DCS控制系統(tǒng)及其應(yīng)用

王贊贊 楊光

摘 要：集散控制系統(tǒng)（Total Distributed Control System，DSC）是20世紀(jì)70年代中期發(fā)展起來的以微處理器為基礎(chǔ)的分散型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。它是控制技術(shù)（Control）、計(jì)算機(jī)技術(shù)（Computer）、通信技術(shù)（Communication）、陰極射線管（CRT）圖形顯示技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。該裝置時(shí)利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對生產(chǎn)過程進(jìn)行集中監(jiān)視、操作、管理和分散控制的一種全新的分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：集散控制系統(tǒng);DSC;優(yōu)缺點(diǎn);計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

0引言

集散控制系統(tǒng)（Total Distributed Control System，DSC）是20世紀(jì)70年代中期發(fā)展起來的以微處理器為基礎(chǔ)的分散型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。它是控制技術(shù)（Control）、計(jì)算機(jī)技術(shù)（Computer）、通信技術(shù)（Communication）、陰極射線管（CRT）圖形顯示技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。該裝置時(shí)利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對生產(chǎn)過程進(jìn)行集中監(jiān)視、操作、管理和分散控制的一種全新的分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。

1、DCS發(fā)展歷程

1.1第一代DCS（初創(chuàng)期）

是指從其誕生的1975～1980年間所出現(xiàn)的第一批系統(tǒng)，以Honeywell的TDC-2000為代表，還有Yokogawa（即橫河）公司的Yawpark系統(tǒng)、Foxboro公司的Spectrum系統(tǒng)、Bailey公司Netwook90系統(tǒng)等。第一代DCS是由過程控制單元、數(shù)據(jù)采集單元、CRT操作站、上位管理計(jì)算機(jī)及連接各個(gè)單元和計(jì)算機(jī)的高速數(shù)據(jù)通道等五個(gè)部分組成，奠定了DCS的基礎(chǔ)體系結(jié)構(gòu)。這個(gè)時(shí)期的系統(tǒng)的特點(diǎn)是：比較注重控制功能的實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)重點(diǎn)是現(xiàn)場控制站;系統(tǒng)的人機(jī)界面功能則相對較弱，在實(shí)際中只用CRT操作站進(jìn)行現(xiàn)場工況的監(jiān)視，使得提供的信息也有一定的局限;在功能上更接近儀表控制系統(tǒng);各個(gè)廠家的系統(tǒng)均由專有產(chǎn)品構(gòu)成，包括高速數(shù)據(jù)通道、現(xiàn)場控制站、人機(jī)界面工作站及各類功能性的工作站等，不僅系統(tǒng)的購買價(jià)格高，系統(tǒng)的維護(hù)運(yùn)行成本也高?？梢哉fDCS的這個(gè)時(shí)期是超利潤時(shí)期，其應(yīng)用范圍也受到一定的限制。

1.2第二代DCS（成熟期）

是在1980～1985年推出的各種系統(tǒng)，其中包括Honeywell公司的TDGC-3000、Fisher公司的PROVOX、Taylor公司的MOD300及Westinghouse公司的WDPF等。第二代DCS的最大特點(diǎn)是引入了局域網(wǎng)（LAN）作為系統(tǒng)骨干，按照網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的概念組織過程控制站、中央操作站、系統(tǒng)管理站及網(wǎng)關(guān)，使得系統(tǒng)的規(guī)模、容量進(jìn)一步增加，系統(tǒng)的擴(kuò)充有更大的余地，也更加方便。在功能上，這個(gè)時(shí)期的DCS逐步走向完善，除回路控制外，還增加了順序控制、邏輯控制等功能，加強(qiáng)了系統(tǒng)管理站的功能，可實(shí)現(xiàn)一些優(yōu)化控制和生產(chǎn)管理功能。

1.3第三代DCS（擴(kuò)展期）

以1987年Foxboro公司推出的I/ASeries為代表，該系統(tǒng)采用了ISO標(biāo)準(zhǔn)MAP（制造自動化規(guī)約）網(wǎng)絡(luò)。這一時(shí)期代表產(chǎn)品還有Honeywell公司的TDC-3000/UCN、Yokogawa公司的Centum-XL/μXL、Bailey公司的INFI-90、Westinghouse公司的WDPFⅡ等。這個(gè)時(shí)期的DCS在功能上實(shí)現(xiàn)了進(jìn)一步的擴(kuò)展，增加了上層網(wǎng)絡(luò)，將生產(chǎn)的管理功能納入到系統(tǒng)中，形成了直接控制、監(jiān)督控制和協(xié)調(diào)優(yōu)化、上層管理三層功能結(jié)構(gòu);在網(wǎng)絡(luò)方面，各個(gè)廠家已普遍采用了標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品;由IEC61131-3所定義的五種組態(tài)語言為大多數(shù)DCS廠家所采納;在構(gòu)成系統(tǒng)的產(chǎn)品方面，除現(xiàn)場控制站基本上還是各個(gè)DCS廠家的專有產(chǎn)品外，人機(jī)界面工作站、服務(wù)器和各種功能站的硬件和基礎(chǔ)軟件，如操作系統(tǒng)等，已全部采用了市場采購的商品，使系統(tǒng)的成本大大降低，DCS已逐步成為一種大眾產(chǎn)品，在越來越多的應(yīng)用中取代了儀表控制系統(tǒng)而成為控制系統(tǒng)的主流。

1.4新一代DCS

其技術(shù)特點(diǎn)包括全數(shù)字化、信息化和集成化。DCS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)場層仍然沒有擺脫沿用了幾十年的常規(guī)模擬儀表。生產(chǎn)現(xiàn)場層的模擬儀表與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，將現(xiàn)場模擬儀表改為現(xiàn)場數(shù)字儀表，并用現(xiàn)場總線（fieldbus）互聯(lián)。由此帶來的DCS控制站的變革，即將控制站內(nèi)的軟件功能模塊分散的分布在各臺現(xiàn)場數(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。

2、DCS優(yōu)缺點(diǎn)

2.1優(yōu)點(diǎn)

DCS有一系列特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，主要表現(xiàn)在以下六個(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。

DCS分散性的含義是廣義的，不但是分散控制，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的集中性是指集中監(jiān)視、集中操作和集中管理。DCS通信網(wǎng)絡(luò)和分布式數(shù)據(jù)庫是集中性的具體體現(xiàn)，用通信網(wǎng)絡(luò)把屋里分散的設(shè)備構(gòu)成統(tǒng)一的整體，用分布式數(shù)據(jù)庫實(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)在多臺操作員站上實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)視、集中操作和集中管理。

DCS的自治性是指系統(tǒng)中的各臺計(jì)算機(jī)均可獨(dú)立的工作，例如，過程控制站能自主的進(jìn)行信號輸入、運(yùn)算、控制和輸出;操作員站能自主的實(shí)現(xiàn)監(jiān)視、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)。

DCS的協(xié)調(diào)性是指系統(tǒng)中的各臺計(jì)算機(jī)用通信網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)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的靈活性和擴(kuò)展性表現(xiàn)在DCS采用模塊式結(jié)構(gòu)，提供各類功能模塊，可靈活的組態(tài)構(gòu)成簡單、復(fù)雜各類控制系統(tǒng)。另外，還可根據(jù)生產(chǎn)工藝和流程的改變，隨時(shí)修改控制方案，在系統(tǒng)容量允許范圍內(nèi)，只需通過組態(tài)就可以構(gòu)成新的控制方案。

DCS采用了一系列冗余技術(shù)，如控制站主機(jī)、IO板、通信網(wǎng)絡(luò)和電源等均可雙重化，而且采用熱備份工作方式，自動檢查故障， 一旦出現(xiàn)故障立即自動切換。同時(shí)，通過故障診斷與維護(hù)軟件，實(shí)施檢查系統(tǒng)的硬件和軟件故障，并采用故障屏蔽技術(shù)，使故障影響盡可能地小。

2.2缺點(diǎn)（與FCS比較）

（1）浪費(fèi)一次性投資

由于現(xiàn)場總線的投資門檻低，可擴(kuò)展性好，用戶可根據(jù)使用的需要靈活調(diào)整投資方案，逐步投入，滾動發(fā)展，因此一次性投資較節(jié)省，投資風(fēng)險(xiǎn)性較小。此外，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中分散在現(xiàn)場的智能設(shè)備能直接執(zhí)行多種傳感控制報(bào)警和計(jì)算功能，因此可以變送器的數(shù)量，不再需要單獨(dú)的調(diào)節(jié)器和計(jì)算單元等，也不再需要傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中的信號調(diào)理、轉(zhuǎn)換、隔離等功能單元及其復(fù)雜接線。還可以用工控機(jī)作為操作站，從而節(jié)省了大量硬件投資，控制室的占地面積也可以大大減少。所以，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)比現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)浪費(fèi)了大量投資資源。

（2）控制準(zhǔn)確度與可靠性不高

由于現(xiàn)場總線設(shè)備的智能化和數(shù)字化，可將傳送過程的誤差降至最低。因此，控制準(zhǔn)確度只取決于傳感器的靈敏度和執(zhí)行器的準(zhǔn)確度，系統(tǒng)控制準(zhǔn)確度大大提高。同時(shí)，由于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡化，設(shè)備與連線減少，現(xiàn)場設(shè)備內(nèi)部功能加強(qiáng)，減少了信號的往返傳輸，使系統(tǒng)工作可靠性大大提高。與之相比，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的控制準(zhǔn)確度與可靠性就大打折扣了。

（3）用戶的選擇性不多

由于現(xiàn)場總線的開放性，使用戶可以對各設(shè)備廠商的產(chǎn)品任意進(jìn)行選擇并組成系統(tǒng)，不必考慮接口是否匹配的問題，從而使系統(tǒng)集成過程中的主動權(quán)牢牢掌握在用戶手中。所以，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)不能給用戶更多的選擇空間。

3、結(jié)束語

DCS系統(tǒng)發(fā)展迅猛，可靠性高、維護(hù)方便、操作方便、組態(tài)靈活方便、強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力、開放的體系結(jié)構(gòu)，提高了工作效率，應(yīng)該大力推廣。

參考文獻(xiàn)：

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