DCS分散控制系统原理

DCS分散控制系统原理

第一讲绪论

DCS从1975年问世以来，大约有三次比较大的变革，七十年代操作站的硬件、操作系统、监视软件都是专用的，由各DCS厂家自己开发的，也没有动态流程图，通讯网络基本上都是轮询方式的；八十年代就不一样了，通讯网络较多使用令牌方式；九十年代操作站出现了通用系统，九十年代末通讯网络有部份遵守TCP/IP协议，有的开始采用以太网。总的来看，变化主要体现在Ｉ／Ｏ板、操作站和通讯网络。控制器相对来讲变化要小一些。操作站主要表现在由专用机变化到通用机，如PC机和小型机的应用。但是目前它的操作系统一般采用UNIX，也有小系统采用NT，相比较来看UNIX的稳定性要好一些，NT则有死机现象。I/O板主要体现在现场总线的引入DCS系统。

从理论上讲，一个DCS系统可以应用于各种行业，但是各行业有它的特殊性，所以DCS 也就出现了不同的分支，有时也由于DCS厂家技术人员工艺知识的局限性而引起，如HONEYWELL公司对石化比较熟悉，其产品在石化行业应用较多，而ＢAILEY的产品则在电力行业应用比较普遍。用户在选择DCS的时候主要是要注意其技术人员是否对该生产工艺比较熟悉；然后要看该系统适用于多大规模，比如NT操作系统的就适应于较小规模的系统；最后是价格，不同的组合价格会有较大的差异，而国产的DCS系统价格比进口的DCS 至少要低一半，算上备品备件则要低得更多。

DCS由四部份组成：I/O板、控制器、操作站、通讯网络。I/O板和控制器国际上各DCS 厂家的技术水平都相差不远，如果说有些差别的话是控制器内的算法有多有少，算法的组合有些不一样，I/O板的差别在于有的有智能，有些没有，但是控制器读取所有I/O数据必须在一秒钟内完成一个循环；操作站差别比较大，主要差别是选用PC机还是选用小型机、采用UNIX还是采用NT操作系统、采用专用的还是通用的监视软件,操作系统和监视软件配合比较好时可以减少死机现象；差别最大的是通讯网络，最差的是轮询方式，最好的是例外报告方式，根据我们的实验，其速度要相差七八倍。

第二讲DCS在选型中的几个问题

被控制对象确定以后，选用什么样的控制系统就成为重要问题。主要是根据项目规模和投资预算来考虑的，以数字技术为基础的DCS系统和早期的模拟仪表组成的控制系统，从工程项目的实施来看，本质差别不大，主要考虑项目规模和投资预算，但DCS与模拟仪表相比，它更为复杂，技术性要求更高，下面我来谈谈DCS系统选型中的几个问题。从理论上来讲，DCS可以用与不同的工艺过程，它是通用的，但是，DCS的制造厂家专长与某一领域。如：HOMEYWELL主要用于石化部门，BAILEY公司的N90、INFI90主要用于电力系统，ROSEMOUNT的RS3、Δ-V大多用于化工系统。但也不能否认不同工艺过程会有一些特殊要求，如：电厂一定要有电调设备和SOE，石化部门一定要有选择性控制，水泥行业一定要有大纯滞后控制补偿等，选型时也要考虑这些因素。

第二点就是经济性，应该从DCS本身价格和预计所创效益角度考虑。DCS有国产的和进口的，对相同档次而言，进口的控制功能强一些，有一些先进的控制算法，如Smith预估、三维矩阵运算等，国产DCS价格要比进口的低很多，也能满足技术要求。从结构上来看，国外DCS的控制器各厂家差别不太远，控制器的预置算法稍有差别，控制器与I/O板的连接方式也有所不同。而操作站区别较大。有以PC机为基础的，有以小型机为基础的，操作系统一般选用UNIX类系统。小型机的价格要比PC机高很多，进口小型机操作站的价格要高于四万美金，而且许多机型已经停产（如DEC公司的VAX机和α机）。PC机的操作站不到三万美金，它的操作系统采用NT，其稳定性没有UNIX好。小型机的接口采用SCSI，传输速率是串行的8倍之多。以NT操作系统作为操作站的，点数要少一些，不然会频繁死

机，国产的PC机更便宜得多，采用PC机操作站，可以采用最新的机型，操作人员对软件的安装、调试、联网和开发也要熟悉得多。监视软件有专用的也可以用通用的，通用的监视软件开放性要好一些，用户应按照项目的规模大小和预算资金来选择使用。

DCS比较贵的原因，除了上述理由外，还有控制器的电源系统，通常采用冗余供电，电源的引入和散热是价格贵的主要原因，各个DCS系统在这方面差别比较大。

把控制器和操作站联系起来的通讯网络也要考虑，如果采用通用的以太网，则网卡等价格很低，专用的网络接口很贵，最贵可以达到20000美金。

因此，经济性与很多因素有关，有时外商给你报价降下来，实际是改变了一些结构而已，并没有给你什么优惠，甚至他的利润还增加了。这时可取的办法是联系国内类似的单位和请教有经验的专家。

第三点就是承包方的技术力量，也就是承包方对哪一工艺过程和DCS本身比较熟悉。如经常做化工控制系统的承包商来做轧制的控制系统，他对活套的控制、卷曲的控制和张力的控制等就不太熟悉，做的工程就不会太好。如果承包方对DCS本身不熟悉，控制器做的太大时会产生死机。不少工厂都购买了不同厂家的DCS系统，我们称之为“八国联军”状态，此时更要选择技术力量比较强的单位抓总，而不宜选择某一个国外厂商作为承包商，第四点是售后服务，国外厂商通常情况下配品、备件供应价格高，且不能及时提供。DCS用户应选择厂商实力雄厚的，技术力量强的、境内技术支持好的厂家。计算机技术发展很快，DCS厂家也会不断更新它的产品，新旧产品兼容性要好才行，个别厂家新旧系统不兼容，系统升级时造成很大损失。国内的DCS厂家配品、备件供应比较及时，售后服务方面做的也比较好。

第五点是关于DCS的技术先进性，指系统采用了经过验证的最新技术，并有发展前途和生命力，包括DCS系统的开放和互联，现场总线的应用，第三方软件的支持等。这里要注意的一点是：有些厂家为了占领市场，把一些不成熟的产品推到第三世界，如五、六年前DCS缺少小型系统，有的厂家把不太成熟的小型系统推到用户，结果这270多套系统基本都已经提前退役。早在1983年，某外国公司推销的DCS，在电源出现故障并复电后，控制器的输出是任意的，此时阀门的位置就很危险，这种产品本不能出厂，但还是卖给了我们国家，结果购买单位基本上没有运行。

总之，DCS从七五年到现在已经有二十多年的应用历史了，可靠性方面基本都能达到要求，建立系统时选型是一个非常重要的环节，我们不但主要考虑项目规模和投资预算，还要考虑到一系列其它的因素，选型是否恰当往往从一开始就决定了该系统今后的命运，万万不可掉以轻心。

第三讲DCS操作站

DCS系统包括三大部分：带I/O部件的控制器、通讯网络和人机接口．人机接口包括操作站、工程师站和历史站。控制器I/O部件和生产过程相联接，操作站和人相联系，通讯网络把这两部分联成系统。所以操作站是DCS的重要组成部分，工程师站给控制器和操作站组态，历史站记录生产过程的历史数据。

一个DCS系统控制器和I/O部件通常可以运行16-20年，而操作站因为有活动部件，还有一些相互的电磁干扰，所以比较容易损坏，如：硬盘、键盘、CRT、软驱等，运行6-8年后出现故障的概率就比较大，据初步统计最长的也只能运行十年左右。所以在DCS运行过程中，更新操作站的情况比较多。

DCS的控制器的变化较小。其变化表现在控制算法的安排、控制算法的多少，存取的I/O 点数的多少和内存的大小等，它随着硬件的进步而做相应的更改，操作系统一般都是专用的。操作站的变化就很大，八十年代以前的操作站，一般没有硬盘及动态流程图，能显示的标签数比较少，例如500个标签（标签指的是AI、DI、回路、开关量的逻辑关系等），八十年

代出现了能显示5000个标签的操作站，九十年代出现了能显示30000个标签的操作站，同时，也出现了在微软的NT通用平台上运行的通用显示软件，开始，通用软件只在PLC的操作站上使用，后来也逐渐应用在DCS上，它的标签量可以达到10000个。

DCS操作站发展的过程（以BAILEY的操作站为例）如下：

一．八十年代初，N90的操作站是OIU系列，当时是无硬盘、无动态流程图的，标签量500。后来增加了硬盘和流程图，标签量1400-5000点。八十年代中期推出了MCS系列，标签量10000，特别是MCSPULS，它是SCSI接口，可以有30000个标签点，当时在DCS 市场上处于领先地位。1986年，BAILEY产品占世界DCS市场的1/3。到1988年，共有8500套在世界各国运转。到了90年代，DCS市场争夺激烈，BAILEY无论在技术上还是在销售方面都不象80年代那样令人瞩目,于是BAILEY公司欲通过收购FISCHER&PORTER、HARTMANN&BRAUN等公司销售他们的系统来重铸辉煌。

BAILEY的控制器和通讯网络都比较好，但在操作站上面，不能与竞争者相比，BAILEY 最新的操作站是以WINDOWS NT、通用微机为基础的Conductor NT。实际上，该操作站不是为INFI-90开发的，它是FISCHER-PORTER的系统6的操作站，用它的监控软件嵌入和INFI-90通讯的驱动软件而成。由于销售量不大，磨合的机会少，问题比较多，死机现象严重。OIS40系列的操作站运行在DEC的VMS平台上。实际上，它仍然是在MCS操作站的MTOS操作系统平台上，开发了一个与VMS通讯的驱动软件，因为80年代的OIU和MCS在80年代末都已经停止销售。BAILEY只卖OIS20系列和OIS40系列。

OIS20系列是90年代初推向市场的，它本质上是MCS，但它们能与INFI-90通讯。它的开发、制造成本都比较低，性能也比较好。OIS20系列的辅站不是用网络来传输信息的，只是在主站上多加了1块显卡来实现辅站的功能。后来因维护成本很高，硬盘和软驱都难以买到，用户反映不太好。

继OIS20系列，BAILEY公司推出了OIS41、OIS42，在操作站之间增加了以太网卡，组成后门网络，可以实现打印机共享。把图形传给不同主站的能力也有所增强，也给用户提供了开发打印系统的空间，这是后话。由于OIS40、OIS41、OIS42主机性能较差，所以操作站的性能提高不明显。直到OIS43 Alpha芯片的出现，性能才得到提高。

同时，加拿大BAILEY公司开发了PCV，它是以PC为基础的操作站，采用QNX操作系统。因为它的标签量较少，价格低廉，运行稳定，故适用于小系统的使用，这就是BAILEY 的OIS10系列，版本5以前，只有文本没有图形。版本5以后既有文本也有图形。OIS11操作站后门之间用ARCNET联网。OIS12既可用ARCNET也可用以太网联网。

由于OIS40系列软件结构复杂，故价格较高，更重要的一点是DEC公司被COMPAQ 公司兼并，Alpha机255/233停止生产，这给BAILEY公司和用户无疑是雪上加霜。

二. 八十年代中期，因为PLC操作站的开发都不太成功，一些软件公司就开发了通用的监控软件，且很快就被PLC制造厂家所采用。如：FIX

INTOUCH、ONSPEC等（一共有上百种），由于市场前景较好，所以软件开发商又开发了许多PLC的驱动软件。到了九十年代，又开发了DCS的驱动软件。最早采用通用工控监控软件的是MOORE公司的APEC系统，它既可以用INTOUCH也可用FIX，以FIX软件为基础的操作站也应用在Fisher Rosmont DeltaV and Toshiba DCS系统上，由于INFI-90系统在九十年代一直没有推出比较优秀的操作站，故PREVISE公司推出了OPsCon操作站。

OPsCon操作站运行在PC硬件平台，NT操作系统下。把FIX作为监控软件，并开发了能与多种DCS通讯的对应驱动软件，标签量为10000个。因为FIX软件在世界各地已经销售了90000套，它与各种PLC、DCS和NT系统磨合较好，这种监控软件只要开发出多种PLC、DCS的驱动软件就可以成为通用操作站。2000年开始应用在INFI-90系统上。如：新西兰的一家造纸厂，原来已经运行有CONDUCT NT，后来还是改用OPsCon。

通用操作站的功能不仅具备专用操作站的功能，如：绘制动态流程图、报警、实时趋势和历史趋势，DCS参数调整、模件诊断、模件编程等。如：OPsCon的工程师站新增的功能在于不仅能给模件编程，还可以读取模件的编程。通用操作站的出现，给DCS用户带来了以下方便：

１、不必再为原DCS生产厂家是否倒闭、被兼并。该型产品是否已经停产、备件是否能够找到而操心。

２、由于通用操作站的适用面广，相对生产量大，成本下降，因而可以节省用户的经费。维护费用也比较少。

３、采用通用系统要比使用各种不同的专用系统更为简单，用户也可减少人员培训的费用。

４、更新和升级容易。

５、开放性能好，很容易建立生产管理信息系统。

因此，通用操作站是DCS的发展方向。

第四讲动态数据服务器

DCS系统属于基础自动化，MIS系统侧重于办公自动化。这两者在反映速度上的区别很大，DCS是属于秒级的，而MIS是以小时或更长时间为单位的。所以这两者之间必须要有隔离设备，这个隔离设备就是动态数据服务器。它的功能是生产过程监控；历史数据的存储及管理；统计质量控制；设备预防性维护；设备故障诊断；生产优化等。

DCS、PLC采集现场的生产过程数据通过通讯网络把数据传给操作站和动态数据服务器。动态数据服务器是采集生产全过程的模拟信号或逻辑信号，所以它的采集速度是海量的。要经过数据淘金，将信号送到生产管理部门。

通常情况下，一个企业往往有几种不同牌号的DCS、PLC，要把这几种信号都集中到动态数据服务器中，最好要选择一个通用显示平台。在这个平台上来显示不同型号的DCS、PLC的信号。通用显示平台可采用FIX、INTOUCH、组态王、Synall等软件，开发各种DCS 和PLC的驱动软件。

最近出厂的DCS采用通用操作站，它采用NT操作系统，监控软件就是FIX、INTOUCH. 不同DCS型号采用不同的驱动软件。各种DCS之间信号传输采用OPC服务器联接，也可以把少量的信号送到MIS系统的服务器中。FIX、INTOUCH等软件都能存储历史数据，几十个信号可存储280天之多。如要存储更多的历史数据，可以采用OSI历史数据库，它可以存储三年以上。这些通用监控软件都有OSI的接口。老一代的DCS系统的操作站无论操作系统还是监控软件都是专用的，和其它系统通讯都非常困难。如要建立系统间的互联，通过计算机接口单元建立动态数据服务器，监控软件仍然可以使用通用的，在NT平台上运行，但它的数据只能上行，不能下行。在设计MIS系统过程中，最好使用动态数据服务器，不要把DCS和PLC数据直接送到Web否则会影响到DCS、PLC的正常运行。至于究竟需要建立多少个动态数据服务器，由所需采集的数据量和数据安全决定。一般情况下，可达10000点。

第五讲DCS的通讯网络堵塞和人机界面死机现象

在DCS的通讯网络上连接有几种不同的结点，它通常分为两大类。一类是直接与生产过程通过I/O板连接起来的结点，我们称之为控制器。控制器根据功能不同又可以分为数据采集控制器和回路控制器，两者可以合为一个结点。另一类结点是与人机相连的，称为人机界面。它们通过通讯网络采集控制器中的数据。根据功能又分为操作站，这是工厂运营的主要设备，它既要从控制器中读取数据，又要将运营人员的意图送给控制器，所以数据传输是双向的。人机界面的另外几种结点分别是工程师工作站、历史趋势站和动态数据服务器。工程师工作站通常只在系统投运前，把存储在控制器中的各种算法按照生产要求连接起来，并

填进参数最后下装给控制器，它是组态用的工具，系统投运以后可以离线。工程师站的工作区别于用算法语言编程，称之为组态。

控制器的存储器中存有各种控制算法，如：PID、加、减、乘、除、三角函数、矩阵运算、先进算法史密斯预估器，与BASIC、C语言接口等。如果操作站中的监控软件作图功能不能满足要求，也可由工程师站做动态流程图，然后装载给操作站。

为了DCS的控制器和操作站的升级，不改变组态，由逆向工程师站读取控制器组态。然后下装给升级后的控制器。逆向工程师站的另外一个功能是为了查找故障，读取控制器组态供分析使用。

人机界面的另一个重要结点是动态数据服务器，它是DCS和MIS系统的接口，是DCS 和Web的隔离设备。它的特点是数据只能上行，不能下行，而且存储的数据量是海量的。历史趋势站和动态数据服务器类似，它的功能可以合并到动态数据服务器上，也可以单独成为一个结点。

在系统刚投入运行时，由于系统组态不完善，经常发生网络堵塞。但投运一段时间后，就很少发生网络堵塞。

近来，由于MIS系统需要从DCS中读取生产实时数据。在网络中接进动态数据服务器，网络堵塞现象就变得十分频繁，并使得各种人机界面的结点死机现象很严重。网络堵塞现象的严重程度与多种因素相关。

当结点连到DCS的通讯网络上时，通常有一个网络接口，控制器把数据送到接口。人机界面从网络接口读取数据，读取数据应遵守网络通讯协议。网络物理结构有环形和总线两种，总线网络在逻辑上也是环形的。星形网络只用于小系统（100个I/O点内）。常用的通讯协议是广播式的，在网络上的结点，只要把数据送到网络上，它就要不断广播数据，需要数据的结点就接收数据。广播式协议的网络除了这种方式以外，还有一种方式：一个结点向网上的其他结点问询数据，但如果其他结点没有这个数据，它就反复进行问询工作，直至读取到这个数据。那么如果网络上根本没有这个数据，就会造成网络堵塞。

操作站死机现象，不管何种DCS系统，在DCS七十年代问世以来，都不同程度的存在死机现象。操作站主要软件是操作系统、监控软件和控制器的驱动软件。早期的DCS系统，所有这三个软件都是由DCS厂家自行开发的，或者说是专用的。这三个软件可能有不相配的地方，所以在运行时产生死机，特别是键盘操作时几个特殊键按下时，就会产生死机。另外一种情况是：有的DCS系统、监控软件从其它系统移植过来，DCS制造厂家只开发一个驱动软件。这种情况下，由于DCS销售量小，软件之间配合问题没有得到充分暴露，死机就更为频繁。

动态数据服务器不是系统刚投运时就存在的，许多DCS用户是最近几年根据需要才添加的。DCS运行时间比较长的情况下，工厂的维护人员不断更替，控制器的组态也不断变化，但有一个现象是：组态只加不减，有一部分组态实际上已没有与真正的I/O点相连。而动态数据服务器接入时，欲将DCS上所有数据点都读上去，而其中有很大数量的数据点是无效的，因而造成网络堵塞，所以人机界面就发生死机现象。这时可以用逆向工程师站读取控制器中的组态，与正向工程师站的内容进行比较，删除无效点，就可以避免网络堵塞和死机现象。

另一个应注意的问题是在接入动态数据服务器时，应检查所有接口的软件版本是否一致。否则也会影响数据的传递。

解决网络堵塞的第三种方法是：如果采用例外报告的方式，可将例外报告的区域加大一些，以减少网络的通讯量。例外报告的意思是现场的某点只在发生变化时把数据送到网络上，如果不发生变化就不会传送。但为了防止点已经坏而人机界面不知道的情况。所以，即使点不变化，超过一段时间也要报告。为了减少网络上的数量，把例外报告的二个参数都适当加

大，也能达到减少数据量的目的。

最近几年推出的通用操作站，大多采用NT操作系统，监控软件也采用通用的，如：FIX、INTOUCH等。由于软件的销售量大，软件存在的问题较少。通用操作站的开放性能好，死机现象会大大减少。无论维护成本、备件采购都不受DCS制造厂家的限制。这是DCS的一大进步。

第六讲DCS操作站部件更换技巧和DCS的打印系统

1995年以前从国外进口的DCS系统据不完全统计，大约近3000套、20多种不同型号的DCS系统，它们分别来自于美国、日本和欧洲。有的系统是专用的，它随主设备一起进入我国。如造纸厂的一些控制系统如Measurex ODX，它可能随造纸主设备进入我国。大部分DCS是直接进入我国。又如欧陆的系统6000，它是集成的DCS系统。回路控制器作过程控制用，人机界面采用PARAGON软件作为监控软件。利用PC机的串形口，把PLC也接进HMI中。同一厂家又有几种不同型号的DCS，这是由于系统升级或系统规模不同而设计的不同型号的系统。把同一厂家的放在一起，观察几种DCS系统在中国的使用情况。用户有几十套以上的有以下几种系统：TDC3000（TDC2000、R150、S9000）、μXL、（CENTUM）、I/A（SPECTRUM）、N90（INFI90）、PROVAX、RS3(ΔV)、APACES、MOD300（MOD Ⅲ）、AC450（AC210、AC500）、WDPF、HIACS、TELEPUM和MAX-1（MAX-1000）。还有一些系统不到10个用户的，如PROCONTROL P14，全国只有4套，D/3只有5套，TOSDIC系统在全国的用户也不多。无论在中国的用户多还是少，这些DCS系统的共同特点是人机界面的许多部件也都是从第三方购买的，不是自己生产的，现在大部分部件都已经停止生产。如有的DCS操作站主机采用DEC公司的VAX机或α机，在96年DEC已被COMPAQ公司兼并，到现在已经停产5年，不仅机器不生产，而且连芯片也不生产。如果现在仍然进口这样的DCS，备件将会成为很困难的事情。

又如操作站使用的硬盘，与硬盘的接口大都是ST412接口(像ST225、ST4096、ST4097、XT1085等)或IDE接口，这种硬盘体积大，但容量小。目前已停产多年。当操作站的硬盘损坏时，购买原配硬盘会比较困难，只能用与原硬盘同系列的，BIOS稍加修改后的硬盘代替。少量的SCSI接口的硬盘购买要容易一些。还有低分辨率的CRT，一般都是RGB输入，目前市场上的CRT无法与大部分DCS操作站相连，一旦CRT发生故障，操作站无法发挥作用。解决的办法是需要接一个转换器后才能用现在的显示器和DCS操作站相连，用来显示DCS系统的信息。又如ARCHIVE磁带机，TEAC软驱等都无法买到。寻找旧产品是很困难的事情。即使找到，也不一定用的上。如硬盘还需要低格或初始化等。

如果还想用原来的操作站主机，就需要配上能兼容的硬盘、CRT、键盘等。80年代进口的DCS，即使是DCS的生产厂家，有时也无法供应部分备件。有时能供应，但到货的时间特别长，无法满足紧急要求。其价格可以说是天价。因为这些部件DCS厂家也是从第三方购进的，也需要去寻找，使的供货时间很长。每个部件如硬盘、CRT、磁带机等都要在几万甚至十几万人民币。如换主机，就需要几十万人民币。所以说, 购买这些部件还需要有新的思路。更换主机的话，有时甚至不如把原来操作站去掉，换上新的通用操作站。

值的一提的是各DCS系统的专用打印机，像能打图形的GENICON打印机，它的打印头、色带等很难买到。又如原DCS配的报警打印机，系统中只要有报警发生，打印机就会不停的打印，而且报警的产生次序没有存储，不能查出哪一个报警是最先发生的，一些有用的信息淹没在海量的无用的信息中。不仅浪费大量的打印纸，而且有用信息很难提取出来。

打印系统就是在上述背景下开发的，打印软件用于各类DCS系统的打印管理系统。该打印系统可以与各类DCS系统的操作站相联，构成打印信息管理系统，包括在线报警记录，屏幕拷贝及事件列表等。不仅可以完全替代专用打印机，而且还兼有存储、查询等功能，从而更适合现场应用。每一套打印系统可以与4台DCS操作站相联。

打印管理系统其核心是打印管理软件，把它安装在普通PC机上，在WINDOWS平台上运行。为保证数据安全，采用RAID技术，双硬盘冗余运行。该软件是为改善计算机自动控制DCS操作站的打印功能，加强信息的存储、查阅和拷贝能力而开发的一套打印信息管理软件，具有功能强，界面友好，操作方便等特点。使用它可以从根本上避免过去只使用打印机时，由于打印机故障而经常造成信息丢失的现象，也可以从根本上避免有用信息淹没在大量无用信息中。使用可以将操作站的打印输出信息长期地以文件形式保存在硬盘上（视硬盘容量及打印信息量的大小，可达数月甚至数年），也可将其拷贝到其它存储设备（如：光盘等）上。

打印系统可以自动识别操作站信息中的报警记录、控制操作、统计报表、事件触发报表、画面拷贝及组态列表等内容，并分别进行处理。使用它可以实时地观察到操作站的报警记录、控制操作、统计报表、事件触发报表、画面拷贝及组态列表等内容，并分别进行处理；并可以实时地观察到操作站的报警记录和控制操作等需要即时响应的数据和状态，也能方便地查阅已经接受到的所有记录。既可以使用“离线打印”对已经接收到的信息进行有选择地打印，又可以使用“在线打印”将操作员站的打印内容立即输出到打印机上。

打印系统的工作原理是：各个打印机厂商生产的打印机都有与WINDOWS操作系统相联的驱动程序。而原DCS的大部分操作站的操作系统是专用的，它们只有特殊几种打印机的驱动程序。市场上常用的打印机它们没有驱动程序，所以是连不上的。实际上，打印系统软件的任务是编写WINDOWS操作系统的反驱动软件，就是使DCS操作站来的信号能在WINDOOWS环境下识别。然后通过WINDOWS的驱动程序去连接常用的打印机。打印系统软件要识别不同的数据格式，因为原连接不同型号的DCS操作站的打印机有它们自己的数据格式，如ANSI格式、IBM格式等，在打印系统连接到操作站之前，弄清它的数据格式，使这种数据格式在WINDOWS环境下工作。打印系统软件应编写`多种数据格式的反驱动软件。另外，打印图形和打印文本的软件差别很大。仅打印文本，其软件比较简单，打印图形比较复杂。比如采用HP打印机打印图形，首先弄清是点阵格式还是页扫描格式。大部分Hp打印机是页扫描方式，软件要解释PCL指令，打印机就能打印操作站屏幕上的图形。如果不是HP打印机，就要解释别的指令。

打印系统软件国外和国内都有产品，经使用运行都很好。

DCS打印系统

第七讲DCS的基本结构和PLC的区别

DCS为分散控制系统的英文（TOTAL DISTRIBUTED CONTROL SYSTEM）简称。指的是控制危险分散、管理和显示集中。60年代末有人研制了作逻辑运算的可编程序控制器

（Programmable Logic Controller）。简称PLC。主要应用于汽车制造业。70年代中期以完成模拟量控制的DCS推向市场，代替以PID运算为主的模拟仪表控制。首先提出DCS这样一种思想的是原制造仪表的厂商，当时主要应用于化工行业。后又有计算机行业从事DCS 的开发。

70年代微机技术还不成熟，计算机技术还不够发达。操作站、控制器、I/O板和网络接口板等都是DCS生产厂家自行开发的，也就是所有部件都是专用的。

70年代初，有人用如PDP/1124这样的小型机代替原来的集中安装的模拟仪表控制。连接到中央控制室的电缆很多。如用小型机既作为控制器、同时把连接小型机的CRT又作为显示设备（即人机界面）。一台小型机需接收几千台变送器或别的传感器来的信号，完成几百个回路的运算。很显然其危险有点集中。和模拟仪表连接的电缆一样多，并且一旦小型机坏了，控制和显示都没有了。数字控制没有达到预期的目的。

后有人提出把控制和显示分开。一台计算机完成控制计算任务，另一台计算机完成显示任务。另外，一个工艺过程作为被控对象可能需要显示和控制的点很多，其中有一些还需要闭环控制或逻辑运算，工艺过程作为被控对象的各个部分会有相对独立性，可以分成若干个独立的工序，再把在计算机控制系统中独立的工序上需要显示和控制的输入、输出的点分配到数台计算机中去，把原来由一台小型机完成的运算任务由几台或几十台计算机（控制器）去完成。其中一台机器坏了不影响全局。所谓“狼群代替老虎”的战术，这就是危险分散的意思。把显示、操作、打印等管理功能集中在一起，用网络把上述完成控制和显示的两部分连成一个系统。当时有人把这种系统称为集散系统。

危险究竟要分散到多少算合适呢？这与当时的计算机技术的发展水平有关。70年代中期，彻底分散就是一个控制器完成一个回路的运算。当时由于人们对数字技术不太熟息，习惯于模拟仪表，70年代末、80年代曾经风行回路控制器，把数字控制器做成和原来模拟仪表在外观上几乎完全一样，不改变操作习惯，内部把PID运算数字化。一块仪表（一台计算机）完成一个回路的控制任务。其价格较为昂贵，但危险是分散了。然后用通讯网络把各个控制器和以CRT为基础的人机界面连成一个系统。这时网络结构通常都是星形结构。回路的控制器的制作成本太高，价格/性能比不好。后来为了减低成本，就有两回路的、四回路的控制器，它的价格/性能比稍好一些。对于一个大中型系统来说，DCS的价格/性能比比回路控制器组成的系统要好。有些特殊地方还是要用到一些回路控制器。

如果所要完成的回路太多，如一个控制器采集几千点、完成几百个回路的运算，危险又太集中。在这种情况下，危险必需分散。随着计算机技术的发展，计算机的运算能力、存储容量和可靠性不断提高，一台计算机所完成的任务也可以增加。完成的任务也可集中一点。另外，控制器、网络等冗余技术也得到了发展，控制运算也可集中一些。

从目前的DCS来看，一个控制器完成几十个回路的运算和几百点的采集、再加适量的逻辑运算，经现场使用，效果是比较好的。这就产生控制器升级的问题了。有时控制器和检测元件的距离还是比较远，这就促进现场总线的发展。如CAN、LOONWORKS、FF等现场总线，以及HART协议接收板等都用到DCS系统中。

DCS分为三大部分，带I/O板的控制器、通讯网络和人机界面（HMI）。由I/O板通过端子板直接与生产过程相连，读取传感器来的信号。I/O板有几种不同的类型，每一种I/O 板都有相应的端子板。

l 、模拟量输入，4-20毫安的标准信号板和用以读取热电偶的毫伏信号板；4-16个通道不等；

2 、模拟量输出，通常都是4-20毫安的标准信号，一般它的通道比较少，4-8个个通道；

3 、开关量输入；16-32个通道：

4 、开关量输出，开关量输入和输出还分不同电压等级的板，如直流24伏、125伏；

交流220伏或115伏等；8-16个通道不等；

5 、脉冲量输入，用于采集速率的信号；4-8通道不等；

6 、快速中断输入；

7 、HART协议输入板；

8 、现场总线I/O板；

每一块I/O板都接在I/O总线上。为了信号的安全和完整，信号在进入I/O板以前信号要进行整修，如上下限的检查、温度补偿、滤波，这些工作可以在端子板完成，也可以分开完成，完成信号整修的板现在有人称它们为信号调理板。

I/O总线和控制器相连。80年代的DCS由于控制器的运算能力不强，为了增加I/O点数，把控制器的任务分开，实际上是有三种类型的控制器。即：完成闭环运算的控制器、模拟量数据采集器和逻辑运算器。它们分别有自己的I/O总线，各种DCS的I/O总线各不相同。如果要求快速，最好采用并行总线。一般采用串行总线比较多。尤其是RS485总线较多，模拟量数据采集器和逻辑运算器的I/O点数可以多一些。

闭环控制器、模拟量数据采集器和逻辑运算器可以和人机界面直接连在通讯网络上，在网络上的每一个不同的控制器作为网络上的一个独立结点。每一个结点完成不同的功能。它们都应有网络接口。有的

DCS为了节省网络接口，把所有的过程控制用的设备即闭环控制器、模拟量数据采集器和逻辑运算器预先连在控制总线上，称为过程控制站。这可以增加过程控制站能接收的I/O点数，又能节省接口。然后再通过接口连到网络上，与人机界面相连。随着计算机计术的发展，控制器的运算能力不断增强，如PC机做的一个控制器能力很强，既可接收模拟量运算，也接收开关量逻辑运算。一个控制器成为网络上的一个结点。通过网络与人机界面相连。

控制器是DCS的核心部件，它相当于一台PC机。有的DCS的控制器本身就是PC机。它主要有CPU、RAM、E2PROM和ROM等芯片，还有两个接口，一个向下接收I/O总线来的信号，另一个接口是向上把信号送到网络上与人机界面相连。ROM用来存贮完成各种运算功能的控制算法（有的DCS称为功能块库）。在库中存功能块，如控制算法PID、带死区PID，积分分离PID，算术运算加、减、乘、除、平方、开方、函数运算一次滤波、正弦、余弦、X-Y函数发生器、超前-滞后；比较先进的算法有史密斯预估，C语言接口、矩阵加、矩阵乘；逻辑运算有逻辑与、逻辑或、逻辑非、逻辑与非等。通常用站功能块不仅把模拟量和开关量结合起来，还与人连系起来。功能块越多，用户编写应用程序（即组态）越方便。组态按照工艺要求，把功能块连接起来形成控制方案。把控制方案存在E2PROM中。因为E2PROM可以擦写，组态要随工艺改变而改变，所以把组态存在E2PROM中。不同用户有不同组态。组态时，用户从功能块库中选择要的功能块，填上参数，把功能块连接起来。形成控制方案存到E2PROM中。这时控制器在组态方式，投入运行后就成为运行方式控制器中安装有操作系统，功能块组态软件和通讯软件。

为了系统安全运行，闭环控制器一定是冗余运行的，一用一备，并且是热备。为了使冗余成功，应注意以下几点：两个控制器的硬件、软件版本必需一致；检查发送-接收的芯片是否完好；冗余的芯片是否完好。两个模件的设定是否一样、还要检查有没有带手操站等。

通讯网络把过程站和人机界面连成一个系统。通讯网络有几种不同的结构行式。如总线式、环形和星形（见图）。总线形在逻辑上也是环形的。星形的只适用于小系统。不论是环形还是总线形，一般都采用广播式。其它一些协议方式已用的较少。通讯网络的速率在10M 和100M左右。

人机界面有4种不同形式的结点，它们是操作站、工程师工作站、历史趋势站和动态数

据服务器。

u 、操作站安装有操作系统、监控软件和控制器的驱动软件。显示系统的标签、动态流程图和报警信息。

u 、工程师工作站给控制器组态（CAD），也可以给操作站组态（作动态流程图）。如果监控软件作图能力很强，作图工作可以由监控软件独立完成。工程师站的另外一个功能是读控制器的组态，用于控制器升级，查找故障。我们称之为逆向工程师站。

u 、历史趋势站用于存储历史数据，一般用磁盘阵列（称为RAID技术）。

u 、动态数据服务器是DCS和MIS系统的接口，也是DCS和Web的隔离设备。

DCS和PLC的设计原理区别较大，PLC是由摸仿原继电器控制原理发展起来的，70年代的PLC只有开关量逻辑控制，首先应用的是汽车制造行业。它以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令；并通过数字输入和输出操作，来控制各类机械或生产过程。用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求，并事先存入PLC的用户程序存储器中。运行时按存储程序的内容逐条执行，以完成工艺流程要求的操作。PLC的CPU 内有指示程序步存储地址的程序计数器，在程序运行过程中，每执行一步该计数器自动加1，程序从起始步（步序号为零）起依次执行到最终步（通常为END指令），然后再返回起始步循环运算。PLC每完成一次循环操作所需的时间称为一个扫描周期。不同型号的PLC，循环扫描周期在1微秒到几十微秒之间。程序计数器这样的循环操作，这是DCS所没有的。这也是使PLC的冗余不如DCS的原因。DCS是在运算放大器的基础上得以发展的。把所有的函数、各过程变量之间的关系都作成功能块（有的DCS系统称为膨化块）。70年代中期的DCS只有模拟量控制。如TDC2000系统，一个控制器一秒钟内能完成8个PID回路的运算。首先应用的是化工行业。DCS和PLC的表现的主要差别是在开关量的逻辑解算和模拟量的运算上，即使后来两者相互有些渗透，但是还是有区别。80年代以后，PLC除逻辑运算外，也有一些控制回路用的算法，但要完成一些复杂运算还是比较困难，PLC用梯形图编程，模拟量的运算在编程时不太直观，编程比较麻烦。但在解算逻辑方面，表现出快速的优点，在微秒量级，解算1K逻辑程序不到1毫秒。它把所有的输入都当成开关量来处理，16位（也有32位的）为一个模拟量。而DCS把所有输入都当成模拟量，1位就是开关量。解算一个逻辑是在几百微秒至几毫秒量级。对于PLC解算一个PID运算在几十毫秒，这与DCS的运算时间不相上下。大型PLC使用另外一个CPU来完成模拟量的运算。把计算结果送给PLC的控制器。不同型号的DCS，解算PID所需时间不同，但都在几十毫秒的量级。如早期的TDC2000系统，1秒钟内完成8个回路的控制运算。随着芯片技术的发展，解算一个算法的时简在缩短。解算一个算法所需时间与功能块的安排方式和组态方式有关。

在接地电阻方面，对PLC也许要求不高，但对DCS一定要在几欧姆以下（通常在4欧姆以下）。模拟量隔离也是非常重要的。在有爆炸危险的地方，应配置本质安全栅。

相同I/O点数的系统，用PLC比用DCS，其成本要低一些（大约能省40%左右）。PLC 没有专用操作站，它用的软件和硬件都是通用的，所以维护成本比DCS要低很多。一个PLC 的控制器，可以接收几千个I/O点（最多可达8000多个I/O）。DCS的控制器，只能几百个I/O点（不超过500个I/O）。如果被控对象主要是设备连锁、回路很少，采用PLC较为合适。如果主要是模拟量控制、并且函数运算很多，最好采用DCS。DCS在控制器、I/O板、通讯网络等的冗余方面，一些高级运算、行业的特殊要求方面都要比PLC好的多。PLC由于采用通用监控软件，在设计企业的管理信息系统方面，要容易一些。

特别要指出的是，DCS的专用操作站，不是天经地义的。它是由历史原因形成的。DCS 厂家如再不开放操作站，与工厂的管理信息系统连网，个别DCS就有从市场中消失的危险。

随着新技术的诞生，负面影响也跟着而来。新操作站的开放，病毒和黑客容易侵入到系统。在作设计时，在操作站上设置密码，系统多加隔离和防火墙。把负面影响减到最小。

总线网络DCS

环形网络的DCS

星型网络DCS