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    DCS是分布式控制系统的英文缩写(Distributed Control System),在国内自控行业又称之为集散控制系统。是相对于集中式控制系统而言的一种新型计算机控制系统,它是在集中式控制系统的基础上发展、演变而来的。

    编辑摘要

    基本信息 编辑信息模块

    中文名: 分布式控制系统 英文名: DCS
    其他外文名: Distributed Control System 别称: 集散控制系统
    发现时间: 1975年

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    控制系统/DCS 编辑

    DCSDCS

    DCS系统是随着现代大型工业生产自动化的不断兴起和过程控制要求的日益复杂应运而生的综合控制系统,它是计算机技术、系统控制技术、网络通讯技术和多媒体技术相结合的产物,可提供窗口友好的人机界面和强大的通讯功能。是完成过程控制、过程管理的现代化设备。

    2018年12月6日,中核集团自主研发的我国首套军民融合核安全级DCS平台——“龙鳞系统”(NASPIC)正式发布。这一平台拥有完全自主知识产权,已通过最高等级的功能安全认证,部分关键指标达到国际领先水平。“龙鳞系统”具备“走出去”条件,有助于我国核电技术实现整体出口。[1]

    概述

    DCSDCS
    Western ElectricWestern Electric

    首先,DCS的骨架—系统网络,它是DCS的基础和核心。由于网络对于DCS整个系统的实时性、可靠性和扩充性,起着决定性的作用,因此各厂家都在这方面进行了精心的设计。对于DCS的系统网络来说,它必须满足实时性的要求,即在确定的时间限度内完成信息的传送。这里所说的“确定”的时间限度,是指在无论何种情况下,信息传送都能在这个时间限度内完成,而这个时间限度则是根据被控制过程的实时性要求确定的。因此,衡量系统网络性能的指标并不是网络的速率,即通常所说的每秒比特数(bps),而是系统网络的实时性,即能在多长的时间内确保所需信息的传输完成。系统网络还必须非常可靠,无论在任何情况下,网络通信都不能中断,因此多数厂家的DCS均采用双总线、环形或双重星形的网络拓扑结构。为了满足系统扩充性的要求,系统网络上可接入的最大节点数量应比实际使用的节点数量大若干倍。这样,一方面可以随时增加新的节点,另一方面也可以使系统网络运行于较轻的通信负荷状态,以确保系统的实时性和可靠性。在系统实际运行过程中,各个节点的上网和下网是随时可能发生的,特别是操作员站,这样,网络重构会经常进行,而这种操作绝对不能影响系统的正常运行,因此,系统网络应该具有很强在线网络重构功能

    其次,这是一种完全对现场I/O处理并实现直接数字控制(DDC)功能的网络节点。一般一套DCS中要设置现场I/O控制站,用以分担整个系统的I/O和控制功能。这样既可以避免由于一个站点失效造成整个系统的失效,提高系统可靠性,也可以使各站点分担数据采集和控制功能,有利于提高整个系统的性能。DCS的操作员站是处理一切与运行操作有关的人机界面(HMI-Human Machine Interface或operator interface)功能的网络节点。

    工程师站是对DCS进行离线的配置、组态工作和在线的系统监督、控制、维护的网络节点,其主要功能是提供对DCS进行组态,配置工作的工具软件(即组态软件),并在DCS在线运行时实时地监视DCS网络上各个节点的运行情况,使系统工程师可以通过工程师站及时调整系统配置及一些系统参数的设定,使DCS随时处在最佳的工作状态之下。与集中式控制系统不同,所有的DCS都要求有系统组态功能,可以说,没有系统组态功能的系统就不能称其为DCS。

    DCS自1975年问世以来,已经经历了四十多年的发展历程。在这四十多年中,DCS虽然在系统的体系结构上没有发生重大改变,但是经过不断的发展和完善,其功能和性能都得到了巨大的提高。总的来说,DCS正在向着更加开放,更加标准化,更加产品化的方向发展。

    作为生产过程自动化领域的计算机控制系统,传统的DCS仅仅是一个狭义的概念。如果以为DCS只是生产过程的自动化系统,那就会引出错误的结论,因为现在的计算机控制系统的含义已被大大扩展了,它不仅包括过去DCS中所包含的各种内容,还向下深入到了现场的每台测量设备、执行机构,向上发展到了生产管理,企业经营的方方面面。传统意义上的DCS现在仅仅是指生产过程控制这一部分的自动化,而工业自动化系统的概念,则应定位到企业全面解决方案,即total solution的层次。只有从这个角度上提出问题并解决问题,才能使计算机自动化真正起到其应有的作用。

    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作。

    与集中式区别

    DCSDCS

    分布式控制系统(DCS),又称集散系统,是相对于集中式控制系统而言的一种新型计算机控制系统,它是在集中式控制系统的基础上发展、演变而来的。在系统功能方面,DCS和集中式控制系统的区别不大,但在系统功能的实现方法上却完全不同。

    首先,DCS的骨架——系统网络,它是DCS的基础和核心。由于网络对于DCS整个系统的实时性、可靠性和扩充性,起着决定性的作用,因此各厂家都在这方面进行了精心的设计。对于DCS的系统网络来说,它必须满足实时性的要求,即在确定的时间限度内完成信息的传送。这里所说的“确定”的时间限度,是指在无论何种情况下,信息传送都能在这个时间限度内完成,而这个时间限度则是根据被控制过程的实时性要求确定的。因此,衡量系统网络性能的指标并不是网络的速率,即通常所说的每秒比特数(bps),而是系统网络的实时性,即能在多长的时间内确保所需信息的传输完成。系统网络还必须非常可靠,无论在任何情况下,网络通信都不能中断,因此多数厂家的DCS均采用双总线、环形或双重星形的网络拓扑结构。为了满足系统扩充性的要求,系统网络上可接入的最大节点数量应比实际使用的节点数量大若干倍。这样,一方面可以随时增加新的节点,另一方面也可以使系统网络运行于较轻的通信负荷状态,以确保系统的实时性和可靠性。在系统实际运行过程中,各个节点的上网和下网是随时可能发生的,特别是操作员站,这样,网络重构会经常进行,而这种操作绝对不能影响系统的正常运行,因此,系统网络应该具有很强在线网络重构功能。

    其次,这是一种完全对现场I/O处理并实现直接数字控制(DOS)功能的网络节点。一般一套DCS中要设置现场I/O控制站,用以分担整个系统的I/O和控制功能。这样既可以避免由于一个站点失效造成整个系统的失效,提高系统可靠性,也可以使各站点分担数据采集和控制功能,有利于提高整个系统的性能。DCS的操作员站是处理一切与运行操作有关的人机界面(HMI-Human Machine Interface或operator interface)功能的网络节点。

    系统网络是DCS的工程师站,它是对DCS进行离线的配置、组态工作和在线的系统监督、控制、维护的网络节点,其主要功能是提供对DCS进行组态,配置工作的工具软件(即组态软件),并在DCS在线运行时实时地监视DCS网络上各个节点的运行情况,使系统工程师可以通过工程师站及时调整系统配置及一些系统参数的设定,使DCS随时处在最佳的工作状态之下。与集中式控制系统不同,所有的DCS都要求有系统组态功能,可以说,没有系统组态功能的系统就不能称其为DCS。

    形态组成

    DCS是分布式控制系统的英文缩写(Distributed Control System),在国内自控行业又称之为集散控制系统。

    它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(Computer)、通讯(Communication)、显示(CRT)和控制(Control)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、组态方便。

    发展历史

    第一阶段

    DCSDCS

    1975-1980年,在这个时期集散控制系统的技术特点表现为:

    1)采用微处理器为基础的控制单元,实现分散控制,有各种各样的算法,通过组态独立完成回路控制,具有自诊断功能。

    2)采用带CRT显示器的操作站与过程单元分离,实现集中监视,集中操作。

    3)采用较先进的冗余通信系统。

    第二阶段

    1980—1985.,在这个时期集散控制系统的技术特点表现为:

    1)微处理器的位数提高,CRT显示器的分辨率提高。

    2)强化的模块化系统。

    3)强化了系统信息管理,加强通信功能。

    第三阶段

    1985年以后,集散系统进入第三代,其技术特点表现为:

    1)采用开放系统管理。

    2)操作站采用32位微处理器。

    3)采用实时多用户多任务的操作系统。

    进入九十年代以后,计算机技术突飞猛进,更多新的技术被应用到了DCS之中。PLC是一种针对顺序逻辑控制发展起来的电子设备,它主要用于代替不灵活而且笨重的继电器逻辑。现场总线技术在进入九十年代中期以后发展十分迅猛,以至于有些人已做出预测:基于现场总线的FCS将取代DCS成为控制系统的主角。

    特点介绍

    DCS是分散控制系统(Distributed Control System)的简称,国内一般习惯称为集散控制系统。它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(Computer)、通讯(Communication)、显示(CRT)和控制(Control)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、组态方便,DCS特点如下。

    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它功能的丧失。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。

    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作。

    灵活性

    通过组态软件根据不同的流程应用对象进行软硬件组态,即确定测量与控制信号及相互间连接关系、从控制算法库选择适用的控制规律以及从图形库调用基本图形组成所需的各种监控和报警画面,从而方便地构成所需的控制系统。

    易于维护

    功能单一的小型或微型专用计算机,具有维护简单、方便的特点,当某一局部或某个计算机出现故障时,可以在不影响整个系统运行的情况下在线更换,迅速排除故障。

    协调性

    各工作站之间通过通信网络传送各种数据,整个系统信息共享,协调工作,以完成控制系统的总体功能和优化处理。

    控制功能齐全

    控制算法丰富,集连续控制、顺序控制和批处理控制于一体,可实现串级、前馈、解耦、自适应和预测控制等先进控制,并可方便地加入所需的特殊控制算法。DCS的构成方式十分灵活,可由专用的管理计算机站、操作员站、工程师站、记录站、现场控制站和数据采集站等组成,也可由通用的服务器、工业控制计算机和可编程控制器构成。处于底层的过程控制级一般由分散的现场控制站、数据采集站等就地实现数据采集和控制,并通过数据通信网络传送到生产监控级计算机。生产监控级对来自过程控制级的数据进行集中操作管理,如各种优化计算、统计报表、故障诊断、显示报警等。随着计算机技术的发展,DCS可以按照需要与更高性能的计算机设备通过网络连接来实现更高级的集中管理功能,如计划调度、仓储管理、能源管理等。

    结构

    从结构上划分,DCS包括过程级、操作级和管理级。过程级主要由过程控制站、I/O单元和现场仪表组成,是系统控制功能的主要实施部分。操作级包括:操作员站和工程师站,完成系统的操作和组态。管理级主要是指工厂管理信息系统(MIS系统),作为DCS更高层次的应用,目前国内纸行业应用到这一层的系统较少。

    DCS的控制程序:DCS的控制决策是由过程控制站完成的,所以控制程序是由过程控制站执行的。

    过程控制站的组成:

    DCS的过程控制站是一个完整的计算机系统,主要由电源、CPU(中央处理器)、网络接口和I/O组成

    I/O:控制系统需要建立信号的输入和输出通道,这就是I/O。DCS中的I/O一般是模块化的,一个I/O模块上有一个或多个I/O通道,用来连接传感器和执行器(调节阀)。

    I/O单元:通常,一个过程控制站是有几个机架组成,每个机架可以摆放一定数量的模块。CPU所在的机架被称为CPU单元,同一个过程站中只能有一个CPU单元,其他只用来摆放I/O模块的机架就是I/O单元。

    国内外应用

    分散控制系统

    1975年美国Honeywell和日本横河公司几乎同一时间推出了各自的分散控制系统。美国最大的仪表控制公司Honeyw ell 首次向世界推出了它的综合分散控制系统TDC—2000 ( Toal Distributed Control-2000),这一系统的发表,立即引起美国工业控制界高度评价,称之为“最鼓舞人心的事件”。日本横河公司推出了CEN TUM系统。世界各国的各大公司也纷纷加入,推出了一个又一个集散系统,从此过程控制进入了集散系统的新时期。

    在此期间有美国泰勒仪表公司的MO SË,费雪尔公司的DCÉ —400,贝利公司的N —90,福克斯波罗公司的Cpect rum 和德国西门子公司的Telepermm。

    随着计算机特别是微型计算机与网络技术的飞速发展,加上各制造商的激烈竞争,使DCS 很快从70 年代的第一代发展到90 年代初的第三代DCS。尽管在这之前的集散系统的技术水平已经很高,但其中存在着一个最主要的弊病是: 各大公司推出的几十种型号的系统,几乎都是该公司的专利产品,每个公司为了保护自身的利益,采用的都是专利网络,这就为全厂、全企业的管理带来问题。

    随着计算机的发展与网络开发使各控制厂商更多地采用商业计算机的技术,80年代末许多公司推出新一代的集散系统,其主要特征是新系统的局部网络采用MA P 协议; 引用智能变送器与现场总线结构; 在控制软件上引入PLC 的顺序控制与批量控制,使DCS 也具有PLC 的功能。

    至90 年代初各国知名的DCS 有:3000,Bailey 的IN F I—90,Ro semoun t 的RS—3,W est Hoo se 的WDPF,L eeds &Non th rup 的MAX—1000,Foxbo ro 的IöA S,日本横河的CEN TUM。这里所提到的均为大型的DCS,为了适应市场的需要各厂商也开发了不少中小型的DCS 系统如S—9000,MAX—2,LXL,A 2 PACS 等等。

    流程工业CIMS

    流程工业CIMS是一个复杂的综合自动化系统,处理的对象是整个企业的全部生产活动,DCS作为一种有效的工具和实现手段,在流程工业CIMS中完成重要的基础控制和实时生产数据采集、动态监控等功能。与管理类计算机相比,DCS能够提供更加可靠的生产过程数据,使CIMS系统所作出的优化决策也更加可靠。

    从功能上看,流程工业CIMS中的生产自动化系统、动态监控系统和在线质量控制都可以由DCS实现。从流程工业CIMS的层次结构看,DCS主要担负过程控制和过程优化任务,有些生产调度和生产管理工作也可在DCS上完成。

    主要厂家

    国内DCS主要厂家有:上海新华,南京科远自动化集团股份有限公司,杭州优稳,浙江中控,和利时,浙江威盛,自仪股份、鲁能控制,国电智深,上海华文,上海乐华,正泰中自等。

    国外的有:西屋公司、艾默生、FOXBORO、ABB、西门子、霍尼韦尔、横河、罗克韦尔、山武-霍尼韦尔公司、FISHER-ROSEMOUNT公司等。

    相关问答

    1. 什么是DCS?

    DCS是分布式控制系统的英文缩写(Distributed Control System),在国内自控行业又称之为集散控制系统。

    2. DCS有什么特点?

    DCS是计算机技术、控制技术和网络技术高度结合的产物。DCS通常采用若干个控制器(过程站)对一个生产过程中的众多控制点进行控制,各控制器间通过网络连接并可进行数据交换。操作采用计算机操作站,通过网络与控制器连接,收集生产数据,传达操作指令。因此,DCS的主要特点归结为一句话就是:分散控制集中管理。

    4. DCS的控制程序是由谁执行的?

    DCS的控制决策是由过程控制站完成的,所以控制程序是由过程控制站执行的。

    5. 过程控制站的组成如何?

    DCS的过程控制站是一个完整的计算机系统,主要由电源、CPU(中央处理器)、网络接口和I/O组成。

    日常维护

    1过程通道故障:过程通道故障出现最多的是I/O卡故障。I/O卡故障一般的判断与处理:通过系统诊断,更换通道或通过更换备用件处理,至于其内部元件老化或是其他原因造成的损坏,一般控制人员不好判断。I/O卡的检修一般是由厂家处理,目前的热控检修人员的手段还不能达到像检修常规仪表那样检修。而且生产厂家的I/O卡件已制造成一体化的趋势,这样只能购买备件。好在这类故障只是在调试阶段出现较多,正常运行中出现几率很低。一次元件或控制设备出现故障有时不能直接被操作员发现,只有异常或报警后才通知热控人员处理。这样对检修人员和运行人员的素质要求就要提高,运行人员要详细介绍故障前后的状态便于热控检修人员能够快速、准确地处理缺陷,减少故障的扩大化,另外许多DCS厂家在产品宣传上都支持卡件热拨,做为控制人员,在运行中更换卡件时一定要做好安全防护措施否则会引起系统变化或负荷变化,尤其数字量卡件。

    2对于操作员站死机无论国产与进口设备都有相关的报道,那么究其原因比较多,硬盘或卡件故障,冷却风扇负荷过重等等,有时会发生人为操作现象,一般在修改控制逻辑下装软件重启设备或强制设备保护信号时,最易发生操作事件,轻则设备异常,重则易造成设备停运后果非常严重;对死机后重启,不同厂家的启动时间不同,少则几十秒,多则几分钟,人为该操作发生的故障在热工专业中的不安全事件中占有很大比例,在操作中尤为引起高度重视,减少人为故障。

    3球标操作不正常,一般是由于机械装置长期工作、老化、污染、点通断不可靠、电缆插件不牢等这样的就需要换检查即可。

    4控制操作失灵:是由于球标的操作信号没有正常改变过程通道的状态,造成操作失效,这是2个方面造成的,一个方面是软件缺陷,另一方面是硬件本身故障的状态针对这样的缺陷通常做法检查过程通道功能正常后,再检查操作远必要时进行重起初始操作。

    5对于薄膜键盘主要是键盘接触不良信号电缆松动或主机误动键盘或启动不完整都可以导致其功能不正常应用针对不同情况处理。

    6打印机不工作一般是由于配置的原因,这样的故障应检查打印机的设置及其硬件是否正常进行处理。报表软件功能不强主要表现在由于打印机打印报表和SOE等造成死机,或者打印机的SOE记录时问与实际情况不符;SOE打印浏览后不能返回历史曲线;SOE时间顺序不一致有时偏差很大,这会延误事故分析的进展时,有时还会误导分析方向,SOE问题既与系统设计不合理,SOE点没完全集中在一个DPU上的有关,也与系统硬件及软件设计考虑不周有关。这种故障的出现,通过分析认为这主要是对电厂的总体方面考虑的不太完美,在小的方面还不够仔细会出现这样那样的故障,针对这种情况要认真对待,不放过蛛丝马迹,与厂家认真研究提出问题进一步完善,让该系统更好地为生产服务。

    7电源故障:电源故障问题较多,保险配置不合理,备用电源不能自投,电源波动引起保护误动及接插头接触不良易造成无电源。针对电源故障处理相对比较容易。首先,认真核对保险的配置及容量,真正起到保险的作用;其次,UPS的配备很重要,它可以在电源波动时也能保证系统正常供电,而且要考虑冗余和备用问题。

    8干扰造成的故障:对于干扰主要是接地问题,备用电源的切换和大功率的无线通信设备如手机、对讲机等。另外还有DCS系统的干扰信号可能由本身造成的。那么对于DCS系统的接地问题越来越引起人们的重视,尤其在电力行业,大功率电器设备的启动和停止都会干扰DCS的控制信号,造成不必要的故障。为了防止干扰信号串入系统,严格执行屏蔽和接地要求和方式,信号线远离干扰源,同时采取防电源波动措施。主/从过程处理机之间在机组运行时,除非万不得以,尽量不要人为切换,已防产生干扰,如必须切换,应采取措施,先将控制切手动,以免对机组运行工况产生影响。对电子设备问、工程师站等重点部位,应绝对禁止使用大功率无线电通信设备。

    相关控制系统

    总述

    计算机和网络技术的飞速发展,引起了自动化控制系统结构的变革,一种世界上最新型的控制系统即现场总线控制系统(Fieldbus Control System,FCS)在上世纪九十年代走向实用化,并正以迅猛的势头快速发展。现场总线控制系统是目前自动化技术中的一个热点,正越来越受到国内外自动化设备制造商与用户的关注。现场总线控制系统的出现,将给自动化领域在过程控制系统上带来又一次革命,其深度和广度将超过历史的任何一次,从而开创自动化的新纪元。

    FCS可以说是第五代过程控制系统,是由PLC(Programmable Controller)或DCS(Distributed Control System)发展而来的。FCS与PLC及DCS之间有千丝万缕的联系,又存在着本质的差异。本文针对PLC、DCS、FCS三大控制系统的特点、性能和差异作一分析。

    1PLC、FCS三大控制系统的基本特点

    目前,在连续型流程生产工业过程控制中,有三大控制系统,即PLC、DCS和FCS。它们各自的基本特点如下:

    PLC

    1.从开关量控制发展到顺序控制、运算处理,是从下往上的。

    2.逻辑控制、定时控制、 计数控制、 步进(顺序)控制、连续PID控制、 数据控制――PLC具有数据处理能力、 通信和联网等多功能。

    3.可用一台PC机为主站,多台同型PLC为从站。

    4.也可一台PLC为主站,多台同型PLC为从站,构成PLC网络。这比用PC机作主站方便之处是:有用户编程时,不必知道通信协议,只要按说明书格式写就行。

    5.PLC网络既可作为独立DCS/TDCS,也可作为DCS/TDCS的子系统。

    6.主要用于工业过程中的顺序控制,新型PLC也兼有闭环控制功能。

    FCS

    1.FCS是第五代过程控制系统,它是21世纪自动化控制系统的方向。是3C技术(Communication,Computer, Control)的融合。基本任务是:本质(本征)安全、危险区域、易变过程、难于对付的非常环境。

    2.全数字化、智能、多功能取代模拟式单功能仪器、仪表、控制装置。

    3.用两根线联接分散的现场仪表、控制装置,取代每台仪表的两根线。“现场控制”取代“分散控制”;数据的传输采用“总线”方式。

    4.从控制室到现场设备的双向数字通信总线,是互联的、双向的、串行多节点、开放的数字通信系统取代单向的、单点、并行、封闭的模拟系统。

    5.用分散的虚拟控制站取代集中的控制站。

    6.把微机处理器转入现场自控设备,使设备具有数字计算和数字通信能力,信号传输精度高,远程传输。实现信号传输全数字化、控制功能分散、标准统一全开放。

    7.可上局域网,再可与internet相通。既是通信网络,又是控制网络。

    8.3类FCS的典型应用:1) 连续的工艺过程自动控制如石油化工,其中“本安防爆”技术是绝对重要的;2)分立的工艺动作自动控制如汽车制造机器人、汽车;3)多点控制如楼宇自动化。

    这三大控制系统,尤其是DCS、PLC,都在电站得到了广泛应用,而且效果也非常好。

    系统差异

    差异

    2.1.1 DCS或PLC

    PLC系统与DCS系统的结构差异不大,只是在功能的着重点上的不同,DCS着重于闭环控制及数据处理。PLC着重于逻辑控制及开关量的控制,也可实现模拟量控制。

    DCS或PLC系统的关键是通信。也可以说数据公路是分散控制系统DCS及PLC的脊柱。由于它的任务是为系统所有部件之间提供通信网络,因此,数据公路自身的设计就决定了总体的灵活性和安全性。数据公路的媒体可以是:一对绞线、同轴电缆或光纤电缆。

    DCS的特点是:(1)控制功能强。可实现复杂的控制规律,如串级、前馈、解耦、自适应、最优和非线性控制等。也可实现顺序控制。(2)系统可靠性高。(3)采用CRT操作站有良好的人机界面。(4)软硬件采用模块化积木式结构。(5)系统容易开发。(6)用组态软件,编程简单,操作方便。(7)有良好的性价比。

    通过数据公路的设计参数,基本上可以了解一个特定DCS或PLC系统的相对优点与弱点。

    1.系统能处理多少I/O信息。

    2.系统能处理多少与控制有关的控制回路的信息。

    3.能适应多少用户和装置(CRT、控制站等)。

    4.传输数据的完整性是怎样彻底检查的。

    5.数据公路的最大允许长度是多少。

    6.数据公路能支持多少支路。

    7.数据公路是否能支持由其它制造厂生产的硬件(可编程序控制器计算机、数据记录装置等)。为保证通信的完整,大部分DCS或PLC厂家都能提供冗余数据公路。

    为了保证系统的安全性,使用了复杂的通信规约和检错技术。所谓通信规约就是一组规则,用以保证所传输的数据接收与发送。

    目前在DCS和PLC系统中一般使用两类通信手段,即同步的和异步的,同步通信依靠一个时钟信号来调节数据的传输和接收,异步网络采用没有时钟的报告系统。

    2.1.2 FCS

    FCS具有

    (1)很好的开放性、互操作性和互换性。

    (2)全数字通信。

    (3)智能化与功能自治性。

    (4)高度分散性。

    (5)很强的适用性。

    FCS的关键要点有三点:

    1.FCS系统的核心是总线协议,即总线标准。

    采用双绞线、光缆或无线电方式传输数字信号,减少大量导线,提高了可靠性和抗干扰能力。FCS从传感器、变送器到调节器一直是数字信号,这就使我们很容易地处理更复杂、更精确的信号,同时数字通信的差错功能可检出传输中的误码。

    FCS可以将PID控制彻底分散到现场设备(Field Device)中。基于现场总线的FCS又是全分散、全数字化、全开放和可互操作的新一代生产过程自动化系统,它将取代现场一对一的4~20mA模拟信号线,给传统的工业自动化控制系统体系结构带来革命性的变化。

    根据IEC61158的定义,现场总线是安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。现场总线使测控设备具备了数字计算和数字通信能力,提高了信号的测量、传输和控制精度,提高了系统与设备的功能、性能。IEC/TC65的SC65C/WG6工作组于1984年开始致力于推出世界上单一的现场总线标准工作,走过了16年的艰难历程,于1993年推出了IEC61158-2,之后的标准制定就陷于混乱。2000年初公布的IEC61158现场总线国际标准子集有八种,分别为:

    ①类型1 IEC技术报告(FFH1);②类型2 Control-NET(美国Rockwell公司支持);③类型3 Profibus(德国Siemens公司支持);④类型4 P-NET(丹麦Process Data公司支持);⑤类型5 FFHSE(原FFH2)高速以太网(美国Fisher Rosemount公司支持);⑥类型6 Swift-Net(美国波音公司支持);⑦类型7 WorldFIP(法国Alsto公司支持);⑧类型8 Interbus(美国Phoenix Contact公司支持)。

    除了IEC61158的8种现场总线外,IEC TC17B通过了三种总线标准:SDS(Smart Distributed System);ASI(Actuator Sensor Interface);Device NET。另外,ISO公布了ISO 11898 CAN标准。其中Device NET于2002年10月8日被中国批准为国家标准,并于2003年4月1日开始实施。

    所以,要实现这些总线类型的相互兼容和互操作,就目前状态而言,几乎是不可能的。开放的现场总线控制系统的互操作性,就一个特定类型的现场总线而言,只要遵循同一类型现场总线的总线协议,对其产品是开放的,并具有互操作性。换句话说,不论什么厂家的产品,只要遵循同一类型总线的总线协议,产品之间是开放的,并具有互操作性,就可以组成总线网络。

    另外,FCS还可以通过网关和企业的上级管理网络相连,以便管理者掌握第一手资料,为决策提供依据。所以现场总线具有开放性、互操作性、系统结构的高度分散性、灵活的网络拓扑结构、现场设备的高度智能化、对环境的高度适应性等诸多突出特点。

    2.FCS系统的基础是数字智能现场装置

    控制功能下放到现场仪表中,控制室内仪表装置主要完成数据处理、监督控制、优化控制、协调控制和管理自动化等功能。

    数字智能现场装置是FCS系统的硬件支撑,是基础;道理很简单,FCS系统执行的是自动控制装置与现场装置之间的双向数字通信现场总线信号制。现场装置必须遵循统一的总线协议,即相关的通讯规约,具备数字通信功能,能实现双向数字通。再一点,现场总线的一大特点就是要增加现场一级控制功能。

    3.FCS系统的本质是信息处理现场化

    对于一个控制系统,无论是采用DCS还是采用现场总线,系统需要处理的信息量至少是一样多的。实际上,采用现场总线后,可以从现场得到更多的信息。现场总线系统的信息量没有减少,甚至增加了,而传输信息的线缆却大大减少了。这就要求一方面要大大提高线缆传输信息的能力,另一方面要让大量信息在现场就地完成处理,减少现场与控制机房之间的信息往返。可以说现场总线的本质就是信息处理的现场化。

    由现场智能仪表完成数据采集、数据处理、控制运算和数据输出等功能。现场仪表的数据(包括采集的数据和诊断数据)通过现场总线传送到控制室的控制设备上,控制室的控制设备用来监视各个现场仪表的运行状态,保存智能仪表上传的数据,同时完成少量现场仪表无法完成的高级控制功能。

    2.2 典型系统比较

    通过使用现场总线,用户可以大量减少现场接线,用单个现场仪表可实现多变量通信,不同制造厂生产的装置间可以完全互操作,增加现场一级的控制功能,系统集成大大简化,并且维护十分简便。

    传统的过程控制仪表系统每个现场装置到控制室都需使用一对专用的电缆或双绞线,以传送4mA~20mA信号。现场总线系统中,每个现场装置到接线盒的双绞线仍然可以使用,但是从现场接线盒到中央控制室仅用一根双绞线完成数字通信。

    通过采用现场总线控制系统,到底能节省多少电缆,编者就不作详细的计算。

    应用差异

    上述的比较是偏重于纯技术性的比较,下面就DCS与FCS系统在具体应用方面进行比较。前题是DCS系统与典型的、理想的FCS系统进行比较。

    具体比较:

    1.DCS系统是个大系统,其控制器的功能强而且在系统中的作用十分重要,数据公路更是系统的关键,所以,必须整体投资一步到位,事后的扩容难度较大。而FCS功能下放较彻底,信息处理现场化,数字智能现场装置的广泛采用,使得控制器功能与重要性相对减弱。因此,FCS系统投资起点低,可以边用、边扩、边投运。

    2.DCS系统是封闭式系统,各公司产品基本不兼容。而FCS系统是开放式系统,不同厂商、不同品牌的各种产品基本能同时连入同一现场总线,达到最佳的系统集成。

    3.DCS系统的信息全都是二进制或模拟信号形成的,必须通过D/A与A/D转换。而FCS系统将D/A与A/D转换在现场一次表完成,实现全数字化通信,使精度得到大的提高,可提高到0.1%。并且FCS系统可以将PID闭环控制功能装入现场设备中,缩短了控制周期,提高运算速度,从而改善调节性能。

    4.DCS它可以控制和监视工艺全过程,对自身进行诊断、维护和组态。但是,由于自身的致命弱点,其I/O信号采用传统的模拟量信号,因此,它无法在DCS工程师站上对现场仪表(含变送器、执行器等)进行远方诊断、维护和组态。FCS采用全数字化技术,数字智能现场装置发送多变量信息,而不仅仅是单变量信息,并且还具备检测信息差错的功能。FCS采用的是双向数字通信现场总线信号制。因此,它可以对现场装置(含变送器、执行机构等)进行远方诊断、维护和组态。

    5.FCS由于信息处理现场化,与DCS相比可以省去相当数量的隔离器、端子柜、I/O终端、I/O卡件、I/O文件及I/O柜,同时也节省了I/O装置及装置室的空间与占地面积。同时,FCS可以减少大量电缆与敷设电缆用的桥架等,同时也节省了设计、安装和维护费用。

    6.FCS相对于DCS组态简单,由于结构、性能标准化,便于安装、运行、维护。

    发展前景

    大家都知道FCS是由PLC或DCS发展而来,现在FCS系统被广泛的应用,那么,PLC与DCS前景又将如何。

    PLC于20世纪60年代末期在美国首先出现,目的是用来取代继电器,执行逻辑、计时、计数等顺序控制功能,建立柔性程序控制系统。1976年正式命名,并给予定义:PLC(Programmable logic Controller)是一种数字控制专用电子计算机,它使用了可编程序存储器储存指令,执行诸如逻辑、顺序、计时、计数与演算等功能,并通过模拟和数字输入、输出等组件,控制各种机械或工作程序。经过30多年的发展,PLC已十分成熟与完善,并具有强大的运算、处理和数据传输功能。并定义为可编程控制器(Programmable Controller PLC)。PLC在FCS系统中的地位似乎已被确定并无多少争论。PLC作为一个站挂在高速总线上。充分发挥PLC在处理开关量方面的优势。另外,电厂辅助车间,例如水处理车间、循环水车间、除灰除渣车间、输煤车间等,这些车间的工艺过程多以顺序控制为主。PLC对于顺序控制有其独特的优势。辅助车间的控制系统应以遵循现场总线通讯协议的PLC或能与FCS进行通讯交换信息的PLC为优选对象。

    现场总线的应用是工业过程控制发展的主流之一。可以说FCS的发展应用是自动化领域一场革命。采用现场总线技术构造低成本现场总线控制系统,促进现场仪表的智能化、控制功能分散化、控制系统开放化,符合工业控制系统技术发展趋势。总之,计算机控制系统的发展在经历了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、集中式数字控制系统以及集散控制系统(DCS)后,将朝着现场总线控制系统(FCS)的方向发展。虽然以现场总线为基础的FCS发展很快,但FCS发展还有很多工作要做,如统一标准、仪表智能化等。另外,传统控制系统的维护和改造还需要DCS,因此FCS完全取代传统的DCS还需要一个漫长的过程,同时DCS本身也在不断的发展与完善。可以肯定的是,结合DCS、工业以太网、先进控制等新技术的FCS将具有强大的生命力。工业以太网以及现场总线技术作为一种灵活、方便、可靠的数据传输方式,在工业现场得到了越来越多的应用,并将在控制领域中占有更加重要的地位。

    结论

    在未来,工业过程控制系统中,数字技术向智能化、开放性、网络化、信息化发展,同时,工业控制软件也将向标准化、网络化、智能化、开放性发展。因此现场总线控制系统FCS的出现,数字式分散控制DCS及PLC并不会消亡,DCS及PLC系统会更加向智能化、开放性、网络化、信息化发展。或只是将过去处于控制系统中心地位的DCS移到现场总线的一个站点上去。这样说,DCS或PLC处于控制系统中心地位的局面从此将被打破。今后的控制系统将会是:FCS处于控制系统中心地位,兼有DCS、PLC系统一种新型标准化、智能化、开放性、网络化、信息化控制系统。

    记录仪

    DCS的价格一般比较昂贵,一套最小的DCS系统都要求10万元左右,一般适合点数较多的场合。但是点数比较小的情况下,记录仪就显示比较经济实惠了。100点以下的点数价格估计只有DCS的一半左右。所以选择DCS也应该根据现场的需求来进行选择。[2]

    子系统/DCS 编辑

    DCS是Data Communication Subsystem (数据通信子系统)的简称。 以轨道交通行业为例,DCS是一个纯透明的非安全性系统,他是控制中心和列车之间发送报文的载体

    脊柱刺激器/DCS 编辑

    DCS第二层涵义:Dorsal Column Stimulator 脊柱刺激器[医]。

    数字蜂窝系统/DCS 编辑

    DCS(Digital Cellular System )数字蜂窝系统 简称DCS ,常见于手机频率。如DCS1800这种表达方式的移动通信系统,还包括CDMA800、GSM900、DCS1800、3G等多套系统。

    下坡缓速控制/DCS 编辑

    DCS英文全称是Descent Control System,车辆驶在倾斜度较大的下坡路上行进时,DCS自动进行制动,让车辆维持在5——7公里/小时的速度前进,司机无须踩刹车踏板,而且确保车轮不发生抱死,轻松驾驭方向。如欧宝安德拉、雪佛兰科帕奇车型就标配了此系统。

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    参考资料
    [1]^引用日期:2019-01-03
    [2]^引用日期:2019-01-03

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