机方便地连入系统通信网络或从网络中卸下,几乎不影响系统其他计算机的工。

 

自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller,PLC)取代传统继电器控制装置以来,PLC得到了快速发展,在世界各地得到了广泛应用。同时,PLC的功能也不断完善。随着计算机技术、信号处理技术、控制技术网络技术的不断发展和用户需求的不断提高,PLC在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能。今天的PLC不再局限于逻辑控制,在运动控制、过程控制等领域也发挥着十分重要的作用。

作为离散控的制的首选产品,PLC在二十世纪八十年代至九十年代得到了迅速发展,世界范围内的PLC年增长率保持为20%~30%。随着工厂自动化程度的不断提高和PLC市场容量基数的不断扩大,近年来PLC在工业发达国家的增长速度放缓。但是,在中国等发展中国家PLC的增长十分迅速。综合相关资料,2004年全球PLC的销售收入为100亿美元左右,在自动化领域占据着十分重要的位置。

PLC是由摸仿原继电器控制原理发展起来的,二十世纪七十年代的PLC只有开关量逻辑控制,首先应用的是汽车制造行业。它以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令;并通过数字输入和输出操作,来控制各类机械或生产过程。用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求,并事先存入PLC的用户程序存储器中。运行时按存储程序的内容逐条执行,以完成工艺流程要求的操作。PLC的CPU内有指示程序步存储地址的程序计数器,在程序运行过程中,每执行一步该计数器自动加1,程序从起始步(步序号为零)起依次执行到最终步(通常为END指令),然后再返回起始步循环运算。PLC每完成一次循环操作所需的时间称为一个扫描周期。不同型号的PLC,循环扫描周期在1微秒到几十微秒之间。PLC用梯形图编程,在解算逻辑方面,表现出快速的优点,在微秒量级,解算1K逻辑程序不到1毫秒。它把所有的输入都当成开关量来处理,16位(也有32位的)为一个模拟量。大型PLC使用另外一个CPU来完成模拟量的运算。把计算结果送给PLC的控制器。

相同I/O点数的系统,用PLC比用DCS,其成本要低一些(大约能省40%左右)。PLC没有专用操作站,它用的软件和硬件都是通用的,所以维护成本比DCS要低很多。一个PLC的控制器,可以接收几千个I/O点(最多可达8000多个I/O)。如果被控对象主要是设备连锁、回路很少,采用PLC较为合适。PLC由于采用通用监控软件,在设计企业的管理信息系统方面,要容易一些。

 

DCS产品的发展已经历了三代,并且第四代正在发展中。
开创期: 1975~1980年
代表产品:Honeywell,TDC2000
          Foxboro,Spectrum
          Bailey,Network-90
          Yokogawa(恒河),Yawpark

第一代DCS都以 Honeywell 公司推出的 TDC-2000 系统为模型。由数据采集单元、过程控制单元、CRT操作站、上位管理计算机及连接各个单元和计算机的高速数据通道这5部分组成。
(第一代)以微处理器为基础的过程控制单元,实现多种控制功能算法,并实现分散控制;采用带显示器的操作站,与过程控制单元分离,实现集中监视、集中操作、信息综合管理;采用较先进的冗余通信系统、用同轴电缆作为传输媒质,实现控制单元、操作站和上位机之间的通信。已具有DCS的基本特点(即分散控制,集中管理),DCS的雏形。
各个厂家使用专用软、硬件产品,价格昂贵;DCS没有统一标准,开放性差。

成长过渡期: 1980~1985年
代表产品:Honeywell,TDC-3000
   Fisher,PROVOX
   Tayler,MOD300
   Westinghouse,WDPF
第二代的主要特点是在原来产品的基础上进行改进,进一步提高可靠性并扩展和增强了功能。
其特点是采用模块化、标准化设计,数据通信向标准化迁移,板级模块化,单元结构化,使之具有更强的适应性和可扩充性;新开发的多功能过程控制站、增强型操作站采用了16位CPU及高分辩率CRT技术,图形用户界面也逐步丰富;通信系统已采用局域网络(从主从式的星形变为总线网络或环网通信)作为系统骨干,按照网络节点的概念组织过程控制站、中央操作站、系统管理站和网关,使得系统规模、容量扩大,同时数据传输速率也大大提高;控制功能更加完善,它能实现数据采集、过程控制、顺序控制和逻辑控制等功能。
其基本结构由六部分组成,即局域网络、多功能现场控制站、增强型操作站、系统管理站、主计算机和网络连接器等。

完善期:80年代中后期
代表产品:Foxboro,I/A Series
Honeywell,TDC-3000UCN
     Bailey,INFI-90
          Moore ,PACS 
   Yokogawa,Centum-XL和?XL
(第三代)这阶段的特点是向开放式、标准化方向发展:实现了开放式的系统通信, 向上能与 MAP 和 Ethernet 接口,或者通过网间连接器与其它网络联系,以构成复合管理系统,或与其它制造商的产品进行数据通信;向下支持现场总线,它使得过程控制或车间的智能变送器、执行器和本地控制器之间能实现可靠的实时数据通信。
控制站使用32位微处理器,控制功能更强,能方便使用更复杂和先进的控制算法;采用专用集成电路和表面安装技术,使电路板上的元件数更少,体积更小,可靠性更高。
操作站采用32位高档微机,具有增强图形显示功能,采用多窗口技术和触摸屏,使其操作简单,响应速度更快。
从控制功能来看,系统提供的控制功能增强,过程控制组态方面实现了标准化(IEC 61131-3);并在常规控制基础上增加了各种自适应或自整定的控制算法,为用户提供了更广阔的应用领域。
在基础的软硬件方面,如操作系统、数据库和工作站大都采用通用产品,另外第三方的应用软件也能在系统中应用,从而使集散控制系统进入了更高层次的阶段。
开放系统
开放系统是第三代集散控制系统主要特征。根据X/OPEN协会的定义,以规范化与实际存在的接口标准为依据而建立的计算机系统、网络系统及相关的通信系统,这些标准可为各种应用系统的标准平台提供软件的可移植性、系统的互操作性、信息资源管理的灵活性和更大的可选择性。
开放系统的基本特征如下:
1) 可移植性(portability)
2) 互操作性(interoperability)
3) 可适宜性(scalability)
4) 可得到性(availability)

管控一体化时期:90年代初
代表产品:Honeywell,TPS系统(Total Plant System)
          Foxboro,I/A’S 50/51系列控制系统
     恒河,CENTUM-CS
          ABB,ADVANT系统OCS开放控制系统   
(第四代)当今的 DCS是生产过程控制系统与信息管理系统紧密结合的管控一体化的新一代集散型控制系统。
1.向综合化、开放化发展
90 年代工厂自动化要求各种设备 ( 计算机、DCS、单回路调节器、PLC 等 ) 之间的通信能力更强,以便构成大系统。
DCS的通信趋势是向开放系统互连(OSI)的方向发展,各制造厂商都在“开放性”上下功夫,将自己的专用网络改造成符合国际标准,或给自己的专用网络加上网关,使其与以太网、MAP网互连。
新一代集散型控制系统的开放型结构,便于将生产过程控制系统与工厂管理系统联结在一起,从而形成管控一体化的系统。
2.引入先进的控制理论
在控制功能中,不断引进各种先进控制理论,以提高系统的控制性能,如自整定、自适应、最优、模糊控制等。
3.形成系列产品
在大型 DCS进一步完善和提高的同时,发展小型集散控制系统,在系统规模和结构上形成由小到大的产品系列,以适应不同规模的需求 。
4.采用人工智能技术
人工智能特别是知识库系统(KBS)和专家系统(ES)在过程控制中应用(自整定和自适应控制器、实时数据采集、故障诊断、生产计划和调度、过程优化、控制系统的计算机辅助设计、仿真培训等)。
随着电子技术的发展,结合现代控制理论,应用人工智能技术,以微处理器为基础的智能设备相继出现,如智能变送器、可编程调节器、智能 PID自整定控制、智能人机接口,以至于智能 DCS。
5.先进的软硬件技术
专用集成电路(ASIC)和表面安装技术(SMT)在硬件上使用;
硬件采用客户机/服务机的结构(Client/Server);
软件采用UNIX系统和X-WINDOWS的图形用户界面;
高度重视系统的可靠性,在软/硬件的设计中采用容错技术;

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