山東利澤盟展告訴您什么是DCS系統

更新時間：2018-07-30 10:52:11　點擊數：4634

DCS控制系統的結構組成

DCS的過程控制站是一個完整的計算機系統，主要由電源、高性能的中央處理器（CPU）、網絡接口組成。高性能的中央處理器是現場過程控制的中心，存放并運行所有的過程控制程序以及現場儀表數據和控制數據。DCS的控制決策都是由它來執行的。過程控制站的網絡接口是同上一級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程序都是通過這一通道發送到過程控制站，過程控制站收集整理的現場數據也是通過這一通道傳遞到操作員站上。過程控制站同I/O模塊之間通過現場總線連接。一臺用于操作、監視、報警、趨勢顯示、記錄和打印報表的PC機。操作員站通常裝有操作軟件以完成上述功能，并且是通過以太網同過程控制站相連。一臺用于組態過程控制軟件，診斷、監視過程控制站運行情況，供DCS工程師開發、測試、維護DCS系統使用的計算機。

DCS通常采用若干個控制器（過程站）對一個生產過程中的眾多控制點進行控制，各控制器間通過網絡連接并可進行數據交換。生產控制操作采用計算機操作站，通過網絡與控制器連接，收集生產數據，傳達操作指令。從結構上劃分，DCS包括過程級、操作級和管理級。過程級主要由過程控制站、I/O單元和現場儀表組成，是系統控制功能的主要實施部分。操作級包括：操作員站和工程師站，完成系統的操作和組態。管理級主要是指工廠管理信息系統（MIS系統），作為DCS更高層次的應用，目前國內紙行業應用到這一層的系統較少。

DCS通常采用若干個控制器（過程站）對一個生產過程中的眾多控制點進行控制，各控制器間通過網絡連接并可進行數據交換。生產控制操作采用計算機操作站，通過網絡與控制器連接，收集生產數據，傳達操作指令。

從結構上劃分，DCS包括過程級、操作級和管理級。過程級主要由過程控制站、I/O單元和現場儀表組成，是系統控制功能的主要實施部分。

操作級包括：操作員站和工程師站，完成系統的操作和組態。管理級主要是指工廠管理信息系統（MIS系統），作為DCS更高層次的應用，目前國內紙行業應用到這一層的系統較少。

DCS控制系統的發展

DCS將向信息管理系統和計算機網絡控制擴展，將過程控制和信息管理系統緊密結合起來，構成計算機集成過程系統(CIPS)。CIPS除了要完成傳統DCS 過程控制的功能外，還要實現運行支持和決策支持的功能，包括質量控制、過程管理、在線優化、經營管理、決策分析等。網絡是當今工廠自動化的核心，是計算機集成過程系統的基礎，而工廠自動化的每一層都有適用于自己的網絡。

工廠級(上層、管理層)包括工廠信息管理和生產管理，負責與工廠管理計算機的連接，計算機間的管理數據交換通過工廠主干網實現。主干網采用ISO／OSI-MAP／TOP或TCP／IP-Ethernet網絡協議標準。隨著工廠自動化規模的不斷擴大，這一級的功能也越來越強，它是DCS 向CIPS 發展的一個重要標志。

車間級(中層、監控層)包括過程控制和過程管理，用于控制室、現場控制設備和各現場控制裝置間的連接。通信網采用中速、載帶工業過程數據公路的形式(ProwayC或IEEE802.4)。這是DCS的實時工業控制網絡，應具有高可靠性、高使用性、實時性強、有自診斷功能、有自組態功能、容易接入新站等。

現場級(低層)用于連接過程控制中的傳感器、執行器、智能儀表等。現場以標準的現場總線為發展目標，現已有了兩個國際組織的現場總線產品，現場總線將是DCS 發展的一個重要方向。

DCS的通訊網絡

1、發展歷程

隨著計算機技術、網絡技術和控制技術的不斷發展，DCS自20世紀70年代問世以來，先后經歷了四個發展時期，具體劃分為：

（1）1975—1980 初創期。此時的DCS通訊系統只是一種初級局部網絡，全系統由一個通訊指揮器指揮，對各單元的訪問是輪流詢問方式。如TDC-2000、MOD-3等。

（2）1980—1985 成熟期。采用局域網絡，由主從式星型網絡轉變成對等式的總線網絡通信或環網通信，擴大了通信范圍，提高了傳輸速率。如TDC-3000、MOD-300等。

（3）1985—1990 擴展期。在局域網絡方面采用國際標準組織ISO的OSI開放系統互聯的參考模型，使符合開放系統的各制造廠的產品可以互連，互通信以及進行數據交換，第三方軟件以可以應用。改變了過去DCS各廠自成系統的封閉結構，DCS由原來的僅能應用發展到不僅能應用而且能開發。TDC-3000（帶UCN網）Centum XL等。

（4）90年代以后，網絡開放期。采用符合國際標準的通信協議和規程，即IEE802（以太網）、IEE802.4（令牌總線）、EEFDDI（光纖分布數據界面）、TCP/IP（傳輸控制協議/互聯協議）或MAP（制造自動化協議）等，使不同廠家型號、不同操作系統的計算機可共存一個網絡標準，達到產品互換、資源共享的目的。如Centum CS-3000、Advant-500等。

2、通訊網絡的特點

通訊網絡是DCS的重要支柱，執行分散控制的各單元以及各級人機接口要靠通訊系統連成一體，這種在局部區域內使用各種數據通訊的設備互連的通訊網絡稱為局域網（LAN）。它是一個高通訊速率，低誤碼率，快速響應的局部網絡，具有組織靈活，易于擴展，資源共享的特點，然而DCS完成的是工業控制，因此它與一般的辦公室用局部網絡有所不同，具有如下的特點：

(1) 具有快速的實時響應能力，一般辦公室自動化計算機局部網絡響應時間為2-6s，而它要求0.01-0.5s

(2) 具有極高的可靠性，必須連續、準確運行，數據傳送誤碼率低于10-8—10-11，系統利用率在99.999%以上

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

(4) 分層結構，為適應DCS的分層結構，其通訊網絡也必須具有分層結構，如分為現場總線，車間級網絡系統，工廠級網絡系統等不同層次。

3、通訊網絡的分級體系

早期的DCS系統的通訊網絡都是專用的，DCS有幾級網絡，完成不同模件之間的通訊。從目前的情況來看，DCS的最多網絡級有四級，它們分別是I/O總線、現場總線、控制總線和DCS網絡。

(1) I/O總線

它把多種I/O信號送到控制器，由控制器讀取I/O信號，I/O模件之間并不交換數據。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模件裝在一個機柜內或相鄰的機柜內。

(2) 現場總線

現場總線是90年代初發展起來的，遠程I/O應該采用現場總線，如CAN、LONWORKS、HART總線等。在DCS系統中，遠程I/O采用HART總線比較多。比如現場的變送器，距離控制器機柜比較遠，常把16個變送器來的信號編成一組，用HART總線把信號送到控制器，控制器同時讀進16個變送器來的信號。采用現場總線，控制器和變送器兩者距離可達1公里以上。

(3) 控制總線

把完成不同任務的三種控制器連在一條總線上，實現控制器之間的通訊，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網絡的接口模件。在控制總線上，控制器之間可以調用數據，使得模擬量和開關量之間的結合很好。控制總線不是DCS系統都具有，可以把各種控制器分別連到DCS網絡上，控制器之間的數據調用通過DCS網絡。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CPU和存儲器的能力比較強時，把開關量的邏輯運算和模擬量的采集功能都在一個控制器中完成，這樣在控制總線上就只有一種形式的控制器。其通訊協議類似以太網，采用載波監聽，令牌廣播發送。

(4) DCS網絡

它把現場控制器和人機界面連成一個系統。為了確保通訊可靠，DCS生產廠家無論是電纜，還是通訊接口，都作成冗余的，一條網絡發生故障，另一條備用網絡立即投入運行。連在DCS通訊網絡上的部件稱為結點（節點）。在地理位置上，結點可以分散配置，各結點的距離各DCS系統不同，有的可達幾百米。DCS網絡的傳輸速率在幾百K至一百兆之間，網絡的總長度可達幾公里，最短也有幾百米，網絡不夠長時需加中繼器。

計算機集成技術和現場總線的發展，將對DCS的結構產生重大影響。目前DCS的結構將受到上下肢解，上層工作站將與CIPS緊密結合，DCS將演變成CIPS 的低層部分；在現場級，現場總線的應用將使傳統的DCS I／O結構徹底改變。現場總線將對自控領域帶來深刻影響，工業控制系統的體系結構將以統一的現場總線為紐帶構成，現場控制系統(FCS)將是21世紀的開放控制系統。