第一章 集散控制系统（DCS） §1-1 集散控制系统的发展过程 DCS产生的背景：需求方面，工业规模增大，控制难度和控制项目数量大大增加，而工业管理方面需要降低劳动强度，减少事故率和运行成本，提高效率；硬件方面，4C技术飞速发展，能够满足上述需求，于是产生了集散控制系统（DCS）。 第一套由Honeywell公司在1975年研发成功，总体发展有三个阶段： 第一阶段：1975~1976年，诞生时期。总线结构，常规PID控制，监视少、信息交换量少、通信速度较慢，具备集散控制系统的基本框架。 第二阶段：1977~1984年，飞速发展期。主要得益于CPU的快速发展，CPU由8位向16位过渡，使控制算法增多、控制功能加强，软件方面出现了实时操作系统和图形显示技术，网络通信协议标准化，数据传送快速可靠。 第三阶段：1985年至今，综合信息管理系统时期。新器件、新技术不断产生，控制理论与管理理论不断发展，集散系统向着小型化、智能化、标准化、开放化方面发展。 总结为“两头拓展，中间壮大”。管控一体化，服务功能更加强大；集散系统人性化、智能化，如引入自适应控制、预测控制、模糊控制等算法，提高了系统的适用范围和控制品质。 国外著名公司：Westing House、Foxboro、Siemens、Bailey Controls 国内较大的工控公司：新华工控、北京和利时、浙大中控。 一、集散控制系统的特点 简单的说就是：操作管理集中、控制分散。 1．系统和智能化 模块化：即在功能上分级。 智能化：微处理器为基础的“智能技术”。如差错控制、冗余备用、显示替换、自适应、自诊断、自检测等。 2．局域网通讯技术 采用同轴电缆或光缆，通信可靠性和安全性大为提高，通信协议迈向标准化。 3．软件功能丰富 提供：算法、监视、控制、显示、打印、检索等一系列软件。 4．可靠性很高 模块化结构使控制回路分散，重要项目采用冗余配置，元器件测试严格，采用集成电路芯片和表面安装技术，软件容错能力大大提高。 平均故障间隔时间（MTBF）达5万小时； 平均故障修复时间（MTTR）只有5min左右。 5．安装维修方便 控制方案主要靠软件实现，大大节约了时间和成本。 硬件采用带电插拔技术，并具备自诊断和自检测功能，维修方便。 二、集散控制系统的发展趋势 1．向开放式系统发展 制定统一的工业标准；设备由专用化转向通用化。 2．向智能化方向发展 两个方面：系统的智能化和仪表的智能化。 3．PLC与集散控制系统的相互渗透 PLC源于逻辑/顺序控制；集散源于连续控制。 二者不断扩展、相互渗透，使其界线模糊。 4．现场控制接口向现场总线拓展 现场总线：控制高度分散，测控仪表网络化、智能化。如Plant Web 5．向管控一体化方向发展 突破“信息孤岛”限制，向MIS（信息管理系统）、CIS（信息监控系统）、EPR（企业资源计划）发展。 §1-2 集散控制系统概述 一、集散控制系统的基本概念 DCS——Distributed Control System 集散控制系统的基本组成：运行操作接口、开发维护接口、现场过程控制接口和网间通信接口。 二、集散控制系统的运行操作接口 属于人机接口的一部分。 与通信网络的连接方式：直接连接和间接连接。 1．运行操作接口的硬件配置 即运行操作员站（OIS）。 包括：主机、驱动单元、操作员专用台、彩色监视器、专用键盘、光标移动装置、电源设备、外设控制器及外部设备等。 2．运行操作接口的功能 ⑴显示功能：画面显示、图形显示、趋势显示、报警显示。 ⑵操作功能：可对画面中的各种设备进行直接操作和操作转换。 ⑶管理功能：可参与系统和过程管理。如数据存储、报警信息管理等。 ⑷其他功能：系统状态及诊断、画面组态、多文字应用能力等。 3．运行操作接口的应用软件 应用软件应完成的功能：实时数据库、网络管理、历史数据库管理、图形管理、历史数据趋势管理、数据库显示编辑、记录报表生成与打印、人机接口控制、控制回路调节、参数列表、串行通信和各种组态等。 两类报表打印功能：周期性报表打印、触发性报表打印。 三、集散控制系统的开发调试和维护接口 1．工程师站的硬件 即：工程师工作站（EWS） 2．工程师站的功能 ⑴组态功能：对运行操作员站组态（制定站的组成、规格、功能等），对过程控制单元组态（生成控制功能和报警功能） ⑵调试功能：对运行操作员接口进行标签数据库、流程画面、用户记录、键盘定义等的离线组态。 ⑶维护功能：通过网络将组态安装至过程控制单元（PCU）内，并可进行调试和诊断。同时具有监视调整生产过程的能力。 ⑷管理功能：对集散控制系统的组态文件进行传送、保存和检索，并可进一步加工利用。 3．EWS的软件 组态软件（包括丰富的功能软件模块和功能软件包）。 ⑴DCS的组态（开发和生成）：分两部分 ①基本配置组态：各种站的个数、索引标志、每个控制站的最大点数、最短执行周期和内存容量等。 ②应用软件组态： 主要是控制回路组态：实际系统分析（输入量、输出量和需要调用的模块）→生成控制方案。算法和参数分离。 目前常用的几种组态方式： ①指定运算模块连接方式。模块连接→自动生成软件。 ②判定表方式。纯粹的填表形式。 ③步骤记入方式。POL语言指令编写。自由度大、但系统生成效率低，不适于大规模DCS。 ⑵实时数据库生成 通过数据库工具软件生成数据库文件。 实时数据库的内容： ①站配置信息：站的型号、各功能板槽号。 ②模拟量输入数据：信号类型、工程单位、转换方式、量程、线性化方法、滤波方法、报警上下限、巡检周期等。热点偶和热电阻还需测量元件型号、冷端名称、桥路参数等有关说明。 ③模拟量输出数据：名称、信号类型、单位、量程、信号通道和巡检周期等。 ④开关量输出：输出类型、通道号和巡检周期等。 ⑤开关量输入：状态定义、加载时初值、通道号和巡检周期等。 ⑥其他：中断量、脉冲输入量、脉冲输出量、DI/DO等。 四、集散控制系统的现场控制接口 1．现场控制单元的基本结构 组成：机柜、供电电源、通信连接卡、主控制卡、I/O卡件和集线端子排。 现场控制接口的特点： ⑴可靠性高：可在通信网络故障下独立工作。 ⑵实时性：快速响应现场控制回路的要求和紧急情况处理。 ⑶控制功能强大：能满足各种不同要求，实现各种控制方式。 ⑷通信速度高、信息量大：能保证在大信息量时可靠、实时完成各项控制任务。 2．现场控制单元的功能 ⑴采集过程数据并转换； ⑵输出过程操作命令; ⑶按工艺流程对生产过程进行控制； ⑷完成与集散控制系统的数据通信； ⑸对现场设备进行监视与诊断； 3．现场控制单元的软件系统 现场控制单元的软件包括：执行代码、数据两部分。数据采集、输入输出和有关系统控制的程序部分固定在现场单元的EPROM中，实时数据存放在RAM中。 执行代码分：周期性代码、随机性代码两部分。 周期性代码：进行周期性的数据采集、转换处理、越限检查、控制算法、网络通信和状态检测等。由硬件时钟定时激活。 随机性代码：系统故障信号、事件顺序信号、实时网络数据的接收等。由硬件中断激活。 ⑴实时数据库。RAM中数据是一个实时数据库，是中心环节。 ⑵输入输出软件：开入开出模块、模入模出模块、信号转换模块。 ⑶控制软件模块： 控制算法库中的模块多达几百种，常见的有： ①自动/手动切换模块。要求“无扰切换”，须具备跟踪功能。 ②线性插值模块。分段线性函数。 ③非线性模块。包括限幅模块、死区模块、继电器模块等。 ④变型PID模块。前馈PID算法、带死区的PID算法、积分分离PID算法、不完全微分PID算法。 ⑤平衡输出模块。带多执行器时平衡负荷。 ⑥执行器模块。指令的正确实现。 ⑦逻辑模块。与、或、非的基本运算及置位清零。 三、集散控制系统的通信网络 1．数据通信基本原理 ⑴数据通信网络的拓扑结构 计算机网络——将物理位置不同的计算机及系统，通过通信装置、设备和线路将其连接起来。并按照一定的标准完成信息和数据的传送功能的网络。 计算机网络组成——计算机系统、通信线路、网络节点。 数据通信网络的拓扑结构：星形、环形、总线形、树形。 125MW/135MW机组常用网络为环形和总线形。 计算机通信网络按功能分解为两部分：资源子网（网络节点的硬件部分）、通信子网（网络节点、通信链路、信号变换器组成的提供网络通信的功能部分）。 通信子网的通信控制方式： ①查询方式：网络主节点以查询方式控制通信过程。 拓扑结构有：星形（通信效率较高，无冲突、软件设计简单，但速度慢，可靠性较低） ②存储—转发方式:即点对点方式。 拓扑结构有：环形、星形、树形。 ③广播方式—即共享通信子网。同一时间只有一个节点发送信息；广播方式有：令牌传送方式、自由竞争方式、时间分槽方式。 拓扑结构有：总线形（令牌传送方式）。125MW/135MW机组采用。 ⑵数据传输方式 ①按字符同步方式分：同步通信与异步通信 异步通信——信息字符需加起始位和结束位，通信时各信息字符相互独立，且间隔可以不等，每次发送一个字符，双时钟，效率低。 同步通信——将一组数据或报文作为信息单位，在其前后加同步字符（SYNC）组成帧（Frame），数据块可以任意字节长，信息字符间隔相等且等于时