DCS的基本結(jié)構(gòu)

1、本文格式為Word版，下載可任意編輯DCS的基本結(jié)構(gòu) dcs為分散掌握系統(tǒng)的英文（TOTAL DISTRIBUTED CONTROL SYSTEM）簡(jiǎn)稱。指的是掌握危急分散、管理和顯示集中。60年月末有人研制了作規(guī)律運(yùn)算的可編程序掌握器（Programmable Logic Controller）。簡(jiǎn)稱plc。主要應(yīng)用于汽車制造業(yè)。70年月中期以完成模擬量掌握的DCS推向市場(chǎng)，代替以PID運(yùn)算為主的模擬儀表掌握。首先提出DCS這樣一種思想的是原制造儀表的廠商，當(dāng)時(shí)主要應(yīng)用于化工行業(yè)。后又有計(jì)算機(jī)行業(yè)從事DCS的開發(fā)。70年月微機(jī)技術(shù)還不成熟，計(jì)算機(jī)技術(shù)還不夠發(fā)達(dá)。操作站、掌握器、I/O板和網(wǎng)絡(luò)

2、接口板等都是DCS生產(chǎn)廠家自行開發(fā)的，也就是全部部件都是專用的。 70年月初，有人用如PDP/1124這樣的小型機(jī)代替原來的集中安裝的模擬儀表掌握。連接到中央掌握室的電纜許多。如用小型機(jī)既作為掌握器、同時(shí)把連接小型機(jī)的CRT又作為顯示設(shè)備（即人機(jī)界面）。一臺(tái)小型機(jī)需接收幾千臺(tái)變送器或別的傳感器來的信號(hào)，完成幾百個(gè)回路的運(yùn)算。很明顯其危急有點(diǎn)集中。和模擬儀表連接的電纜一樣多，并且一旦小型機(jī)壞了，掌握和顯示都沒有了。數(shù)字掌握沒有達(dá)到預(yù)期的目的。 后有人提出把掌握和顯示分開。一臺(tái)計(jì)算機(jī)完成掌握計(jì)算任務(wù)，另一臺(tái)計(jì)算機(jī)完成顯示任務(wù)。另外，一個(gè)工藝過程作為被控對(duì)象可能需要顯示和掌握的點(diǎn)許多，其中有一些還需

3、要閉環(huán)掌握或規(guī)律運(yùn)算，工藝過程作為被控對(duì)象的各個(gè)部分會(huì)有相對(duì)獨(dú)立性，可以分成若干個(gè)獨(dú)立的工序，再把在計(jì)算機(jī)掌握系統(tǒng)中獨(dú)立的工序上需要顯示和掌握的輸入、輸出的點(diǎn)安排到數(shù)臺(tái)計(jì)算機(jī)中去，把原來由一臺(tái)小型機(jī)完成的運(yùn)算任務(wù)由幾臺(tái)或幾十臺(tái)計(jì)算機(jī)（掌握器）去完成。其中一臺(tái)機(jī)器壞了不影響全局。所謂“狼群代替老虎”的戰(zhàn)術(shù)，這就是危急分散的意思。把顯示、操作、打印等管理功能集中在一起，用網(wǎng)絡(luò)把上述完成掌握和顯示的兩部分連成一個(gè)系統(tǒng)。當(dāng)時(shí)有人把這種系統(tǒng)稱為集散系統(tǒng)。 危急畢竟要分散到多少算合適呢？這與當(dāng)時(shí)的計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)展水平有關(guān)。70年月中期，徹底分散就是一個(gè)掌握器完成一個(gè)回路的運(yùn)算。當(dāng)時(shí)由于人們對(duì)數(shù)字技術(shù)不太熟

4、息，習(xí)慣于模擬儀表，70年月末、80年月曾經(jīng)風(fēng)行回路掌握器，把數(shù)字掌握器做成和原來模擬儀表在外觀上幾乎完全一樣，不轉(zhuǎn)變操作習(xí)慣，內(nèi)部把PID運(yùn)算數(shù)字化。一塊儀表（一臺(tái)計(jì)算機(jī)）完成一個(gè)回路的掌握任務(wù)。其價(jià)格較為昂貴，但危急是分散了。然后用通訊網(wǎng)絡(luò)把各個(gè)掌握器和以CRT為基礎(chǔ)的人機(jī)界面連成一個(gè)系統(tǒng)。這時(shí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)通常都是星形結(jié)構(gòu)?；芈返恼莆掌鞯闹谱鞒杀咎?，價(jià)格/性能比不好。后來為了減低成本，就有兩回路的、四回路的掌握器，它的價(jià)格/性能比稍好一些。對(duì)于一個(gè)大中型系統(tǒng)來說，DCS的價(jià)格/性能比比回路掌握器組成的系統(tǒng)要好。有些特別地方還是要用到一些回路掌握器。 假如所要完成的回路太多，如一個(gè)掌握器采集幾

5、千點(diǎn)、完成幾百個(gè)回路的運(yùn)算，危急又太集中。在這種狀況下，危急必需分散。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)展，計(jì)算機(jī)的運(yùn)算力量、存儲(chǔ)容量和牢靠性不斷提高，一臺(tái)計(jì)算機(jī)所完成的任務(wù)也可以增加。完成的任務(wù)也可集中一點(diǎn)。另外，掌握器、網(wǎng)絡(luò)等冗余技術(shù)也得到了進(jìn)展，掌握運(yùn)算也可集中一些。 從目前的DCS來看，一個(gè)掌握器完成幾十個(gè)回路的運(yùn)算和幾百點(diǎn)的采集、再加適量的規(guī)律運(yùn)算，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)使用，效果是比較好的。這就產(chǎn)生掌握器升級(jí)的問題了。有時(shí)掌握器和檢測(cè)元件的距離還是比較遠(yuǎn)，這就促進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)總線的進(jìn)展。如CAN、LOONWORKS、FF等現(xiàn)場(chǎng)總線，以及HART協(xié)議接收板等都用到DCS系統(tǒng)中。 DCS分為三大部分，帶I/O板的掌握器、通訊

6、網(wǎng)絡(luò)和人機(jī)界面（hmi）。由I/O板通過端子板直接與生產(chǎn)過程相連，讀取傳感器來的信號(hào)。I/O板有幾種不同的類型，每一種I/O板都有相應(yīng)的端子板。 模擬量輸入，4-20毫安的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)板和用以讀取熱電偶的毫伏信號(hào)板；4-16個(gè)通道不等； 模擬量輸出，通常都是4-20毫安的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，一般它的通道比較少，4-8個(gè)個(gè)通道； 開關(guān)量輸入；16-32個(gè)通道： 開關(guān)量輸出，開關(guān)量輸入和輸出還分不同電壓等級(jí)的板，如直流24伏、125伏；溝通220伏或115伏等；8-16個(gè)通道不等； 脈沖量輸入，用于采集速率的信號(hào)；4-8通道不等； 快速中斷輸入； HART協(xié)議輸入板； 現(xiàn)場(chǎng)總線I/O板； 每一塊I/O板都接在I

7、/O總線上。為了信號(hào)的平安和完整，信號(hào)在進(jìn)入I/O板以前信號(hào)要進(jìn)行整修，如上下限的檢查、溫度補(bǔ)償、濾波，這些工作可以在端子板完成，也可以分開完成，完成信號(hào)整修的板現(xiàn)在有人稱它們?yōu)樾盘?hào)調(diào)理板。 I/O總線和掌握器相連。80年月的DCS由于掌握器的運(yùn)算力量不強(qiáng)，為了增加I/O點(diǎn)數(shù)，把掌握器的任務(wù)分開，實(shí)際上是有三種類型的掌握器。即：完成閉環(huán)運(yùn)算的掌握器、模擬量數(shù)據(jù)采集器和規(guī)律運(yùn)算器。它們分別有自己的I/O總線，各種DCS的I/O總線各不相同。假如要求快速，最好采納并行總線。一般采納串行總線比較多。尤其是RS485總線較多，模擬量數(shù)據(jù)采集器和規(guī)律運(yùn)算器的I/O點(diǎn)數(shù)可以多一些。 閉環(huán)掌握器、模擬量數(shù)據(jù)

8、采集器和規(guī)律運(yùn)算器可以和人機(jī)界面直接連在通訊網(wǎng)絡(luò)上，在網(wǎng)絡(luò)上的每一個(gè)不同的掌握器作為網(wǎng)絡(luò)上的一個(gè)獨(dú)立結(jié)點(diǎn)。每一個(gè)結(jié)點(diǎn)完成不同的功能。它們都應(yīng)有網(wǎng)絡(luò)接口。有的DCS為了節(jié)約網(wǎng)絡(luò)接口，把全部的過程掌握用的設(shè)備即閉環(huán)掌握器、模擬量數(shù)據(jù)采集器和規(guī)律運(yùn)算器預(yù)先連在掌握總線上，稱為過程掌握站。這可以增加過程掌握站能接收的I/O點(diǎn)數(shù)，又能節(jié)約接口。然后再通過接口連到網(wǎng)絡(luò)上，與人機(jī)界面相連。隨著計(jì)算機(jī)計(jì)術(shù)的進(jìn)展，掌握器的運(yùn)算力量不斷增加，如PC機(jī)做的一個(gè)掌握器力量很強(qiáng)，既可接收模擬量運(yùn)算，也接收開關(guān)量規(guī)律運(yùn)算。一個(gè)掌握器成為網(wǎng)絡(luò)上的一個(gè)結(jié)點(diǎn)。通過網(wǎng)絡(luò)與人機(jī)界面相連。 掌握器是DCS的核心部件，它相當(dāng)于一臺(tái)PC

9、機(jī)。有的DCS的掌握器本身就是PC機(jī)。它主要有CPU、RAM、E2PROM和ROM等芯片，還有兩個(gè)接口，一個(gè)向下接收I/O總線來的信號(hào)，另一個(gè)接口是向上把信號(hào)送到網(wǎng)絡(luò)上與人機(jī)界面相連。ROM用來存貯完成各種運(yùn)算功能的掌握算法（有的DCS稱為功能塊庫）。在庫中存功能塊，如掌握算法PID、帶死區(qū)PID，積分分別PID，算術(shù)運(yùn)算加、減、乘、除、平方、開方、函數(shù)運(yùn)算一次濾波、正弦、余弦、X-Y函數(shù)發(fā)生器、超前-滯后；比較先進(jìn)的算法有史密斯預(yù)估，C語言接口、矩陣加、矩陣乘；規(guī)律運(yùn)算有規(guī)律與、規(guī)律或、規(guī)律非、規(guī)律與非等。通常用站功能塊不僅把模擬量和開關(guān)量結(jié)合起來，還與人連系起來。功能塊越多，用戶編寫應(yīng)用程

10、序（即組態(tài)）越便利。組態(tài)根據(jù)工藝要求，把功能塊連接起來形成掌握方案。把掌握方案存在E2PROM中。由于E2PROM可以擦寫，組態(tài)要隨工藝轉(zhuǎn)變而轉(zhuǎn)變，所以把組態(tài)存在E2PROM中。不同用戶有不同組態(tài)。組態(tài)時(shí)，用戶從功能塊庫中選擇要的功能塊，填上參數(shù)，把功能塊連接起來。形成掌握方案存到E2PROM中。這時(shí)掌握器在組態(tài)方式，投入運(yùn)行后就成為運(yùn)行方式。 掌握器中安裝有操作系統(tǒng)，功能塊組態(tài)軟件和通訊軟件。 為了系統(tǒng)平安運(yùn)行，閉環(huán)掌握器肯定是冗余運(yùn)行的，一用一備，并且是熱備。為了使冗余勝利，應(yīng)留意以下幾點(diǎn)：兩個(gè)掌握器的硬件、軟件版本必需全都；檢查發(fā)送-接收的芯片是否完好；冗余的芯片是否完好。兩個(gè)模件的設(shè)定是否一樣、還要檢查有沒有帶手操站等。 通訊網(wǎng)絡(luò)把過程站和人機(jī)界面連成一個(gè)系統(tǒng)。通訊網(wǎng)絡(luò)有幾種不同的結(jié)構(gòu)行式。如總線式、環(huán)形和星形?？偩€形在規(guī)律上也是環(huán)形的。星形的只適用于小系統(tǒng)。不論是環(huán)形還是總線形，一般都采納廣播式。其它一些協(xié)議方式已用的較少。通訊網(wǎng)絡(luò)的速率在10M和100M左右。 人機(jī)界面有4種不同形式的結(jié)點(diǎn)，它們是操作站、工程師工作站、歷史趨勢(shì)站和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)服務(wù)器。 操作站安裝有操作系統(tǒng)、監(jiān)控軟件和掌握器的驅(qū)動(dòng)軟件。顯示系統(tǒng)的標(biāo)簽、動(dòng)態(tài)流程圖和報(bào)警信息。 工程師工作站給掌握器組態(tài)（CAD），也可以