发

集 散 控 制 系 统 (DCS) 综 述 一. 集 散 系 统 的 特 点 集 散 控 制 系 统 (DCS), 是 一 种 新 型 的 过 程 控 制 系 统 这 个 系 统 以 多 台 微 型 计 算 机 分 散 应 用 与 过 程 控 制, 全 部 信 息 通 过 通 信 网 络 由 上 位 计 算 机 监 控, 实 现 最 佳 化 控 制 ; 通 过 LCD 装 置, 通 信 总 线 键 盘, 打 印 机 等 又 能 高 度 集 中 地 操 作, 显 示 和 报 警 整 个 装 置 继 承 了 常 规 模 拟 仪 表 控 制 系 统 和 计 算 机 集 中 控 制 系 统 的 优 点, 并 且 克 服 了 单 微 机 控 制 系 统 危 险 性 高 度 集 中 以 及 常 规 仪 表 控 制 功 能 单 一, 人 / 机 联 系 差 的 缺 点, 它 的 主 要 特 点 是 : 1 功 能 齐 全 集 散 系 统 可 以 完 成 从 简 单 的 单 回 路 控 制 到 复 杂 的 多 变 量 模 型 优 化 控 制 ; 可 以 执 行 从 常 规 的 PID 运 算 到 SMITH 预 估, 三 阶 矩 阵 乘 法 等 各 种 运 算 ; 可 以 进 行 连 续 的 反 馈 控 制, 也 可 以 进 行 间 断 的 顺 序 控 制, 逻 辑 控 制, 可 以 实 现 监 控, 显 示, 打 印, 报 警, 历 史 数 据 存 储 等 日 常 的 全 部 操 作 要 求 2 人 机 联 系 好, 实 现 了 集 中 监 控 和 管 理 操 作 人 员 通 过 LCD 和 操 作 键 盘, 可 以 监 控 全 部 生 产 装 置 以 及 整 个 工 厂 的 生 产 情 况, 按 预 定 的 控 制 策 略 组 成 各 种 不 同 的 控 制 回 路, 并 调 整 回 路 的 任 一 常 数, 而 且 还 可 以 对 机 电 设 备 进 行 各 种 控 制, 从 而 实 现 了 真 正 的 集 中 操 作 和 监 控 管 理 3 系 统 扩 展 灵 活 集 散 系 统 采 用 卡 件 式 结 构, 用 户 可 根 据 需 要 方 便 地 扩 大 或 缩 小 系 统 的 规 模, 或 改 变 系 统 的 控 制 级 别 集 散 系 统 采 用 组 态 方 法 构 成 各 种 控 制 回 路, 很 容 易 对 方 案 进 行 修 改 4 安 全 可 靠 性 高 由 于 采 用 了 多 微 处 理 机 的 分 散 控 制 结 构, 危 险 性 分 散, 系 统 中 的 关 键 设 备 采 用 双 重 或 多 重 冗 余, 还 设 有 无 中 断 自 动 控 制 系 统 和 完 善 的 自 诊 断 功 能, 使 系 统 的 平 均 无 故 障 时 间 MTBF 达 到 20 万 小 时, 平 均 修 复 时 间 MTTR 为 4 小 时, 整 个 系 统 的 利 用 率 A 达 到 99.9999%

5 安 装 调 试 简 单 集 散 系 统 的 各 模 件 都 安 装 在 标 准 机 笼 内, 模 件 之 间 采 用 多 芯 电 缆, 标 准 化 接 插 件 连 接, 与 过 程 的 连 接 采 用 规 格 化 端 子 板, 到 中 控 室 操 作 站 只 需 敷 设 同 轴 电 缆 进 行 数 据 传 递, 所 以 布 线 量 大 大 减 少, 安 装 工 作 量 仅 为 常 规 仪 表 的 1/2~1/3 系 统 调 试 采 用 专 用 的 调 试 软 件, 使 调 试 时 间 仅 为 常 规 仪 表 的 1/2 6 具 有 良 好 的 性 能 价 格 比 在 性 能 上 集 散 系 统 技 术 先 进, 功 能 齐 全, 可 靠 性 高, 适 用 于 多 级 递 阶 管 理 控 制 在 价 格 方 面, 目 前 整 套 国 产 集 散 系 统 投 资 已 远 低 于 常 规 仪 表 规 模 越 大, 单 位 回 路 投 资 将 更 低 可 以 这 样 认 为 :1975-1976 年 是 集 散 系 统 发 展 的 第 一 个 高 潮, 即 集 散 系 统 的 诞 生 时 期,1976 年 以 后, 随 着 各 种 高 技 术 的 飞 速 发 展, 特 别 是 信 息 处 理 技 术 和 计 算 机 网 络 技 术 的 发 展, 这 段 时 期 集 散 系 统 的 研 制 工 作, 一 方 面 对 原 有 系 统 硬 件 和 软 件 采 取 更 新 措 施, 另 一 方 面 积 极 开 发 高 一 层 次 的 信 息 管 理 系 统 新 系 统 在 原 有 的 过 程 控 制 管 理 层 的 基 础 上 增 加 了 第 三 层 - 综 合 信 息 管 理 层, 更 多 地 关 心 高 层 信 息 的 格 式, 传 输, 处 理, 存 贮, 共 享 等 问 题 预 计 综 合 信 息 管 理 层 还 会 向 高 层 发 展, 它 将 以 企 业 网 的 形 式 加 入 区 域 计 算 机 网 或 远 程 计 算 机 网 中 我 国 使 用 集 散 系 统 在 七 十 年 代 末 八 十 年 代 初,85 年 进 入 推 广 应 用 阶 段 集 散 系 统 的 应 用, 把 我 国 过 程 控 制 推 向 一 个 新 的 水 平, 取 得 较 为 显 著 的 经 济 效 益, 其 发 展 前 景 是 十 分 广 阔 的 二. 集 散 系 统 的 基 本 结 构 集 散 系 统 的 各 种 功 能 不 同 的 控 制 站 以 满 足 不 同 的 控 制 对 象 的 需 要, 而 操 作 站 则 对 整 个 生 产 过 程 进 行 显 示, 操 作 和 管 理 各 个 控 制 站 和 操 作 站, 通 过 高 速 数 据 通 道 连 成 网 络, 形 成 整 个 集 散 系 统 所 以 集 散 系 统 主 要 由 控 制 站, 操 作 站, 高 速 数 据 通 道 三 大 部 分 组 成, 其 基 本 结 构 如 图 1 所 示

图 1 集 散 系 统 基 本 结 构 框 图 ( 一 ) 控 制 站 控 制 站 是 集 散 系 统 中 面 向 生 产 过 程 控 制 的 重 要 组 件, 是 集 散 系 统 的 核 心 单 元 它 们 分 散 到 生 产 过 程 的 各 区 段, 完 成 数 据 采 集, 顺 序 逻 辑 控 制 和 闭 环 控 制 等 任 务 控 制 站 接 受 现 场 各 种 检 测 仪 表 和 变 送 器 送 来 的 生 产 过 程 信 息, 借 助 于 高 速 数 据 通 道 接 受 来 自 操 作 站 的 控 制 要 求, 二 者 比 较 后 按 预 定 的 控 制 算 法 进 行 计 算, 并 把 计 算 结 果 输 出, 控 制 现 场 执 行 机 构 动 作, 从 而 实 现 对 生 产 过 程 的 控 制 各 集 散 系 统 厂 商 对 控 制 站 有 许 多 不 同 的 命 名, 如 闭 环 控 制 站, 基 本 控 制 器, 过 程 控 制 单 元, 现 场 控 制 单 元 等 虽 然 名 称 各 异, 但 其 功 能 却 大 同 小 异 实 际 上, 控 制 站 就 是 一 台 具 有 高 速 数 据 通 讯 功 能 的 执 行 具 体 控 制 任 务 的 工 业 控 制 机 其 基 本 组 成 如 图 2 所 示

图 2 控 制 站 基 本 组 成 框 图 控 制 站 一 般 采 用 总 线 结 构 和 功 能 模 块 组 装 而 成, 各 功 能 模 块 以 插 件 形 式 插 在 机 箱 中, 并 直 接 与 总 线 相 连 按 功 能 分 类, 插 件 的 种 类 主 要 有 CPU 卡, 过 程 输 入 / 输 出 卡, 通 信 卡, 和 电 源 卡 等 控 制 站 控 制 的 回 路 数 不 同, 则 它 们 包 含 的 卡 片 数 量 以 及 各 卡 片 功 能 强 弱 也 不 同 由 于 采 用 了 超 大 规 模 集 成 电 路,CPU 与 存 贮 器 通 常 被 制 作 在 一 块 功 能 卡 上,CPU 功 能 卡 为 控 制 站 的 核 心 部 件, 对 于 单 回 路 或 双 回 路 控 制 站, 通 常 采 用 8 位 微 处 理 器 或 单 片 机, 对 于 多 回 路 控 制 站 或 多 功 能 控 制 站 通 常 采 用 高 性 能 的 32 位 CPU, 存 贮 器 通 常 包 括 程 序 存 贮 器, 组 态 存 贮 器, 和 工 作 数 据 存 贮 器 三 部 分 程 序 存 贮 器 由 EPROM 构 成, 用 来 保 存 控 制 站 的 管 理, 监 控, 和 标 准 算 术 程 序, 组 态 存 贮 器 由 EPROM 或 带 后 备 电 池 的 RAM 构 成, 用 来 存 放 用 户 定 义 的 控 制 策 略 ; 工 作 数 据 存 贮 器 由 RAM 或 带 后 备 电 池 的 RAM 构 成, 用 来 存 放 经 常 更 改 的 数 据 如 过 程 变 量 数 据, 中 间 变 量 数 据, 和 通 讯 数 据 等 输 入 / 输 出 功 能 卡 是 控 制 站 与 生 产 过 程 相 连 接 的 部 件 目 前 I/O 片 已 向 智 能 化 发 展, 每 个 功 能 卡 本 身 就 是 一 台 微 机, 除 了 完 成 输 入 输 出 任 务 外, 还 能 对 过 程 数 据 进 行 一 些 预 处 理 运 算 和 数 据 通 信 I/O 卡 按 其 连 接 信 号 类 型 可 分 为 模 拟 量 输 入, 模 拟 量 输 出, 开 关 量 输 入, 开 关 量 输 出, 脉 冲 量 输 入, 脉 冲 量 输 出 六 大 类, 每 一 类 中 按 信 号 强 弱, 信 号 制 式 或 所 接 负 载 不 同 分 为 许 多 种 模 拟 量 输 入 信 号 有 MV,1-5V,0-10V,4-20MA,0-10MA 以 及 各 种 型 号 的 热 电 阻 和 热 电 偶 信 号, 输 入 回 路 通 常 有 过 压 保 护, 阻 容 滤 波 以 及 光 电 隔 离 电 路, 并 可 和 DDZ-2 型 或 DDZ-3 型 仪 表 的 变 送 器 单 元 以 及 热 电 阻, 热 电 偶 直 接 相 连 模 拟 量 输 出 信 号 采 用 1-5V,4-20MA, 和

0-10V,0-10MA, 输 出 回 路 也 可 带 有 光 电 隔 离 电 路, 可 直 接 与 DDZ-2 或 DDZ-3 型 仪 表 的 执 行 单 元 相 连 开 关 量 和 脉 冲 量 的 输 入 输 出 均 带 有 光 电 隔 离 或 变 压 器 隔 离 电 路, 并 通 过 三 极 管, 可 控 硅, 固 态 开 关 或 继 电 器 等 装 置 输 出 扩 展 接 口 则 是 为 控 制 站 扩 展 I/O 能 力 而 设 置 的 控 制 站 的 软 件 实 行 了 模 块 化, 将 在 控 制 站 中 可 能 用 到 的 各 种 算 法 的 标 准 子 程 序, 固 化 在 ROM 中, 构 成 标 准 子 程 序 库, 一 个 子 程 序 就 是 一 个 功 能 模 块, 或 称 为 软 仪 表 选 择 算 法, 就 是 根 据 控 制 要 求, 从 ROM 中 调 出 所 需 的 子 程 序, 把 若 干 软 仪 表 用 软 导 线 连 接 起 来 而 形 成 控 制 策 略 ( 二 ) 操 作 站 操 作 站 是 集 散 系 统 与 操 作 人 员 相 联 系 的 人 机 接 口, 它 的 主 要 工 作 是 完 成 集 中 管 理 和 对 生 产 过 程 的 集 中 监 控 操 作 人 员 对 生 产 过 程 的 监 视, 控 制 指 令 的 发 出 均 需 通 过 操 作 站 完 成 操 作 站 的 使 用, 使 得 操 作 员 在 中 控 室 就 能 监 视 和 操 作 设 备 的 正 常 启 停, 运 行 和 事 故 处 理 按 具 体 功 能 不 同, 操 作 站 又 可 分 为 LCD 操 作 站, 工 程 师 操 作 站 和 上 位 机 等, 一 般 对 中 小 规 模 的 集 散 系 统, 操 作 站 通 常 只 设 LCD 操 作 站, 此 时 的 LCD 操 作 站 兼 有 上 位 机, 工 程 师 工 作 站 的 一 些 功 能 而 对 大 规 模 集 散 系 统 而 言, 则 是 分 别 配 备 上 位 机, 工 程 师 工 作 站, 而 且 均 采 用 功 能 强 大 的 64 位 机, 配 有 打 印 机, 键 盘, 硬 盘 等 辅 助 外 围 设 备 以 及 丰 富 的 软 件 支 持 1 LCD 操 作 站 不 同 的 集 散 系 统 生 产 厂 给 LCD 操 作 站 赋 予 不 同 的 名 称, 如 操 作 接 口 单 元, 电 子 单 元, 监 控 站 等, 但 其 结 构 和 功 能 都 是 相 似 的 作 为 重 要 的 人 / 机 接 口 装 置 LCD 操 作 站 主 要 由 CPU, 存 贮 器, 显 示 器, 操 作 键 盘, 打 印 机, 通 信 接 口 等 几 部 分 组 成 如 图 3 所 示

图 3 LCD 操 作 站 组 成 框 图 LCD 操 作 站 的 核 心 部 件 是 CPU, 一 般 采 用 高 性 能 的 64 位 微 处 理 器, 配 有 自 己 的 与 上 位 机 无 关 的 程 序, 和 大 容 量 的 软 盘 和 硬 盘 显 示 器 和 键 盘 由 CPU 控 制, 通 过 它 能 进 行 集 中 操 作 和 显 示, 以 代 替 模 拟 仪 表 屏, 解 决 模 拟 仪 表 采 用 高 度 密 集 化 设 计 也 不 能 解 决 的 问 题 操 作 员 可 在 LCD 上 选 择 观 察 生 产 过 程 的 各 种 画 面, 如 流 程 图, 趋 势 图 等, 也 可 观 察 每 个 回 路 或 每 组 回 路 的 过 程 变 量 的 详 细 情 况 通 过 键 盘, 操 作 员 可 改 变 每 个 控 制 回 路 的 运 行 方 式 ( 如 手 动, 自 动 等 ), 启 动 或 停 止 机 电 设 备 的 运 行 LCD 操 作 站 还 能 进 行 过 程 诊 断, 它 检 测 发 生 故 障 的 元 件 和 设 备, 判 断 过 程 变 量 超 越 上 下 限 的 情 况, 并 进 行 异 常 报 警 打 印 机 则 用 来 进 行 按 操 作 员 命 令 或 定 时 打 印 报 表, 打 印 报 警, 和 LCD 彩 色 画 面 拷 贝 2 工 程 师 工 作 站 目 前, 大 中 型 集 散 系 统 多 采 用 个 人 计 算 机 作 为 工 程 师 工 作 站, 用 以 对 整 个 集 散 系 统 进 行 软 件 组 态, 如 指 定 系 统 中 控 制 站, 操 作 站, 模 件 和 通 道 的 逻 辑 地 址 和 物 理 地 址, 设 置 各 项 初 始 参 数, 定 义 每 个 I/O 点 的 位 号, 平 位 类 型 和 逻 辑 地 址, 选 择 控 制 算 法, 绘 制 LCD 操 作 站 的 各 种 画 面, 定 义 各 种 生 产 管 理 报 表 格 式, 设 置 故 障 诊 断 等 等 3 上 位 机 上 位 机 也 称 为 上 位 监 控 计 算 机, 带 有 上 位 机 的 集 散 系 统, 可 实 现 对 生 产 过 程 的 最 优 控 制 和 管 理, 能 存 取 工 厂 所 有 数 据 和 控 制 参 数, 按 照 要 求 打 印 综 合 报 告, 进 行 长 期 的 趋 势 分 析, 进 行 最 优 化 的 监 控

( 三 ) 高 速 数 据 通 道 高 速 数 据 通 道 将 各 个 控 制 站,LCD 操 作 站 以 及 上 位 机, 工 程 师 工 作 站 有 机 地 连 接 起 来, 形 成 一 个 计 算 机 网 络, 因 此, 高 速 数 据 通 道 是 整 个 集 散 系 统 的 交 通 大 动 脉 高 速 数 据 通 道 一 般 用 二 进 制 串 行 高 速 传 送 方 式, 传 输 率 以 波 特 率 表 示, 传 输 介 质 多 采 用 双 绞 线, 同 轴 电 缆, 和 光 导 纤 维 因 此, 高 速 数 据 通 道 实 际 上 是 一 种 具 有 高 速 通 信 能 力 的 信 息 总 线, 一 种 通 讯 网 络 它 包 含 两 个 主 要 内 容, 即 通 讯 网 络 结 构 和 通 讯 网 络 协 议 1 通 讯 网 络 结 构 高 速 数 据 通 道 的 通 讯 网 络 结 构 有 多 种 形 式 目 前 在 集 散 系 统 中 应 用 较 多 的 通 讯 网 络 结 构 有 环 型, 总 线 型 以 及 它 们 的 组 合 (1) 总 线 型 总 线 型 结 构 如 图 4 所 示, 它 将 各 个 节 点 一 起 连 到 一 条 公 共 的 总 线 上 去, 每 个 设 备 站 都 有 一 个 地 址, 网 络 不 封 闭, 容 易 加 扩 新 节 点, 节 点 间 通 过 总 线 直 接 通 信, 速 度 快, 延 迟 和 开 销 小 总 线 型 网 络 结 构 简 单, 扩 展 方 便, 应 用 也 最 为 广 泛 如 霍 尼 韦 尔 的 TDC-3000 系 统 就 采 用 这 种 结 构 (2) 环 型 图 4 总 线 型 结 构 图

环 型 结 构 如 图 5 所 示, 数 据 通 道 形 成 一 个 环 路, 各 节 点 通 过 通 信 口 连 接 到 该 环 的 通 道 上 去, 信 息 以 一 个 方 向 在 环 上 从 源 节 点 向 目 的 节 点 传 送 因 而 环 型 网 络 控 制 方 式 简 单, 节 点 间 传 送 可 采 用 不 同 的 传 输 介 质 (3) 环 型 - 总 线 型 图 5 环 型 结 构 图 环 型 - 总 线 型 结 构 图 如 图 6 所 示, 将 环 型 和 总 线 型 网 络 结 构 合 理 地 运 用 到 一 个 系 统, 以 发 挥 各 自 优 点, 提 高 系 统 可 用 性

图 6 环 型 - 总 线 型 结 构 图 2 通 信 协 议 通 信 网 络 协 议 是 设 备 站 之 间 通 信 时 所 采 用 的 规 则 与 约 定 目 前 的 集 散 系 统 中, 高 速 数 据 通 道 的 通 信 网 络 协 议 大 致 分 为 两 种, 即 广 播 式 和 存 贮 转 发 式, 两 种 协 议 方 式 各 有 所 长, 应 用 都 较 广 泛 (1) 广 播 式 协 议 广 播 式 协 议 多 用 于 环 型 网 络 和 总 线 型 网 络 中, 又 可 分 为 自 由 竞 争 式 和 令 牌 式 自 由 竞 争 式 是 网 络 上 各 站 自 由 竞 争 发 送 信 息, 网 络 中 没 有 通 讯 指 挥 器, 凡 能 产 生 信 息 报 告 的 站 均 是 独 立 的 通 讯 主 体, 某 一 时 刻 网 络 上 所 有 的 通 讯 主 体 不 受 约 束 竞 争 地 发 出 信 息 报 告, 如 果 同 一 时 刻 有 两 个 以 上 通 讯 主 体 要 占 用 总 线, 就 会 发 生 冲 突, 这 时 一 个 通 讯 主 体 占 用 了 总 线, 其 它 通 讯 主 体 会 自 动 退 回, 经 随 机 延 时 后 再 重 新 发 送, 以 避 免 冲 突 直 到 抢 占 总 线 完 成 通 讯 为 止, 自 由 竞 争 式 信 息 响 应 快, 可 靠 性 较 高, 但 软 件 较 复 杂

令 牌 式 是 当 某 个 站 接 到 令 牌 时, 就 取 得 发 送 信 息 权, 令 牌 又 称 通 行 标 态, 是 用 附 在 信 息 包 后 面 的 一 个 标 态 符 来 表 示 环 型 网 络 中 只 有 一 个 令 牌 在 各 节 点 间 轮 转, 只 有 获 得 令 牌 的 节 点 才 有 权 发 送 信 息, 其 它 未 获 得 令 牌 的 站 都 只 能 接 收 信 息 当 某 站 获 得 令 牌 后, 可 以 把 要 发 送 的 信 息 加 上 令 牌 标 态, 向 环 路 中 下 一 站 传 送, 下 一 站 接 到 令 牌 后, 如 果 检 查 有 发 给 自 己 的 信 息 就 接 受 下 来, 否 则 将 信 息 连 同 令 牌 传 送 到 其 它 环 路 中 下 一 个 站, 如 果 此 节 点 也 有 信 息 要 发 往 其 它 站, 则 将 该 信 息 加 在 上 一 站 发 来 的 信 息 后 面, 然 后 加 上 令 牌 向 环 路 中 下 一 站 发 送, 如 此 循 环 往 复 (2) 存 贮 转 发 式 存 贮 转 发 式 多 用 于 环 型 网 络, 环 型 网 络 中 的 信 息 是 沿 环 路 单 方 向 依 次 传 送 的, 每 次 传 送 均 经 过 下 一 站 的 缓 冲 寄 存 器, 然 后 再 重 新 传 输 如 果 网 络 中 某 一 站 (A) 在 某 一 时 刻 需 向 另 一 站 (D) 发 送 信 息, 该 信 息 首 先 送 到 环 路 中 下 一 站 (B) 的 缓 冲 寄 存 器, 然 后 由 B 站 再 重 新 传 送 至 下 一 站 (C) 的 缓 冲 寄 存 器, 再 由 C 站 重 新 传 至 D 站 由 于 传 送 的 信 息 有 明 确 的 接 收 地 址, 所 以 B 站 C 站 均 不 会 使 用 该 信 息, 而 D 站 除 可 使 用 该 信 息 外, 还 应 对 该 信 息 某 一 特 定 字 进 行 标 识 确 认, 并 再 次 转 发 到 A 站 如 果 经 校 验 没 有 差 错, 此 次 传 输 将 顺 利 完 成 而 被 冲 掉 反 之, 就 会 启 动 重 发, 使 该 信 息 多 次 传 送, 直 至 被 接 收 由 于 每 次 传 送 均 经 过 寄 存 器 重 新 发 送, 因 此 能 保 持 信 息 的 电 平 水 平, 提 高 抗 干 扰 能 力