山東利澤盟展告訴您什么是DCS系統(tǒng)

更新時(shí)間：2018-07-30 10:52:11　點(diǎn)擊數(shù)：4632

DCS控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

DCS的過(guò)程控制站是一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，主要由電源、高性能的中央處理器（CPU）、網(wǎng)絡(luò)接口組成。高性能的中央處理器是現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程控制的中心，存放并運(yùn)行所有的過(guò)程控制程序以及現(xiàn)場(chǎng)儀表數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)。DCS的控制決策都是由它來(lái)執(zhí)行的。過(guò)程控制站的網(wǎng)絡(luò)接口是同上一級(jí)的操作員站和工程師站的連接通道。操作員的操作控制信息和工程師站的組態(tài)程序都是通過(guò)這一通道發(fā)送到過(guò)程控制站，過(guò)程控制站收集整理的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)也是通過(guò)這一通道傳遞到操作員站上。過(guò)程控制站同I/O模塊之間通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線連接。一臺(tái)用于操作、監(jiān)視、報(bào)警、趨勢(shì)顯示、記錄和打印報(bào)表的PC機(jī)。操作員站通常裝有操作軟件以完成上述功能，并且是通過(guò)以太網(wǎng)同過(guò)程控制站相連。一臺(tái)用于組態(tài)過(guò)程控制軟件，診斷、監(jiān)視過(guò)程控制站運(yùn)行情況，供DCS工程師開發(fā)、測(cè)試、維護(hù)DCS系統(tǒng)使用的計(jì)算機(jī)。

DCS通常采用若干個(gè)控制器（過(guò)程站）對(duì)一個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中的眾多控制點(diǎn)進(jìn)行控制，各控制器間通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接并可進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。生產(chǎn)控制操作采用計(jì)算機(jī)操作站，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與控制器連接，收集生產(chǎn)數(shù)據(jù)，傳達(dá)操作指令。從結(jié)構(gòu)上劃分，DCS包括過(guò)程級(jí)、操作級(jí)和管理級(jí)。過(guò)程級(jí)主要由過(guò)程控制站、I/O單元和現(xiàn)場(chǎng)儀表組成，是系統(tǒng)控制功能的主要實(shí)施部分。操作級(jí)包括：操作員站和工程師站，完成系統(tǒng)的操作和組態(tài)。管理級(jí)主要是指工廠管理信息系統(tǒng)（MIS系統(tǒng)），作為DCS更高層次的應(yīng)用，目前國(guó)內(nèi)紙行業(yè)應(yīng)用到這一層的系統(tǒng)較少。

DCS通常采用若干個(gè)控制器（過(guò)程站）對(duì)一個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中的眾多控制點(diǎn)進(jìn)行控制，各控制器間通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接并可進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。生產(chǎn)控制操作采用計(jì)算機(jī)操作站，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與控制器連接，收集生產(chǎn)數(shù)據(jù)，傳達(dá)操作指令。

從結(jié)構(gòu)上劃分，DCS包括過(guò)程級(jí)、操作級(jí)和管理級(jí)。過(guò)程級(jí)主要由過(guò)程控制站、I/O單元和現(xiàn)場(chǎng)儀表組成，是系統(tǒng)控制功能的主要實(shí)施部分。

操作級(jí)包括：操作員站和工程師站，完成系統(tǒng)的操作和組態(tài)。管理級(jí)主要是指工廠管理信息系統(tǒng)（MIS系統(tǒng)），作為DCS更高層次的應(yīng)用，目前國(guó)內(nèi)紙行業(yè)應(yīng)用到這一層的系統(tǒng)較少。

DCS控制系統(tǒng)的發(fā)展

DCS將向信息管理系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制擴(kuò)展，將過(guò)程控制和信息管理系統(tǒng)緊密結(jié)合起來(lái)，構(gòu)成計(jì)算機(jī)集成過(guò)程系統(tǒng)(CIPS)。CIPS除了要完成傳統(tǒng)DCS 過(guò)程控制的功能外，還要實(shí)現(xiàn)運(yùn)行支持和決策支持的功能，包括質(zhì)量控制、過(guò)程管理、在線優(yōu)化、經(jīng)營(yíng)管理、決策分析等。網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)今工廠自動(dòng)化的核心，是計(jì)算機(jī)集成過(guò)程系統(tǒng)的基礎(chǔ)，而工廠自動(dòng)化的每一層都有適用于自己的網(wǎng)絡(luò)。

工廠級(jí)(上層、管理層)包括工廠信息管理和生產(chǎn)管理，負(fù)責(zé)與工廠管理計(jì)算機(jī)的連接，計(jì)算機(jī)間的管理數(shù)據(jù)交換通過(guò)工廠主干網(wǎng)實(shí)現(xiàn)。主干網(wǎng)采用ISO／OSI-MAP／TOP或TCP／IP-Ethernet網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。隨著工廠自動(dòng)化規(guī)模的不斷擴(kuò)大，這一級(jí)的功能也越來(lái)越強(qiáng)，它是DCS 向CIPS 發(fā)展的一個(gè)重要標(biāo)志。

車間級(jí)(中層、監(jiān)控層)包括過(guò)程控制和過(guò)程管理，用于控制室、現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備和各現(xiàn)場(chǎng)控制裝置間的連接。通信網(wǎng)采用中速、載帶工業(yè)過(guò)程數(shù)據(jù)公路的形式(ProwayC或IEEE802.4)。這是DCS的實(shí)時(shí)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)具有高可靠性、高使用性、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、有自診斷功能、有自組態(tài)功能、容易接入新站等。

現(xiàn)場(chǎng)級(jí)(低層)用于連接過(guò)程控制中的傳感器、執(zhí)行器、智能儀表等。現(xiàn)場(chǎng)以標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線為發(fā)展目標(biāo)，現(xiàn)已有了兩個(gè)國(guó)際組織的現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品，現(xiàn)場(chǎng)總線將是DCS 發(fā)展的一個(gè)重要方向。

DCS的通訊網(wǎng)絡(luò)

1、發(fā)展歷程

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和控制技術(shù)的不斷發(fā)展，DCS自20世紀(jì)70年代問(wèn)世以來(lái)，先后經(jīng)歷了四個(gè)發(fā)展時(shí)期，具體劃分為：

（1）1975—1980 初創(chuàng)期。此時(shí)的DCS通訊系統(tǒng)只是一種初級(jí)局部網(wǎng)絡(luò)，全系統(tǒng)由一個(gè)通訊指揮器指揮，對(duì)各單元的訪問(wèn)是輪流詢問(wèn)方式。如TDC-2000、MOD-3等。

（2）1980—1985 成熟期。采用局域網(wǎng)絡(luò)，由主從式星型網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變成對(duì)等式的總線網(wǎng)絡(luò)通信或環(huán)網(wǎng)通信，擴(kuò)大了通信范圍，提高了傳輸速率。如TDC-3000、MOD-300等。

（3）1985—1990 擴(kuò)展期。在局域網(wǎng)絡(luò)方面采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織ISO的OSI開放系統(tǒng)互聯(lián)的參考模型，使符合開放系統(tǒng)的各制造廠的產(chǎn)品可以互連，互通信以及進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，第三方軟件以可以應(yīng)用。改變了過(guò)去DCS各廠自成系統(tǒng)的封閉結(jié)構(gòu)，DCS由原來(lái)的僅能應(yīng)用發(fā)展到不僅能應(yīng)用而且能開發(fā)。TDC-3000（帶UCN網(wǎng)）Centum XL等。

（4）90年代以后，網(wǎng)絡(luò)開放期。采用符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議和規(guī)程，即IEE802（以太網(wǎng)）、IEE802.4（令牌總線）、EEFDDI（光纖分布數(shù)據(jù)界面）、TCP/IP（傳輸控制協(xié)議/互聯(lián)協(xié)議）或MAP（制造自動(dòng)化協(xié)議）等，使不同廠家型號(hào)、不同操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)可共存一個(gè)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到產(chǎn)品互換、資源共享的目的。如Centum CS-3000、Advant-500等。

2、通訊網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)

通訊網(wǎng)絡(luò)是DCS的重要支柱，執(zhí)行分散控制的各單元以及各級(jí)人機(jī)接口要靠通訊系統(tǒng)連成一體，這種在局部區(qū)域內(nèi)使用各種數(shù)據(jù)通訊的設(shè)備互連的通訊網(wǎng)絡(luò)稱為局域網(wǎng)（LAN）。它是一個(gè)高通訊速率，低誤碼率，快速響應(yīng)的局部網(wǎng)絡(luò)，具有組織靈活，易于擴(kuò)展，資源共享的特點(diǎn)，然而DCS完成的是工業(yè)控制，因此它與一般的辦公室用局部網(wǎng)絡(luò)有所不同，具有如下的特點(diǎn)：

(1) 具有快速的實(shí)時(shí)響應(yīng)能力，一般辦公室自動(dòng)化計(jì)算機(jī)局部網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)時(shí)間為2-6s，而它要求0.01-0.5s

(2) 具有極高的可靠性，必須連續(xù)、準(zhǔn)確運(yùn)行，數(shù)據(jù)傳送誤碼率低于10-8—10-11，系統(tǒng)利用率在99.999%以上

(3) 適合于在惡劣環(huán)境下工作，能抗電源干擾、雷擊干擾、電磁干擾和低電位差干擾。

(4) 分層結(jié)構(gòu)，為適應(yīng)DCS的分層結(jié)構(gòu)，其通訊網(wǎng)絡(luò)也必須具有分層結(jié)構(gòu)，如分為現(xiàn)場(chǎng)總線，車間級(jí)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，工廠級(jí)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等不同層次。

3、通訊網(wǎng)絡(luò)的分級(jí)體系

早期的DCS系統(tǒng)的通訊網(wǎng)絡(luò)都是專用的，DCS有幾級(jí)網(wǎng)絡(luò)，完成不同模件之間的通訊。從目前的情況來(lái)看，DCS的最多網(wǎng)絡(luò)級(jí)有四級(jí)，它們分別是I/O總線、現(xiàn)場(chǎng)總線、控制總線和DCS網(wǎng)絡(luò)。

(1) I/O總線

它把多種I/O信號(hào)送到控制器，由控制器讀取I/O信號(hào)，I/O模件之間并不交換數(shù)據(jù)。I/O總線包括并行總線和串行總線。I/O總線的傳輸速率是不高的，從幾十K到幾兆不等，為了快速，最好是并行總線。采用并行總線，其I/O模件必須與控制器模件相鄰。若采用串行總線，I/O模件和控制器之間的距離也要比較近才行。通常把控制器模件和I/O模件裝在一個(gè)機(jī)柜內(nèi)或相鄰的機(jī)柜內(nèi)。

(2) 現(xiàn)場(chǎng)總線

現(xiàn)場(chǎng)總線是90年代初發(fā)展起來(lái)的，遠(yuǎn)程I/O應(yīng)該采用現(xiàn)場(chǎng)總線，如CAN、LONWORKS、HART總線等。在DCS系統(tǒng)中，遠(yuǎn)程I/O采用HART總線比較多。比如現(xiàn)場(chǎng)的變送器，距離控制器機(jī)柜比較遠(yuǎn)，常把16個(gè)變送器來(lái)的信號(hào)編成一組，用HART總線把信號(hào)送到控制器，控制器同時(shí)讀進(jìn)16個(gè)變送器來(lái)的信號(hào)。采用現(xiàn)場(chǎng)總線，控制器和變送器兩者距離可達(dá)1公里以上。

(3) 控制總線

把完成不同任務(wù)的三種控制器連在一條總線上，實(shí)現(xiàn)控制器之間的通訊，稱為控制總線。在控制總線上的不同控制器的數(shù)量不受限制，在這一條總線上除三種不同的控制器模件以外，還有DCS網(wǎng)絡(luò)的接口模件。在控制總線上，控制器之間可以調(diào)用數(shù)據(jù)，使得模擬量和開關(guān)量之間的結(jié)合很好。控制總線不是DCS系統(tǒng)都具有，可以把各種控制器分別連到DCS網(wǎng)絡(luò)上，控制器之間的數(shù)據(jù)調(diào)用通過(guò)DCS網(wǎng)絡(luò)。控制總線的傳輸速率與I/O總線的傳輸速率相類似。通常是幾十K到幾兆之間。當(dāng)CPU和存儲(chǔ)器的能力比較強(qiáng)時(shí)，把開關(guān)量的邏輯運(yùn)算和模擬量的采集功能都在一個(gè)控制器中完成，這樣在控制總線上就只有一種形式的控制器。其通訊協(xié)議類似以太網(wǎng)，采用載波監(jiān)聽，令牌廣播發(fā)送。

(4) DCS網(wǎng)絡(luò)

它把現(xiàn)場(chǎng)控制器和人機(jī)界面連成一個(gè)系統(tǒng)。為了確保通訊可靠，DCS生產(chǎn)廠家無(wú)論是電纜，還是通訊接口，都作成冗余的，一條網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障，另一條備用網(wǎng)絡(luò)立即投入運(yùn)行。連在DCS通訊網(wǎng)絡(luò)上的部件稱為結(jié)點(diǎn)（節(jié)點(diǎn)）。在地理位置上，結(jié)點(diǎn)可以分散配置，各結(jié)點(diǎn)的距離各DCS系統(tǒng)不同，有的可達(dá)幾百米。DCS網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率在幾百K至一百兆之間，網(wǎng)絡(luò)的總長(zhǎng)度可達(dá)幾公里，最短也有幾百米，網(wǎng)絡(luò)不夠長(zhǎng)時(shí)需加中繼器。

計(jì)算機(jī)集成技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展，將對(duì)DCS的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重大影響。目前DCS的結(jié)構(gòu)將受到上下肢解，上層工作站將與CIPS緊密結(jié)合，DCS將演變成CIPS 的低層部分；在現(xiàn)場(chǎng)級(jí)，現(xiàn)場(chǎng)總線的應(yīng)用將使傳統(tǒng)的DCS I／O結(jié)構(gòu)徹底改變。現(xiàn)場(chǎng)總線將對(duì)自控領(lǐng)域帶來(lái)深刻影響，工業(yè)控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)將以統(tǒng)一的現(xiàn)場(chǎng)總線為紐帶構(gòu)成，現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)(FCS)將是21世紀(jì)的開放控制系統(tǒng)。